CC BY
37
УДК 622.36.002.8
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЩЕЛОЧНО-УЛЬТРАОСНОВНЫХ ФОРМАЦИЙ НА ПРИМЕРЕ ДУНИТОВ ЙОКО-ДОВЫРЕНСКОГО МАССИВА
Л.И.Худякова1, С.С.Тимофеева2
байкальский институт природопользования СО РАН, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6. 2Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова ,83.
Рассмотрены некоторые массивы, входящие в состав щелочно -ультраосновных формаций России. Показано, что одной из пород, слагающих их, являются дуниты, запасы которых составляют триллионы тонн. Данные породы практически нигде не используются и находятся в отвалах. Предлагается использовать дуниты в качестве минеральной добавки при производстве цементов. Установлено, что полученные цементы обладают высокой щелоче -и водостойкостью. Морозостойкость составляет 50 циклов. Вовлечение дунитов в производство позволит снизить экологическую нагрузку на окружающую среду и ликвидировать накопленный экологический ущерб. Табл. 2. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: накопленный экологический ущерб; щелочно-ультраосновные формации; дуниты; отвальные породы; утилизация; цемент с минеральными добавками.
DEVELOPMENT OF THE RECYCLING TECHNOLOGY FOR HOST ROCKS OFALKALI ULTRABASIC FORMATIONS ON THE EXAMPLE OF DUNITES FROM YOKO-DOVYRENSKY MASSIF L.I. Khudyakova, S.S. Timofeeva
Baikal Institute of Environmental Management SB RAS, 6 Sakhyanova St., Ulan-Ude, 670047. Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article considers some massifs that are the part of the alkali-ultrabasic formations in Russia. It is shown that some of the rocks composing them are dunites, whose reserves are billions of tons. These rocks are almost never used and are in the dumps. It is proposed to use dunites as a mineral additive in the manufacture of cements. It is determined that the resulting cements have high alkali and water resistance. Their frost resistance is 50 cycles. Introduction of dunites in production would reduce the environmental load and eliminate the accumulated environmental damage. 2 tables. 10 sources.
Key words: accumulated environmental damage; alkali-ultrabasic formations; dunites; rock refuse; recycling; cement with mineral additives.
По данным статистики в России к настоящему времени накоплено более 30 миллиардов отходов, большая часть из которых - отходы промышленной деятельности. Накопленный (прошлый) экологический ущерб - термин нового времени и актуальный вопрос для России. В 2011 году эта тема поднималась на заседаниях общественной палаты РФ, встрече экологов с президентом и в Госсовете. На заседании президиума Госсовета по вопросам обеспечения и ликвидации накопленного экологического ущерба президент Д.А.Медведев отметил, что «ликвидация накопленного экологического ущерба - это большая и сложная тема, которая требует значительных инвестиций, не только государственных, конечно, но и частных; требует
внедрения новых технологий переработки и безопасного захоронения отходов». Впервые речь о создании нормативной базы для ликвидации «экологического наследия» поднималась при подготовке дополнений и изменений природоохранного законодательства России, а с 1 января 2011 г. введен в действие ГОСТ Р 54003-2010 «Экологический менеджмент. Оценка прошлого, накопленного в местах дислокации организаций, экологического ущерба. Общие положения»[1]. По мнению разработчиков стандарта, проблема обнаружения и устранения накопленного в прошлом экологического ущерба (ПЭУ) стоит на повестке дня в России и за рубежом уже длительное время и загрязненные в прошлом территории стали фактором сдер-
1Худякова Людмила Ивановна, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории химии и технологии природного сырья, тел.: 89516383724, e-mail: lkhud@binm.bscnet.ru
Khudyakova Lyudmila, Candidate of technical sciences, Research Worker of the Laboratory of Chemistry and Technology of Natural Resources, tel.: 89516383724, e-mail: lkhud@binm.bscnet.ru
2Тимофеева Светлана Семеновна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, тел.: (3952) 405106.
Timofeeva Svetlana, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Industrial Ecology and Life Safety, tel.: (3952) 405671, e-mail: bgd@istu.irk.ru
живания экономического роста, причиной снижения экологических рейтингов территорий и, как следствие, барьером для иностранных инвестиций. Согласно ГОСТ Р 54003-2010 «Экологический ущерб (вред): негативные последствия, вызванные загрязнением окружающей среды, утратой и истощением природных ресурсов, истощением экосистем, создающие реальную угрозу для здоровья человека, растительного и животного мира, а также для материальных ценностей. Такими последствиями являются ухудшение здоровья и преждевременная смерть человека, исчезновение растений и животных, потеря естественных экосистем, снижение продуктивности сельхозугодий и стоимости недвижимости, гибель рыб в водоемах и
др.»
Среди объектов накопленного ущерба по массе своей выделяются отходы горнодобывающих предприятий в виде отвалов пустых и вскрышных пород, хвосты обогащения и др. Для ликвидации накопленного экологического ущерба необходимо изыскивать методы их практического использования и утилизации. Среди методов утилизации отходов, образующихся при добыче полезных ископаемых, следует обратить внимание, прежде всего, на методы утилизации их в строительные материалы.
Целью настоящей работы явилось изыскание способов утилизации отходов горнодобывающей промышленности на основе дунитов.
Дуниты слагают многие массивы, входящие в состав щелочно-ультраосновных формаций. Они расположены по всей территории России: на Кольском полуострове, Урале, в Восточной Сибири, на Дальнем Востоке. Рассмотрим некоторые из них.
В центральной части Кольского полуострова находится Мончегорский интрузив, в вертикальном разрезе разделенный на три зоны: перидотитов, пи-роксенитов и норитов. В основании зоны перидотитов на участке гор Ниттис и Сопча прослеживается мощный (100-120 м) прослой дунитов и оливин-хромшпинелевых кумулатов. Внизу "пласта" перидотитов горы Сопча расположен прослой однородных массивных оливин-хромитовых дунитов с мощностью 2540 см, который сменяется очень тонким (0,5-1,5 см) ритмичным чередованием оливин-хромитовых и оли-вин-ортопироксеновых кумулатов [2]. Массив Падос-Тундра, расположенный в западной части Кольского полуострова, содержит дуниты высокого качества (содержание МдО более 45%, магнезиальный модуль МдО^Ю2=1,18), пригодные для производства огнеупоров [3]. Балансовые запасы оливинитов по Хабо-зерскому месторождению оливинитов (Лесная Варака) и Ковдорскому месторождению магнезиально-силикатного сырья, находящимся в Мурманской области, составляют 229550,8 тыс. тонн [3].
Уральский Платиноносный пояс считается эталоном единой дунит-пироксенит-габбровой формации [2]. Дуниты данного пояса содержатся в одиннадцати массивах, разнообразных по форме и размерам, - от резко удлиненных в меридиональном направлении, почти круглых или овальных, до массивов с причудливыми очертаниями. Максимальный их размер по
длинной оси превышает 100 км, ширина достигает 1015 км, в отдельных случаях - 25-30 км [4].
Лысогорский массив Алтае-Саянской области является типичным представителем расслоенных интрузивов основных и ультраосновных пород. Дуниты и перидотиты развиты вдоль его периферических зон и тяготеют к нижнему контакту, особенно в юго-западной части массива. Из особенностей состава дунитов отмечается их высокая магнезиальность [2].
Алданская провинция объединяет несколько ще-лочно-ультраосновных интрузивных комплексов, сосредоточенных в пределах линейной зоны, протягивающейся на 400 км вдоль юго-восточной окраины Алданского щита (массивы Инагли, Кондер, Чад, Сы-бах и др.). Массив Инагли представляет собой штоко-образное тело, центральная часть которого занята дунитами. Общая площадь массива 22 км2, диаметр дунитового ядра - примерно 5 км [2]. Кондерский массив имеет концентрически зональное строение, характеризующееся наличием центрального ядра и окружающих его концентрически замкнутых колец, сформированных породами разного состава. Центральная часть массива сложена дунитами, перидотитами и пироксенитами, образующими изометрическое в плане штокообразное тело, размеры которого в поперечном сечении колеблются от 5,25 до 6,00 км. Дуни-ты слагают в ядре массива небольшие возвышенности с относительными отметками до 450 м [5, 6]. Чадский массив внешне напоминает Кондерский, но имеет меньшие размеры (около 3,0-3,5 км в поперечнике) и более простое строение. Дуниты слагают его центральную часть размером около 2 км [7]. Сыбахский массив представляет собой удлиненное овальное тело размером 2,1х1,3 км2. В данном массиве отсутствуют собственно дуниты, преобладающие среди ультрабазитов Кондерского и Чадского интрузивов. Развиты здесь пироксенсодержащие дунит-оливиниты [6].
Плутоны Северо-Байкальской габбро-пироксенит-дунитовой формации образуют две параллельные зоны: юго-восточную - Чайскую и северо-западную -Довыренскую. Чайский габбро-перидотит-дунитовый плутон вытянут в северо-восточном направлении и имеет форму линзы. Общая длина плутона достигает 18 км, а наибольшая ширина - 3,5 км. Дуниты в плутоне образуют линзовидный блок длиною 1600 м и шириной 400 м, который вытянут в восток-северовосточном направлении и залегает среди перидотитов. Вблизи главного тела дунитов располагается несколько крупных ксенолитов этих пород, включенных в перидотиты [8].
Наиболее крупным и полно дифференцированным интрузивом Довыренского комплекса Северного Прибайкалья является Йоко-Довыренский дунит-троктолит-габбровый массив, находящийся на 56о30 северной широты и 110о восточной долготы, в 80 км к северо-востоку от северного окончания озера Байкал [9]. Строение интрузива характеризуется последовательной схемой пород в разрезе, что позволяет в центральной части массива снизу вверх выделить следующие зоны: плагиоперидотитовую мощностью до
200 м, плагиоклазовых дунитов - 100 м, дунитовую -870 м, ритмичного чередования плагиодунитов и трок-толитов - 560 м, ритмичного чередования троктолитов и оливиновых габбро - 430 м, оливиновых габбро -580 м, оливиновых габбро-норитов - 520 м. Общие запасы свежих дунитов Йоко-Довыренского массива оцениваются во многие миллиарды тонн [9]. Одной из особенностей массива является наличие коры выветривания дунитов, состоящей из дресвы разнообразного размера с хорошо сохранившейся структурой исходных дунитов, по химическому составу практически не отличающейся от последних. Мощность коры выветривания обычно не превышает десяти метров.
Таким образом, в России находится огромное количество дунитов, которые не имеют практического применения, за исключением производства огнеупоров. Они находятся в отвалах, нанося вред окружающей среде. Поэтому важной задачей является разра-
твердели в нормально-влажностных условиях в течение 7 и 28 суток, затем испытывались на сжатие по ГОСТ 310 "Цементы".
При изучении физико-химических и структурных взаимодействий исследуемых пород с цементным клинкером использован комплексный метод, включающий химический, дифференциальный термический, рентгенофазовый анализы. При этом определялись следующие характеристики цементов: фазовый состав, процессы гидратации и твердения в нормально-влажностных условиях.
Дуниты являются упорными породами. Для перевода их в активное состояние применяли метод меха-ноактивации и изучали влияние механической активации сырьевых материалов на физико-химическую активность их взаимодействия с минералами портланд-цементного клинкера. Полученные результаты представлены в табл. 1.
Таблица 1
Влияние величины удельной поверхности композиционного вяжущего на прочность при сжатии
Кол-во добавки породы, масс. % Предел прочности при сжатии, МПа вяжущего с добавкой дунита с величиной удельной поверхности
280 м2/кг 340 м2/кг 450 м2/кг 560 м2/кг
в возрасте
7 суток 28 суток 7 суток 28 суток 7 суток 28 суток 7 суток 28 суток
0 35,2 52,2 38,0 56,6 41,0 64,2 40,8 57,5
20 37,1 52,9 39,6 57,2 47,0 58,8 43,7 58,1
25 38,8 53,1 40,9 58,7 48,9 61,9 45,8 58,7
30 40,5 56,5 43,5 62,5 49,8 66,7 46,4 60,1
35 36,1 51,2 41,1 57,7 49,0 60,8 44,0 57,4
40 33,0 48,4 39,0 55,4 42,0 55,2 40,2 52,9
ботка технологий по их использованию с получением высококачественной товарной продукции. Одной из главных отраслей, использующей отходы, является отрасль производства строительных материалов, в частности, производство цемента.
Экспериментально установлена возможность использования дунитов при производстве портландцемента с минеральными добавками. В качестве сырьевых материалов применялись портландцементный клинкер Тимлюйского цементного завода, двуводный гипс Нукутского гипсового карьера и дуниты Йоко-Довыренского массива со следующим содержанием основных оксидов, масс. %: SiO2 - 37,4; Al2Oз - 1,3; Fe2Oз - 3,1; FeO - 12,6; CaO - 0,4; MgO - 40,8; Na2O+K2O - 0,2.
Было исследовано влияние таких технологических факторов на свойства цемента, как количество вводимой в смесь минеральной добавки, дисперсность полученного порошка, вид условий твердения. Для изучения вышеперечисленных зависимостей были приготовлены смеси портландцементного клинкера с добавкой исследуемых пород в количестве 20-40%. После этого добавляли двуводный гипс - 3% от массы смеси и измельчали до величины удельной поверхности - от 240 до 590 м2/кг. Смесь затворяли водой при водотвердом соотношении 0,3 и формовали образцы - кубы размером 2х2х2 см из раствора нормальной густоты, контролируемой прибором Вика. Образцы
Данные табл.1 показывают, что наибольший прирост прочности по сравнению с контрольным образцом наблюдается при величине удельной поверхности 340 м2/кг. Наибольшую прочность имеют образцы, измельченные до величины удельной поверхности 450 м2/кг. Но для достижения данной удельной поверхности необходимы большие затраты электроэнергии. С увеличением удельной поверхности значение предела прочности при сжатии образцов падает, что объясняется появлением сверхтонких фракций, которые приводят к агломерации частиц и снижают прочностные свойства материала. К тому же, увеличение продолжительности помола приводит к перерасходу электроэнергии и увеличению содержания примесей железа в вяжущем, что связано с износом мелющих тел и футеровки мельницы. Поэтому в производственных условиях при измельчении материалов руководствуются положением ограничиваться такой степенью измельчения, которая вызывается действительной необходимостью, что в исследованиях соответствует величине удельной поверхности 340 м2/кг. Данную величину принимаем за оптимальную.
Измельчение сырьевой смеси до оптимальной величины удельной поверхности 340 м2/кг приводит к увеличению дефектности структуры, образованию новых поверхностей со свободными радикалами и активных центров, которые при взаимодействии с водой и минералами портландцементного клинкера об-
разуют гидросиликаты кальция и гидросиликаты магния волокнистой структуры, смешанные кальций-магниевые и кальций-магний-железистые гидросиликаты с ленточной и цепочечной структурами, предопределяющие прочность полученных композиций, что подтверждено результатами рентгенофазового и дифференциального термического анализов [10].
Применение минеральной добавки в виде дунитов при производстве цемента ведет к улучшению его качества и снижению себестоимости за счет замены части клинкера на данные породы на стадии помола, которые, к тому же, являются отходами горнодобывающей промышленности. При этом можно получить два вида цементов: портландцемент с минеральными добавками марки М400Д20 и смешанный цемент с 30% добавки породы. Определены основные свойства полученных цементов (табл. 2).
Как видно из данных табл. 2, цементы с добавкой дунитов обладают повышенной щелочестойкостью по сравнению с портландцементом. С увеличением количества добавки устойчивость цементов к воздействию щелочей увеличивается, что объясняется повышенным содержанием SiO2. Кислотостойкость с увеличением количества добавки снижается. Водопоглощение в вяжущих композициях ниже, чем у контрольного образца, что свидетельствует о их высокой водостойкости. Морозостойкость всех видов цементов составляет 50 циклов.
Таблица 2
Основные свойства цементов с добавкой дунитов
Количество Водопо- Щелоче- Кислото- Морозо-
добавки, глоще- стои- стои- стойкость,
масс. % ние, % кость, % кость, % циклы
Дунит
20 3,64 0,84 45,83 50
30 3,31 0,93 42,17 50
40 3,24 1,00 37,25 50
Портланд- 6,65 0,69 59,37 50
цемент
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что дуниты можно использовать в производстве новых видов цементов с минеральными добавками. Предлагаемая технология позволит существенно снизить накопленный экологический ущерб горнодобывающих предприятий, отвалы которых содержат дуниты. Кроме того, применение технологии приведет к расширению сырьевой базы цементной промышленности и получению новых видов строительных материалов высокого качества.
Работа выполняется по программе ОХНМ РАН № 5.5.2 «Получение новых видов материалов с высокими эксплуатационными характеристиками из отходов горнодобывающей промышленности».
Библиографический список
1. ГОСТ Р 54003-2010 «Экологический менеджмент. Оценка прошлого, накопленного в местах дислокации организаций, экологического ущерба. Общие положения»
2. Магматические горные породы. М.: Наука, 1988. Т.5. 512 с.
3. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Мурманской области в 2003 году // Управление природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Мурманской области, 2004.
4. Овчинников Л.Н. Полезные ископаемые и металлогения Урала. М.: ЗАО "Геоинформмарк", 1998. С. 7-91.
5. Андреев Г.В. Кондерский массив ультраосновных и щелочных пород. Новосибирск: Наука, Сиб. отделение, 1987. 80 с.
6. Некрасов Н.Я., Ленников А.М., Октябрьский Р.А. Петрология и платиноносность кольцевых щелочно-ультраосновных комплексов. М.: Наука, 1994. 384 с.
7. Богомолов М.А., Кицуя В.И. Чадский ультраосновной щелочной массив на восточной окраине Алданского щита // Петрография метаморфических и изверженных пород Алданского щита. М.: Наука, 1964. С. 156-165.
8. Леснов Ф.П. Геология и петрология Чайского габбро-перидотит-дунитового никеленосного плутона (Северное Прибайкалье). Новосибирск: Наука, Сиб. отделение, 1972. 228 с.
9. Кислов Е.В. Йоко-Довыренский расслоенный массив. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 1998. 268 с.
10. Худякова Л.И., Войлошников О.В., Котова И.Ю. Отходы горнодобывающих предприятий как сырье для получения строительных материалов // Вестник ДВО РАН. 2010. № 1. С. 81-84.
УДК 504.056:622.332
ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ САМОВОЗГОРАНИЯ БУРЫХ УГЛЕЙ
А
И.И.Шестакова1
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Масштабы воздействия экзогенных и эндогенных пожаров на угольных разрезах определяются производственной мощностью предприятия, состоянием применяемого оборудования, совершенством технологических процессов, уровнем технологической дисциплины, размерами горного и земельного отводов, географическими и климатическими условиями и другими факторами. Они приводят к существенным экономическим затратам, ухудшению санитарно-экологических условий труда. К потенциально пожароопасным участкам относятся технологические объекты при добыче и хранении угля, которые характеризуются наиболее благоприятными условиями для проте-
1Шестакова Инна Ивановна, аспирант, тел.: 89501302274, e-mail: emia-irk@bk.ru Shestakova Inna, Postgraduate, tel.: 89501302274, e-mail: emia-irk@bk.ru
