CC BY
39
ВТОРЫЕ ЕРШОВСКИЕ ЧТЕНИЯ ПО ГОРНОПРОМЫШЛЕННОЙ ГЕОЛОГИИ К 60-летию со дня рождения профессора В.В. Ершова
В.А. Ермолов, проф, д.т.н., В.П. Зервандова, инж.,
МГГУ МГГУ
ГЕОЛОГО-ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
Приоритетным направлением научных исследований проф. В.В.ЕРШОВА явилось создание комплексной системы геологического управления запасами и качеством минерального сырья, направленной на решение проблемы рационального, комплексного использования недр и охраны окружающей среды [ 4 ]. Проблема рационального использования минерально-сырьевых ресурсов тесно связана с созданием экологически чистых технологий добычи и переработки руд цветных, черных, благородных металлов, горнохимического сырья, а также индустриального сырья. Вредное влияние горной промышленности проявляется в нарушении недр и земной поверхности, загрязнении водных ресурсов и атмосферы. При этом доля негативного влияния горного производства на окружающую среду, по оценке А.С. Астахова [1] и В.В. Ржевского [5], составляет 30%.
Существенные различия в технологических свойствах руд, схемах рудоподготовки и переработки, а также в достигаемом уровне комплексного использования минерального сырья определяют целесообразность развития научных исследований в направлениях, связанных с геоэкологическим обеспечением малоотходных технологий [4].
Г еоэкологические исследования должны быть направлены на получение информации, необходимой для составления моделей геологической среды определенных пространственных объектов (месторождений, техногенных образований, пластов захоронения отходов и др.) для прогнозирования и управления качеством среды и предотвращения необратимых вредных последствий как для
человека, так и для любых живых элементов природы.
Геологоразведочные работы вместе с последующими эксплуатационными работами составляют единый процесс освоения минерально-сырьевых ресурсов. Отличительной особенностью процесса освоения минерально-сырьевых ресурсов является то, что он начинается с контакта, как правило, с первоначальным состоянием природной среды (фактически с ее биоценозом), что дает уникальную возможность иметь в качестве исходной базы окружающей среды, в том числе геологической, ее природный эталон. Другая важнейшая особенность процесса проявляется в его динамическом свойстве наращивать технологическую нагрузку на природу. Поэтому концепция экологизации геологического обеспечения
должна формироваться исходя из специфики горно-обогатительного производства, требующего выполнения специальных технологических функций.
Месторождения полезных ископаемых при их эксплуатации с позиций воздействия на природный комплекс имеют ряд особенностей. Во-первых, происходит прямое использование природного комплекса в виде изъятия части биологических ресурсов (недр, природных почв, вод и др.), во-вторых, наблюдается вредное воздействие на состояние природного комплекса (например, химическое загрязнение) в результате последующей переработки минерального сырья. Поэтому экосистему месторождения полезных ископаемых необходимо рассматривать с позиций системного подхода с учетом специфики горнообогатительного производства,
использующего природные минеральные ресурсы в качестве сырья. Такой подход позволяет определить новую область геоэкологических исследований -диагностику и регламентацию экологических свойств минерального сырья при разведке, добыче, переработке и утилизации горнопромышленных отходов [2].
В соответствии с таким подходом экологичность руд можно определить как совокупность взаимосвязанных природных свойств (геоиндикаторов), характеризующих качество минерального сырья и обусловливающих степень его относительной опасности в виде негативного воздействия на окружающую среду при переработке руд по определенной технологии. Так, например, в случае загрязнения атмосферного воздуха сернистым газом при металлургической плавке концентратов цветных металлов в качестве объекта оценки экологичности следует рассматривать сульфидные минералы, представляющие серосодержащие руды на эксплуатируемом месторождении.
Технолого-минералогическая диагностика и оценка качества руд является научно-методической основой экологизации геологического обеспечения. Методика диагностики состоит из следующих взаимосвязанных этапов:
♦ технолого-минералогического анализа вещественного состава минерального сырья;
♦ общей геолого-технологичес-кой оценки минерального сырья;
♦ эколого-технологической диагностики и оценки качества добываемых руд и продуктов обогащения;
♦ выделения и геометризации эко-лого-технологических сортов руд;
♦ формирования качества руд с использованием эколого-техноло-гической информации.
На этапе технолого-минерало-гического анализа оценивается предварительная токсичность минералов, входящих в состав тех или иных руд. Для этого целесообразно использовать токсологи-ческую классификацию минералов (по В.Г. Фекличеву [6]), в которой минералы, содержащие токсичные элементы и, обладающие токсичными свойствами, разбиты на три группы по видам:
♦ химическое воздействие минералов: высокой токсичности (^, РЬ, Т1, Ве, Те, As, Cd), повышенной токсичности (содержат Ва, Сг, №, Мп, V, Re, Se, Sb, 1п, Ag, Bi, и, Os, Pt), умеренной токсичности (содержат F, Li, Rb, Cs, А1, Си, Sr, TR, Y, Мо, W, гп, Fe, Со), выделяющих токсисные пары (Hg, S, ]МНз, SO2, H2S, H2Se, H2As, AsHз), выделяющих щелочи и кислоты (H2SO4, NaOH);
♦ радиактивное воздействие минералов: излучающих (содержат и, ТК), выделяющих радиоактивные газы (Яи) и радиоактивные соединения (и, ТК), сорбирующих и десорбирующих техногенные радиоактивные элементы (Cs -137, Се - 144, Ru - 106);
♦ физическое воздействие минералов: игольчатых (асбест, эрио-нит, канцерогены); остроугольных (кварц-силикозогены); пористых (уголь, двуокись марганца - ко-ниозогены); высокотвердых (кор-борунд, наждак).
Токсичность минералов в соответствии с приведенной классификацией оценивается на основании ПДК рабочей зоны.
Особенностью этапа геологотехнологической оценки качества минерального сырья является детальное изучение вещественного состава руд и минералов, включающее: определение состава
главных и сопутствующих минералов, а также примесных химических элементов; анализ кристаллохимических модификаций минералов и вторичных изменений руд; установление физико-
химических свойств и характера срастаний минералов. Результатом изучения является выделение ти-поморфных ассоциаций минералов (ТАМ), баланс распределения химических элементов по минералам, количественная оценка текстурноструктурных характеристик руд.
Исследования технологических свойств руд являются составной частью геолого-экологической оценки, при этом детально также изучаются гранулометрические характеристики кристаллохимических модификаций минералов (КХММ) по концентратам и отвальным хвостам, оценивается влияние вторичных минералов на показатели обогащения. В результате технологических исследований выделяются технологические комбинации минералов (ТКМ) и их распределение по продуктам обогащения. На основании анализа распределения ТКМ в продуктах обогащения производится технологическая типизация руд с последующим их картированием по геохимическим критериям и технологическим показателям. При этом должна быть выполнена количественная оценка влияния факторов вещественного состава на показатели обогащения.
Этап эколого-технологической оценки минерального сырья характеризуется более детальным изучением параметров вещест-
венного состава с оценкой содержаний экологически вредных компонентов как в кристаллохимических модификациях, так и в технологических комбинациях минералов. При этом детально изучается распределение вредных компонентов, а также свободных зерен и сростков минералов в продуктах обогащения.
По распределению экологически вредных кристаллохимических модификаций минералов в рудах и продуктах обогащения выполняется экологическая типизация руд. Анализ и сопоставление технологической и экологической типизации руд позволяет провести эколого-технологичес-
кую типизацию и геометризацию руд конкретного месторождения.
Этап формирования качества руд обусловлен необходимостью решения задач установления оптимальных параметров "шихты" эколого-технологических сортов руд для управления качеством руд в процессе добычи и обогащения по установленным зависимостям и параметрам вещественного состава минерального сырья.
Возможность оценки типо-морфных ассоциаций минералов на основе комплексного изучения вещественного состава руд рассмотрена на примере медноникелевых месторождений Тал-нахского рудного узла. Руды, подвергающиеся обогащению, подразделяются на четыре технологических сорта: 1-А1 - мелкозернистые пирротиновые с ксенолитами вмещающих пород, обогащенные моноклинным пирротином; 1-А2 - средне-, крупнозернистые халькопирит-пирротиновые с массивной и петельчатой структурой (пирротины представлены срастаниями гексагональной и моноклинной модификаций с преобладанием гексагональной); 1-А3 - средне-, крупнозернистые халь-копирит-пирротиновые руды, обогащенные халькопиритом, содержащие кубанит (до 40%) и троилит, сложены гексагональным пирротином; 1-В - халькопи-риткубанитовые руды (пирротина около 25%) частично поступают на металлургический передел. Пентландит присутствует во всех сортах руд. Принятая классификация, обусловливая технологические свойства руд, не отражает экологических последствий вовлечения их в переработку.
С позиции геолого-экологи-ческой диагностики оценки руд наиболее важной особенностью состава руд является наличие значительного количества малоникелистых пирротинов, предопределяющих необходимость их вывода до металлургического процесса переработки, что обеспечивает снижение выбросов сернистого ангидрида в атмосферу.
Изучение и анализ физических свойств модификаций сульфидов позволил установить три группы минералов К, L, М (табл. 1),
ниями термоЭДС; для минералов группы М характерны высокие магнитные свойства (магнитная восприимчивость и прони-
числе малоникелистый), моноклинный пирротин, сростки с пентландитом; пирротиновый концентрат - моноклинный пирро-Таблица 1
Типоморфные ассоциации минералов медно-никелевых руд по физичским свойствам
Свойства Гра- нич- Типоморфные ассоциации минералов
минералов и руд ные зна- чения Г руппа К с наиболее низкими электро--магнитными и прочностными свойствами и высокими отрицательными значениями термоЭДС Г руппа L высокопрочностных электропроводных минералов с низкими положительными значениями термоЭДС Г руппа М высокопрочностных магнитных минералов с положительными значениями термо-ЭДС
Предел прочности руд на одноосное сжатие, МПа > 100 < 100 Cp, Cub, Tr, PntNl Mgt, Pom
Микротвердость по Виккерсу, кг/мм2 > 260 < 260 Cp, Cub, Tr, PohFe, PntFe PohNl, Рп£Ы1, Рот Mgt, Pom, Cp*
Магнитная восприимчивость, ед. СИ > 10-4 < 10-4 Cp, Cub, Tr, PohFe, PntNl PohNl, РМ Mgt, Pom, Cp*
Удельная электропроводимость (ОМХМ)-1 > 103 < 103 Cp, Cub PohNl, РМ Mgt, Pom, Cp*
Термо ЭДС, мкв/град -140 -120 - Cub -130 -160 - Cp +5-+15 -PoFe(Poh) -5 - +13 - Tr 0 - -20 - PntFe +8 - +25 - PohNl 0 - +25 - РШМ +15 - +10 - Mgt +10 - +20 - Pom
Главный рудный минерал ассоциации Халькопирит Пирротин (пентлан-дит) Магнетит (моноклинный пирротин)
Физические свойства Свойства типоморфных ассоциаций
Низкие электромагнитные и прочностные свойства, высокие значения термо-ЭДС Высокая прочность (кроме пентландита) и электропроводность Высокие прочностные и магнитные свойства
Классы крупности при измельчении Мелкие Крупные, пентландит - мелкие и средние Крупные
Трудноразделимые ассоциации минералов Халькопирит-малоникелистый гексагональный пирротин Пентландит - гексагональный пирротин Магнетит и моноклинный пирротин
Флотоактивность Высокая Средняя Низкая
C - минералы группы халькопирита (путоранит, талнахит, мойхукит).
различающихся между собой определенным набором типо-морфных свойств. Группа К характеризуется низкой электропроводностью (менее 103 Ом •м'), микротвердостью (менее 260 кг/см2) и отрицательными значениями термоЭДС (0^200 мкв •рад С°); группа L характеризуется высокой электропроводностью, микротвердостью и низкими положительными значе-
цаемость) [3].
Минеральный состав продуктов обогащения свидетельствует об образовании технологических ассоциаций свободных зерен и сростков минералов: медный концентрат - халькопирит, малоникелистый гексагональный пирротин, никелистый пентландит и сростки халькопирита с пирротином; никелевый концентрат - пентландит, гексагональный пирротин (в том
тин, никелистый гексагональный пирротин, пентландит (железистый), сростки пирротина и пентлан-дита; отвальные хвосты - магнетит, моноклинный пирротин, нерудные минералы, сростки пентландита и модификаций пирротина.
Типоморфные ассоциации минералов, установленные по природным физическим свойствам, совпадают с технологическими ас-
социациями свободных зерен и сростков минералов, образующихся
в процессе обогащения, в связи с чем их следует квалифицировать как технологические комбинации минералов (ТКМ).
Закономерный характер ТКМ обусловливает решение задач эко-лого-технологической типизации руд и состава шихты руд при добыче. Влияние ТКМ наиболее существенно сказывается на перераспределении малоникелистых пирротинов как наиболее сернистых и экологических вредных минералов. В связи с этим для эколого-технологического картирования введен показатель экологичности - отношение содержаний серы к сумме содержаний никеля и меди в руде (рис. 1). Указанный геоиндикатор характеризует степень экологической опасности руд (Э) при добыче планируемого количества металла, а при соответствующих расчетах - количество тонн серы на одну тонну добытых металлов меди и никеля, т.е. это показатель "пирротинности" или сернистости руд. При значениях показателя 4.0-2.5 в рудах отмеча-
ется максимальное содержание малоникелистого пирротина - 27-
43% мас., на 75-90% представленного гексагональной модификацией. При отношении более 4.0 руды содержат 13-20% мас. малоникелистого пирротина, на 45-50% представленного моноклинной модификацией. Руды с показателем экологичности менее 1.8 содержат незначительное количество малоникелистого пирротина и поступают непосредственно в плавку.
Показатель экологичности является классификационным критерием сортов. При снижении сернистости руд (показателя Э) с 5.5 до 2.5 содержание малоникелистого пирротина возрастает с 13-15% до 37-43% за счет гексагональной модификации; содержание моноклинного пирротина снижается с 8-9% до 4-5%. При граничном значении показателя, равном четырем, пирротиновые руды разделяются на два сорта (табл. 2), характеризуемые различными содержаниями малоникелистого пирротина: высокоэкологичный (1-Щ) при Э <4 и низкоэкологичный (1-П2) при Э >4. Сор-
та характеризуются различными извлечениями серы в млоникели-
стый пирротиновый концентрат -24.8-25.0% для сорта 1-П2 и 29.132.0% для сорта 1-Щ; при этом наблюдают значительные отличия извлечения никеля - 1-Щ - 4.93.9%, 1-Щ - 9.1-7.1%. Сростки и свободные зерна пирротина в малоникелистом пирротиновом концентрате распределяются также, как и в основном пирротиновом концентрате.
Установленные экологические сорта руд являются одновременно технологическими: высокоэколо-
гичный сорт 1-Щ характеризуется высокими извлечениями меди в медный концентрат - 78.4-90.4, стабильными и высокими извлечениями никеля в никелевый концентрат- 63.0-70.8%; извлечение меди возрастает по мере снижения величины показателя Э; низкоэкологичный сорт 1-Щ имеет более низкие технологические показатели обогащения - извлечение меди в медный концентрат снижается по мере роста показателя Э с 78.4 до 50.8%, никеля - в никелевый концентрат - с 70.8 до 52.9%.
Таким образом проведенные исследования позволили:
родные типоморфные ассоциации минералов, а также технологиче-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Таблица 2
Экологическая типизация богатых пирротиновых руд и параметры геоэкологических сортов руд
Технологические сорта пирротиновых руд Отношение содержаний серы к сумме содержаний Содержание малоникелистых пирротинов, % мес. Извлечение малоникелистых пирротинов в Извлечение, % отн.
никеля и меди (показатель Э) всего моно- клин- ного гексаго- на- льного+ троилит одноименный концентрат, %мас./% отн. серы никеля
Низкоэкологичный 5.5 13-15 8-9 5-6 7.4/52.8 25.0 9.1
1-П2 4.0-5.5 17-20 8-8 9-11 9.1/48.6 24.8 7.1
Высокоэкологичный 3.0-4.0 27-32 4-5 23-27 11.6/40.1 29.1 2.9
1-П1 2.5-3.0 37-43 4-5 30-37 16.4/40.7 32.0 3.9
1.8-2.5 11-14 до 5 10-13 4.4/39.4 - -
Высокомедистый, селективный П-С 1.8 до 5 - до 5 - - -
♦ разработать научно-методические положения геолого-эколо-гической диагностики и оценки минерального сырья на основе анализа и установления зависимостей между кристаллохимическими модификациями минералов и их типоморфными ассоциациями минералов в продуктах обогащения , которые отражают значимую корреляцию технологических, экологических и природных свойств перерабатываемых руд;
♦ создать эколого-технологи-ческую модель по распределению зерен и сростков кристаллохимических модификаций пирротина в продуктах обогащения с учетом технологического типоморфизма и технологических комбинаций минералов; определить основные параметры вещественного состава в качестве критериев типизации руд; установить по комплексу физических свойств халькопирита, пентландита и магнетита три при-
ские комбинации рудных минералов и их сростков, закономерно распределяющихся в медном, никелевом, пирротиновом концентратах и отвальных хвостах, соответствующие природным технологическим ассоциациям минералов по физическим свойствам;
♦ установить, что технологические комбинации минералов наиболее существенно отражают закономерности перераспределение малоникелистых пирротинов в продуктах обогащения как наиболее сернистых и экологически вредных минералов.
Для эколого-технологической типизации руд и их картирования предложен геоиндикатор экологичности - отношение содержания серы к сумме содержаний никеля и меди в руде. Указанный комплексный показатель отражает степень экологической нагрузки при добычи планируемого количества металлов.
1. Астахов О.А. Экономика разведки, добычи и переработки полезных ископаемых (геоэкономика). М.: Недра, 1991.
2. Ермолов В.А. Геологоэкологическое моделирование пространственно-качественной структуры месторождений полезных ископаемых. Изв. вузов. Геология и разведка.
1997, № 5.
3. Ермолов В.А., Бедрина Г.П., Стехин А.И. Геолого-экологическое обеспечение разработки рудных месторождений // Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов. - М.: МГГУ. 1995.
4. Ершов В.В. Основы горнопромышленной геологии: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1998.
5. Ржевский В.В. Экология горного производства. - М.: МГИ, 1988.
6. Фекличев В.Г. О связи техногенной и экологической минералогии. Изв. вузов . Геология и разведка.
1998, № 6.
© В.А. Ермолов, В.П. Зервандова
