CC BY
166
ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ И УТИЛИЗАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ И ОТХОДОВ
УДК 622.794.2:622.341.1
Мельников ИТ., Суров АИ, Кутлубаев ИМ., Мельников ИИ, Манушин А А.
ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ХВОСТОВОГО ХОЗЯЙСТВА ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА ОАО «ММК»
Производство любой продукции в мире сопровождается образованием большого количества отходов на всех этапах технологических процессов. При производстве 1 т чугуна и меди в отвалы складируется соответственно 15-25 и 180-200 т отходов перерабатывающих предприятий. В настоящее время в накопители жидких промышленных отходов горных и металлургических предприятий России складировано около 600 млрд м3 техногенных пород [1]. Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации хвостовых хозяйств показывает, что от их надёжной и устойчивой работы зависит эффективность работы всего горно-металлургического комплекса.
Хвостовому хозяйству ОАО «ММК» более 80 лет, оно является одним из старейших в России. В состав хвостового хозяйства горно-обогатительного производства (ГОП) входят: две системы гидротранспорта хвостов и шламов, законсервированное шламохрани-лище № 1 и эксплуатируемое в настоящее время шла-мохранилище № 2 (хвостохранилище), система оборотного водоснабжения. Всё это является объектами промышленной гидротехники, а хвостохранилище -гидротехническим сооружением (ГТС).
Географическое положение территории расположения ГТС ГОП характеризуется резко континентальным климатом с большими колебаниями температуры воздуха в течение суток и года. Средняя годовая температура +1,2°С, минимальная приходится на декабрь (-41,7°С), а максимальная - на июль (+38,0°С). Глинистые грунты в зависимости от снежного покрова промерзают от 2 до 3 м, скальные - ещё глубже. Среднегодовая величина осадков - 386 мм, испарение с водной поверхности - 630 мм в год, ис-парение с поверхности суши - 300 мм.
Выведенное из эксплуатации шламохранилище № 1 (намывного типа) расположено в черте г. Магнитогорска, на косогоре горы Айдарлы. В эксплуатацию этот объект был введён в 1932 году как пруд-осветлитель горнорудного хозяйства ММК и предназначался для складирования хвостов рудообогатительных фабрик (РОФ). Ограждающая дамба комбинированной конструкции, возводилась из хвостов РОФ насыпным и намывным способом. На конец эксплуатации её длина составила 1140 м, максимальная высота - 27 м. Отсутствие опыта строительства намывных сооружений послу-
жило причиной того, что в первый же год эксплуатации произошла авария - в основании дамбы образовалась промоина, через которую утекла воды из прудка. В 1941-1942 гг. намыв производился по схеме инженера Куснировича М. М. - вручную отс ыпались дамбочки высотой 0,8 м, намыв производился под горизонт воды, уровень воды поддерживался на 20-30 см ниже отметки гребня дамбы. В 1942 году, после проливного дождя, произошёл перелив воды через гребень дамбы и её прорыв. В теле дамбы образовалась промоина глубиной 10 м, шириной от 40 до 70 ми разрушился бетонный экран. С мая 1943 года, после заделки прорана, впервые при эксплуатации шламохранилища № 1 намыв стали производить с формированием сухого пляжа, а не под горизонт воды. С вводом в эксплуатацию шламохранилища № 2 шламохранилище № 1 было законсервировано и на его территории размещалась аварийная ёмкость системы гидротранспорта. В ночь с 1 на 2 ноября 1992 года, по причине неконтролируемых переливов воды из резервуаров оборотного водоснабжения, утечек пульпы из шламопроводов и продолжительных дождей, произошло наполнение и перелив воды через гребень дамбы. Водосбросные колодцы находились в неработоспособном состоянии. Образовался проран, в который на прилегающую территорию вытекло 467 тыс. м3 воды и 156 тыс. м3 грунто-шламовоймассы, аплошадь затопления составила 250 га промышленной и городской территорий. В настоящее время дамба шламохранилища № 1 отремонтирована, а территория рекультивирована.
Шламохранилище № 2 (хвостохранилище) - наливного типа[2], на реке Сухая Речка. Хвостохранилище занимает площадь более 1300 га, расположенную вдоль гряды Узун-Зал Зауральского плато в 7 км к востоку от обогатительной фабрики. Введено в экс -плуатацию в 1951 году и входит в состав хвостового хозяйства цеха РОФ ГОП Динамика работы хвостового хозяйства приведена в табл. 1, а общий план ГТС и нижнего бьефа Сухой Речки представлен на рис. 1.
Хвостохранилище представляет собой ёмкость, образованную в русле и пойме р. Сухая Речка русловой плотиной и левобережной дамбой, являющимися ос -новными подпорными сооружениями и удерживающими неконсолидированную составляющую подводного пляжа, осветленную и паводковую воды (см. рис. 1). Общая длина напорного фронта при максимальном
расчётном уровне воды в хвостохранилище -3140 м, максимальный напор - 32,5 м. Сооружения возведены в три очереди и на всю высоту: 1 очередь - ёмкость накопителя составляет 9,2 млн м3; 2 очередь - увеличение ёмкости до 40,0 млн м3; 3 очередь - увеличение ёмкости до 96,0 млн м3.
Почти весь среднегодовой сток р. Сухая Речка формируется в период весеннего поло -водья. Уточнённые в 2000 году гидрологические (незарегулированные) стоковые характеристики в створе плотины составили: при обеспеченности Р=1% (повторяемостью 1 раз в 100 лет) расход воды 01%=81,6 м3/с, объём Wl%=15,6 млн м3; при Р=0,1% (повторяемостью 1 раз в 1000 лет) соответственно
00,1%=129,0 м3/с и W0,1%=24,6 млн м3.
Пульпа, поступающаяпо двум независимым системам гидротранспорта, сбрасывается в северную часть хвостохранилища. Сброс, сосредоточенный на поверхность сухого пляжа, из торцов двух одновременно работающих труб. Способ заполнения - «от берега к дамбе» [3]. Длина надводного пляжа от места сброса и до уреза воды - 1520 м; уклон - 0,013.
В приплотинной зоне аккумулируется вода, образуя прудок-отстойник, на дно ко-
Таблица 1
Динамика работы хвостового хозяйстваДОФ-5 цеха РОФ ГОП
Год экс- плуа- тации Объём переработанного ЖРС, тыс. т Среднее содержание Ге, % Объём перекачи- ваемой пульпы, тыс.м3 Конси- стенция пульпы, Т:Ж Объём укладываемых хвостов, тыс. т Среднее содержание Ге в хвостах, %
1990 2628,2 33,0 18409,0 1 25,6 1006,5 13,3
1991 2186,1 33,6 18250,0 1 33,0 796,4 12,6
1992 1980,/ 37,6 23948,0 1 27,0 687,7 15,3
1993 2445,1 35,7 24725,0 1 25,3 808,4 14,3
1994 2693,9 34,6 24329,0 1 22,4 807,6 14,2
1995 2/16,3 35,3 24758,0 1 24,1 861,7 14,3
1996 2922,6 33,9 28274,0 1 25,3 1046,9 12,8
1997 2642,7 33,1 31361,0 1 25,8 1014,7 13,3
1998 28/5,5 32,4 26231,0 1 24,/ 914,6 13,3
1999 2071,7 34,3 19790,0 1 27,7 655,3 12,8
2000 1639,6 33,1 16904,0 1 29,5 473,7 12,6
2001 1896,1 32,8 15126,0 1 22,7 532,1 13,2
2002 1811,8 33,8 15848,0 1 26,1 520,2 13,4
2003 2447,4 33,5 15168,0 1 22,1 569,1 14,0
2004 2658,3 34,6 16626,0 1 21,9 641,2 16,9
2005 2337,9 34,6 19269,0 1 22,5 758,2 16,6
2006 2232,8 33,55 18301,2 1 24,3 669,5 14,3
2007 2264,8 35,1 16429,0 1 23,6 670,1 15,8
2008 2171,6 34,4 17188,0 1 22,5 688,3 15,1
2009 2342,8 35,3 18631,2 1 22,7 751,5 15,5
2010 2512,4 36,4 21030,2 1 24,6 876,4 14,2
торого выпадают в осадок тонкие фракцииот сбрасываемой пульпы - происходит естественное осветление воды. В этой зоне формируется слабопроницаемый экран из донных отложений тонких фракций, уплотнённый в нижних горизонтах и неконсолидированный (те-
Таблица 2 Химический состав отходов горно-металлургического комплекса ОАО «ММК», складируемых в хвостохранилище ГОП
№ п/п Химический Хвосты Шламы Шламы
состав ММС ДОФ-5 ЭСПЦ СУУ 2-4
1 Ре 15,5 47,8 -
2 Рей 4,98 3,17 -
3 РЄ2О3 16,6 64,9 0,24
4 ДІ2й3 9,97 2,73 <0,10
5 СаО 14,8 11,37 52,0
6 Р 0,115 0,04 -
7 Б 1,59 0,13 -
8 МпО 0,28 0,5 -
9 ТІО2 0,84 0,10 -
10 7п 0,336 0,67 -
11 Сг 0,003 0,028 -
12 БІО2 37,46 2,12 0,18
13 МдО 4,03 2,49 3,15
14 ПМП - 13,0 44,2
Рис. 2. Интегральные кривые грансостава отходов, складируемых в хвостохранилище № 2 ГОП ОАО «ММК»:
1 - хвосты мокрой магнитной сепарации (ММС) дробильнообогатительной фабрики (ДОФ-5), с1ср.взв = 0,12 мм; 2 - шламы электросталеплавильного производства (ЭСПЦ), Сср.взв = 0,054 мм;
3 - шламы сероулавливающих установок (ССУ 2-4), Сср.взв = 0,026 мм
кучей консистенции) в верхних слоях. В ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» были проведены исследования этого материала, которые показали, что хвосты крупностью менее 0,05 мм имеют низкий коэффициент фильтрации (1,2-4,3)*10-6 см/с и являются хорошим материалом для создания противофильтрационных экранов. Гидроизолирующие слои можно создавать с помощью гидронамыва как в основании внешних отвалов, так и в бортах отработанных карьеров, используемых для хранения отходов Также донные отложения обладают низковяжущими свойствами и пригодны для получения строительного материала с прочностью на сжатие до 10 МПа [4-6].
В настоящее время в хвостохранилище складировано 98,6 млн м3 хвостов и шламов, что составляет 102,7% от проектного заполнения, в связи с чем ведётся его реконструкция. В общем объёме складируемых отходов хвостохранилища хвосты мокрой магнитной сепарации (ММС ДОФ-5) составляют 94%, шламы сероулавливающих установок (СУУ № 2-4) - около 4% и шламы электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ) - 2%. Количество донных отложений, к которым относится материал крупностью менее 0,071 мм, составляет 74 млн м3. Гранулометрический состав складируемых отходов представлен на рис. 2. Химический состав отходов, поступающих в хвостохранилище в виде пульпы от обогатительного и металлургического производства, приведён в табл. 2.
Для удаления мокрых отходов производства на комбинате функционируют две системы гидротранспорта. По первой системе удаляются мокрые хвосты дробильнообогатительной фабрики № 5 (ДОФ-5). Железорудное сырьё (ЖРС) перерабатывается и обогащается по технологии мокрой магнитной сепарации (ММС).
Средние технологические нагрузки: на мельницу - 85 т/ч, на ММС I стадии -90 т/ч, на ММС II стадии - 60 т/ч, на фильтрацию - 55 т/ч.
Расход воды на одну тонну концентрата за последнее десятилетие изменялся в диапазоне от7,5 до 17,6 м3/т. Без сгущения и хим-подготовки хвостовая пульпа от ММС расходом 1600 м3/ч и консистенцией 1:15-1:25 по лотку подаётся в зумпф пульпонасосной станции первого подъёма (ПНС-І) ДОФ-5. Удаление пульпы производится по рабочей нитке пульповода грунтовыми насосами ГрАТ-1800/67, установленными в ПНС первого и второго подъемов и работающими по схеме «без разрыва струи» [6]. Всего установлено по три однотипных насосных агрегата на каждой ПНС, проложено три нитки пульповодов из стальных труб 0 = 530 мм (рабочая, резервная и ремонтная), протяжённость трассы - 8 км. Для опорожнения пульповодов на ПНС предусмотрены аварийные ёмкости.
По второй системе транспортируются
отходы СУУ 2-4 аглоцеха, шламы газоочи-
стки мартеновской печи и машины непрерывного литья заготовок ЭСПЦ. Шламовая пульпа не подвергается предварительному сгущению, химподготовке и с консистенцией Т:Ж = 1:180-200, общим расходом 18002500 м3/ч по трём независимым пульповодам 0 = 325 и 426 мм сливается в пульпобак цеха РОФ. Пульпобак выполняет функции регулирующей ёмкости ПНС-І РОФ (отметка ПНС - 428,14 м). Для перекачки шламов в ПНС-І установлены два землесоса 20-Р-11 и один (с меньшей производительностью) - ГРАТ 1800/67 [7]. Каждый землесос работает на свою нитку. В постоянной работе находится один агрегат, подающий шламовую пульпу в хвостохранилище без помощи ПНС-ІІ (отметка ПНС-ІІ 432,54 м) на отметку пляжа 395,00 м (И. = -33,14 м). Всего проложено три нитки из стальных труб 0 = 820 мм и длиной 8 км. Таким образом, шламы транспортируются в хвостохранилище по схеме с «разрывом струи», так как поток разрывается в пульпобаке.
Насосная станция оборотного водоснабжения (НСОВ), размещённая у низового откоса плотины, обеспечивает фабрику осветлённой водой из пруда-отстойника хвостохранилища. Оборудована тремя насосными агрегатами ЦН-3000/197, из которых один в постоянной работе. Из водозаборной камеры, самотёком по двум всасывающим водоводам 0 = 1020 мм, осветлённая вода поступает в НСОВ и далее расходом 3200 м3/ч по стальному водоводу 0 = 1220 мм подаётся потребителям: ЦПАШ и цех РОФ. Основной объём воды направляется на ММС ДОФ-5, а излишки воды поступают в уравнительные резервуары 7 (см. рис. 1). Общий объём воды в прудке - отстойнике (при нормальном подпорном уровне 386,50 м) составляет 30,2 млнм3, из которых только 19,9 млн м3 можно использовать для технологических нужд. Согласно нормативным документам [8] объём воды в прудке не должен превышать 20-суточной потребности в оборотной воде обогатительных фабрик, т.е. не более 3,0 млнм3. Таким образом, объём оборотной воды значительно превышает нормативные значения и ГТС по сути является одновременно водо- и хвостохрани-лищем, что приводит к снижению вместимости накопителя и возрастанию рисков возникновения аварий.
Анализ данных эксплуатации хвостового хозяйства за последние 10 лет показывает, что транспортирование пульпы с низ -ким содержанием твердых частиц приводит к значительному перерасходу электроэнергии и увеличению металлоёмкости гидротранспортной системы. Излишние запасы воды в прудке-отстойнике снижают вместимость накопителя и увеличивают потенциальную опасность ГТС в случае возникновения гидродинамической аварии.
Для повышения эффективности и надёжно -сти работы гидротранспорта необходима модернизация всей системы хвосто- и шламоудаления, с внедрением внутрифаб-ричного сгущения до консистенции транс -портируемой пульпы 1:10-1:20.
Для нормальной работы хвостового хозяйства потребовалось принятие технических решений, позволяющих увеличить вместимость существующего хвостохранилища без отторжения дополнительных площадей. С целью разработки различных вариантов реконструкции хвостохранилища и совершенствования технологии возведения намывных дамб, в 1999 году ОАО «ММК» совместно со специалистами ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО (г. Москва) были выполнены натурные и лабораторные исследования физико-механических, компрес с ионных и фильтрационных свойств хвостов, результаты которых представлены в табл. 3. Было установлено, что угол внутреннего трения хвостов в подводном состоянии для крупности 0,368-0,271 мм изменяется от 20°30' до 17° 10'. Коэффициент консолидации хвостов крупностью 0,05 мм изменяется в пределах Су = 4,3-6,3*105 см2/год и зависит от плотности. Исследования показали, что наиболее интенсивное уплотнение образцов наблюдается до нагрузок
0,1-0,2 МПа. Для более крупных хвостов величина сжимаемости меньше, а модуль компрессионного сжатия больше и его величина в диапазоне исследованных нагрузок изменяется от 5,0 до 54,0 кг/см2.
В 2007 году начаты работы по реконструкции хвостового хозяйства, цель которой является увеличение вместимости накопителя при минимальном увеличении земельного отвода. Реконструкция включает сооружение следующих объектов: строительства межотсечной, правобережной, разделительной и отсечной дамб, которые образуюттри отсека - для складирования хвостов, шламов и приёма осветленной оборотной воды, а также аккумуляции и пропуска паводковых вод Сухой Речки. Кроме того, проектом предусматривается строительство распределительных пульповодов, ПНС - ІІІ подъёма и дренажных насосных станций, устройство санитарнозащитной и прибрежной зон.
Стоимость строительно-монтажных работ по проекту, выполненному НИПЭЦ «Промгидротехника» (г. Белгород), составляет около 700 млн руб. В резуль-
Таблица 3
Физико-механические и фильтрационные свойства хвостов
№ п/п Средневзвешенный диаметр &р, мм Плотность ХВОСТОВ Рі, т/м3 Сцеп- ление с, кг/см2 (*0,1= =МПа) Угол внут- реннего трения ф, град Пори- стость п Коэффициент фильтрации Кф, см/с (*864 м/сут)
сухих минеральной части (уд. вес)
1 0,368 1,79 3,875 0 31°30' 0,538 1,78x10-2
2 0,368 1,86 3,875 0 32°30' 0,520 1,5x10-2
3 0,368 2,03 3,875 0 34° 15' 0,476 1,3x10-2
4 0,311 1,75 3,790 0 - 0,538 1,1x10-2
5 0,311 1,87 3,990 0 - 0,506 0,6x10-2
6 0,271 1,57 3,775 0 - 0,634 1,42x10-2
7 0,271 1,68 3,775 0 - 0,553 1,03x10-3
8 0,05 1,59 3,250 0,16 17° - 3,0x10-5
9 0,05 1,65 3,250 0,16 17° - 4,3x10-6
10 0,05 1,78 3,250 0,16 17° - 1,2x10-6
Рис. 3. Общий план реконструкции эксплуатируемого хвостохранилища № 2.
Проектируемые сооружения: 1 - разделительная дамба; 2 - правобережная дамба I и II очереди; 3 - дамба 1 и 2 яруса русловой плотины; 4 - межотсечная дамба; 6 - отсечная дамба.
Существующие сооружения: 7 - русловая плотина с отметкой гребня 390,00 м; 8 - водозаборная башня (выведена из эксплуатации); 9 - водозаборная камера (действующая); 10 - паводковый водосброс; 11 - обводной канап;
12 - насосная станция оборотного водоснабжения
тате осуществления реконструкции изменяется способ заполнения хвостохранилища «от дамбы к берегу». С 2011 г. из хвостов ММС ДОФ-5 будет производиться намыв упорной призмы, которая в дальнейшем станет основанием для намывных дамб. Реализация проекта реконструкции позволит продлить срок эксплуатации хвостохранилища на 49 лет. Ситуационный план реконструкции шламохранилища № 2 приведён на рис. 3.
В настоящее время построен и действует новый водозабор, межотсечная и правобережная дамбы, заканчивается строительство разделительной дамбы и распределительных пульповодов. Работы по реконструкции ГТС продолжаются.
Выводы
1. Сгущение шламовой пульпы до консистенции 1:10-1: 20 позволит значительно снизить расход электроэнергии и метериалоёмкость гидротранспортных систем.
2. Донные отложения прудковой зоны занимают большую часть ёмкости хвостохранилища. Их ис -пользование в качестве противофилырационного и строительного материалов позволит увеличить вместимость существующего накопителя и решать задачи комплексного использования природных ресурсов.
3. Шламы ЭСПЦ, содержащие до 65% Бе203, в количестве около 30 тыс.т/год смешиваются с другими отходами и безвозвратно теряются. Сгущение, сушка и брикетирование шламов ЭСПЦ позволит получить дополнительное сырьё для металлургического
производства.
4. Реконструкция хвостохранилища посредством раздельного складирования хвостов и шламов, замещения избытков оборотной воды хвостами ММС и перехода на намывной способ возведения ограждающих дамб позволит продлить срок эксплуатации накопителя на 49 лет.
Список литературы
1. Певзнер М.Е. Проблемы развития минерально-сырьевой базы и горнодобывающей промышленности России // Горный журнал. 1993. № 1. С. 9-12.
2. Трубецкой К.Н., Уманец В.Н., Никитин М.Б. Классификация техногенных месторождений, основные категории и понятия // Горный журнал. 1989. № 12. С. 6-9.
3. Гидравлическое складирование хвостов обогащения: справочник. М.: Недра, 1991. С. 206.
4. Опыт эксплуатации хвостового хозяйства Качканарского ГОКа/ МельниковТ.И., Мельников И.Т., Еремин Н.Я. и др. // Горный журнал. 1979. № 1. С. 25-29.
5. Мельников И.Т., Шишкин В.И., СуровА.И. Донные отложения хвостохранилища ГОП ОАО «ММК» - источник цементирующего материала для производства строительных изделий //Труды по материалам междунар. науч.-техн. конференции «Развитиефизико-химических способов добычи». Магнитогорск; Сибай, 2009. С. 156-163.
6. Мельников И.Т., Суров А.И., Шелковникова А.А. Полевые исследования донных отложений прудковой зоныхвостохра-нилища ОАО «Ванадий» (Качканарский ГОК) // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2010, № 3. С. 7-11.
7. ЧуяновГ.Г. Хвостохранилища и очистка сточных вод. Екате-
ринбург, 1998. С. 244.
8. Водное хозяйство: справочник. М.: Агропромиздат,1998. С. 398.
Bibliography
1. Pevzner M.E. Developmentproblems of mineral and raw-material base and mining industry of Russia // Mining magazine. 1993. № 1. P. 9-12.
2. Trubetskoj K.N., Umanets V.N, Nikitin M.B. Classification of technogenic deposits, basic categories and concepts // Mining magazine. 1989. № 12. P. 6-9.
3. Hydraulic warehousing of mill tailings: the reference book. M.: Depths, 1991. 206 p.
4. Operating experience of tail processing of Kachkanarsk mining-and-processing integrated works / Melnikov T.I., Melnikov I.T.,Er-emin N.J., etc. // Mining magazine. 1979. № 1. P. 25-29.
5. Melnikov I.T., Shishkin V.I, Surov A.I. Deposit of bottom mining-treatment plantof tail-storing of Open JointStock Company «Magnitogorsk Iron and Steel Works» - a source of cementing material for construction products manufacture // Scientific articles of the international scientific and technical conference «Development of physical-chemical ways of mining». Magnitogorsk; Sibai, 2009. P. 156-163.
6. Melnikov I.T., Surov A.I., Shelkovnikova A.A. Field research of bottom sediments of Open Joint Stock Company «Vanadium» tailing pond (Kachkanarsk mining-treatmentplant) / Vestnik of MSTU named after G.I. Nosov. 2010. № 3. P. 7-11.
7. Chujanov G.G. Tail-storing and sewage water treatment Yekaterinburg, 1998. 244 p.
8. Water management: reference book. M.: Agropromizdat, 1998. 398 p.
