Научная статья на тему 'Принципы и возможные способы сохранения отходов обогащения, предназначенных для использования в качестве техногенного сырья'

Принципы и возможные способы сохранения отходов обогащения, предназначенных для использования в качестве техногенного сырья Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
395
69
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ХВОСТЫ ОБОГАЩЕНИЯ / ХВОСТОХРАНИЛИЩА / СОХРАНЕНИЕ ХВОСТОВ / РАЗРАБОТКА КАРЬЕРОМ

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Архипов А.В., Земцовская Е.В.

Предложены пути изменения существующих технологий формирования хвостохранилищ с целью сохранения отходов обогащения для последующей отработки карьерами

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Архипов А.В., Земцовская Е.В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Принципы и возможные способы сохранения отходов обогащения, предназначенных для использования в качестве техногенного сырья»

© A.B. Архипов, E.B. Земцовская, 2012

УДК 622.271:622'1

A.B. Архипов, Е.В. Земцовская

ПРИНЦИПЫ И ВОЗМОЖНЫЕ СПОСОБЫ СОХРАНЕНИЯ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

Предложены пути изменения существующих технологий формирования хвосто-хранилищ с целью сохранения отходов обогащения для последующей отработки карьерами.

Ключевыю слова: хвостыi обогащения, хвостохранилища, сохранение хвостов, разработка карьером.

Днализ данных мониторинга техногенных месторождений (ТМ), представленных хвостохрани-лишами обогатительных предприятий Мурманской области, неоднократные обрашения предприятий и организаций в адрес Горного института КНЦ с просьбой рассмотреть целесообразность и технологию разработки некоторых хвостохранилиш, а также уникальный опыт отработки первого поля хвостохранилиша ОАО «Ковдор-ский ГОК», показывают назревшую актуальность разработки основных методических принципов технологии открытой добычи техногенного сырья (ТС), представленного отходами обо-гашения руд и золами тепловых электростанций.

Многолетнее изучение проблемы разработки хвостохранилиш показало, что её решение необходимо начинать с проектирования хвостохрани-лиш, предназначенных для сохранения ТС с первоначальными свойствами, в ёмкостях, пригодных для после-дуюшего экономичного извлечения, и формировать хвостохранилиша по технологиям с минимальными потерями ТС.

В Мурманской области можно выделить 17 крупных техногенных месторождений класса хвостовых отвалов, начало образования которых относится к сороковым-пятидесятым годам прошлого столетия. Особенности размешения, образования, структурные признаки этих ТМ представлены в широком диапазоне, поэтому результаты анализа условий освоения будут представительными для этого класса ТМ и для других регионов России.

Результаты анализа дают возможность выделить основные особенности и условия сохранения ТС и освоения ТМ в будушем.

1. В подавляюшем большинстве отвалы хвостов обогашения, зольных масс расположены на дневной поверхности, что предопределяет открытый способ разработки.

2. Материал рассматриваемого класса ТМ чаше всего представляет собой пески различных подклассов крупности от тонких до очень крупных (до 2 мм), а гранулированные шлаки и хвосты слюдяного производства даже можно отнести к подклассу

мелкого гравия. Это свойство в значительной мере определяет технологию добычи, начиная от вскрытия и заканчивая выбором транспорта, типов усреднительных складов и технологией повторной переработки. Эти же свойства будут определять меры по охране окружающей природы и безопасности ведения горных работ.

3. Химический состав хвостов показывает наличие полезных компонентов, присущих первоначальным перерабатываемым рудам. Причём остаточное содержание основных компонентов в хвостах достаточно высоко, что делает их пригодными для повторного извлечения. Эти хвосты содержат комплекс полезных компонентов, не извлечённых при первичном обогащении, которые могут извлекаться при повторной переработке. Хвосты обогащения в Мурманской области по химическому составу и концентрациям отнесены к веществам 4 класса опасности, что не потребует дополнительных мер безопасности при их добыче.

4. Подавляющее большинство хвостовых и золошлаковых отвалов крупных ТЭЦ представляют собой гидроотвалы, которые сформированы за счёт подачи и распределения материала хвостов с помощью гидротранспорта. По существующей классификации [1, 2] отвалы хвостов Мурманской области в зависимости от рельефа основания относятся в своём большинстве к овражно-балочному, равнинному и косогорно-му типам гидроотвалов.

По конструкции и порядку возведения дамбы обвалования гидроотвалы подразделяются на три катего-

рии: а) дамба сооружается из привозного грунта сразу на всю проектную высоту; б) дамба намывается из материала хвостов поярусно; в) дамба сооружается из привозного грунта поярусно. От конструкции и материала дамбы будут зависеть распределение полезного компонента по площади и с глубиной, засорение материала хвостов, необходимость удаления дамбы в период отработки и потери ТС на контактах.

По приёмной способности гидроотвалы крупных ГОКов Мурманской области можно отнести ко II классу (от 100 до 500 млн. м3), небольших ГОКов и недействующих хвостохра-нилищ — к III (от 10 до 100 млн. м3) И IV классам (ДО 10 млн. м3).

Высота отвалов будет оказывать влияние на величину потерь ТС на контактах с дневной поверхностью и дамбами, на производительность карьера, на содержание полезного компонента в добываемой горной массе, на размещение вскрывающих выработок и автодорог, на величину загрязнения атмосферы пылью и на размещение вторичных отходов. Хвостовые отвалы Мурманской области по высоте можно отнести к категории средних (10—30 м) и высоких (более 30 м).

В зависимости от способа намыва хвостов различают направления: а) от дамбы к прудку; б) от берега к откосу, т.е. к дамбе, когда она построена на всю высоту. От способа намыва хвостов зависит распределение материала хвостов по крупности и по величине содержания полезного компонента в намываемых слоях, что в свою очередь будет оказывать влияние на размещение вскрывающих выработок, направление разви-

тия горных работ с целью поддержания заданного качества добываемой массы на длительный период добычи, а также на необходимость сооружения усреднительных складов. Чаще всего используется способ намыва от дамбы к прудку.

5. ТМ на поверхности как правило не имеют вскрышных пород, что является одним из главных преимуществ при добыче. Это условие оказывает влияние на всю технологию добычи, на элементы системы разработки, на экономику и загрязнение окружающей среды.

6. На действующих хвостовых отвалах, намыв которых производится с помощью гидротранспорта, характерно наличие прудов-отстойников, занимающих часть верхней площадки таких отвалов. Согласно пункту 106 «Единых правил безопасности при ведении открытых горных работ» в процессе эксплуатации гидроотвала и при наращивании ограждающих дамб не допускаются срезка грунта, устройство карьеров и котлованов в нижнем бьефе и на низовом откосе дамбы, а также в ложе хвостохрани-лища [3]. Поэтому необходимо переводить действующее хвостохранилище до его разработки либо во временно недействующее, либо полностью прекращать работы по намыву и производить работы по осушению пруда-отстойника и осушению массива хво-стохранилища.

7. Одной из характерных ошибок раннего проектирования хвостохра-нилищ было отсутствие мер по подготовке под отвальных площадей. В результате хвостохранилища часто засорены деревом, металлом, бетоном, что потребует определённых мер очистки при добыче — особенно на кон-

тактах с первоначальной поверхностью и дамбами.

Сохранение техногенного сырья предусматривает возможность его использования в будущем. Эффективность сохранения складывается из эффективностей обращения с этим сырьём на отдельных стадиях прохождения его от отхода перерабатывающего производства до места складирования и возврата на перерабатывающее производство или на место непосредственного использования.

В целом эти стадии можно представить в виде следующей схемы с краткой характеристикой каждой стадии (этапа).

1. Отделение продуктивной части техногенного сырья. Не всё сырьё в силу своих качественных характеристик может быть эффективно использовано в будущем, либо имеются виды (типы, сорта) которые при использовании могут иметь разную эффективность.

2. Размещение разных видов ТС целесообразно раздельное и сохранение этих видов, если необходимо, по разным технологиям.

3. Хранение ТС в ёмкостях, имеющих достаточный объём для безопасного размещения всего количества ТС или его частей, имеющих конструкцию, позволяющую сохранять качественные характеристики сырья за весь срок хранения, и позволяющих извлечь сырьё в необходимое время.

4. Извлечение из ёмкости (добыча) ТС по технологиям, позволяющим полнее осуществлять извлечение в заданных объёмах с наименьшими потерями качества, времени и с наименьшими затратами.

5. Транспортирование ТС от мест хранения до перерабатываюшего производства или до потребителя с наименьшими потерями и затратами.

6. Переработка сырья с образованием вторичных отходов (хвостов), либо изготовление строительных материалов без сушественных отходов, либо непосредственное использование в качестве строительного материала.

7. Размешение вторичных отходов в первоначальных либо в отдельных ёмкостях.

Представленная схема даёт возможность наметить пути управления прохождением сырья на разных стадиях размешения и сохранения. Поскольку многие хвостовые отвалы в Мурманской области уже частично сформированы и находятся на постоянных местах, то управление возможно на незаконченных стадиях хранения, извлечения, транспортировки и переработки.

Месторождения полезных ископаемых в Мурманской области по содержанию в них полезных компонентов являются комплексными. Разме-шение полезных компонентов в рудных телах чаше всего смешанное. Однако следует отметить наличие в некоторых рудных телах зон с разными типами руд, разными сортами руд по распределению содержания полезных компонентов (Ковдорское железорудное месторождение, апатитовые месторождения Хибин и т.п.).

Там, где это возможно, производится раздельная добыча разных типов руд и их раздельная переработка. Но складирование отходов переработки (хвостов) в подавляюшем случае производится в единых хвостохрани-лишах и совместно, так как преобладает до сих пор отношение к хвостам

обогащения не как к ТС с перспективой его использования, а как к ненужному отходу, занимающему большие территории и загрязняющему окружающую среду. Естественно, отсутствует раздельная транспортировка хвостов, раздельное размещение по объёмам, по типам и сортам.

Размещение хвостов производится до сих пор по принципу сосредоточения в огромных ёмкостях (хвостохра-нилищах), в местах, пригодных для размещения таких объёмов. Зачастую занимаемые площади находятся на достаточно большом расстоянии от обогатительной фабрики, за счёт чего возрастают капитальные затраты на промежуточные насосные мощности и трубопроводы и возрастают эксплуатационные расходы на транспортирование хвостов.

Как уже отмечалось, в основном преобладают одноёмкостные крупные хвостохранилища, которые не отвечают требованиям сохранения отхода как ТС, и конструкция которых не предусматривает эффективную их разработку.

Крупные одноёмкостные хвосто-хранилища имеют высокую категорию по опасности и ответственности самого сооружения даже несмотря на соблюдение при проектировании всех норм безопасности. На таких хвостохранилищах не исключены весенние размывы дамб и аварийные сбросы хвостов, что ведёт к потере сырья и загрязнению окружающей среды. При увеличении высоты дамб и пляжей увеличивается вероятность и случаи пы-ления хвостов при скоростях ветра более 3—6 м/сек, что помимо загрязнения атмосферы, приводит к потере ТС и загрязнению водной

среды и почв. Кроме того, высокие и обширные хвостохранилища изменяют в худшую сторону микроклимат прилегающих площадей, имеющих лесопосадки и сельскохозяйственные угодья.

Как правило, в нижних горизонтах больших хвостохранилищ размещаются хвосты с большим содержанием полезных компонентов, что усложняет их выемку как по объёмам, так и по времени. Хвостохранилище, действующее десятки лет, нельзя будет разрабатывать до полного прекращения его эксплуатации. С точки зрения полноты извлечения ТС крупные хвостохранилища также не очень целесообразны. При построении границ карьера с учётом качественного распределения хвостов за счёт сегрегации при намыве большая часть богатого сырья останется за контуром карьера и будет представлять собой потери.

Крупное и, особенно, высокое хвостохранилище требует сооружения большого количества дамб и увеличения их длины. Поэтому при разработке и сохранении дамб потребуется оставлять большое количество охранных целиков, что также приведёт к увеличению потерь сырья.

При проектировании и эксплуатации хвостохранилищ вопрос о последующей разработке и извлечении ТС до сих пор никогда не рассматривался. Поэтому, несмотря на кажущуюся простоту разработки ископаемого типа песка, проблем возникает достаточно.

На стадии оконтуривания границ карьера могут происходить общекарьерные потери ТС при проектировании ступенчатого дна и бортов карьера на конец отработки. При оконтуривании запасов на уступах,

имеющих зауженные площадки из-за углублений первоначального рельефа, также будут возникать потери сырья. Потери неизбежны при подходе горных работ к первоначальному рельефу, так как зачастую дно будущего хвостохранилища никак не подготавливается. Не удаляются почвы, растительность, поверхности не террасируются.

В случае, когда разрабатывается хвостохранилище, которое ранее было рекультивировано с помощью посадок трав и кустарников, потребуется удаление верхнего слоя почвы и растительности. При этом будет удаляться и самый верхний слой хвостов, объёмы которого будут представлять собой потери ТС.

Наличие отстойника оборотного водоснабжения и вод в теле хвосто-хранилища потребуют обезвоживания и осушения массива в течение нескольких лет, особенно на крупных хвостохранилищах. При этом могут оставаться водонасыщенные участки тонкодисперсных хвостов, которые невозможно извлечь и которые потребуют оставления охранных целиков из ТС. Эти целики будут составлять потери сырья при добыче.

После переработки первичного ТС возникают минеральные вторичные отходы, требующие своего размещения. В этом случае проблема сохранения первичного сырья может усложниться. Так как в первичном ТС содержание полезных компонентов обычно не превышает 10—15 %, а чаще всего доходит до показателей бортового содержания необходимых минералов в руде, то более 90 % объёмов первичного ТС в виде отходов вторичной переработки снова придётся где-то размещать.

Схема прохождения минеральных отходов от стадии удаления их после переработки полезных ископаемых до стадий размешения и возврашения на повторную переработку даёт возможность более чётко представить пути сохранения этих отходов для дальнейшего использования.

1. На первой стадии разделение сырья можно осушествлять следую-шими способами:

а) Транспортировать руды разных типов, сортов и качественных характеристик на разные обогатительные фабрики или линии.

б) Разделять хвосты по этапам эксплуатации месторождений, когда происходит сушественное или временное изменение содержание полезных компонентов в рудах и изменение качественных характеристик в хвостах.

в) Разделять хвосты от переработки руд, поступаюших последовательно от открытых горных работ, а потом от подземных горных работ после отработки карьерных запасов.

г) Выделение и сохранение на горнодобываюших предприятиях попутных руд при разработке комплексного месторождения с чётко выделяемыми участками попутных руд. При этом переработка попутных руд осушествляется по своим технологиям с отдельными хвостами обогашения.

2. Вторая стадия прохождения ТС предусматривает обязательное раздельное размешение его в разных ёмкостях:

а) Раздельные хвостохранилиша для хранения хвостов с разными качественными характеристиками.

б) Раздельные секции одного крупного хвостохранилиша, которые могут заполняться отдельно, одновременно или попеременно.

в) Разделение хвостохранилиша овражно-балочного типа на последовательно размешённые поля, отделённые между собой дамбами (пример хвостохранилиша ОАО «Ковдорский ГОК»).

г) Ярусное разделение хвостов в хвостохранилише, когда вниз укладываются непродуктивные виды хвостов, непредназначенные к дальнейшему использованию, а поверх этого яруса могут быть размешены виды хвостов, которые предполагают использовать в будушем.

3. Стадия хранения должна предусматривать конструкцию ёмкостей, отвечаюших требованиям наиболее полного сохранения качественных характеристик хвостов и одновременно требованиям последуюшего извлечения ТС с меньшими потерями в любое необходимое время:

а) Количество ёмкостей для хранения хвостов одного качества может быть несколько, а не одна на весь объём, что даст возможность не только оперативно поддерживать процесс хранения, но и вовлекать в разработку ТС не нарушая другие ёмкости.

б) Конструкция и материал сооружения дамб должны по возможности предусматривать отработку дамб на стадии извлечения хвостов для снижения их потерь.

в) Днише и борта хвостохрани-лиш, размешаемых в естественных ёмкостях должны тшательно подготавливаться перед заполнением для снижения потерь при оконтуривании карьера, возможно с предварительным сглаживанием и террасированием рельефа (поверхности) дна или бортов.

г) Конструкция и параметры водо-оборотного хозяйства, включая раз-

меры отстойника, типы и количество шандорных колодцев, коллекторов и других сооружений по возможности должны позволять осушить весь объем хвостохранилища перед отработкой как можно полнее и в минимальные сроки.

д) Следует категорически запретить сбрасывание вод поверхностной гидросети и паводковых в тело хвостохранилища или в отстойники.

е) В процессе эксплуатации хво-стохранилища и после остановки его заполнения возможно пыление откосов дамб, пляжей и дорог в сухие дни летнего периода при скоростях ветра от 3 м/с и выше, поэтому необходимо предусматривать применение искусственных мер пылеподавления для сохранения сырья от уноса ветровыми потоками.

4. На четвёртой стадии происходит извлечение ТС из хвостохрани-лищ. На этой стадии эффективность сохранения сырья состоит в наиболее полном извлечении продуктивных объёмов с минимальными потерями качественных характеристик:

а) Для техногенных месторождений Мурманской области предпочтителен сухой способ ведения открытых горных работ и транспортирования сырья. Климатические особенности области и применяемые в настоящее время технологии переработки не позволяют рекомендовать гидравлическую добычу сырья и гидравлический транспорт из хвостохранилищ. Сырьё на переработку должно поступать с естественной влажностью до 5—7 % и непрерывно без сезонных остановок.

б) Снижение потерь добываемого сырья должно происходить на стадии проектирования контуров карьеров и на стадии ведения горных работ.

в) По возможности не следует отрабатывать участки хвостохрани-лищ, имеющих непромышленные сорта ТС на период проектирования разработки. Эти сорта можно считать внутренней вскрышей, которую целесообразнее перевозить в отработанные участки хвостохранилища или в специально подготовленные отвалы.

г) Для полноты извлечения следует предусматривать отработку дамб обвалования, в особенности если дамбы строятся из тех же хвостов.

д) Рекомендуется использовать разработанную в Горном институте систему отработки хвостохранилищ, предусматривающую ведение горных работ горизонтальными уступами высотой до 6 м последовательно на всю площадь уступа и поперечными (радиальными) заходками на уступе по направлению слива пульпы в период основного формирования хвостохра-нилища.

5. На стадии транспортирования больших потерь сырья ожидать не следует, но повышение эффективности при транспортировании возможно за счёт предварительного размещения хвостохранилищ на возможно близком расстоянии от перерабатывающих цехов и за счёт применения эффективных видов транспорта (большегрузные автосамосвалы, конвейерные линии).

6. При повторной переработке ТС повышение эффективности на этой стадии возможно за счёт повышения извлечения попутных компонентов, представляющих интерес на момент переработки. Кроме того необходимо расширять сферу использования ТС в качестве строительных материалов (песок для растворов и бетонов, изготов-

ление штучных материалов в виде кирпича, строительных блоков и т.п.).

7. Размешение вторичных отходов переработки ТС следует производить в отдельных ёмкостях или от-

1. Горная энциклопедия, Т. 2 — М.: изд. «Советская энциклопедия», 1986. — 575 с.

2. Кириченко Ю.В. Инженерно-геологические особенности формирования хво-стохранилищ / Ю.В. Кириченко, М.П. Зайцев, А.Н. Кравченко // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2006. — № 7. С. 116—124.

дельных секциях отрабатываемых хвостохранилиш, для чего необходимо по возможности предусматривать места размешения этих ёмкостей уже на стадиях размешения первичного ТС.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Единые правила безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом. (ПБ 03-49802). Серия 03. Выпуск 22 / колл. авт. — М.: Государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2003. — 152 с. ШЕ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Архипов A.B. — старший научный сотрудник,

Земцовская E.B. — аспирант заочного обучения, технолог 2 категории,

Учреждения Российской академии наук Горного института Кольского научного центра РАН, root@goi.kolasc.net.ru

А

ГОРНЯЦКОЕ АРГО

• ШАРМАНКА — крепёжный станок.

• ШАРОШКА — рабочий орган проходческого комбайна.

• ШАХАН — механическое приспособление для зачистки конвейера С-53.

• ШИТИК — шахтный интерферометр ШИ-10, ШИ-11, ШИ-12.

• ШКУРА — куртка шахтера.

• ШЛЯПА — самая верхняя часть «тумбы».

• ШМЕЛЬ — насос на базе сверла ЭР-18Д и НШВ 6/30.

• ШМОРГАЛКА — рукоятка у стволового, которой подают сигналы.

• ШНЫРЬ — подземный рабочий, работающий на поверхности (на-горах), получить что-нибудь на складе, подготовка оборудования и т. п. Чаще всего сварщик-газорезчик. Производное от ШНЫРЯ — ШНУРОК, иногда

применяется КАПТЕРЩИК.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.