CC BY
23Дрожжин С. П., аспирант, Пендюрин Е. А., канд. с.-х. наук, доц. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
РАЗРАБОТКА СПОСОБА РЕКУЛЬТИВАЦИИ ОТРАБОТАННОЙ ЧАСТИ КАРЬЕРА ЗАО «БЕЛГОРОДСКИЙ ЦЕМЕНТ»
rivalution@yandex.ru
Целью работы является разработка и экспериментальная апробация использования неорганических отходов промышленных производств при рекультивации отработанной части карьера ЗАО «Белгородский цемент».
Ключевые слова: карьер, восстановление техногенно-нарушенных земель, промышленные отхо-
Современная экологическая ситуация как в глобальном, так и в региональном масштабах обостряется, и человечество вынуждено искать эффективные меры устойчивого развития биосферы. Серьезной экологической проблемой за последнее столетие стало интенсивное развитие промышленности и транспортного комплекса, представляющие собой наиболее мощные источники загрязнения биосферы вредными ингредиентами.
Нарушенными считают земли, утратившие первоначальную природно-хозяйственную ценность и, как правило, являющиеся источником отрицательного воздействия на окружающую среду. Нарушают земли при выполнении открытых и подземных горных работ; складировании промышленных, строительных и коммунально-бытовых отходов; строительстве линейных сооружений; а также, при проведении геологоразведочных, изыскательских, строительных и других работ.
Воздействие карьерных разработок отрицательно сказывается на потерях земель различных категорий и на ухудшении качества окружающей среды и здоровья проживающего населения на территории конкретной административно-хозяйственной единицы. Отсюда возникает необходимость возврата нарушенных карьерными разработками земель в рациональный хозяйственный оборот при непременном условии минимизации и ликвидации вредного влияния на окружающую среду.
В настоящее время отмечается, что 11 % мировых земельных ресурсов относятся к нарушенным землям, 60 % из них - в плохом или очень плохом состоянии, темпы рекультивации отстают от объемов нарушения земель.
Существующие технологии рекультивации во многих случаях не учитывают природные и геоэкологические условия расположения карьеров и не всегда обеспечивают выбор научно-обоснованных направлений их использования и способов рекультивации. При этом преимуще-
ственно рассматриваются лишь отдельные, субъективно выбранные элементы работ по рекультивации, часто в отрыве от решения вопросов охраны рекультивированных земель, их восстановления и обновления.
Восстановлению подлежат нарушенные земли всех категорий, а также прилегающие земельные участки, полностью или частично утратившие продуктивность в результате отрицательного на них воздействия.
Рекультивацию земель, нарушенных промышленной деятельностью, проводят, как правило, в три этапа:
1) первый этап - подготовительный: обследование нарушенных территорий, определение направления рекультивации, технико-экономическое обоснование и составление проекта рекультивации.
2) второй этап - техническая рекультивация, которая в зависимости от региональных условий может включать промежуточную стадию - химическую мелиорацию. Техническую рекультивацию обычно обеспечивают предприятия, которые разрабатывают полезные ископаемые. Необходимость рекультивации земель, нарушенных карьерными разработками, оказывает большое влияние на технологию и экономические показатели разработок, включая выбор способа разработки, образования отвалов, средств механизации вскрышных и отвальных работ и средств транспортировки пород в отвалы. Этап технической рекультивации должен проходить в процессе эксплуатации карьера.
3) третий этап восстановления нарушенных земель - биологический этап рекультивации, который осуществляют после полного завершения горнотехнического этапа. Биологический этап рекультивации состоит в восстановлении почвенного покрова. Работы этого этапа землепользователи выполняют в соответствии с предполагаемым использованием рекультивированной территории и агротехническими требованиями к
почвенному покрову для возделывания конкретных культур [1].
Актуальность рассматриваемой темы состоит в совершенствовании технологического комплекса рекультивационных работ на карьерах по разработке месторождений строительного сырья, обеспечивающего возвращение нарушенных карьерными разработками земель в рациональный хозяйственный оборот; охрану и сохранение восстановленных земель.
Целью нашей работы является разработка и экспериментальная апробация использования неорганических отходов промышленных производств при рекультивации отработанной части карьера ЗАО «Белгородский цемент».
Территория Белгородской области в той или иной степени является техногенно нарушенной, поскольку на ее территории находится 328 карьеров, в том числе 84 отработанных. Кроме того, на 176 бесхозных карьерах продолжается несанкционированная добыча песка и глины, в том числе и различными подрядными организациями, а на бездействующих - устроены свалки. На территорию Белгородского района приходится 22 карьера [2], одним из них является сырьевой карьер ЗАО «Белгородский цемент». Площадь земельного отвода составляет 285,6 га, в том числе площадь карьера - 281,1 га. Разработка месторождения ведется открытым способом с использованием экскаваторов без буровзрывных работ. Почвенно-растительный слой удаляется самоходными скреперами и складируется в специальных отвалах - складах временного хранения СВХ-1 для последующего использования при рекультивации нарушенных земель. Вскрышные породы вывозятся во внешние отвалы - склады временного хранения СВХ-2, расположенные с восточной стороны карьера в выработанном пространстве отработанного Гриневского карьера, и во внутренние отвалы.
Размещение отходов в выработанном пространстве карьеров является альтернативным направлением рекультивации горных выработок. Одновременно решаются две важнейшие задачи - восстановление природного ландшафта и безопасное размещение отходов в карьерной выработке.
В настоящее время допускается засыпка карьеров и других искусственно созданных по-
лостей с использованием инертных отходов, твердых бытовых и промышленных 3 - 4 классов опасности. Следовательно, при использовании любых видов отходов должен быть определен их состав.
С целью выявления пригодности технологических грунтов и поверхностного слоя почвы для биологической рекультивации закрытой части отработанного полигона был проведен их химический анализ вскрышных пород. Содержание элементов, масс. % SiO2 - 66,09; Al2O3 -10,52; Fe2Oз - 3,95; CaO - 6,67; MgO - 1,16; ТО -0,72; Na2O - 0,65; ^ - 1,80; P2O5 - 0,15; а- -0,015; ппп - 8,93;
Анализ химических показателей позволяет использовать исследованный почвогрунт, расположенный в складах временного хранения для рекультивации территории.
В качестве заполнителя карьерной выработки были использованы отходы цементного производства (пыль электрофильтров) и производства лимонной кислоты (цитрогипс).
Оценка их пригодности для экологической рекультивации отработанных карьеров производилась на основании химических свойств.
Существует опыт использования пыли при производстве шлакощелочных вяжущих, в качестве наполнителя в асфальтобетонах, при изготовлении местных малоклинкерных вяжущих.
Проведены исследования по использованию цементной пыли при производстве окрашенного медицинского стекла и получения на листовом стекле тонких теплозащитных пленок с коэффициентом поглощения в ИК-диапазоне спектра 39-25% [3].
Но, несмотря на обширные исследования в этой области, проблема утилизации цементной пыли в настоящее время так и не решена.
Основными компонентами пыли электрофильтров стадии обжига сырьевой смеси цементного производства являются основные оксиды: CaO, SiO2, K2O (табл. 1), что придает ей высокое значение рН 12,9. Такая величина водородного показателя не дает возможности ее непосредственного применения в качестве закладочного материала без предварительной нейтрализации.
Химический состав пыли стадии обжига сырьевой смеси
Таблица 1
Компонент Рс2а3 CaO SiO2 ^3 MgO SO3 а- ппп
Количество, масс.% 6,49-7,11 44,9753,54 14,27 1,286,20 0,536,32 5,25 0,25 2,30 2,242,59 4,8422,1
В качестве нейтрализатора, позволяющего снизить щелочность отхода цементного произ-
водства, был использован цитрогипс, который имеет кислый уровень рН (табл. 2).
Таблица 2
Химический состав цитрогипса_
Вещество М2О3 Ре20з СаО 803 С02 гидратная вода Н2О рН
Содержание, % 0,12 0,04 31,7 45,49 0,05 22,48 0,12 4,5
Одним из перспективных направлений в решении экологических проблем, связанных с хранением цитрогипса, является разработка и внедрение технологических процессов, позволяющих получать строительные гипсовые вяжущие и материалы на их основе [4].
Так же известен безобжиговый способ получения гипсовых вяжущих из гипсосодержащих отходов, основанных на использовании в качестве водоотнимающей жидкости концентрированной серной кислоты [5].
Компонентный состав отходов перекликается, что делает возможным их совместное использование без образования вторичных ве-
ществ. Для получения достоверных данных был смоделирован эксперимент с использованием промышленных отходов цементного производства (пыль электрофильтров) и отходов производства лимонной кислоты (цитрогипс). (табл.
3)
Компонентный состав отходов перекликается, что делает возможным их совместное использование без образования вторичных веществ. Для получения достоверных данных был смоделирован эксперимент с использованием промышленных отходов цементного производства (пыль электрофильтров) и отходов производства лимонной кислоты (цитрогипс) (табл. 3)
Таблица 3
Экспериментальные результаты по использованию неорганических промышленных отходов
№п/ Поч- Защит- Вскрыш- Объем рН Масса
п вен- ный Закладочный материал ные породы филь- филь- зеленой
ный экран (противо- трата, трата части
слой, поверх- Вскрыш- Пыль Цит-ро- фильт- мл расте-
мас.ч ности ные электро- гипс, рацион-ный ний,
(фина- породы, фильтров- мас.ч. экран), г
льное мас.ч. цемент- мас. ч.
перекрытие), ного про-из-водства,
мас.ч. мас.ч.
1 1 5 6 4 - 10 320 7,9 2,56
2 1 5 6 4 1,0 10 300 7,7 2,78
3 1 5 6 3 - 10 310 7,8 2,65
4 1 5 6 3 0,6 10 300 7,3 2,82
5 1 5 6 6 - 10 370 8,2 2,00
6 1 5 6 18 - 10 290 10,1 1,80
7* 1 5 6 - - 10 360 7,6 3,10
* - контрольный вариант, без использования неорганических промышленных отходов.
Для снижения вымывания химических элементов в грунтовые воды отходы изолируются отработанными вскрышными породами карьера. Схема закладки рекультивационных материалов представлена на рис.1. Используемые отходы частично смешивались как между собой, так и с незначительным количеством вскрышных пород.
В состав закладочного материала входит смесь вскрышных пород и неорганических промышленных отходов в соотношении, вскрышные породы: пыль электрофильтров цементного производства: цитрогипс = 2 : (1-1,5) : (0,2-0,3) [6].
Изменение соотношения компонентов закладочного материала в сторону увеличения содержания пыли электрофильтров цементного производства - вскрышные породы : пыль элек-
трофильтров цементного производства : цитрогипс = 2 : (3-6): 0,3, нецелесообразно, т.к. в этом случае происходит загрязнение грунтовых вод вымывающимися токсичными элементами пыли электрофильтров и угнетение роста и развития высших растений.
Предлагаемый способ рекультивации карьеров с использованием промышленных отходов реализован следующим образом.
1. Выполаживание бортов карьера.
2. Выравнивание контура участка.
3. Перемещение вскрышных пород из отвалов временного хранения, укладка на дно карьерного поля и уплотнение с целью формирования противофильтрационного экрана, высота которого составляет не менее 2 м в уплотненном состоянии.
ПЛОДОРОДНЫЕ
почвенный слой
защитный экран поверхности (финальное перекрытие)
закладочный материал
протпвофп.тьтрацоннып экран основания
естественное основание карьера
Рис. 1. Схема использования закладочного
4. Перемещение вскрышных пород из отвалов временного хранения и перемешивание с неорганическими промышленными отходами (пылью электрофильтров цементного производства и цитрогипса) в соотношении, мас. ч., вскрышные породы : пыль электрофильтров цементного производства : цитрогипс = 2 : (1-1,5) : (0,2-0,3) с целью формирования закладочного материала, его укладка с последующим уплотнением.
5. Перемещение и укладка вскрышных пород из отвалов временного хранения с целью формирования защитного экрана поверхности (финального перекрытия) высотой до 1,5 м.
6. Нанесение почвенно-растительного грунта, снятого в процессе эксплуатации и хранящегося в складах временного хранения, по всей площади рекультивации слоем 0,3-0,5 м.
7. Посадка древесно-кустарниковых пород.
Проведенные исследования показывают,
что при таком способе рекультивации карьеров не загрязняется окружающая природная среда, утилизируются неорганические промышленные отходы и не происходит угнетения роста и развития древесно-кустарниковых культур.
материала при рекультивации карьеров
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пендюрин Е.А., Смоленская Л.М., Старостина И. В. Использование промышленных отходов при рекультивации карьера // Горный журнал. 2012. № 9. С. 126-127.
2. Чернышева Н.В., Шамшуров А.В. Атлас «Природные ресурсы и экологическое состояние Белгородской области». Учебно-справочное картографическое пособие. - Белгород. Изд-во: Белгородская областная типография. 2005. 180 с.
3. Мирюк О.А., Беляева В.И. Пыль в производстве вяжущих материалов // Рудный: Руд-ненский индустриальный институт, 2009. 142 с.
4. Старостина И. В., Лукьянова А.Н. Строительные композиционные материалы на основе модифицированных гипсовых вяжущих, полученных из отходов производства // Фундаментальные исследования. 2013. № 4. С. 818-822
5. Влияние условий обработки цитрогипса на состав получаемого гипсового вяжущего / С.В. Свергузова, Л.И. Черныш, Н.В. Чернышева, А.В. Шамшуров // Строительные материалы. 2010. № 7. С. 31-32
6. Патент на изобретение: Способ рекультивации карьеров с использованием промышленных отходов / Заявка № 2011142936. Дата приоритета 24.10.2011.
