CC BY
104
УДК 622.271 С.В. Фролов
ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ПРЕИМУЩЕСТВА ФОРМИРОВАНИЯ ВНУТРЕННЕГО ОТВАЛООБРАЗОВАНИЯВ ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ КАРЬЕРА
Рассмотрены формирования внутренних отвалов в выработанном пространстве карьера. Сделан анализ причин возникновения внутренних отвалов в выработанном пространстве карьера.
Ключевые слова: открытый способ разработки, горно-химическое сырье, отвалы и шламохранилища, вскрышные породы.
~П истории человечества использование полезных ископае--Я-М мых всегда являлось решающим фактором, что видно из названий, описывающих периоды развития человечества: Каменный Век, Бронзовый Век, Железный Век. Руды чёрных, цветных, драгоценных металлов, продукты их переработки очень важны для многих отраслей промышленности, и их нехватка или дороговизна могут сильно сказаться на экономической ситуации в стране и за её пределами. Предприятиям, использующим минеральные ресурсы, может оказаться невыгодно работать при ухудшившейся конъюнктуре рынка сырья, а это, в свою очередь, может ударить по всем партнёрам и потребителям продукции этих предприятий.
ХХ век характеризуется небывалым ростом народонаселения и мирового общественного производства. Это обусловило значительное увеличение масштабов мировой добычи сырья, достигшей в целом 200 млрд. т в год, причем основной объем добычи приходится на неметаллическое сырье. Потребность в минеральном сырье удваивается примерно каждые десять лет, где стоимость минерального сырья составляет около 70% всех природных ресурсов.
Горная промышленность является основой современной экономики и обеспечивает непосредственно 4% и косвенно 8% национального дохода и занятости в промышленно-развитых странах. В развивающихся странах эта отрасль является первейшим источником занятости, индустриализации и дохода. В России горнодобы-
вающая промышленность обеспечивает 60-70% доходной части годового бюджета и 65% валютных поступлений в страну.
Открытый способ разработки как генеральное направление развития горнодобывающих отраслей промышленности России сохраняется для обеспечения топливом и минеральным сырьем потребностей энергетики, черной и цветной металлургии, химической индустрии, строительства, машиностроения, вычислительной техники, коммунально-бытового и сельского хозяйств и др.
Развитие железорудной базы черной металлургии бывшего СССР за период с 1991 по 2001 гг. характеризовалось стабилизацией высокого (86-88 %) уровня удельного веса открытого способа добычи руд черных металлов, возросшей долей крупномасштабных карьеров, увеличением глубины разработок, усложнением в целом горно-геологических и горнотехнических условий добычи руд.
Открытый способ разработки получил широкое применение в цветной металлургии. К 2001 г. этим способом разрабатывают 60 месторождений цветных и редких металлов и 7 месторождений — комбинированным открыто-подземным способом. Открытым способом добывается 62 % руд этой базовой отрасли народного хозяйства, которая производит все цветные и редкие металлы, прокат, сплавы, фольгу, полупроводниковые материалы, углеграфитовую продукцию, баритовые и пиритные концентраты, серную кислоту, минеральные удобрения, соду, поташ, цемент и другие виды товарной продукции.
Разработка месторождений горно-химического сырья к 2001 г. осуществлялась 35 карьерами и 20 рудниками, удельный вес открытого способа превышал 55 %.
Открытым способом также разрабатываются все уникальные месторождения алмазов (5 карьеров) и добывается около 20 % урана. Около 99 % сырья в промышленности строительных материалов в странах СНГ добывалось открытым способом. При этом годовой объем открытых горных работ достиг в период с 1991 по 2001 гг. почти 2 млрд. м3 (табл. 1).
Следует отметить, что горнодобывающая промышленность во всем мире и в России, в том числе, развивается в 1,2-1,5 раза быстрее, по сравнению с отраслями, потребляющими минеральное сырье. Следовательно, каждые 10-15 лет объемы горного производства возрастают примерно в 2 раза, что влечет Таблица 1
Объем добычи основных твердых полезных ископаемых открытым способом в бывшем СССР
Полезные иско- Добыча по годам, млн. т
паемые 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
Уголь 301,9 318,2 327,2 338,4 332,6 332 335
Железная руда 455,4 464,6 470,7 473,5 466,7 463,3 462,7
Марганцевая руда 12,6 12,7 12,8 12,8 12,9 13 12,7
Флюсы 101,3 101,2 100,9 104,1 105,4 108,3 108,2
Фосфатная руда 63,2 63,5 64 64,5 65 66 67
Цементное сырье 180 183 187 190,5 200 200,9 202,2
Асбестовая руда 47,4 48,8 48,6 50,4 49 48,2 50
за собой стремительный рост отходов этой отрасли. Стоит особо отметить, что даже при современной технологии добычи и переработки минерального сырья - используется лишь около 5% только полезных компонентов.
На предприятиях, входящих в горнодобывающий комплекс, образуется большая часть отходов добычи и переработки полезных ресурсов (шлаки, шламы и хвосты), которые можно рассматривать с трех точек зрения. Во-первых, как мощный фактор загрязнения, могущий привести к экологической катастрофе; во-вторых, как альтернативное (вторичное) сырьё для передельных металлургических комбинатов и источник нужных для промышленности и экономики ресурсов; в-третьих, как альтернативное (вторичное) сырьё для захоронения и переработки в будущем.
По некоторым оценкам, в России за год в отвалы и шламохра-нилища перемещается 3-4 млрд. т минеральных продуктов, из которых находит промышленное применение лишь 10-12%.
В условиях увеличивающихся потребностей в минеральносырьевых ресурсах, проблема бережного отношения к богатствам недр и комплексного их использования вкупе с охраной окружающей среды в условиях существующих масштабов производства приобретает глобальное значение и со временем становиться все острее. Для многих регионов России это связано, прежде всего, с увеличением количества складируемых материалов горного и горно-обогатительного производства (табл. 2).
Таблица 2
Отходы при добыче и переработке минерального сырья
Промышленность Вскрышные и отваль- Выход Выход отходов хими-
ные породы на 1 т пе- хвостов ческом и металлур-
рерабатываемого сырья, т обогащения, % гической переработки , сжигания углей, %
Угольная 1-5 10-20 5-20
Черная металлургия 2-5 20-30 10-20
Цветная металлургия 3-8 70-95 10-20
Горная химия 2,5 20-30 10-20
Добыча и переработка сырья для строительных пород 0,3-0,6 <20 -
Проведенные ИПКОН РАН РФ исследования по вопросам изучения и оценки геологических, технологических, экологических факторов освоения отходов горного и обогатительного производства позволило конкретизировать основные категории и формулировки, знание которых должно обеспечить единый подход к проблеме комплексного и рационального использования минеральных ресурсов.
Открытая разработка месторождений полезных ископаемых связана с необходимостью выемки и перемещения значительных объемов вскрышных пород, покрывающих, а иногда и подстилающих (при разработке крутых месторождений) залежь. Перемещаемые объемы вскрышных пород перемещаются (складируются) на специально отводимых для этой цели площадях. Насыпь, образующаяся в результате складирования вскрышных пород, называется отвалом, а совокупность производственных процессов по размещению вскрышных пород в отвал - отвальными работами. Технология, механизация и организация отвальных работ составляют сущность и содержание процесса отвалообразования. Отвалообра-зование является завершающим этапом в технологической цепи производства вскрышных работ. От четкого и безаварийного выполнения отвальных работ в значительной степени зависят технико-экономические показатели работы горного и транспортного оборудования и всего карьера в целом.
Это является стратегически важным резервом для интенсивного развития ресурсосберегающих технологий, охраны недр, рацио-
нального землепользования и защиты окружающей среды, и, кроме того, это экономически выгодно.
Для этого существует практика формирования так называемых внутренних отвалов.
Отвал вскрышных пород имеет форму неправильной усеченной пирамиды. Он характеризуются следующими параметрами: высотой и числом уступов, углом откоса уступов, результирующим углом откоса отвала, приемной способностью, длиной и способом перемещения отвального фронта работ, размерами в плане и др.
Особенностями внутреннего отвалообразования являются:
1) высота отвального уступа зависит в основном от физикотехнических свойств складируемых пород, лежащих в основании отвала, а также от средств механизации отвальных работ;
2) находятся на поверхности Земли и горная масса в них преимущественно дезинтегрирована;
На действующих горнорудных предприятиях окружающая природная среда испытывает техногенную нагрузку чаще всего под влиянием:
• Открытых и подземных горных разработок и принадлежащих им отвалам (породным, бедных, пустых руд);
• Работы обогатительных фабрик и принадлежащих им отвалам (хвостохранилища);
• Действующих автономных водозаборных сооружений;
• Промышленных предприятий, расположенных в горнодобывающем районе.
Как показывает практика при эксплуатации всех перечисленных производственных объектов, возникают техногенные процессы прямого и косвенного влияния на основные компоненты окружающей среды и изменение природной обстановки и условий жизнедеятельности человека. Одновременно с истощением источников минерального сырья, добывающая промышленность оказывает все возрастающее негативное воздействие на природную среду, которое проявляется по нескольким направлениям:
• Нарушение и изъятие из хозяйственного использования земель;
• Загрязнение водных источников и нарушение водного гидробаланса в районах ведения горных работ и более;
• Выбросы в атмосферу твердых и газообразных веществ.
Через круговорот веществ в каждой экосистеме, огромная, постоянно накапливающаяся масса твердых отходов, оказывает негативное влияние на литосферу и гидросферу, а, следовательно, преобразует и загрязняет (физически, механически, химически) природную среду, пагубно влияет на жизнедеятельность человека.
В недрах земли образовалось огромное количество полостей (в виде котлованов, отработанных шахт, карьеров и других пустот), как, например, только на одном Джезказганском ГМК их более 50 млн. м3, изменяющих устоявшееся тысячелетиями напряженное состояние горного массива, что ведет к непредсказуемым последствиям (наведенные землетрясения, горные удары, обезвоживание земель и т. д.). Процессы, связанные только с горным производством (массовые взрывы, внезапные выбросы угля и газа, образующиеся депрессион-ные воронки и др.) стали соизмеримы с природными процессами (вулканы, землетрясения и засухи).
Предприятия минерально-сырьевого комплекса ежегодно выбрасывают свыше 25 млн. т вредных пылегазовых отходов (это приблизительно около 25% всех выбросов вредных веществ в атмосферу), а с учетом отраслей, работающих на основе их продукции, доля выбросов примерно составляет 70% от общего объема выбросов.
Уже сейчас площадь нарушенных земель превышает 4 млн. га (более половины, которой изъято под складирование отходов), причем, эти цифры не включают в себя земли со сверхнормативными геохимическими загрязнениями. И хотя на долю угольной и химической промышленности, добычи руд черных и цветным металлов - приходится лишь 34% или около 2 млн. га нарушенных земель, в большей части эти земли являются самими ценными в хозяйственном отношении и именно они наиболее затруднены в дальнейшей рекультивации.
Экстенсивное развитие отраслей обусловили образование многомасштабных отходов горно-обогатительных производств.
Все перечисленные факты приводят к ухудшению экологических показателей работы предприятий, потерям ценных компонентов и увеличению масштабов отрицательного воздействия на природу. Исходя из этого, проводятся целый ряд мероприятий по охране окружающей среды:
• Рекультивация нарушенных земель;
• Улавливание выбросов в атмосферу;
• Очистка сточных вод;
• Частичная утилизация или захоронение отходов.
Однако, что характерно при увеличении расходов на эти мероприятия все же не достигается ожидаемого эффекта, а зачастую продолжается ухудшение экологической обстановки.
Анализ капитальных затрат по основным направлениям природоохранной деятельности показывает, что в основном капитальные вложения направляются на ликвидацию последствий воздействия предприятий минерально-сырьевого комплекса на окружающую среду, а не источников техногенного загрязнения (табл. 3).
Одним из путей рационального ресурсо- и природопользования, защиты окружающей среды от загрязнения и охраны недр -комплексное использование минерального сырья, содержащегося в отходах горного производства, уменьшение загрязнения окружающей среды твердыми и пылевидными отходами, высвобождение земельных угодий (изъятых под отвалы) и уменьшение капитальных вложений.
Минерально-сырьевые отходы находят широкое применения в производстве строительных материалов. Для этой цели используются:
• Отходы черной и цветной металлургии;
• Химической промышленности;
• Добыча и обогащение угля;
• Попутное производство добываемых забалансовых руд и имеющих ценность вскрышных пород.
Наибольшая часть этих отходов (80%) применяется при засыпке открытых горных разработок, что способствует облагораживанию земной поверхности.
Годовой объем производства строительных материалов из строительных горных пород в нашей стране в настоящее время превысило 1,26 млрд. м3, причем около половины этого объема обеспечивается за счет разработки песчайно-гравийных месторождений, характерными особенностями которых являются:
Таблица 3
Капитальные затраты по направлениям природоохранной деятельности
Направления природоохранной Объем освоенных
деятельности капиталовложений, %
1991-1995 гг. 1995-2001 гг.
Охрана и рациональное использование водных ресурсов 72,7 67,0
Охрана и рациональное использование атмосферы 8,1 10,2
Охрана и рациональное использование земельных ресурсов 10,6 12,6
Охрана и рациональное использование минерального сырья 4,8 7,0
Прочее 3,8 3,2
Итого по направлениям 100 100
• Отсутствие процессов подготовки к выемке;
• Небольшая глубина карьеров (до 10-30);
• Значительная площадь карьеров;
• Сравнительно небольшой объем горно-капитальных работ при строительстве карьеров;
• Наличие пропластков глин и безгравийных участков в полезном ископаемом;
• Проведение геологоразведочных работ до уровня грунтовых вод;
• Большая скорость подвигания фронта работ из-за малых высот уступов;
• Значительный диапазон производственной мощности предприятий (от несколько десятков тысяч до миллионов кубометров в год).
Необходимость решения проблемы формирования внутренних отвалов стала особенно актуальной в последние годы в связи с ухудшением качества природного минерального сырья и, как следствие этого, увеличением количества отходов, а также из-за угрозы экологического бедствия в промышленно развитых регионах. В Российской Федерации ежегодно образуется около 7 млрд. т отходов. На свалках, в отвалах, в шламонакопителях и хвостоудержате-лях уже сейчас накоплено более 80 млрд. т только твёрдых отходов. Под полигоны только твёрдых бытовых отходов, составляющих примерно 1% от общего количества образующихся отходов, ежегодно отчуждается около 10 тыс. га пригодных для использования земель. Данные отходы в ряде случаев высокотоксичны или даже радиоактивны (общее количество таких отходов достигло 1,6 млрд.
т), что негативно сказывается на состоянии окружающей среды и здоровья населения, живущего на прилегающих территориях.
Человеческое сообщество не научилось бережно относиться к минеральным ресурсам. Хотя призывы к охране окружающей среды, комплексному использованию природного потенциала мы слышим постоянно. Значит, есть какие-то причины, которые, с одной стороны, представлены движением «зеленых», нередко выдвигающих заведомо невыполнимые требования, с другой - горняка-ми-практиками, исповедующими другой принцип: добывать полезные ископаемые с минимальными издержками.
При открытом способе добычи кроме извлекаемого полезного ископаемого перемещают породы, которые закрывают доступ к этому полезному ископаемому. Для одних полезных ископаемых, наиболее дешевых, на 1 т добытого минерального сырья приходится менее 1 т пустых пород. Коэффициент вскрыши, как говорят горняки, составляет менее 1. При добыче золота это соотношение составит несколько граммов на 1 т пустых пород. Таким образом, накапливаются невостребованные породы, которые транспортируют в отвалы. Отвалы занимают тысячи гектаров земли.
Типичными для современных условий эксплуатации недр являются горные предприятия, которые создаются ради добычи одного полезного ископаемого. Хотя большинство месторождений сложено породами, часть из которых можно считать полезными ископаемыми. Например, во вскрышных породах многих месторождений содержатся слои различных глин, которые по своим свойствам пригодны для изготовления керамических изделий. Но такими сопутствующими породами могут оказаться сравнительно дорогие виды минеральных ресурсов.
На первый взгляд кажется противоестественным, что попутные полезные ископаемые не используют. Однако решающим фактором в существующих условиях хозяйствования является экономическая целесообразность.
Точных данных об объемах перерабатываемой горной массы нет ни по России, ни в мире. Существуют разные оценки, отличающиеся в несколько раз. По одной из них, представляющейся наиболее достоверной, за год в отвалы и шламохранилища в России перемещается 3-4 млрд. кубометров минеральных продуктов. То есть за десятилетия накоплены грандиозные объемы отходов горного производства, которые ухудшают экологиче-
скую обстановку целых районов, увеличивают нагрузку на окружающую среду. Это признается всеми.
Остановить горное производство нельзя. Практически все виды человеческой деятельности, включая современные высокие технологии, нуждаются в минеральном сырье. Но сократить негативное воздействие имеется возможность. Первый путь - создание на основе разрабатываемого месторождения нескольких предприятий, на которых используются полезные ископаемые данного месторождения. Такой путь при кажущейся привлекательности в реальных условиях часто оказывается экономически неоправданным. Поскольку большинство попутных полезных ископаемых сравнительно дешевы и изготавливаемая из них продукция имеет невысокую цену. Поэтому радиус ее перевозки оказывается незначительным.
Получил распространение вариант комплексного использования минеральных ресурсов, при котором два и более полезных ископаемых используются в одном производстве. Немало примеров дает цементная промышленность. На одном карьере цемсырья могут добывать и основной компонент сырьевой шихты - карбонатную породу с высоким содержанием оксида кальция, и дополнительный - глину. На подмосковном Афанасьевском карьере, снабжающем минеральным сырьем два Воскресенских цементных завода, добывают два полезных ископаемых - мергель и доломит. На карьере цемзавода «Большевик», г. Вольск Саратовской области, одном из старейших в стране, добывают три полезных ископаемых: мел, древнюю - альпскую - глину и опоку.
Примеры добычи полезных ископаемых, используемых в различных производствах, также встречаются. Несколько десятилетий на Гуровском карьере в Тульской области, разрабатывающем месторождение карбонатных пород, являющихся сырьем для производства щебня, из вскрышных пород селективно добывали тонкий (около 1 м) пласт керамзитовых глин. В Полотнянозаводском карьероуправлении Калужской области, на месторождении известняков, из которых производится щебень, выявлен участок, на котором известняки имеют высокие декоративные свойства. Из этих известняков стали изготавливать облицовочные изделия.
На карьерах, разрабатывающих месторождения карбонатных пород, в советское время параллельно с выпуском щебня производили известняковую и доломитовую муку для известкования кис-
лых почв. Теперь производство муки сократилось в 12 раз. Поэтому часть сырья для ее производства стала поступать в отвалы. Но примеры предприятий, на которых добывается более одного вида минерального сырья, редки. Такое положение типично для многих стран. Решающим является вопрос, окажется ли добыча дополнительного полезного ископаемого прибыльной. Ведь раздельная выемка и транспортировка этого полезного ископаемого усложнит технологию горных работ.
Можно выделить несколько основных факторов, определяющих эффективность процесса формирования внутренних отвалов предприятий горнодобывающего комплекса:
• снижение цены на транспортировку сырья;
• оздоровление окружающей среды (рекультивация земель, ранее занятых под складирование отходов, предотвращение загрязнения атмосферы, поверхностных и подземных вод, а, значит, и питьевых водоёмов, и, как следствие, улучшение здоровья населения).
Данные факторы укрупнено характеризуют основные стороны привлекательности в необходимости формирования внутренних отвалов.
Однако, несмотря на эффективность и целесообразность технологий формирования внутренних отвалов, их широкое внедрение в РФ осложняется, в основном, проблемами финансового характера, определяемыми необходимостью вложения на долгосрочной основе инвестиционных ресурсов в соответствующие технологические проекты.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Боков В.А. и др. «Горнопромышленный комплекс - отходы и вторичное сырье», Деловой мир, 1994, №12.
2. Ермолов В.А., Бедрина Г.П., Зервандова В.П., Мосейкин В.В. Теория и практика моделирования и ресурсной оценки техногенных месторождений // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. - 1996. - №6.
3. Ермолов В.А. и др. Геолого-технологическая оценка техногенных месторождений в системе рационального природопользования, Доклад на научнотехнической конференции «Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов», МГТУ, 1995.
4. Ларичкин Ф.Д. Нетрадиционные виды минерального сырья, актуальность и определения, Горный журнал, 2003, №21, с. 16-25.
5. Трубецкой К.Н. и др. Основы ресурсовоспроизводящих технологий складирования и хранения некондиционного сырья, Горный журнал, 1995, №5, с. 47-
6. Трубецкой К.Н Малоотходные и ресурсосберегающие технологии при открытой разработке месторождений, М: «Недра», 1993.
7. Трубецкой К.Н. Горные науки - освоение и сохранение недр, Академия горных наук: учебник для вузов, МГТУ, 1997. И5Ы=1
S. V. Frolov
THE ORIGINS AND THE ADVANTAGES OF THE INTERNAL DUMP FORMING IN THE WORKED OUT AREA
In given article it is considered formations of internal sailings in the developed space of an open-cast mine. The analysis of the reasons of occurrence of internal sailings in the developed space of an open-cast mine is made.
Key words: open-pit technology, mining and chemical materials, dumps and slurry pits, overburden.
— Коротко об авторе --------------------------------------------
Фролов С.В. - ассистент, кафедра «Автоматизированные системы управления», Московский государственный горный университет, sergfroll@mail.ru
51.
