Расширение области рационального использования техногенных георесурсов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

---------------------------------------- © С.Е. Гавришев, В.Ю. Заляднов,

И. А. Пыталев, 2006

УДК 622.002.8.658.567.1

С.Е. Гавришев, В.Ю. Заляднов, И.А. Пыталев

РАСШИРЕНИЕ ОБЛАСТИ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ГЕОРЕСУРСОВ

Семинар № 16

~П настоящее время наблюдается

-Я-9 тенденция роста объемов добычи железорудного сырья в России открытым способом. Однако с каждым годом горно-геологические и горнотехнические условия разработки открытым способом усложняются. Средневзвешенная глубина по замкнутому контуру крупных карьеров - Оленегорского, Ковдорского, Костомукшского, Михайловского, Лебединского, Стойленского, Качканарского и Коршуновского ГОКов, на которых добывается 87,5 % от общего объема железной руды в России, составила в 1990 г. - 178, в 1995 г. - 197, в 2001 г. - 259 м, т. е. за 11 лет увеличилась на 81 м [1].

С углублением карьеров возрастает расстояние транспортирования горной массы, увеличивается общий объем складируемых на поверхности земли вскрышных пород. Расширение добычи полезных ископаемых открытым способом сопровождается увеличением глубины и размеров карьеров в плане и приводит к соответствующему увеличению площадей, занимаемых горными выработками и отвалами. За последние 20 лет эта площадь увеличилась на 40 %.

Формируемые в результате открытой разработки месторождений отвалы вскрышных пород и другие техногенные образования являются источником за-

грязнения поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха.

Увеличение расстояния транспортирования горной массы, количества техногенных образований, площадей, занимаемых карьерами и отвалами, ведет к росту затрат на основные ресурсы, необходимые для ведения горных работ.

В условиях непрерывного роста мирового потребления минерального сырья при одновременном снижении качества добываемых полезных ископаемых повышение степени использования пород отвалов, поверхностей отвалов и выработанного пространства карьеров позволит снизить ресурсоемкость процессов открытой геотехнологии.

Расширение области освоения техногенных образований возможно за счет их формирования в виде новых георесурсов. Однако, в отечественной практике горных работ расширение области использования выработанного про-

странства карьеров и пород отвалов сдерживается отсутствием методической базы формирования техногенных образований в виде новых георесурсов. Формирование и освоение техногенных георесурсов позволяет значительно увеличить про-дуктивность горного производства и снизить ресурсоемкость освоения месторождений открытым способом разработки.

ТЕХНОГЕННЫЕ ГЕОРЕСУРСЫ

Формирование в виде техногенного месторождения

Формирование в виде сооружения

—--------—л—

1 1 7^ -

Внешние и Внешние и Внешние и Выработанное

внутренние отвалы внутренние отвалы внутренние отвалы пространство

из пород 1 из пород 2 из пород 3 карьера

категории категории категории

^1--

Извлечение металлов; производство строительных и теплоизоляционных материалов, удобрений; облагораживание земель и др.

Плотины, дамбы, хвостохранилища, строительные площадки, места отдыха (парк, лес, ипподром, горнолыжная трасса) и др.

Емкость

Строитель

ный

полигон

Размещение Размещение

пустых пород промышлен-

собственного ных отходов

производства

Научноисследовательские лаборатории и экспериментальные установки, объекты социально-бытового назначения, зоны отдыха и др.

Рис. 1. Виды и направления использования техногенных георесурсов

Формирование отвалов горных пород, карьерного пространства с учетом дальнейшего их использования в качестве заменителей некоторых природных и производственных ресурсов позволяет относить их к новым видам продукции горного производства или к новым техногенным георесурсам. Систематизация видов и направлений использования техногенных георесурсов приведена на рис. 1.

Предлагается выделить три категории пород отвалов в зависимости от экономической целесообразности их переработки и возможных направлений дальнейшего их использования:

1. Породы, технология переработки которых известна и в настоящее время экономически целесообразна.

2. Породы, переработка которых с использованием известных технологий в настоящее время экономически нецелесообразна. К этим породам относятся некондиционные руды или металлсодержащие минералы.

3. Породы, технология переработки которых отсутствует и неизвестна возможная сфера их применения.

Использование выработанного пространства действующего карьера с углу-бочной системой разработки в качестве емкости для складирования отходов возможно:

1) при отработке наклонных (угол падения 8-3 00) или пологих (угол падения 0—100) залежей;

2) при наличии на нерабочих бортах карьера широких площадок, которые образуются после отработки рудных за-

лежей, разбитых на отдельные клиновидные блоки, объем и количество которых соответствуют параметрам кондиции для подсчета запасов;

3) при различной интенсивности отработки участков карьера с засыпкой отработанного участка вскрышей разрабатываемого участка карьера;

4) при укреплении скальной вскрышей верхних горизонтов карьера, сложенных мягкими породами, с целью предотвращения оползней.

Отработанное карьерное пространство как георесурс целесообразно использовать для размещения отвалов вскрышных пород рядом расположенного действующего карьера, либо для размещения других промышленных отходов. Таким образом, отвалы горных пород и выработанное пространство карьеров являются новым видом георесурсов.

Предлагается ввести понятие ценности техногенного георесурса, под которым понимается денежное выражение стоимости всех полезных свойств, качеств или компонентов, содержащихся в техногенных объектах, сформированных в результате горных работ, с учетом затрат на использование георесурсов или извлечение из них полезных компонентов.

Ценность техногенных георесурсов определяется:

- для отвалов горных пород: объемом, расстоянием транспортирования, массовой долей полезных компонентов, физико-техническими характеристиками складируемых пород и способом формирования отвалов;

- для выработанного пространства карьера: объемом, расстоянием транспортирования и классом опасности складируемых отходов, способом формирования карьерного пространства.

Расчет ценности техногенного георесурса производится по следующей методике:

При условии формирования отвала в виде техногенного месторождения, с целью извлечения полезных компонентов ценность отвалов определяется по формуле, руб.

п

Цо = а1!'1 цI — св — зф.о )х ^ , (1)

I=1

где а! - содержание 1-го полезного компонента в 1 т отвала, %.; £! -извлечение !-го полезного компонента из породной массы, заскладированной в отвале, %; ц

- цена !-го полезного компонента, руб./т; св - себестоимость выемки породы из отвала, руб./т; зф.о - удельные затраты на формирование отвала, руб./т; п

- число извлекаемых компонентов; Q -масса пород в отвале, т.

При условии формирования отвала в виде сооружения, ценность отвала определяется по формуле, руб.

Цо = Д - Сф.с + С, (2)

где Д - доход от реализации сооружения, руб.; Сф.с - стоимость формирования сооружения, руб.; С - стоимость складирования пород в обычный отвал на поверхности земли, руб.

С =£ [(Зтр + Зф.о + Ззвш + Ззк )-Пг ] ■ (3)

t =1

где Зтр - затраты, связанные с транспортированием отходов от источника их образования до места складирования на поверхности земли, руб.; Зф.о - затраты на формирование отвала, руб.; Ззем - выплаты за занимаемую землю, руб.; Зэк -экологические выплаты за размещение отходов, руб.; 1 - шаг моделирования, годы (1 = 1, 2, ..,Т); Т - период формирования отвала, лет; п - коэффициент дискон-тирования.

При условии использования выработанного пространства карьера в качестве емкости для размещения отходов его

а) Отходы 5-го класса опасности (электро- б) Отходы 4-го класса опасности (доменные

сталеплавильные шлаки) шлаки)

Ьтр1=3км

ю > 5 50с г

—V = 0,5 млн .т/год V = 1 млн .т/год

£ -50 • ф П

'

Расстояние транспортирования 1лр2, км

в) Отходы 5-го класса опасности (вскрышная порода карьера)

Рис. 2. Изменение ценности карьерного пространства от объема, расстояния транспортирования и класса опасности отходов: Ьтр1, Ьтр2 -расстояние транспортирования от источника образования отходов до места их складирования соответственно на поверхности земли и в карьере, км; V - масса складируемых пород, млн т/год

ценность определяется разностью затрат на складирование отходов на поверхности земли и затрат на складирование отходов в карьере:

Ц = С - Сь (4)

где Сі - стоимость складирования отходов в карьере, руб.

Складирование отходов на земной поверхности связано с высокими платежами за загрязнение окружающей среды. Размер платы за размещение отходов на поверхности земли зависит от класса опасности складируемых отходов. Складирование отходов в карьерном пространстве исключает экологические выплаты за размещение отходов, а также выплаты за занимаемые земли:

С 1 = ]Г [(3 1 тр + З 1 ф .о ) У-П, ] (5)

І = 1

где З1тр - затраты, связанные с транспортированием отходов от источника их

образования до места складирования в карьере, руб.; З1ф.0 - затраты, связанные с формированием отвала, руб.

Однако затраты на транспортирование отходов от источника их образования до места складирования в выработанном пространстве карьера могут быть значительно больше затрат при складировании на поверхности. Так, величина затрат на транспортирование зависит от места расположения карьера относительно предприятия, образующего и размещающего отходы.

С использованием предложенной методики установлены зависимости ценности выработанного пространства карьера от расстояний транспортирования, объемов складирования для различных классов опасности отходов (рис.

2).

В результате расчетов установлено, что при транспортировании отходов 5го класса опасности на расстояние Ьтр2 =

Ьтр1 = 1 км с увеличением объема складируемых отходов в карьере ценность карьерного пространства увеличивается (рис. 2, а). При транспортировании этих же отходов на расстояние Ьтр2 = 2 км, по сравнению с Ьтр1 = 1 км, с увеличением объема складируемых отходов ценность карьерного пространства уменьшается и имеет отрицательное значение.

Ценность выработанного пространства карьера при складировании отходов 4-го класса опасности объемом V = 0,5 млн т/год имеет положительное значение при расстоянии перевозки отходов до 23 км (рис. 2, б).

При складировании в карьерном пространстве собственных вскрышных пород его ценность имеет положительное значение только при расстоянии транспортирования в карьер, меньшем или равном расстоянию до отвала на поверхности (рис. 2, в).

При изменении класса опасности складируемых отходов с 5-го на 4-й ценность выработанного пространства карьера возрастает на 95-98 %. Значительное изменение ценности при изменении класса опасности объясняется размерами платы за размещение отходов на поверхности земли, которые составляют 248,4 руб./т за размещение отходов 4-го класса опас-ности; 0,4 руб./т - 5-гокласса опасности добывающей промышленности; 15 руб./м3- 5-го класса опасности перерабатывающей промышленности (в ценах 2003 г.) [2].

Для получения максимального экономического эффекта от использования новых георесурсов необходимо на стадии проектирования карьеров определять возможность и направления дальнейшего использования отвалов и карьерного пространства и с учетом этого выбирать способы формирования повышающие ценность техногенных георесурсов.

На основе выделенных категорий пород обоснованы следующие способы формирования отвалов в виде техногенных георесурсов:

1. Формирование отвалов из пород 1й категории в виде техногенного георесурса производится селективным складированием пород, фракционированием их по крупности и по составу. Складирование осуществляется на специально подготовленных площадях с возможностью отгрузки пород для последующей переработки или непосредственно потребителю.

2. Формирование отвалов из пород 2й категории в виде техногенного георесурса производится с консервированием пород и их складированием на площадях, изолированных от поверхности земли, с уклоном, позволяющим собирать и нейтрализовать или перерабатывать кислые стоки. При складировании пород 2-ой категории возможно создание условий полезного взаимодействия исходных компонентов, что позволяет улучшить свойства пород или создать новые виды минерального сырья с минимальными дополнительными затратами.

3. Формирование отвала из пород 3-й категории как техногенного георесурса производится в виде инженерного сооружения. Следует учитывать местонахождение горного предприятия по отношению к населенным пунктам, промышленным предприятиям, так как отвал может быть сформирован как место для отдыха (парк, лес, ипподром, горнолыжная трасса), строительная площадка или емкость.

Обосновано применение следующих способов формирования карьерного пространства в виде нового техногенного георесурса, используемого для внутреннего отвалообразования:

Рис. 3. Способ формирования техногенных объектов: 1 - породы скальной вскрыши; 2 - полу-скальные породы вскрыши; 3 - глинистые породы; 4 - предохранительный вал; 5 - контур карьера

1. Интенсивная отработка части карьерного поля и использование выработанного пространства с целью засыпки вскрышей другой части карьерного поля при разработке месторождения, имеющего вытянутую форму в плане.

2. Придание дну карьера выпукловогнутого профиля взрыванием его части на выброс для увеличения предельной высоты отвального яруса.

3. Формирование заездов и предохранительных валов на широких площадках бортов карьера, позволяющее исключить просыпание отвальных пород на рабочие горизонты и с минимальными транспортными затратами разместить вскрышу на борту карьера.

С целью максимального использования карьерного пространства в качестве емкости для складирования вскрышных пород предложен способ формирования отвалов на верхних горизонтах, достигших предельного положения в действующем карьере. Предлагаемый способ формирования отвала предусматривает дополнительную выемку части слоя мягких пород, слагающих верхние горизонты карьера, и складирование на освобождаемое место скальной вскрыши. Это позволяет организовать внутренние отвалы в действующем карьере с плавным переходом во внешние отвалы (рис.

3).

Возможность дополнительной выемки мягких пород и отсыпки отвала предлагаемым способом должна рассматриваться на стадии проектирования карьера. Формирование отвала предлагаемым способом осуществляется на борту карьера, имеющем достаточную устойчивость.

Складирование вынимаемого слоя наносов в отвал должно обеспечивать необходимую устойчивость отвальных откосов. Поэтому предлагается совместное складирование различных типов пород, которое при определенных условиях позволяет получить высоту отвала, равную высоте отвала прочных скальных пород. Раздельное складирование пород с различными физикотехническими свойствами в один отвал потребует значительно меньших площадей, чем при размещении этих пород в отдельные отвалы.

Складирование части отвальных пород внутри карьера позволит снизить экологические платежи и сократить среднее расстояние транспортирования пород до отвала.

Таким образом, расширение области использования техногенных георесурсов производится путем выбора направления дальнейшего освоения георесурсов, возможных способов их формирования и расчета ценности формируемых отвалов

и выработанного пространства карьеров. Критерием выбора способа формирования техногенных георесурсов является максимальное значение ценности получаемых георесурсов.

Расширение области использования техногенных георесурсов рассмотрено на примере карьера «Малый Куйбас» ГОП ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».

Для повышения эффективности работы карьера «Малый Куйбас» предложено подготовить и использовать широкие площадки восточного нерабочего борта южной части карьера для складирования вскрышных пород, объем которых составит 2476 тыс. м3. Разработаны рекомендации по формированию карьерного пространства, позволяющие увеличить приемную емкость карьера до 3,2 млн м3 и обеспечить безопасность ведения горных работ при размещении вскрышных пород. Повышение ресурс-

1. Сухорученков А.И. Железорудная база черной металлургии России // Горный журнал.

- 2003. №10. С. 55-57.

2. Постановление Правительства РФ от 12

июня 2003 г. №344 «О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих

ного потенциала карьерного пространства становится возможным при переносе трассы, по которой осуществляется въезд в южную часть карьера. Внедрение предложенных рекомендаций позволит снизить среднее расстояние транспортирования вскрыши на 0,75 км; площадь, занимаемую отвалами, на 9 Га; экологические выплаты на 1,4 млн руб. Экономический эффект при внедрении предложенных рекомендаций составит 28 млн руб. за 4-летний период. Обоснована целесообразность использования выработанного пространства карьера «Малый Куйбас» в качестве емкости для складирования мартеновских и доменных шлаков металлургического комбината. В настоящее время ценность карьерного пространства составляет 7,47 млрд руб., к концу разработки месторождения (2018 г.) она достигнет 26,79 млрд руб.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

веществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, размещение отходов производства и потребления».

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------

Гавришев С.Е., Заляднов В.Ю., Пыталев И.А. - ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова.