CC BY
135
УДК 622.3.004.18 К.Н. Трубецкой
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ОСВОЕНИИ НЕДР С ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ*
Предложены пути решения проблем ресурсосбережения на основе сочетания открытой и подземной геотехнологии при комплексном освоении месторождений полезных ископаемых и сопутствующих техногенных образований в замкнутом технологическом цикле.
Ключевые слова: экономия ресурсов, минерально-сырьевая база, встроенный метод использования рудной массы, геотехнология.
Из одной статьи первого Устава Российской академии наук:
«.. .распространять познания ее естественных произведений., к усовершенствованию фабрик, мануфактур, ... сих источников богатства и силы государства»
у ~Иа протяжении второй половины XIX, всего XX, первого -М. Л. десятилетия XXI века и обозримого будущего наша страна была и будет крупнейшей минерально-сырьевой державой, доля экспорта продукции которой, вне зависимости от социальнополитического строя, масштабов страны, в разные периоды составляла не менее 50-75%.
На долю России приходится 17% общемирового минеральносырьевого баланса. По количеству прогнозных минеральносырьевых ресурсов, приходящихся на одного жителя, Россия входит в числе мировых лидеров. В силу ряда причин наше государство обладает конкурентными стратегическими минеральносырьевыми преимуществами, при сохранении и усилении которых Россия в XXI в. сможет не только удовлетворить наиболее рацио-
* Доклад на научной сессии Общего собрания Отделения наук о Земле Российской академии наук, 14 декабря 2009 г.
нальным образом собственные потребности в минеральном сырье, но и занять более высокое и устойчивое геополитическое положение. Даже несмотря на мировой кризис, доходы от экспорта важнейших видов минерального сырья и продукции их переработки являются главным источником пополнения федерального бюджета, финансирования инвестиционных программ национального значения, укрепления энергетической безопасности страны.
Сегодня минеральное сырье, извлекаемое из недр Земли, является основой существования технократической цивилизации. Практически весь антропогенный материальный мир построен и функционирует за счет результатов прямого или косвенного разрушения определенных пластов литосферы Земли и последующего использования полученного при этом вещества. По последним данным, минеральное сырье дает исходные материалы и энергетическую основу производству 70% всей номенклатуры конечной продукции человеческого общества. На протяжении прошлого столетия наиболее яркой чертой экономической системы человечества, состоящей из людей, средств производства и материальных благ, был и остается огромный количественный рост всех составляющих. Население росло далеко превышающими известные ранее в истории темпами, что стало важным только в условиях еще более быстрого расширения производства материальных благ. Так, население мира увеличивалось примерно на 2% в год, мировое потребление товаров - на 4% в год, а производство (добыча) полезных ископаемых на каждого жителя Земли - до 10% в год (рис. 1).
При этом необходимо учитывать, что на единицу добытого из недр твердого полезного ископаемого приходится также извлекать из недр и размещать, как правило, на земной поверхности от более чем 1 до 7 единиц пустой породы. Общее количество вещества, ежегодно извлекаемого из литосферы, а также распределение его по видам полезных ископаемых (рис. 2).
Следует обратить Ваше внимание, уважаемые коллеги, что называемые выше термины «производство» и «потребление» не совсем точны для описания процессов извлечения на поверхность значительных объемов полезных ископаемых и пустых горных пород. Фактически человек не производит и не уничтожает вещество и энергию, а только переводит их из одного состояния в другое. Человек преобразует сырье в товары, а товары - в ту или иную форму отходов, которые возможно
Рис. 1. Динамика роста народонаселения Земли и удельной добычи минерального сырья: 1 - рост численности населения; 2 - рост добычи сырья на человека в год
Вид сырья Доля в об- Годовой объем добычи, млрд т
щей добыче, полезных ис- пустых по- горной мас-
% копаемых род сы
Рудное, в т.ч.: 14,6 41 274,0 315,0
- черные металлы 9,9 27,9 186,3 214,
- цветные металлы 4,7 13,1 87,7 100,8
Нерудное, в т.ч.: 62,9 176 202,4 378,4
- стройматериалы 58,1 163 179,3 342,3
Энергетическое, в 22,5 63 132,3 195,3
т.ч.: - уголь 10,7 30 90 120
Всего 100 280 608,7 888,7
Рис. 2. Структура и объемы добычи полезных ископаемых, пустых пород и горной массы в мире
превратить в сырье путем расхода энергии. В связи с этим при развитии цивилизации всегда будет требоваться определенный уровень добычи из недр Земли прежде всего энергетического сырья.
Вместе с тем, продолжающееся на протяжении многих последних десятилетий снижение качества полезных ископаемых на разрабатываемых и большинстве вновь вовлекаемых в эксплуата-
цию месторождений, увеличение глубины их разработки, значительное усложнение горно-геологических и экономикогеографических условий промышленного освоения месторождений, особенно новых, повышение требований к сохранению недр Земли и охране природной среды обусловили устойчивую тенденцию существенного роста эксплуатационных и капитальных затрат в горной промышленности.
В этих условиях особую значимость приобретает научная проблема комплексного освоения месторождений при открытом способе разработки [1]. Извлечение всех полезных компонентов, содержащихся в основном минеральном сырье в контурах карьера, складах забалансовых руд, хвостах обогатительных фабрик, металлургических шлаках и других отходах горно-металлургического производства, позволит решить проблему ресурсосбережения и значительно расширить сырьевую базу России.
Ежегодное извлечение различных горных пород из недр до 15 млрд т в бывшем СССР в период второй половины XX столетия приводило к образованию от 3,5 до 10,2 млрд т в год твердых отходов. В результате в отвалах и хвостохранилищах накоплено к 2009 году только в России свыше 90 млрд т таких отходов, наносящих вред охране недр, рациональному землепользованию и окружающей среде.
В целом по горной и перерабатывающей промышленности количество отходов составляет от 50 до 95% извлекаемой из недр горной массы. В то же время значительная часть отходов горнообогатительного и металлургического производств может оцениваться в качестве сырья техногенных месторождений для получения металлов, строительных материалов, удобрений, химической продукции и др.
Так, только на Урале имеется около 200 млн. т хвостов обогащения медных и медно-цинковых руд, в которых содержатся свыше 500 тыс. т меди, 700 тыс. т цинка и 40 млн т серы (например, накопленные хвосты только Бурибаевской, Красноуральской и Учалинской обогатительных фабрик в объемах свыше 60 млн т в среднем содержат меди 0,35-0,5%, цинка 0,19-1,04% и серы 1733%.
В России также имеются сотни миллионов тонн хвостов переработки свинцово-цинковых, оловосодержащих и многих других руд и россыпей, часто с более высоким содержанием, чем содержа-
ние полезных ископаемых в рудах, перерабатываемых на предприятиях.
Современное состояние минерально-сырьевого комплекса России, и без того ухудшающееся в связи с кризисными явлениями в мировой и соответственно Российской финансово-кредитной системе, в условиях резкого колебания цен на минеральные ресурсы, высокого уровня инфляции в сочетании с ростом банковских ставок (до 24-26%), сокращения до 30-40% уровня использования обрабатывающих отраслей, нехватки доступных кредитных средств даже у крупных горнодобывающих компаний, современной системы налогообложения, близкой к полной изношенности основных средств и применения устаревших технологий привели к нерентабельности освоения существенной части балансовых запасов месторождений. Сохранение этого состояния, а также отсутствие требуемых инвестиций и средств для освоения новых геотехнологий резко снижают уровень использования потенциала горной промышленности и не обеспечивают конкурентоспособность ее продукции (по номенклатуре, качеству и стоимости) на мировом рынке.
В этих условиях особое значение приобретают проблемы ресурсосбережения при комплексном освоении недр, основными направлениями которого являются [2]:
• малоотходность;
• создание ресурсосберегающих технологий и вовлечение в комплексное освоение техногенных и природно-техногенных минеральных ресурсов (образований, месторождений, полостей и др.);
• ресурсовоспроизводство;
• создание новых приоритетных горнотехнических систем на основе комбинированных технологий освоения и утилизации всех георесурсов в замкнутом технологическом цикле.
В связи с этим, технологический аспект проблемы комплексного освоения недр и защиты природной среды от загрязнения особое значение приобретает в настоящее время и потребует в ближайшей перспективе развития малоотходных, ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих технологий (рис. 3).
Создание и вовлечение в комплексное освоение техногенных и природно-техногенных месторождений минерального сырья является важным резервом интенсивного развития
438
Малоотходные (обеспечивают максимально возможное сокращение или исключающие твердых, жидких и газообразных видов отходов, или наиболее полное их использование): Ресурсосберегающие (обеспечивают сбережение природных и техногенных минеральных ресурсов и природной среды при снижении трудовых, энергетических и материальных ресурсов, сохранение и восстановление нарушенных земель и ландшафтов, режима поверхностных и подземных вод): Ресурсовоспроизводящие (при использовании определенных видов ресурсов земных недр воспроизводятся или формируются новые виды ресурсов недр, либо осуществляется перевод потенциальных георесурсов в реальные):
• Биотехнологии добычи и глубокой переработки полезных ископаемых. • Безвзрывного освоения месторождений полезных ископаемых. • Выщелачивания полезных ископаемых и продуктов обогащения. • Дегазации и разработки метаноносных залежей угольных пластов. • Использования подземных, наземных и подводных сооружений для захоронения отходов крупных городов, на дне морей и океанов, изоляции затопленных выработанных пространств солесодержащих залежей. • Подземной газификации угля. • Промышленного извлечения метана из нетронутых горными работами • Безлюдной выемки в забоях. • Гидроскважинного извлечения ценных компонентов из земных недр. • Глубокой переработки полезных ископаемых. • Добычи твердых полезных ископаемых со дна водоемов и из морской воды. • Комплексного освоения недр, природных и техногенных месторождений. • Направленного изменения свойств массивов горных пород и минерального вещества на макро и микроуровнях. • Обогащения полезных ископаемых с использованием вибрационных воздействий. • Воспроизводства минеральных ресурсов в литосфере. • Воспроизводства водных ресурсов. • Воспроизводства ресурсов торфа. • Искусственного продолжения формирования месторождений полезных ископаемых. • Повышения технологических свойств попутно извлекаемых горных пород для превращения их в минеральное сырье. • Создания техногенных месторождений в выработанном пространстве недр. • Форсированного формирования выработанного пространства карьеров и рудников.
439
высокогазоносных угольных место-рож-дений.
• Создания новых видов водоугольного топлива.
Скважинного гидроразмыва угольных пластов и откачки водоугольной смеси на поверхность.
• Освоения россыпных месторождений в сложных природных условиях.
• Очистки промышленных и природных вод.
• Переработки и водоподготовки
при обогащении различных видов
минерального и техногенного сырья. Сочетания (комбинирования) открытой и подземной физикотехнических геотехнологий с физико-химической.
• Восстановления биологической продуктивности и хозяйственной ценности нарушенных горными работами земельных площадей и улучшения окружающей среды.
Рис. 3. Приоритетные физико-технические, физико-химические и биологические технологии освоения и утилизации георесурсов
ресурсосбережения, малоотходности горно-обогатительного производства, охраны недр, рационального землепользования и защиты окружающей среды. При этом обеспечивается сбережение природного минерального сырья в объеме 25-30%. Социальноэкологический эффект от вовлечения в эксплуатацию природнотехногенных и техногенных ресурсов зависит от ценности изъятых земель, природно-климатической зоны и вида используемых отходов.
Примером ресурсовоспроизводства за счет изменения условий залегания может быть предложенный академиком В.В. Ржевским способ повторной разработки отработанных ранее подземными работами участков Джезказганского меднорудного месторождения, при котором выемка потерянных в целиках руд осуществляется открытым способом после заполнения подземного выработанного пространства закладкой из медьсодержащих отходов (хвостов) обогащения. Подобный крупный проект в настоящее время разработан (ООО «Питер Горпроект», г. Санкт-Петербург) для Натал-кинского золоторудного месторождения.
Рекультивация земель предусматривает разработку комплекса горнотехнических, инженерных, сельскохозяйственных, лесохозяйственных, рекреационных, санитарно-гигиенических и строительных мероприятий, направленных также на воспроизводство (восстановление) биологической продуктивности и хозяйственной ценности нарушенных горными (или иными) работами земельных площадей и улучшение состояния окружающей среды.
Таким образом, сохранение недр путем управляемого ресурсо-воспроизводства следует рассматривать как высшую форму комплексного освоения недр Земли - области человеческой деятельности, связанной с полным изучением, разведкой, представляющего интерес участка земной коры, формированием стратегии его использования, проектированием горнотехнических систем, обеспечивающих экономичное и экологичное освоение всех видов ресурсов земных недр и сохранение их путем управляемого ресурсовос-производства и базирующихся на сочетании открытой и подземной физико-технических геотехнологий с физико-химической, или других комбинаций с применением глубокой комплексной переработки минерального сырья, то есть малоотходных, ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих технологий.
Научно-методические основы таких технологий разработаны в 2009 году в ИПКОН РАН в рамках проекта 2.2.2 (Программы № 14 фундаментальных исследований Президиума РАН «Научные основы эффективного природопользования, развития минеральносырьевых ресурсов освоения новых источников природного и техногенного сырья»). На основе сочетания открытой и подземной физико-технических геотехнологий с физико-химической и перерабатывающих (обогатительного и гидрометаллургического) комплексов предложена новая типовая горнотехническая система (рис. 4) и разработан технологический регламент комплексного освоения месторождений полиметаллических руд и сопутствующих техногенных образований в замкнутом технологическом цикле [3]. Эта технология прошла опытно-промышленную апробацию в условиях Учалинского ГОКа, которая подтвердила высокую ее экономическую эффективность: срок окупаемости капитальных затрат на ведение инновационной технологии в зависимости от вида перерабатываемого сырья составляет около 2,5 лет; дополнительное извлечение из продуктивных расходов сопутствующих ценных компонентов позволяет увеличить балансовую прибыль предприятия в среднем до 1,5 раз (рис. 5).
Внедрение этой технологии обеспечивает существенное снижение экологической нагрузки на регион. Так, на Учалинском ГОКе текущий объем складируемых отходов обогащения уменьшится на 2,5 млн т в год, на Бурибаевском - 400 тыс. т в год. Экономия от сокращения платежей за размещение отходов по этим предприятиям соответственно 117 и 21,4 млн рублей в год.
Доказано, что создание предприятий по комплексному освоению рудных месторождений в замкнутом технологическом цикле проектирования, разработки и переработки природных, природнотехногенных и техногенных минеральных ресурсов с оптимизацией сроков и очередности поэтапного ввода мощностей принесут максимальный экономический, экологический и социальный эффекты для минерально-сырьевого комплекса России.
Таким образом, комплексное освоение и сохранение недр Земли были в течение последних двух десятилетий и остаются стратегическим направлением в горных науках.
Рис. 4. Типовая горнотехническая система, основанная на комбинированных физико-технических и физико-химических геотехнологиях освоения природных и техногенных месторождений твердых полезных ископаемых: 1 - разрабатываемые балансовые запасы, предназначенные для переработки на обогатительной фабрике (2); 3 - комплекс обезвоживания текущих отходов обогащения; 4 - емкость оборотной воды обогатительной фабрики; 5 - комплекс окомкования текущих обезвоженных отходов обогащения; 6 - временный склад окомкованных хвостов; 7 - целенаправленно сформированное на основе окомкованных отходов обогащения и разрабатываемое физико-химическими способами техногенное минеральное образование; 8 - формируемое техногенное минеральное образование; 9 - отработанное физико-химическим способом техногенное образование - конечные отходы направляются на закладочный комплекс (10); 11 - техногенное минеральное образование, сформированное на основе некондиционных руд от открытой добычи в выработанном пространстве карьера (12); 13 - техногенное минеральное образование на основе отходов добычи или переработки руд, сформированное в камерах подземного рудника; 14 - некондиционные окисленные руды, подвергаемые подземному выщелачиванию; 15 - гидрометаллургический комплекс, перерабатывающий продуктивные растворы, поступающие с участков 7, 11, 13,14; 16 - формируемый массив твердеющей закладки на основе отходов
Решение проблем ресурсосбережения России обусловливает целесообразность проведения фундаментальных и прикладных исследований в целом ряде междисциплинарных научных направлений и задач:
• развитие теории комплексного освоения недр, обеспечивающего извлечение или утилизацию всех георесурсов (рис. 6),
Отвалы окисленных руд, 900 тыс.т.
Карьер
Подземный рудник
Рис. 5. Схема формирования и движения минерально-сырьевых потоков при разработке техногенных образований ОАО Учалинского ГОКа
Рис. 6. Классификация георесурсов
Георесурсы
конкурентно- и жизнеспособность предприятий в кризисных и по-слекризисных условиях, при ресурсных, экономических и экологических ограничениях;
• изучение закономерностей формирования и осуществления ресурсовоспроизводящих функций при комплексном, экологически безопасном освоении недр, а также разработка методов экономической оценки ресурсовоспроизводящей деятельности;
• совершенствование известных и создание новых методов выбора способов разработки месторождений и установления границ между сопоставимыми способами в условиях комплексного освоения недр Земли на основе экономичного и экологичного использования всех видов ресурсов земных недр и сохранения их путем управляемого ресурсовоспроизводства;
• разработка экономичной открытой физико-технической геотехнологии с подготовкой скальных пород к выемке для создания в карьерах рабочих площадок минимальной ширины с отнесением части вскрыши на более отдаленную перспективу, что особенно важно в условиях кризиса и для развития комплексного освоения месторождений открытым и комбинированным способами;
• дальнейшее совершенствование, создание и широкое применение малоотходных, ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих геотехнологий; оценка возможности модернизации существующих геотехнологий с целью обеспечения эффективной работы подземных рудников, шахт и карьеров в кризисных и послекри-зисных условиях и другие.
Необходимо продолжить государственную поддержку горнодобывающих компаний в форме:
- предоставления государственных гарантий под инвестиционные кредиты на обновление основных фондов при одновременном усилении контроля и повышении ответственности компаний за их использованием;
- снятия системных ограничений в транспортировании топливно-энергетического (например, угля) и минерального сырья, формировании конкурентной рыночной среды в сфере их перевозки.
1. Трубецкой К.Н. Развитие науки, техники и технологии в области комплексного освоения месторождений при открытом способе// Горный журнал. -2009. - №11. - С.4-7.
2. Трубецкой К.Н. Развитие горных наук и проблемы подготовки инженерных кадров в области освоения недр. М.: Маркшейдерия и недропользование. -2009. - №6. - С. 13-17.
3. Трубецкой К.Н., Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В. Координирующая роль ИПКОН РАН в решении фундаментальных проблем геотехнологии// Развитие идей Н.В.Мельникова в области освоения недр (к 100-летию со дня рождения академика Н.В.Мельникова). Материалы Международного совещания. - М.: УРАН ИПКОН РАН, 2-6 марта 2009. - С. 177-181. Ш
— Коротко об авторе ------------------------------------------------
Трубецкой К.Н. - советник Президиума РАН и главный научный сотрудник УРАН ИПКОН РАН, info@ipkonran.ru
