CC BY
135
УДК 622.03:628. 511:614.838.12:622:349.5
В.И. Ляшенко, А.А. Гурин
ОБОСНОВАНИЕ ПРИРОДООХРАННЫХ
технологий и средств для пылеподавления поверхностей хвосгохранилищ гидрометаллургического производства
Аннотация. Приведены основные результаты теоретических изысканий, лабораторных и промышленных экспериментов, исследований и разработки природоохранных технологий и средств для пылеподавления поверхностей хвостохранилищ гидрометаллургического производства. Описаны природоохранные технологии и средства для пылеподавления сухих пляжей на основе связывания хвостов в общей массе известью, а также закрепления пылящих поверхностей действующего хвостохранилища химическими веществами; грунтосмесями в виде окатышей; специально подготовленным составом, содержащим раствор с добавками ингредиентов, таких как глина, чернозем, опилки, лигносульфанаты, вода, удобрения, семена растений. Рекомендован наиболее эффективный биологический способ закрепления пылящих поверхностей хвостохранилища ГМЗ грунтосмесями, состоящими из воды, удобрения, семян трав, ГИПАН и мульчирующих добавок (глина и опилки или глина, зола ТЭЦ и опилки). Показано, что внедрение разработанных технологий, средств и способов борьбы с пылени-ем на действующих и законсервированных хвостохранилищах позволит, уменьшить уровни загрязнения воздуха рабочей зоны пылью, улучшить условия работы персонала и экологическую обстановку в районах складирования отходов гидрометаллургической переработки руд.
Ключевые слова: хвостохранилища, пыль, пылеподавление, известь, химические вещества, биологические гидросмеси.
Актуальность проблемы
По способу укладки хвостов действующие нормативные документы регламентируют три вида хвостохранилищ: намывные, наливные, комбинированные. При намывных основная часть ограждающей дамбы намывается из переработанного рудного материала. На наливных дамба возводится из привозных или инертных местных материалов, а пульпа заливается в образуемую чашу. Анализ мировой практики существующих тенденций в обращении с отходами переработки руд показывает, что перспективным способом создания хвостохранилищ является
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0-58-72
комбинированный, при котором отходы переработки укладываются в специально оборудованное естественное углубление с ограждающей дамбой, часть которой сооружается из инертных грунтов, а часть отсыпается из переработанного рудного материала в смеси с вяжущим.
Технологии борьбы с пылью на действующих хвостохранилищах осуществляются вводом закрепителей в поток пульпы и связывания хвостов во всей массе. Результаты лабораторных исследований и промышленных экспериментов по закреплению хвостов водорастворимыми структурообразующими по-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 9. С. 58-72. © В.И. Ляшенко, А.А. Гурин. 2018.
лимерами на основе полиакриламида и полиакрилнитрита показали, что их применение ограничивается высокой стоимостью и дефицитностью.
Борьба со сдуванием пыли с поверхности хвостохранилищ ведется недостаточно эффективно из-за отсутствия технологий и средств пылеподавления. Поэтому исследование и разработка природоохранных технологий и средств пылеподавления поверхностей хвостохранилищ гидрометаллургического производства за счет связывания хвостов известью, а также закрепления пылящих поверхностей химическими веществами и биологическими гидросмесями — важные научные и практические задачи, требующие безотлагательного решения [3, 4].
Методы исследований
Комплексный, включающий анализ ранее выполненных исследований и контрольных наблюдений, математическое и физическое моделирование на аэродинамической модели, анализ и статистическая обработка результатов, установление зависимостей, выполнение расчетов и обоснований, экспериментальные исследования в кюветах с хвостами, натурные измерения на поверхности хвостохранилищ и в зоне их влияяния по стандартным методикам.
Обсуждение результатов
исследований
Общая характеристика хвостохранилищ ГМЗ. На них применяются поочередный многоэтажный намыв хвостов, от дамб по периметру всей чаши хвостох-ранилища. Выпуск пульпы бывает как подводный так и надводный. При таком складировании большая часть намытых хвостов находится под водой. Однако, как в процессе намыва, так и после окончания складирования на хвостох-ранилищах образуются обезвоженные площади (пляж намыва), находящиеся
в таком состоянии несколько месяцев в году. Пляж намыва (слабонаклонная плоскость в сторону пруда-отстойника) образуется по всему периметру хвосто-хранилища. Ширина этой плоскости зависит от применяемого способа складирования хвостов и колеблется в интервале от 100 до 500 м.
Имеется опыт карточного намыва хвостов, при котором хвостохранилище разбивается на отсеки (карты), отделенные от основного разделительными дамбами. Выпуск пульпы производится на одном из участков карты и намывается слоями, после чего выпускные патрубки на этом участке перекрываются, а в работу включается следующий по порядку участок. При достижении высоты слоя проектных отметок намыв его прекращается, карта останавливается на «отстой», длительность которого зависит от размеров, количества карт на хвосто-хранилище и интенсивности процесса складирования и составляет 1,5—2 года.
Таким образом, на действующих хво-стохранилищах имеются обезвоженные участки (надводные пляжи намыва, площади карт, находящиеся на «отстое» внешние откосы дамб и плотин) являются интенсивным источником пылеобразо-вания. Они находятся в таком состоянии по несколько месяцев в год. В летний период поверхность нагревается до 80 °С и сухой слой достигает 30—50 см. Сухие хвосты представляют собой рыхлопес-чаный материал, между частицами которого нет устойчивых связей. Содержание пылевых частиц С < 0,07 мм составляет более 65%, а частиц фракции > 0,01 мм — до 25%.
Так, с начала эксплуатации Желторе-ченского железорудного (1895) и уранового (1951) месторождений (Украина) образовались два карьера: «Габаевский» и «Веселоивановский»; четыре хвосто-хранилища: отработанный карьер бурых железняков (КБЖ), балки «Щербаковская»
Рис. 1. Общий вид хвостохранилища по складированию продуктов гидрометаллургической переработки руд
Fig. 1. General view of the tailings storage products for the hydrometallurgical ne-refining ores
Рис. 2. Горно-техническая рекультивация на хвостохранилище КБЖ, г. Желтые Воды Fig. 2. Mining and technology at the tailings reclamation KBZH, Yellow Waters
8 7 6
Рис. 3. Схема аэродинамической модели, общий вид: 1 — аэродинамическая труба; 2, 4 — отверстия для воздухомерной трубки и аллонжа; 3 — вентилятор; 5 — отводная труба; 6 — задвижка; 7 — кювета; 8 — подставка
Fig. 3. Driving aerodynamic model (general view): 1 — wind tunnel; 2, 4 — hole vozduhomernoy pipes and rider; 3 — fan; 5 — discharge pipe; 6 — valve; 7 — cell; 8 — stand
(рис. 1), «Разбери» и «Терновская»; а также воронка обрушения как следствие подземной разработки железорудного месторождения системами с принудительным обрушением руд и вмещающих пород. Добыча руд на шахтах и карьерах привела к образованию отвалов пустых пород и забалансовых, по содержанию полезных компонентов, руд и нарушению плодородных земель, которые на сегодня частично рекультивированы (рис. 2).
Методика исследований
закрепления пылящих
поверхностей
Количество пыли, сдуваемой с хво-стохранилищ, устанавливалось по величине удельной сдуваемости с помощью аэродинамической трубы (рис. 3).
Принцип работы установки заключается в подаче воздуха по трубе с определенной скоростью и улавливании пыли воздуходувкой на фильтрах, установленных в аллонжах разных диаметров. Для получения достоверных результатов замеров параметров пылеобразования пульпы, находящейся в кювете, скорости улавливания пыли и движения воздуха в трубе поддерживаются одинаковой (эффект изокинетичности).
Использование аэродинамической трубы нагнетательного типа позволило приблизить искусственный поток к естественному, что подтверждено результатами замеров потерь напора по длине трубы при скорости воздушного потока 15 м/с. Для выравнивания профиля относительных скоростей от вентилятора устанавливался спрямляющий аппарат сотового типа. Скорость воздуха в аэродинамической трубе измеряли воздухомерной трубкой, подключенной к микроманометру ММК-200, который имеет цену деления 0,01 мм вод. ст. (0,1 Па). Измерение скорости воздуха дублировали чашечным анемометром У5 № 26858 (табл. 1).
Таблица 1
Скорости воздушного потока (ветра) на различных высотах по оси трубы Air flow (wind) at different heights along the tube axis
Высота, на которой измеряется скорость ветра, см Скорость воздушного потока по оси трубы, м/с
3 5 7 9 11 13 15 17 20
1,0 3,8 6,4 8,9 11,5 14,0 16,6 19,1 21,0 25,5
1,5 4,0 6,7 9,4 12,0 14,7 17,4 20,1 22,8 26,7
2,0 4,2 6,9 9,7 12,4 15,2 18,0 20,7 23,5 27,6
9,0 4,9 8,1 11,3 14,6 17,8 21,0 24,3 27,5 32,2
12,0 5,0 8,3 11,6 15,0 18,3 21,6 25,0 28,3 33,3
Пробы атмосферного воздуха на запыленность отбирались с использованием фильтров АФА-ВП-20-1 в двух разных точках по высоте трубы и усреднялись. Навеска пыли на фильтре не превышала 30—40 мг, чтобы не допускать коагуляции частиц.
Исследование образцов хвостов
ГМЗ, закрепленных известью
Для определения ветроэрозионной устойчивости образцы хвостов, закрепленные известью, продували в аэродинамической трубе (см. рис. 1) при скорости воздушного потока до 15—16 м/с с отбором проб воздуха на запыленность. Установлено, что коэффициент защиты, т.е. отношение прочности на сжатие закрепленных и незакрепленных образцов, должен быть в пределах 4,0—5,0.
Кроме ветроэрозионной устойчивости определяли сдвиговые показатели, характеризующие устойчивость плотин и дамб в водонасыщенном состоянии, намываемых из хвостов, а также водопроч-ность образцов и кислотность пульпы.
Хвосты, отобранные на хвостохрани-лище, смешивались с водой в соотношении твердого (Т) к жидкому (Ж) Т:Ж = = 1:3 [5, 6]. В пульпу вводилась известь в количестве от 2 до 10% (по весу) по отношению к твердому. Пульпа перемешивалась в течение 20—30 мин, после осаждения хвостов вода сливалась. Обезвоженные хвосты укладывались в разъемные формы-кубики с размером сторон 7 см для испытания их на одноосное сжатие и водопрочность; в поддоны размером 40*30*5 см — для исследования на ветроэрозионную устойчивость; вы-
Таблица 2
Результаты лабораторных исследований хвостов ГМЗ, закрепленных известью Results of laboratory tests of tailings GMZ enshrined lime
Содержание извести в хвостах Показатели
предел прочности на сжатие, 105 Па коэффициент защиты, ед. коэффициент внутреннего трения, ед. сцепление, 105 Па водопроч-ность, доли ед. рН смеси, ед.
0,0 (контроль) 0,25 1,00 0,505 0,014 0,01 7,8
2,0 0,68 2,75 0,510 0,016 0,60 11,1
4,0 1,25 5,00 0,520 0,016 1,43 12,2
6,0 3,84 15,36 0,530 0,017 2,40 12,3
8,0 3,96 15,84 0,550 0,018 за 24 ч разрушения не произошло 12,6
10,0 4,05 16,20 0,55 0,018 то же 12,8
резались при помощи режущих цилиндров образцы — для испытания на сдвиг. Сдвиговые характеристики образцов в водонасыщенном состоянии определялись на приборе ГГП-30 по стандартной методике. Водопрочность оценивалась по времени разрушения образца, помещенного в воду. Мономером ЭВ-74 определяли рН пульпы. Для исследования в лабораторных условиях применялась негашеная кальциевая известь [7, 8]. Время гашения извести —14 мин (табл. 2).
Прочность образцов интенсивно возрастает с увеличением содержания извести в хвостах до 6,0%, а коэффициент защиты увеличивается с 5,0 до 15,3 при содержании извести соответственно 4 и 6%. Добавки извести, улучшают прочностные показатели, но сокращают полезный объем хвостохранилищ. Поэтому, учитывая необходимость получения прочности складируемых хвостов, обеспечивающей их устойчивость ветровой эрозии (не максимальной), оптимальную добавку извести можно принять в количестве 4,0—5,0% от массы твердого в пульпе. Однако при таком содержании извести оборотная вода, полученная в лабораторных условиях, имеет щелочную реакцию. На действующих хвосто-хранилищах, где в прудах отстойниках накапливаются большие объемы воды и происходит ее разбавление дождевыми, паводковыми и техническими водами, а намыв пульпы с известью предполагается производить не непрерывно, а только в верхний слой до 10 см, то кислотность воды в пруде-отстойнике бу-
дет близкая к нейтральной. Сдвиговые испытания показали, что добавки извести не ухудшают прочностные свойства массива хвостов во влажном состоянии, а наоборот, несколько улучшают эти показатели [9].
В опытах с известью из оборудования опытного полигона использовался участок выпуска пульпы на пляж намыва. Ввод извести в пульпу осуществлялся непосредственно на заводе. Контролировать весовым способом количество вводимой в пульпу извести не предоставлялось возможным, поэтому контроль за количеством извести в пульпе осуществляли поддержанием концентрации водородных ионов с рН, равным 12 и более, т.к. это соответствовало расходу 50 кг извести на 1000 кг хвостов, т.е. 5% содержанию извести. Контроль за содержанием рН пульпы проводился как на заводе, так и при выпуске ее на пляж намыва. Дальность транспортировки пульпы от завода до ее выпуска на пляж составляла около 13 км [10]. В исходной пульпе не удалось поддержать расчетную щелочность, а следовательно и процентное содержание извести в пульпе (табл. 3).
Предварительно пляж опытного участка разбит на квадраты со стороной 30 м, в центре которых забивались мерные рейки, с помощью которых определялась высота намытого слоя. Намыв пляжа опытного участка продолжался три часа. При этом израсходовано 60 т извести и уложено около 1400 т хвостов [11]. Для определения эффективности закрепителей, вводимых в поток пульпы на дейст-
Таблица 3
Значение рН пульпы с добавкой извести (в ед.) The pH of the pulp with the addition of lime (in units)
Наименование показателей Время отбора проб, ч
8-00 9-00 10-00 10-30 11-00 11-30 12-00 12-30 13-00 13-30
рН на заводе 8,2 21,6 11,8 11,7 12,0 11,8 12,0 11,7 7,9 7,8
рН при выпуске - - 8,18 8,62 9,36 10,09 9,88 9,16 10,92 10,89
вующем хвостохранилище построен опытный полигон, в состав которого входили:
• пункт приготовления водных растворов закрепителей, включающий бак емкостью 20 м3, к которому подведена вода, и мешалку;
• пункт ввода водных растворов закрепителей в поток пульпы, оборудованный насосом и счетчиком жидкости;
• участок выпуска пульпы на пляж намыва, включающий 10 выпускных патрубков диаметром 100 мм с обеих сторон оборудованных задвижками.
Для определения прочности на сжатие и сдвиговые испытания производился забор пульпы (усредненная проба), а после стабилизации поверхности — отбор проб (табл. 4).
Осмотр поверхности пляжа намыва на опытном участке показал, что толщина покрывающего слоя хвостов с известью неравномерна и колебалась от 0 до 5 см. Анализ водных вытяжек образцов хвостов, отобранных в квадратах опытного участка после стабилизации поверхности показал, что рН изменялась от 8 до 10. Прочность образцов с известью, изготовленных из пульпы, отобранной в момент сброса, в 2 раза выше, чем образцов, отобранных на пляже намыва после стабилизации поверхности (через 2 недели после намыва). Меньшая прочность и щелочность образцов, отобранных на пляже намыва, объясняется тем, что часть извести вместе с водой переместилась в прудок — отстойник из-за крутых уклонов
пляжа. Наблюдения за опытным участком на действующем хвостохранилище в течение осенне-зимнего периода показали, что при положительных температурах хвосты с 5% добавкой извести в пульпу не пылят, а при отрицательных температурах вымораживание влаги нарушает структурные связи, что приводит к ветровой эрозии [12].
Исследование наиболее
эффективных закрепителей
Для этого проведены эксперименты по определению удельной сдуваемости пыли, обработанной различными закрепляющими составами в кюветах, помещенных внутрь аэродинамической трубы (см. рис. 1). Время продувки выбрано опытным путем равным 30 мин. По этой же причине выбрана скорость воздушного потока в трубе, равная 15 м/с, т.к. при меньшей, сдувание пыли после закрепления исследуемыми составами оказалось незначительным. Для улавливания пыли использованы аналитические фильтры АФА-ВП-20-1 с площадью рабочей поверхности, равной 20 см2, устанавливаемые в аллонжи ИРА-20.
Учитывая допустимую нагрузку на фильтр по воздуху, равную 7 л/мин ■ см2, принята производительность воздуходувки 120 л/мин на каждый фильтр. Навеска пыли на фильтре определялась как разница между весом фильтра до и после продувки в аэродинамической трубе. При этом вводилась поправка, учитывающая вес пыли, привносимой из
Таблица 4
Результаты испытания образцов хвостов с известью Results of tests of samples of tailings with lime
Исследуемый образец Предел прочности на сжатие, 105 Па Коэффициент внутреннего трения, ед. Сцепление, 105 Па
Хвосты без извести в момент сброса 0,27 0,52 0,13
Хвосты с известью в момент сброса 3,83 0,53 0,17
Пробы хвостов, отобранные на пляже намыва 1,76 0,53 0,17
окружающей атмосферы, которые соответствовали навеске пыли на фильтре, установленном в контрольном аллонже перед кюветой.
Взвешивание фильтров производилось на равноплечих лабораторных весах второго класса модели ВЛР-200г-М (заводской № А-95, имеющих свидетельство про поверку за № 44/02) со снятием отсчетов с точностью 0,05 мг при помощи делительного устройства. При этом наибольшая по абсолютной величине ошибка взвешивания не превышала величины 0,1 мг. Перед каждым взвешиванием фильтры выдерживались в течение суток в эксикаторе с высушенным силикагелем для удаления с них влажности. Для исследований закрепляющей способности химических веществ использовали бишофит, полиакриламид, ГИПАН, обладающие вяжущими склеивающими и влагоудерживающими свойствами, лигносульфанаты (ЛСТ). Это побочный продукт производства сульфатной целлюлозы, которые применяются в качестве удобрений, структурообразова-телей почвы, противоэрозионного средства, обеспыливающего материала для обработки пылящих покрытий автомобильных дорог.
ЛСТ с содержанием сухих веществ 43—52% представляют собой однородную вязкую тягучую жидкость темно-коричневого цвета. Плотность 1,17—1,24 г/см3; рН 20; массовая доля транспортируемых веществ 0,3—1,0%. ЛСТ — высокомолекулярное вещество природного происхождения с широким диапазоном молекулярных масс (2000—10 000). Его средний элементарный состав: С — 53— 56%; Н — 5—6%; Na — 0—8%; Са — 0—6% (содержание азота, натрия, кальция зависит от используемого основания кислоты). Вяжущие свойства ЛСТ проверялись визуальным путем. На поверхность размельченной породы (фракция 5 мм) методом распыления наносился 5% раст-
вор ЛСТ. После высыхания при наклоне поверхности до 45—60°, сыпучести хвостов не наблюдалось. Структурная способность ЛСТ определялась по водо-прочности агрегатов, искусственно образованных из размельченной породы. Доля внесения ЛСТ составила 0,05; 0,1; 0,5; 1,0% к массе хвостов. Опыты показали, что применение ЛСТ эффективно при дозе более 0,5% к массе почвы. Для выявления действия ЛСТ на всхожесть семян, используемых для биологического закрепления пылящих поверхностей, проведены опыты. Действие ЛСТ проверялось на газонной траве и эспарцете в присутствии удобрений — флорэкса и нитроаммофоса. В специальную посуду помещались по 100 г семян и они смачивались раствором ЛСТ концентраций 0,5 и 1,0% (табл. 5).
Для биологического закрепления проведены вегетационные опыты в специальных емкостях площадью 0,12 м2, куда помещались хвосты ГМЗ с хвостохрани-лища. Аналогичные опыты проводились с ЛСТ, ГИПАНом и бишофитом. ГИПАН представляет собой пастообразную вязкую массу цвета жидкого стекла, полученную путем омыления сухих и мокрых отходов нитронового волокна с помощью раствора технического едкого натра. Соотношение массы ГИПАНа и воды подбиралось в лабораторных условиях и составляло 1:20.
По физико-химическим свойствам водный раствор природного бишофита (далее бишофит) должен соответствовать нормам ТУ.У.22.52511.003-97. Имеется
Таблица 5
Действие ЛСТ на всхожесть семян Action LST on seed germination
Концентрация ЛСТ,% Всхожесть,%
газонная трава эспарцет
0,0 82 48
0,5 80 32
1,0 76 34
токсико-гигиенический паспорт на раствор бишофита (ТУ.У.22529511.008-2001). Действие ГИПАНа на всхожесть семян растений, используемых для биологического закрепления пылящих поверхностей аналогичны ЛСТ. После проведения лабораторных исследований и выбора наиболее эффективных способов химического закрепления пылящих поверхностей, исследования продолжены с использованием специальных кювет находящихся под открытым небом.
Выбор эффективных способов закрепления пылящих поверхностей
После проведения лабораторных исследований и выбора наиболее эффективных способов закрепления пылящих поверхностей, исследования были продолжены с использованием специальных кювет находящихся под открытым небом (рис. 4). Закреплению были подвергнуты хвосты в кюветах закрепителями, которые показали себя наиболее эффективными при лабораторных исследованиях.
Исследования были расширены за счет применения в качестве склеивающих добавок лигносульфанатов. Здесь же были заложены опыты по исследованию грунтосмеси, состоящей из почво-смеси (глины), семян многолетних трав, минеральных и органических удобрений, пленкообразующих материалов, мульчирующих добавок (опилки, резаная солома, вода), которые дали положительные результаты.
Химическое закрепление пылящей поверхности
Оно заключалось в обработке поверхности участка на хвостохранилище химическими веществами (см. рис. 4, а). Водорастворимые полимеры проявляют стабилизирующие свойства при содержании в грунтах 10-2...10-1 масс%.
Соотношение твердого к жидкому (Т:Ж) в исходной пульпе изменялось от 1 до 5. Содержание закрепителей (полимеров) по отношению к воде — 0,5% полиакри-мида и 2% — гипана и лигносульфаната. Водный растовр закрепителей готовился непосредственно перед их нанесением. Нанесение на пылящую поверхность хвостохранилища осуществлялось разбрызгиванием с помощью лейки. Расход раствора — 5—6 л на 1 м2 поверхности, регулировался с учетом небольших закрепляемых площадей.
Рис. 4. Закрепление пылящих поверхностей в кюветах с хвостами, общий вид: химическое закрепление (а); обработанными окатышами (гранулами) на основе грунтосмесей (б); специально подготовленным составом (в) Fig. 4. Securing dusty surfaces in cells with tails, general view: chemical docking (a); treated pellets (pellets) based gruntosmesey (b); inspecially trained staff (v)
Биологическое закрепление пылящей поверхности
Осуществлялось грунтосмесями в виде окатышей заключалось в укладке закрепляющего материала шарообразной формы по пылящей поверхности. При этом окатыши изготавливались из глины, соломы (камыша), древесных опилок, скрепляющих добавок (ГИПАН, лигно-сульфанаты) и воды при следующих соотношениях ингредиентов (масс.%): глина — 68—75; дробленая солома, камыш или опилки — 3—8; лигносульфанаты или ГИПАН — 0,3—1; семена растений, вода — остальное (см. рис. 4, б). Окатыши готовились заблаговременно в лабораторных условиях ГП «УкрНИПИИпромтехнологии». Расход 8—10 кг окатышей на 1 м2. Солома или камыш резались на кусочки длиной до 2 см, опилки, просеянные через сито с диаметром отверстий 1 см. Расход соломы до 10 кг на 1 м2 поверхности. Нанесение на пылящую поверхность осуществляли путем разбрасывания.
Закрепление пылящих поверхностей специально подготовленным составом
Заключается в укладке закрепляющего материала в виде глинистого рас-
твора с добавками ингредиентов (см. рис. 4, в). В качестве ингредиентов использовали глину, чернозем, опилки, лигносульфанаты или ГИПАН, воду, удобрения, семена растений. Расход — 12—15 л на 1 м2.
Закрепление пылящих поверхностей хвостохранилища целесообразно осуществлять составами содержащими: воду, удобрение, семена трав, ГИПАН и мульчирующие добавки (глина и опилки) или воду, удобрение, семена трав, ГИПАН и мульчирующие добавки (глина, зола ТЭЦ и опилки). Грунтосмесь готовили на хво-стохранилище перед ее нанесением.
На хвостохранилищах, где рН хвостов находится в пределах 6,5—7,5 возможно биологическое закрепление пылящей поверхности за счет нанесения на их поверхность плодородных грун-тосмесей, состоящих из глины, зол ТЭЦ, мульчирующих и склеивающих добавок, семян трав и удобрений. Нанесение такой смеси осуществляется с применением гидросеялки со струйным перемешиванием грунтосмеси (рис. 5), на базе тракторов на гусеничном или колесном ходу, самолетов или вертолетов, которые используются в МЧС Украины для подавления пожаров.
Рис. 5. Гидросеялка, общий вид: 1 — емкость; 2 — водозаборный рукав; 3 — насос ВН-1В20-10; 4 — клиноременная передача; 5 — рама; 6 — приводной вал; 7 — напорный трубопровод; 8 — вентиль системы перемешивания; 9 — вентиль подачи гидросмеси; 10 — патрубок системы перемешивания
Fig. 5. Gidroseyalka, general view: 1 — capacity; 2 — water inlet sleeve; 3 — pump HV-1V20-10; 4 — V-belt drive; 5 — frame; 6 — a power shaft; 7 — penstock; 8 — valve mixing system; 9 — supply slurry valve; 10 — nozzle-mixing of the system
Рис. 6. Полигон по закреплению пылящих поверхностей, общий вид: полигон (а); участок на хво-стохранилище, закрепленный биологическим способом (грунтосмесями) (б)
Fig. 6. Polygon to consolidate dusty surfaces, general view: polygon (a); at the tailings site, secured by a biological method (gruntosmesyami) (b)
Методика опытно-промышленных исследований
Промышленный эксперимент проводился непосредственно на южной части действующего хвостохранилища. На полигоне, включающем 10 участков размером 2,0*1,0 м проведены испытания трех способов закрепления: химический; грунтосмесями в виде окатышей; грунтосмесями в виде специально подготовленного раствора (рис. 6).
Оценка полученных результатов работы
Исследования показали, что для кратковременного закрепления поверхности хвостохранилищ в сухую погоду можно использовать закрепители на базе ГИПАНА, лигносульфаната, полиакриламида. Биологический способ закрепления пылящих поверхностей действующих и законсервированных хвостосхранилищ ГМЗ заключается в укладке закрепляющего материала в виде глинистого раствора с добавками ингредиентов, таких как глина, чернозем, опилки, лигносульфанаты или ГИПАН, вода, удобрения, семена растений. Расход — 12—15 л на 1 м2.
Таким образом, уменьшение уровня загрязнения воздуха рабочей зоны пылью, позволяет улучшить условия работы персонала при эксплуатации хвосто-хранилищ.
Направление дальнейших
исследований
Для сухих законсервированных хво-стохранилищ наиболее приемлема биологическая рекультивация различными видами травянистых растений. Так, сотрудниками Криворожского ботанического сада (Украина) для закрепления сухих и пылящих участков хвостохрани-лищ рекомендуется следующие многолетние растения: колосняк черноморский, колосняк кистистый, пырей удлиненный. Необходимым условием для создания травяного покрова из этих злаков является внесение в хвосты больших доз минеральных удобрений (аммиачную селитру, суперфосфат, калийную соль и др.) как при посеве, так и периодически через 2—3 года, что требует постоянного ухода за растениями и существенно повышает стоимость рекультивации [13].
Проведенные исследования показали, что плотность зарастания и биомасса дикорастущих растений в 3—6 раз меньше кохии венничной. Однако они могут успешно применяться для биологической рекультивации пылящих поверхностей (рис. 7). Прорастание клевера посевного и люцерны посевной, посеянных на черноземе за четырехмесячный период наблюдений обнаружено в малых количествах. На участках хвостохранилища покрытых глиной всходы посеянных
семян не наблюдались. Глина считается условно плодородным субстратом из-за нехватки гумуса. В этих условиях процесс самозарастания происходит некоторыми видами бурьянов в трещинах или лугах в течении 25—30 лет. На непокрытом субстратом участке хвостохранили-ща зарастание посеянными и дикорастущими растениями за период наблюдения не происходило.
Кохия веничная — однолетнее двудольное травянистое растение высотой 15—150 см, зеленое, под осень краснеющее, сильно ветвистое. Соцветие взъе-рошено-колосовидное. Цветки по 1—2 в пазухах прицветников, невзрачные. Цветет в июле-августе. Растет на солончаках, песках, сорное в садах, огородах, вдоль дорог, по мусорным местам, на высоте до 1000 м над уровнем моря, одиночно или группами. Кохия — растение кормовое и экологически безвредное. Она отличается кратчайшим сроком вегетации, большой урожайностью семян, глубоким залеганием корневой системы, что требуется для ускоренного закрепления пылящей поверхности хвостохранилища.
Для создания растительного покрова целесообразно использовать другие сор-
ные растения, которые имеются в черноземе или заносятся на экспериментальные участки естественным путем — животными, водой и ветром. Предлагаемая технология рекультивации пылящих поверхностей позволит в течение 2— 3 лет вернуть для хозяйственного использования земли отведенные под хвостохранилища или отвалы.
Продолжая наблюдения за экспериментальными участками в 2015—2016 гг. авторами установлено, что на черноземе произошло исчезновение кохии веничной, а ее место заняли растения лядвенца Ольги (лядвенец рогатый, семена бобовых). Это многолетник высотой 30—60 см, цветет в мае—сентябре на лугах и травянистых склонах. По всей территории Украины — обычно, на юге немного реже. Сроки цветения лядвеца рогатого и вегетация начинаются с мая месяца обеспечили полное господство в растительном покрове черноземного участка. Покрытие 70—80%. Растения, успевшие захватить площадку для эксперимента не дали прорастания кохии веничной в конце июля — начале августа. Растение неоднократно плодоносящее в течении вегетационного периода,
Рис. 7. Общий вид экспериментального участка: 1 — участок чернозема засеянный кохией веннич-ной; 2 — самозарастание чернозема дикорастущими растениями; 3 — участок глины засеянный кохией венничеой; 4 — самозарастание глины дикорастущими растениями
Fig. 7. General view of the experimental site: 1 — land chernozem sown kohiey vennichnoy; 2 — self-overgrowing humus wild plants; 3 — section clay seeded kohiey vennicheoy; 4 — self-overgrowing clay wild plants
обеспечило себя обширной территорией и дальнейшим распространением.
Исследования показали, что плотность зарастания и биамасса дикорастущих растений лядвенца Ольги ничем не уступают по плотности стояния растений кохии веничной. Сомкнутость 0,9. Как видим, произошло явление сукцессии, когда один вид растения сменил другой. Следует обратить внимание на появление синузий растений гринделии липкой, которая в последние годы захватывает пространство на экспериментальном участке. Это экспериментальный вид занимающий степные регионы европейской части бывшего СССР. Среди зарослей лядвенца Ольги наблюдаются небольшие пятна полыни горькой (семейство астровых), кудрявец Софии (семейство крестоцветых), лебеды белой (семейство маревых) и единичных растений коровяка скипетровидного (семейство норичниковых), бодяка акантовидного (семейство астровых). Перечисленные виды — потенциальные участники сук-цессий на экспериментальной площадке. Кроме травяных растений на участке покрытом черноземом начали самопроизвольно приживаться деревья хоха узколистого и кустарника.
На участках хвостохранилища покрытых глиной развитие растительности значительно беднее. На фоне открытых площадок глины начинают закрепляться редкие кустики полыни австрийской (семейство астровых), молочая татарского (семейство астровых), татарника колючего (семейство астровых), полыни горькой (семейство астровых), из-под глины пробиваются заросли камыша городского (семейство злаковых). Появились огромные заросли (сухостоя) донника белого, достигающего 1,5—1,8 см (семена бобовые) и мозаичных пятен сухих растений овсюга пустого, однолетник, (семейство мятлиновых). Всходы овсюга ранней весной обеспечат покрытие эксперимен-
тальных участков на все лето. Изредка встречаются растения осота розового, живокости полевой [14]. На непокрытом субстратом участке хвостохранилища заростания дикорастущими растениями за период наблюдений не происходило за исключением пробивающихся из-под камней одиноких растений камыша городского, корневищами глубоко уходит в водоносные горизонты скальных пород.
Таким образом, внедрение разработанных технологий, средств и способов борьбы с пылением на действующих и законсервированных хвостохранилищах позволит уменьшить уровни загрязнения воздуха рабочей зоны пылью, улучшить условия работы персонала, экологическую обстановку в районах складирования отходов гидрометаллургической переработки руд [15—17].
Выводы
1. Химическое закрепление пылящей поверхности заключалось в обработке поверхности участка на хвостохрани-лище химическими веществами. Водорастворимые полимеры проявляют стабилизирующие свойства при содержании в грунтах 10-2...10-1 вес%. Соотношение твердого к жидкому в исходной пульпе изменялось от 1 до 5. Содержание закрепителей (полимеров) по отношению к воде — 0,5% полиакримида и 2% — ГИПАНА и лингосульфата. Расход раствора — 5—6 л на 1 м2 поверхности, регулировался с учетом небольших закрепляемых площадей. Участки закрепленные ГИПАНом, полиакриламидом и лигносуль-фанатом не подтвердили эффективность и не могут рекомендованы в качестве закрепителей.
2. Закрепление пылящих поверхностей грунтосмесями в виде окатышей заключалось в укладке закрепляющего материала в виде окатышей шарообразной формы по пылящей поверхности, при этом окатыши изготавливались
из глины, соломы (камыша), древесных опилок, скрепляющих добавок (ГИПАН, лигносульфанаты) и воды при следующих соотношениях ингредиентов, масс.%: глина — 68—75; дробленная солома, камыш или опилки — 3—8; лигносульфанаты или ГИПАН — 0,3—1; семена растений, вода — остальное. Расход 8—10 кг окатышей на 1 м2. Солома или камыш резались на кусочки длиной до 2 см, опилки, просеянные через сито 1 см. Расход до 10 кг на 1 м2 поверхности.
3. Закрепление пылящих поверхностей специально подготовленным составом заключается в укладке закрепляющего материала в виде глинистого раствора с добавками ингредиентов. В качестве ингредиентов использовали глину, чернозем, опилки, лигносульфанаты или ГИПАН, воду, удобрения, семена растений. Расход — 12—15 л на 1 м2 поверхности.
4. Рекомендован наиболее эффективный биологический способ закрепления пылящих поверхностей хвостохранили-ща ГМЗ грунтосмесями состоящеми: вода, удобрение, семена трав, ГИПАН и мульчирующие добавки (глина и опилки); вода, удобрение, семена трав, ГИПАН и мульчирующие добавки (глина, зола ТЭЦ и опилки).
5. Установлено, что на месте покрытом черноземом проявляется явление сукцессии. Это дает основание считать, что процесс восстановления природного покрова, свойственного степным условиям набирает силу и доказывает, что природная среда помогает реконструкции биотонов. Развитие искусственного экотона происходило на четвертом году
список литературы
эксперимента, хотя на других хвостохра-нилищах процесс сукцессий наблюдается после 10—30 лет без подсыпки чернозема, который имеет большую обсеме-няемость сорняками, является мощным источником зарождения растительных группировок, в том числе и древесных кустарников.
6. Показано, что биологическую рекультивацию отработанных хвостохра-нилищ необходимо начинать путем посева семян кохии веничной на чернозем в апреле—мае месяце для условий центральной части Украины, что благодаря интенсивному ее росту позволит предупредить сдувание пыли хвостов уже через 4—5 месяцев и обеспечить в последующем активный рост сорняков, семена которых в достаточном количестве находятся в черноземе. Через 3—4 года рекультивируемые земли могут быть возвращены для хозяйственного использования.
Основные научные и практические результаты исследований получены в ходе выполнения научно-исследовательской работы (научный руководитель — В.И. Ляшен-ко): «Исследование и разработка способов пылеподавления при транспортировке, складировании, хранении полезных ископаемых и отходов добычи и переработки руд на объектах урановой промышленности» (№ гос. регистрации 0102и003095). Работа выполнена при содействии В.Н. Пу-хальского (ГП «ВостГОК»), В.М. Зельни-ченко, А.Г. Скотаренко, В.Н. Жушмана (ГП «УкрНИПИИпромтехнологии»), Криворожского национального университета и др.
1. Young C.A., Luttrell G. H. (Eds.) Separation Technologies for Minerals, Coal, and Earth Resources: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Inc. (SME), Englewood, Colorado, USA. 2012. 739 p.
2. Peil O.E., Ruban A. V., Johansson B. Self-consistent supercell approach to alloys with local environment effects // Physical Review B. 2012. Vol. 85, No. 16. Pp. 165140-1-165140-14.
3. Hickel T., Grabowskiy B., Kormann F., Neugebauer J. Advancing density functional theory to finite temperatures: methods and applications in steel design // Journal of Physics: Condensed Matter. 2012. Vol. 24, No. 5. Pp. 053202-1-053202-17.
4. Idczak R., Konieczny R., Chojcan J. Study of defects in Fe-Re and Fe-Mo alloys by the Moss-bauer and positron annihilation spectroscopies // Solid State Communications. 2012. Vol. 152, No 20. Pp. 1924-1928.
5. Сравочник по обогащению руд. Специальные и вспомогательные процессы / Под ред. О. С. Богданова, В. И. Ревнивцева. — М.: Недра, 1983. — 376 с.
6. Янов А.П., Данченко Ф.И., Лебеда А.И. Временные рекомендации по борьбе с пылью, выделяющейся при отвалообразовании и с поверхности отвалов, с применением латек-сов. — Кривой Рог: ВНИБТГ, 1984. — 20 с.
7. Кретинин А. В., Борисов В. Г., Жушман В. Н. Способ борьбы с пылью на действующих хвостохранилищах // Цветная металлургия. — 1988. — № 12. — С. 56—88.
8. Бересневич П. В., Кузьменко П. К., Неженцева Н. Г. Охрана окружающей среды при эксплуатации хвостохранилищ. — М.: Недра, 1993. — 128 с.
9. Дом^чев М. В. Розробка технологи знепилення хвостосховищ прничо-збагачувальних комбшапв Кривбасу. — Кривой Рог: Видавничий центр КТУ, 2010. — 138 с.
10. Козин В.З. Опробование минерального сырья. — Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2011. — 316 с.
11. Адамов Э.В. Основы проектирования обогатительных фабрик. Учебник. — М.: Изд. Дом «МИСиС», 2012. — 647 с.
12. Хопунов Э.А. Селективное разрушение руд и техногенного сырья. Монография. — Екатеринбург: УИЦО, 2013. — 429 с.
13. Рекомендации по биологическому закреплению пылящих поверхностей действующих хвостохранилищ горнообогатительных комбинатов Кривбасса. — Кривой Рог, 1988. —14 с.
14. Фисюнов Л. В. Сорные растения. — М.: Колос, 1984. —320 с.
15. Ляшенко В. И., Гурин А. А., Таран Н.А. Новые технологии и средства закрепления поверхностей хвостохранилищ // Обогащение руд. — 2014. — № 5. — С. 41—46.
16. Ляшенко В.И., Коваленко Г.Д. Совершенствование природоохранных технологий и средств закрепления поверхностей хвостохранилищ // Экология и промышленность. — 2015. — № 1. — С. 34—39.
17. Ляшенко В. И., Гурин А.А. Природоохранные технологии и средства для пылеподавле-ния поверхностей хвостохранилищ // Черная металлургия. — 2016. — № 4. — С. 10—17.
коротко об авторах
Ляшенко Василий Иванович — кандидат технических наук,
старший научный сотрудник, начальник научно-исследовательского отдела,
Украинский научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт
промышленной технологии, e-mail: vi_lyashenko@mail.ru,
Гурин Аркадий Александрович — доктор технических наук, профессор,
зав. кафедрой, Криворожский национальный университет,
e-mail: raop35@gmail.com.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 9, pp. 58-72.
Justification of environmental protection technologies and means for dust suppression at tailings ponds of hydrometallurgy
Lyashenko V.l., Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Head of Department,
Ukrainian Scientific-research and Design-prospecting Institute of Industrial Technology,
52204, Zheltye Vody, Ukraine, e-mail: vi_lyashenko@mail.ru,
Gurin A.A., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair,
Kryvyi Rih National University, 50000, Krivoy Rog, Ukraine, e-mail: raop35@gmail.com.
Abstract. The article describes basic theoretical and practical results of scientific research as well as laboratory- and full-scale experiments on environmental protection technologies aimed to suppress dust on the surface of tailings ponds in the hydrometallurgical industry. The described environmental protection technologies and means for dust suppression on dry beaches are connected with fixation of tailings
by lime (4-6% of solid mass); chemicals (water-soluble polymers at solution consumption to 5-6 l per 1 m2 of surface area), ground mixes in the form of pellets (consumption to 10 kg per 1 m2 of surface area), special composition of such ingredients as clay, black earth, saw-dust, lignosulfonates, water, fertilizers, seeds (solution consumption to 12-15 l per 1 m2 of surface area). The recommended and most efficient bio-method for fixation of dusting surfaces of tailings ponds at hydrometallurgical works is to use ground mixes composed of: water, fertilizes, grass seeds, GIPAN and mulching materials (clay, saw-dust); water, fertilizer, grass seeds, GIPAN and mulching materials (clay, power generating plant ahs and saw-dust). It is shown that introduction of the developed technologies, methods and means to suppress dusting at actual and old tailings ponds allows reduced pollution of working zone air with dust, more comfortable operating environment for personnel and environmental improvement in the areas of storage of hydrometallurgical ore treatment waste.
Key words: tailings, dust, dust suppression, lime, chemicals, biological hydro-mixes.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0-58-72
REFERENCES
1. Young C. A., Luttrell G. H. (Eds.) Separation Technologies for Minerals, Coal, and Earth Resources: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Inc. (SME), Englewood, Colorado, USA. 2012. 739 p.
2. Peil O. E., Ruban A. V., Johansson B. Self-consistent supercell approach to alloys with local environment effects. Physical ReviewB. 2012. Vol. 85, No. 16. Pp. 165140-1-165140-14.
3. Hickel T., Grabowskiy B., Kormann F., Neugebauer J. Advancing density functional theory to finite temperatures: methods and applications in steel design. Journal of Physics: Condensed Matter. 2012. Vol. 24, No. 5. Pp. 053202-1-053202-17.
4. Idczak R., Konieczny R., Chojcan J. Study of defects in Fe-Re and Fe-Mo alloys by the Mossbauer and positron annihilation spectroscopies. Solid State Communications. 2012. Vol. 152, No 20. Pp. 1924—1928.
5. Sravochnik po obogashcheniyu rud. Spetsial'nye i vspomogatel'nye protsessy. Pod red. O. S. Bogda-nova, V. I. Revnivtseva [Directory of enrichment of ores. Special and supporting processes. Bogdanov O. S., Revnivtsev V. I. (Eds.)], Moscow, Nedra, 1983, 376 p.
6. Yanov A. P., Danchenko F. I., Lebeda A. I. Vremennye rekomendatsii po bor'be s pyl'yu, vydelyayushchey-sya pri otvaloobrazovanii i s poverkhnosti otvalov, s primeneniem lateksov [Temporary recommendations for the fight against dust released during the dumping and from the surface of the dumps, with the use of latex], Krivoy Rog, VNIBTG, 1984, 20 p.
7. Kretinin A. V., Borisov V. G., Zhushman V. N. Sposob bor'by s pyl'yu na deystvuyushchikh khvostokhranil-ishchakh [A method for controlling dust on existing tailings]. Tsvetnaya metallurgiya. 1988, no 12, pp. 56— 88. [In Russ].
8. Beresnevich P. V., Kuz'menko P. K., Nezhentseva N. G. Okhrana okruzhayushchey sredy pri ekspluatat-sii khvostokhranilishch [Environmental protection in the operation of tailings], Moscow, Nedra, 1993, 128 p.
9. Domnichev M. V. Rozrobka tekhnologi'i znepilennya khvostoskhovishch girnicho-zbagachuval'nikh kombinativ Krivbasu [Po3po6Ka TexH0A0rii 3HenuAeHHA xboctocxobuw, riphu'-io-36ara'-iyBaAbHMX KOM6iHaTiB KpuB6acy], Krivoy Rog, Vidavnichiy tsentr KTU, 2010, 138 p.
10. Kozin V. Z. Oprobovanie mineral'nogo syr'ya [Testing of mineral resources], Ekaterinburg, Izd-vo UGGU, 2011, 316 p.
11. Adamov E. V. Osnovy proektirovaniya obogatitel'nykh fabrik. Uchebnik [Fundamentals of concentrators. Textbook], Moscow, Izd. Dom «MISiS», 2012, 647 p.
12. Khopunov E. A. Selektivnoe razrushenie rud i tekhnogennogo syr'ya. Monografiya [Selective destruction of ore and technogenic raw materials. Monograph], Ekaterinburg, UITSO, 2013, 429 p.
13. Rekomendatsii po biologicheskomu zakrepleniyu pylyashchikh poverkhnostey deystvuyushchikh khvostokhranilishch gornoobogatitel'nykh kombinatov Krivbassa [Recommendations for biological fixation of dusty surfaces existing tailing ore processing plants Kryvbas], Krivoy Rog, 1988, 14 p.
14. Fisyunov L. V. Sornye rasteniya [Weed plant], Moscow, Kolos, 1984, 320 p.
15. Lyashenko V. I., Gurin A. A., Taran N. A. Novye tekhnologii i sredstva zakrepleniya poverkhnostey khvostokhranilishch [New technologies and means of securing the tailings surface]. Obogashchenie rud. 2014, no 5, pp. 41—46. [In Russ].
16. Lyashenko V. I., Kovalenko G. D. Sovershenstvovanie prirodookhrannykh tekhnologiy i sredstv zakrepleniya poverkhnostey khvostokhranilishch [Improving environmental technologies and means of securing the tailings surface]. Ekologiya i promyshlennost'. 2015, no 1, pp. 34—39. [In Russ].
17. Lyashenko V. I., Gurin A. A. Prirodookhrannye tekhnologii i sredstva dlya pylepodavleniya poverkhnostey khvostokhranilishch [Environmental technologies and means of dust suppression tailings surfaces]. Chernaya metallurgiya. 2016, no 4, pp. 10—17. [In Russ].
