CC BY
54
В.А. Ермолов
Московский государственный горный университет
A.Н. Быховец, Ковдорский ГОК
B.К. Гончарук, Вяземский ГОК
АКТУАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОСВОЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ
Горнодобывающие предприятия, спроектированные и созданные исходя из стандартов и требований прошлых лет, продолжают и в настоящее время работать в многоотходном режиме. В результате накоплено более 18 млрд т отходов горнометаллургического производства, в том числе 14 млрд т хвостов обогащения. В производство же ежегодно вовлекается лишь 14% годового образования отходов горного производства, 10% отходов обогащения и 10% отходов металлургического производства [3,6].
При добыче и обогащении минерального сырья величина потерь достигает 25-30% и обусловлена как химическим, минеральным составом и структурнотекстурными особенностями руд и вмещающих пород, так и несовершенством применяемых технологий добычи, рудопод-гоговки и переработки сырья. Кроме того, значительная часть попутных компонентов в рудах содержится в виде изоморфных примесей и часто ввиду некомплексности использования сырья переходит в те или иные продукты и отходы обогащения.
Специфика горнопромышленных отходов предприятий, цели и задачи их оценки. В количественном отношении это наиболее многотоннажные виды отходов. Накапливаясь в течение периода эксплуатации горно-обогатительного предприятия, они имеют непостоянный состав и пространственное распределение, претерпевают значительные качественные изменения. В связи с
этим для ресурсной оценки отходов необходимо проведение разведки и опробования, а также разработки методов моделирования пространственно-качественной
структуры хвостохранилища как объекта промышленного использования.
Вовлечение горнопромышленных отходов в переработку должно базироваться на определении возможных направлений и объемов использования: установлении ресурсных характеристик объекта (текущий и перспективный выход, запасы, емкость хво-стохранилищ, затраты на складирование и т.д.); определении качественных и физикомеханических параметров вторичного сырья, а также закономерностей их пространственной локализации; установлении и обосновании нормативных показателей для геоэкологической оценки сырья и экологической безопасности района хвостохранилища [1,2].
При этом следует учитывать особенности горнопромышленных отходов по сравнению с природным (первичным) минеральным сырьем. Если первичные минеральные ресурсы во всех случаях оцениваются запасами в недрах, то отходы одного и того же вида могут характеризоваться накопленными запасами (в хвостохранилищах и отвалах), текущим и ожидаемым выходам -годовым и суммарным. Последний определяется масштабами и темпами развития горно-обогатительного производства. Так, для полезных ископаемых, находящихся в составе вскрышных пород, ожидаемый вы-
ход представляет те запасы, которые находятся в контурах карьерного (рудничного) поля. Для отходов рудоподготовки и обогащения - это суммарный объем за срок отработки запасов основного полезного ископаемого на данном месторождении. Для целей утилизации учет форм нахождения горнопромышленных отходов крайне необходим, поскольку с этим связано существенное различие качественных показателей сырья.
При оценке горнопромышленных отходов необходимо учитывать специфику использования различных видов отходов. Здесь возможны следующие варианты, обусловливающие особенности оценок эффективности использования отходов: прямая замена первичного (традиционного) сырья отходами, связанная с идентичностью некоторых основных их свойств; частичная замена исходного сырья при условии дополнительной технологической переработки отходов с доизвлечением полезных компонентов; возвратное использование отходов в рамках данного целевого производства.
Именно эти особенности обусловливаю!' специфику, сущность и состав задачи геологического обеспечения разведки и освоения техногенных месторождений, основными из которых являются [2,5];
• диагностика направления использования и паспортизация сырья техногенных образований;
• моделирование пространственнокачественной структуры лежалых хвостов техногенных массивов;
• статистический анализ, контроль и прогнозирование качества хвостов текущей переработки руд;
• прогнозирование качества сырья и лежалых хвостов;
• геолого-технологическое и геоло-го-экологическое районирование техногенных образований;
• геолого-промышленная оценка техногенных образований;
• учет состояния и движения запасов сырья техногенных образований при их формировании и разработке.
Такой подход к изучению и оценке вторичного минерального сырья дает возможность определить приоритетность использования различных видов горнопромышленных отходов, а также прогнозировать изменение показателей эффективности малоотходных технологий с учетом экологических требований к охране окружающей среды.
В настоящее время на кафедре геологии Московского государственного горного университета выполнены исследования на Вяземском, Ковдорском, Соколовско-Сар-байском и других техногенных объектах. Ниже приведены результаты исследований, позволившие сформулировать научнометодические основы моделирования и оценки техногенных месторождений.
Геолого-технологическая диагностика техногенных образований связана с анализом состава и обоснованием номенклатуры показателей качества их сырья. По отношению к различным свойствам отходов исходя из цели оценки качества, условий переработки отходов и их дальнейшего использования, выделены следующие группы показателей; назначения, технологичности, сохраняемости, экологичности, точности, надежности и стабильности.
Под показателями назначения понимается химический и минеральный состав техногенного образования, обусловливающий направление дальнейшего использования отходов рудообогащения. Показатели технологичности характеризуют эффективность переработки отходов. К ним относятся: обогатимость минералов; содержание вредных примесей окисленных фаз; гранулометрический состав хвостов; плотность различных фракций, структурно-текстурные особенности хвостов; физико-механические свойства отходов обогащения и др.
К показателям экологичности относятся химические элементы или их соединения (содержание которых в отходах обогащения превышает нормы ПДК), представляющие экологическую опасность для района хвостохранилища.
К показателям сохраняемости принадлежат такие, как окисляемость отходов, способность их к слеживанию, слипаемость, степень сохранности зерен минералов и др. Показатели точности, надежности и стабильности характеризуют с заданной вероятностью погрешность, достоверность и изменчивость в пространстве значений перечисленных выше вещественных показателей. Следует отметить, что без установления этих показателей оценка показателей назначения, технологичности и сохраняемости теряет определенность.
На основании предложенной номенклатуры показателей оценки качества сырья Ковдорского техногенного образования обосновано, что лежалые хвосты магнитной сепарации могут быть использованы для производства высококачественного апатитового концентрата; извлечения Р2О5 и 1У^О и получения фосфорно-магниевых удобрений; производства бадделитового концентрата. При этом отмечена невозможность использования лежалых хвостов для производства строительных материалов, ввиду высокой концентрации в хвостах радиоактивных элементов.
Моделирование техногенных образований на основе показателей назначения, технологичности и сохраняемости состоит в установлении закономерностей пространственного размещения показателей, оценки их изменчивости, а также в выделении и районировании геолого-технологических зон, различающихся технологической направленностью. Рассмотрим эти вопросы на примере хвостохранилища Вяземского ГОКа.
Вяземский ГОК разрабатывает песчано-гравийное месторождение. Месторож-
дение представлено песками и включениями гравия и валунов межморенных отложений. Подстилающими породами являются нижнеморенные отложения из бурокрасной глины с гравием или мелкозернистыми песками. В состав вскрышных пород входят: почвенный слой мощностью 0,2 м, лессовидные суглинки мощностью в среднем 3,0 м, местами озерно-бологистые отложения -глины и пески мощностью 1,5 м с примесью гравия и валунов. Общая мощность вскрышных пород колеблется от 3,0 до 13,5 м.
Основная продукция Вяземского ГОКа - щебень, отходами обогащения являются пески. Минералогический анализ отходов обогащения показал в них наличие золота. Содержание гравитационно-извлекаемого золота в пробах колеблется в пределах от 10 до 150 мг.т, составляя 5070% от общего его содержания в хвостах. Существенная доля золота находится в связанной форме.
Анализ статистических характеристик показывает, что содержания общего золота и золота гравитационного имеют ло-гарифмически-нормальные законы распределения при коэффициенте вариации 90110%. Результаты тренд-анализа содержания общего и гравитационного золота показали, что для его размещения характерен тренд второго порядка. При этом тренд 2-го порядка для золота общего объясняет 43,0% дисперсии, а гравитационного 44,1% дисперсии. Поверхность тренда для гравитационного золота представлена на рис.1.
Следует отметить, что наличие закономерной составляющей в распределении содержаний золота указывает на анизотропное строение техногенного массива. Аналогичное строение массива характерно и для Ковдорского техногенного месторождения. Так, например, для содержаний Р2О5 и 2гОг установлен значимый полиноми-нальный тренд 2-го порядка, объясняющий соответственно 21,5 и 15,3% общей диспер-
При этом наибольшая изменчивость проявляется в направлении намыва хвостов.
Аналогичные зависимости получены и для других техногенных образований. Так, например, для Соколовско-Сарбайского хвостохранилища установлены зависимости линейного типа (летний намыв) и экспоненциального типа (зимний намыв), показывающие, что с удалением от дамбы намыва размещены хвосты мелких классов крупности, а в зоне, примыкающей к дамбе намыва на расстоянии 60-80 м крупных классов крупности. Показатели, характеризующие качество хвостов, также размещается закономерно, что подтверждается значимостью тренда 2-го порядка, объясняющего 60-66% дисперсии. При этом высокие концентрации ¥е0йщ и ¥есуЛЬф приходятся на крупные классы крупности, а БЮг и СаО - на мелкие фракции.
Таким образом, результаты исследований позволяют считать, что пространственно-качественная структура техногенных образований описывается аддитивными моделями изменчивости качественных и структурных показателей. Зональность обусловлена пространственно-временными ситуациями отработки природных месторождений, а также особенностями формирования техногенных массивов. Случайные отклонения сопряжены как с геологическими, так и техногенными факторами.
Прогнозирование качества сырья лежалых хвостов и текущей добычи руд в общем случае сводится к оценке среднего значения случайной функции в некотором объеме [5,7]:
С = ±-\\\С(Х,У,2)с1У
V
При отсутствии тренда или после его исключения методами корреляционной теории находится оптимальная оценка показателя качества (С) из выражения:
методы прогнозирования, базирующиеся на стохастическом моделировании временных последовательностей показателей качества, данные методы являются наиболее эффективными с точки зрения погрешности получаемых оценок, учитывают динамику состояния хвостов, и что наиболее важно, пригодны для анализа нестационарных случайных процессов. При использовании методов прогнозирования на основе временных рядов стохастическая модель строи гея либо по исходным данным (С,), либо ряд
нестационарный, по С^ преобразо-
ванным данным, где - оператор взятия разностей с/-го порядка:
^ ФУ (^С,_Х +..л<р^ + е,
у = (3)
где {(о.) - параметры авторегрессии; (0^) -
параметры скользящего среднего; е, -“белый шум” с постоянной дисперсией; р -порядок авторегрессии и - порядок скользящего среднего.
При этом следует отметить, что прогнозирование показателей качества в хвостах текущей добычи должно быть основано на основе следующих методов:
• статистической экстраполяции для экспоненциальной и степенной моделей изменчивости;
• обособленных динамических рядов общего вида авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего;
• взаимосвязанных динамических рядов, аппроксимирующих изменчивость показателей по стадиям процесса обогащения;
• комбинированных моделей прогнозирования, основанных на анализе моделей регрессии и временных рядов.
Геолого-технологическое районирование техногенных образований связано, с одной стороны, с нахождением оптималь-
пой системы классификационных признаков, обусловливающих технологическую направленность выделяемых зон, с другой стороны - с моделированием поверхностей, ограничивающих технологические зоны.
Нахождение оптимальной системы классификационных признаков целесообразно осуществлять с помощью метода главных компонент с учетом нагрузки на собственные векторы (главные компоненты). Так, для условий лежалых хвостов Ковдорского техногенного месторождения два собственных вектора представляют 94% дисперсии множества данных (Р2О5, СО2, 2г02, Реобш, N^0, СаО, Р^фракция)) +3,0-0,14 мм, П1+0,074 мм). Первый вектор, характеризует 58,1% общей дисперсии и дает наибольшие вклады в переменные РК+3,0-0,14 мм и РЯ-0,074 мм, а второй, обусловливающий 36,2% дисперсии - в переменные содержаний Р2О5, 7г02 и СО2, т.е. первая главная компонента характеризует гранулометрический состав техногенных образований, а вторая - его качественное состояние. Собственно районирование по комплексу значимых признаков производится на основании методов распознавания образов.
Геолого-технологическая диагностика отходов обогащения в зонах связана с анализом показателей, обусловливающих технологические свойства отходов.
Так, для лежалых хвостов магнитной сепарации Ковдорского ГОКа на основании технологических исследований и прогноза обогатимости шихты в зависимости от гранулометрического состава хвостов установлено [2]:
• оптимальное извлечение Zr02 в бадделеитовый концентрат достигается при содержании фракции -0,074 мм в шихте не более 35%, в противном случае - потери при обогащении превышают 50% за счет переизмельчения зерен циркона;
• заданный уровень содержания
Р2О5, в концентрате - 37%
(апатитовый концентрат) обеспечивается при содержании фракции - 0,074 мм в шихте не более 3035%;
• содержание Р2О5, в концентрате 25-36% обеспечивающее получение фосфорно-магнезитального продукта для производства фосфорно-магниевых удобрений, достигается при содержании фракции -0,074 мм не более 55-60%.
Выделение геолого-экологических зон техногенных образований базируется на эколого-технологической диагностике качества сырья отходов рудообогащения и его последующего геоэкологического нормирования на основе комплексных параметров -геоиндикаторов, т.е. взаимосвязанных природных и технологических свойств, характеризующих качество отходов и определяющих степень его относительной опасности, которая проявляется при переработке отходов по конкретной технологии путем негативного воздействия на окружающую среду. Вопросы геоиндикационного моделирования месторождений подробно рассмотрены в работах [4,5].
Выбор математических методов моделирования поверхностей (линий), ограничивающих геолого-технологические или геоэкологические зоны, определяется априорным характером зависимости между координатами характерных точек поверхности (линий), получаемых в результате маркшейдерских съемок, или в результате выделения однородных геологических зон по данным опробования. Задача моделирования сводится к построению интерполяционной поверхности с ограничениями на гладкость [7]. При постановке задачи наиболее хорошие результаты получаются при использовании интерполяционных сплайн-функций. Интерполяция с помощью сплай-
нон также отвечает целям компьютерного графического моделирования.
Специфика геолого-промышленной оценки техногенных месторождений состоит в обосновании вариантов и направлений использования отходов в соответствии с составом показателей назначения, технологичности, экологичности и сохраняемости сырья, а также закономерностями пространственной локализации фракционноминеральных агрегатов техногенного образования. Поэтому в настоящее время необходима разработка экономически обоснованных кондиций стандартов и технических условий на сырье горнопромышленных отходов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
I. Бедрина Г.ГІ., Гончарук В.К., Месхи Н.Ж. Информационное обеспечение геолого-
экологической оценки хвостохранилищ горнообогатительных предприятий //Горный информаци-
© В
онно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ - 1995, -Вып.5.
2. Быховец А.Н., Ермолов В.А. Геологотехнологическая оценка техногенных месторождений в системе рационального природопользования //Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов. - М.: МГГУ, 1995.
3. Гальперин А.М., В. Ферстер, X. -Ю.Шеф Техногенные массивы и охрана окружающей среды. - М.: Изд-во МГГУ, 1997.
4. Ермолов В.А. Геонндикационное моделирование пространственно-качественной структуры месторождений полезных ископаемых // Изв.ВУЗов. Геология и разведка - 1997. - № 5.
5. Ермолов В.А. Основы моделирования техногенных образований // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ. - 1996. -Вып. 1.
6. Ермолов В.А., Мосейкин В.В. Научнометодические аспекты оценки и моделирования техногенных месторождений // Изв.ВУЗов. Геология и разведка - 1997. - № 1.
7. Ершов В.В. Геолого-маркшейдерское обеспечение управления качеством руд. - М.: Недра, 1986.
Д. Ермолов, А.Н. Быховец, В.К. Гончарук
