CC BY
52К 60-летию Дмитрия Владимировича Орешкина
19 апреля 2019 г. исполнилось бы 60 лет Дмитрию Владимировичу Орешкину, доктору технических наук, профессору, эксперту РААСН, члену редакционного совета, постоянному
автору, рецензенту, научному консультанту и большому другу журнала «Строительные
®
материалы»®.
В последние годы Дмитрий Владимирович работал ведущим научным сотрудником отдела горной экологии Института проблем комплексного освоения недр РАН (ИПКОН РАН), где, в частности занимался вопросами вовлечения техногенных отходов горнопромышленного комплекса в производство строительных материалов. Дмитрий Владимирович ушел неожиданно и безвременно в июне прошлого года; у него были научные планы, ученики, материалы исследований и черновики статей, которые предполагалось представить к публикации...
Одну из них коллеги завершили к 60-летию Дмитрия Владимировича Орешкина. Мы все — коллеги, друзья, ученики — горько сожалеем, что не отмечаем этот юбилей вместе с ним.
( - \
УДК
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-769-4-65-72
Д.В. ОРЕШКИН, д-р техн. наук, И.В. ШАДРУНОВА, д-р техн. наук ([email protected]),
Т.В.ЧЕКУШИНА, канд. техн. наук ([email protected]), А.Н. ПРОШЛЯКОВ науч. сотрудник ([email protected])
Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В.Мельникова Российской академии наук (111020, г. Москва, Крюковский туп., 4)
Утилизация отходов мрамора и бурового шлама в процессе производства строительных материалов
Разработаны научные основы комплексной методики экологической оценки техногенных отходов и их масштабной утилизации в производстве строительных материалов и изделий. Обоснована возможность использования указанных техногенных отходов как сырьевых компонентов для производства строительных материалов при одновременном решении экологических проблем территорий за счет их масштабной утилизации. Выявлены и ранжированы технологические операции, из которых состоит жизненный цикл тонкодисперсных отходов мрамора. На примере Коелгинского месторождения белого мрамора показаны основные негативные факторы образования большого количества (около 50 тыс. т ежегодно) отходов различных фракций. Приведены свойства мелкодисперсных отходов белого мрамора, предложена технология их вовлечения в качестве сырьевого компонента в производство керамического кирпича. Показано, что утилизация всего накопленного объема тонкодисперсных отходов белого мрамора позволит выпустить более 120 млн шт. керамического кирпича различных цветов нормального формата. Разработана блок-схема жизненного цикла и негативных экологических эффектов размещения бурового шлама. В качестве примера предложено использовать буровой шлам Бованенковского НГКМ в технологии производства керамического кирпича, накопленные запасы которого составляют более 1,2 млн т и занимают более 1000 га земли. Путем переработки бурового шлама в керамический кирпич полусухого прессования можно выпустить порядка 15 млн шт. кирпича нормального формата. Также по минеральному и дисперсному составу буровой шлам можно использовать в строительных растворах и сухих смесях, производстве дорожных оснований, тротуарной плитки, крупные остатки на ситах можно использовать в составе фибробетонной смеси для балластировки подводных трубопроводов.
Ключевые слова: техногенные отходы, мрамор, буровой шлам, строительные материалы, тонкодисперсные отходы, экологическая оценка, утилизация, научное обоснование.
Для цитирования: Орешкин Д.В., Шадрунова И.В., Чекушина Т.В., Прошляков А.Н. Утилизация отходов мрамора и бурового шлама в процессе производства строительных материалов // Строительные материалы. 2019. № 4. С. 65-72. 00!: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-769-4-65-72
| D.V. ORESHKIN, | Doctor of Sciences (Engineering), I.V. SHADRUNOVA, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]), T.V. CHEKUSHINA Candidate of Sciences (Engineering), ([email protected]), A.N. PROSHLYAKOV, research scientist ([email protected]) N.V. Mel'nikov Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources, Russian Academy of Sciences (4, Kryukovsky tupik, Moscow, 111020, Russian Federation)
Utilization of wastes of marble and drill cuttings in the process of building materials production
The scientific bases of a comprehensive methodology of environmental assessment of man-made waste and their large-scale utilization in the production of building materials and products have been developed. Possibility to use the specified anthropogenic waste as raw materials for production of construction materials at the simultaneous solution of ecological problems of territories due to their large-scale utilization is substantiated. Technological operations, which make up the life cycle of fine marble waste, are identified and ranked. The main negative factors of formation of a large amount (about 50 thousand tons annually) of waste of various fractions are shown on the example of the Koelga white marble deposit. The properties of fine waste of white marble are given, the technology of their involvement as a raw component in the production of ceramic bricks is proposed. It is shown that the utilization of
fj научно-технический и производственный журнал
апрель 2019 65
the total accumulated volume of fine waste of white marble will make it possible to produce more than 120 million pieces of ceramic bricks of different colors of the normal format. A block-scheme of the life cycle and negative environmental effects of drill cuttings placement has been developed. As an example, it is proposed to use the drilling cuttings of Bovanenkovskoye oil, gas and condensate field in the technology of production of ceramic bricks, the accumulated reserves of which are more than 1.2 million tons and occupy over 1000 hectares of land. By processing drill cuttings into ceramic bricks of semi-dry pressing it is possible to produce about 15 million pieces of bricks of normal format. Also due to the mineral and disperse composition the drill cuttings can be used in mortars and dry mixtures, the production of road bases, pavement tiles, large residues on the sieves can be used for the fiber-concrete mixture for ballasting underwater pipelines.
Keywords: waste, marble, drill cuttings, building materials, fine waste, environmental assessment, disposal, scientific justification
For citation: Oreshkin D.V., Shadrunova I.V., Chekushina T.V., Proshlyakov A.N. Disposal of waste marble and drill cuttings in the production of building materials.. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 4, pp. 65-72. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-769-4-65-72 (In Russian).
Глобальной проблеме экологии во многих странах мира уделяется большое внимание [1—7]. По мере роста промышленного производства и прогресса цивилизации повышается потребление ресурсов недр Земли, в первую очередь минеральных. Одновременно увеличивается количество техногенных отходов производства. Формируются месторождения техногенных отходов, обусловливающих развитие экологических проблем. Проведение масштабной утилизации техногенных отходов (ТГО) существенно расширяет сырьевую базу для производства строительных материалов. Высвобождаются отчужденные под отвалы и полигоны ТГО земли. При этом повышается экологическая безопасность горнопромышленных территорий. Например, утилизация отходов 3-го класса опасности по ФККО (Федеральному классификационному каталогу отходов) позволяет получать строительные изделия на их основе 4-го класса опасности. Однако следует иметь в виду, что для применения материалов и изделий на основе ТГО в строительстве необходимо обязательное установление их соответствия государственным (национальным) или международным техническим стандартам, таких как ГОСТы, ISO, EN, ASTM [1, 2].
Во второй половине ХХ в. возникло острое противоречие между потребностями всемирного сообщества в минеральных ресурсах земных недр и возможностями литосферы их предоставить [1, 3].
В мире и России имеются технологии добычи, обогащения и переработки нерудных минеральных ресурсов, где извлечение нужной продукции составляет всего несколько процентов. Остальная масса формирует горнопромышленные отходы [1, 3]. В основном, добыча минеральных ресурсов нерудного происхождения ведется открытым способом, а сами карьеры и прилегающие к ним территории выведены из хозяйственного оборота. Они нарушают природные ландшафты, создают их техногенные варианты, разрушают почвенный слой биосферы, радикально изменяют водный режим рек, озер, прудов, водохранилищ, подземных и поверхностных грунтовых вод и других элементов гидросферы.
Все виды промышленного производства и его рост требуют нового строительства, соответственно увеличения производства строительных материалов. При росте производства строительных материалов растет потребление минеральных ресурсов. Следовательно, для сохранения экологического равновесия регионов или его улучшения необходимо ком-
плексное освоение месторождений, которое включает утилизацию техногенных отходов, в том числе в производстве строительных материалов.
Научные основы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых с обязательным учетом экологии на основании ресурсного подхода разработаны в ИПКОН РАН и представлены в трудах [4—7].
В настоящее время в Российской Федерации решение экологических проблем приобрело государственное значение.
В первую очередь требуется комплексная экологическая оценка техногенных отходов, накопленных на территории России. Расчеты должны быть выполнены в рамках одновременно разрабатываемых научных основ.
В настоящей статье приводится научная оценка экологических проблем горнопромышленных территорий РФ, где происходит быстрое увеличение объемов техногенных отходов белого мрамора и бурового шлама.
Для экологической оценки в РФ и Европе используют международные нормы: ГОСТ Р ИСО 14050—2009 «Менеджмент окружающей среды» и ГОСТ Р ИСО 14040-2010 «Экологический менеджмент. Оценка жизненного цикла. Принципы и структура». Поэтому в исследовании для оценки объемов и опасности техногенных отходов белого мрамора и бурового шлама используется инвентаризационный и классификационный анализ отходов.
Инвентаризационный анализ определяет объемы и жизненный цикл отхода, его вещественный, минеральный и химический, гранулометрический состав, физико-технические свойства.
С помощью классификационного анализа устанавливается экологическая опасность отходов соответствующих производств по Федеральному классификационному каталогу отходов - ФККО или его региональным аналогам [1, 2].
Отходы белого мрамора Коелгинского месторождения Челябинской области
Ресурсный подход [4-7] дает возможность проводить оценку качества освоения, например, Коел-гинского месторождения белого мрамора в Челябинской области. Оно является одним из самых крупных в мире. Его годовая проектная добыча составляет 100 тыс. м3, а фактическая — 40-80 тыс. м3 При добыче и обработке мрамора формируется большое количе-
ство тонкодисперсных отходов — до 30—35%. Следовательно, в год образуется до 50 тыс. т техногенных тонкодисперсных отходов белого мрамора. Отходы формируются в виде щебня, песка, пыли и шлама после абразивной обработки изделий. Суммарно их масса в отвалах оценивается в 20—25 млн т. По региональному классификационному каталогу отходов тонкодисперсные отходы мрамора относятся к 3-му классу опасности и занимают свыше 20 га [1, 8—11].
На окружающую среду территории месторождения и всего Южного и Среднего Урала это оказывает весьма негативное влияние. На отходы мрамора, находящиеся в отвалах, постоянное воздействие оказывают атмосферные осадки, солнечная радиация, знакопеременная температура, ветер, поверхностные грунтовые воды. В строительстве применяют щебень, песок [12], а тонкодисперсные отходы — как наполнитель в линолеумах, красках, сухих строительных смесях и т. д. [1, 8, 12].
Инвентаризационный анализ частиц тонкодисперсных отходов белого мрамора установил, что более 70% из них имеют размер менее 100 мкм. Отвалы с такими частицами склонны к пылению и образованию пылевых облаков в нижних слоях атмосферы. Их удельная поверхность составляет 2541-2553 см2/г.
Результаты гранулометрических исследований, рентгенофазового (РФА) и микроструктурного (МСА) анализа тонкодисперсных отходов мрамора легли в основу классификационного анализа, согласно которому они отнесены к 3-му классу опасности.
Как известно из трудов авторов [1, 2, 8-11, 13-16], экологическую оценку техногенных отходов по их жизненному циклу можно считать достоверной и адекватной.
В период жизненного цикла тонкодисперсных отходов мрамора во время его добычи и обработки на окружающую среду оказываются следующие негативные воздействия:
- уничтожение или деградация флоры и фауны (растительного и животного мира);
- нарушение и уничтожение плодородного почвенного слоя биосферы;
- повышенные шумовые нагрузки при добыче, перевозке и обработке;
- образование техногенных отходов при добыче, обработке, размещении, перемещении или захоронении, утилизации;
- истощение литосферы и гидросферы как источников ресурсов недр Земли;
- нарушение природного равновесия в экологической системе;
- загрязнение гидросферы, в том числе подземных и поверхностных грунтовых вод, изменение режимов ручьев и малых рек, других водоемов;
- изменение и уничтожение природных ландшафтов, формирование техногенных ландшафтов;
- загрязнение атмосферы пылью и испарениями.
Жизненный цикл тонкодисперсных отходов мрамора состоит из следующих технологических операций:
— снятие, перемещение и вывоз почвенного слоя по всей площади месторождения белого мрамора;
— снятие вскрышных пород и их перевозка в отвалы и на полигоны;
— добыча крупных блоков мраморной породы и транспортировка к месту обработки;
— грубая обработка и распиловка блоков по заданным размерам;
— шлифовка и полировка мраморных изделий;
— сбор и сортировка отходов мрамора;
— транспортировка отходов мрамора в отвалы;
— транспортировка отходов мрамора из отвалов на место производства строительных изделий на основе этих отходов.
После доставки тонкодисперсных отходов мрамора на склад исходного сырья цеха по производству строительных изделий их жизненный цикл как отходов завершается и входит в качестве сырьевого компонента в жизненный цикл строительного изделия.
Это позволяет прогнозировать вредные воздействия техногенных отходов на окружающую среду и создавать методы их снижения во время всего жизненного цикла изделия.
В данном случае следует отметить, что почти для всех строительных изделий на основе утилизируемых техногенных отходов классификационный анализ определяет снижение уровня экологической опасности изделий по сравнению с классом опасности исходного отхода [1, 2, 8—11].
Важной задачей оценки является определение экологического ущерба от отчуждения территорий под отвалы тонкодисперсных отходов мрамора.
Для расчета был проанализирован экологический эффект от их утилизации за счет сокращения площадей, отведенных под отвалы. Его оценивали по ущербу окружающей среде от загрязнения территории горнопромышленного комплекса. Расчет проведен в соответствии с методикой [13]. При расчете определено, что нанесенный ущерб окружающей среде от хранения в отвалах тонкодисперсных отходов мрамора для Челябинской области составляет около 500 тыс. р. в год (в ценах 2018 г.). Если учитывать количество уже размещенных в отвалах ОАО «Коелга-мрамор» отходов, то экологический ущерб составит 25-30 млн р. [1, 8-11].
Утилизация тонкодисперсных отходов мрамора в производстве эффективного облицовочного керамического кирпича значительно снизила экологическую нагрузку на окружающую среду [1, 8-11]. Это произошло за счет уменьшения массы отходов в отвалах, что позволило сократить отчужденные площади под отвалы и возвратить земли в хозяйственный оборот [1, 8-11].
Ранее было определено количество утилизируемых тонкодисперсных отходов мрамора на 1 м3 фор-
J'^j ®
апрель 2019
67
Таблица 1
Расходы компонентов и количество кирпича
Цвет и возможный объем выпуска кирпича Наименование показателей Расходы компонентов, кг/1 м3
Терракотовый (темно-коричневый) 41,7-50 млн шт. Глинистая порода 1500
Тонкодисперсные отходы мрамора 300
Вода 465
Светло-красный (розоватый) 33,8-40,5 млн шт. Глинистая порода 1300
Тонкодисперсные отходы мрамора 370
Вода 403
Палевый (соломенный) 28,4-34,1 млн шт. Глинистая порода 1100
Тонкодисперсные отходы мрамора 440
Вода 341
мовочной смеси для производства керамического кирпича объемного окрашивания нескольких цветов: терракотового или темно-коричневого; светло-красного или розоватого; палевого или соломенного [1, 8—11]. Было рассчитано количество кирпича указанных цветов со стандартными размерами 250x120x65 мм, которое можно произвести при полной утилизации тонкодисперсных отходов мрамора в отвалах комплекса ОАО «Коелгамрамор». Результаты представлены в табл. 1.
Анализ результатов технических испытаний показал, что на основе тонкодисперсных отходов мрамора возможно получение керамического кирпича, соответствующего ГОСТ, 4-го класса опасности по ФККО. Было установлено, что обжиг отформованного керамического сырца производят при температуре 850—900 оС. Доказано, что при этой температуре частицы мрамора не подвержены процессу декарбонизации. Следовательно, не происходит выделения углекислого газа, т. е. экология данной горнопромышленной территории не подвергается дополнительным вредным воздействиям. Более того, как уже отмечалось, уровень опасности отходов мрамора был выше (3-й класс) на одну ступень, чем у произведенного керамического кирпича (4-й класс) на основе этих отходов. Также снижаются затраты энергии на
производство кирпича по сравнению с традиционной технологией [8—11].
Таким образом, оценены накопленный объем тонкодисперсных отходов мрамора и экологический ущерб для горнопромышленной территории Коел-гинского месторождения. Разработана технология улучшения экологии региона за счет масштабной утилизации указанных отходов в производстве керамического кирпича. Установлено возможное количество изготовления кирпича различного цвета при полной утилизации накопленных отходов мрамора. С помощью экологической оценки по жизненному циклу готовых изделий на основе тонкодисперсных отходов мрамора обоснована возможность получения экологически безопасного эффективного кирпича и разработана технология его производства. Установлена зависимость цвета изделий от расходов тонкодисперсных отходов мрамора. Так, при количестве 20% тонкодисперсных отходов мрамора в смеси от массы глинистой породы керамический кирпич имеет темно-коричневый цвет, а при 40% приобретает соломенный цвет. Определены количественные зависимости влияния элементного состава компонентов кирпича и отходов мрамора на эстетическую выразительность цветовой гаммы изделий.
Отходы бурового шлама
Бованенковского НГКМ (полуостров Ямал)
Наличие у страны нефтяных и газовых месторождений и обладание технологиями их добычи являются стратегическим вопросом. Россия входит в первую десятку стран-лидеров по запасам и добыче нефти и в тройку — по запасам и добыче газа.
При бурении разведочных и эксплуатационных нефтяных и газовых скважин на поверхность земли поднимаются, а затем перемещаются в отвалы (амбары, ямы) миллионы тонн бурового шлама. Вокруг буровых площадок шлам занимает большие территории. Это наносит большой ущерб окружающей среде, нарушает равновесие всей экосистемы в целом. Такие процессы отрицательно влияют на гидро-, биосферу — водные ресурсы, почву, флору, тормозят устойчивое развитие перспективных регионов России. Классификационный анализ по ФККО относит шлам к 3-му классу опасности [14-16].
Таблица 2
Количество скважин и объем бурения в СССР и РФ
Год Проходка*, млн м3 Количество скважин, шт. / выбуренная порода, млн м3 Год Проходка*, млн >„3 м Количество скважин, шт. / выбуренная порода, млн м3
1970 « 9 3000-4500 / 0,45-0,621 2010 « 18 6000-9000 / 0,9-1,242
1980 « 20 6670-10000 / 1-1,38 2012 20,5 6833-10250 / 1,025-1,414
1990 « 43 14333-21500 / 2,15-2,967 2014 20,22 6740-10110 / 1,011-1,395
1991 « 41 13667-20500 / 2,05-2,84 2015 22,64 7546-11320 / 1,132-1,562
2000 « 6 2000-3000 / 0,3-0,414 2016 25,49 8497-12745 / 1,275-1,759
* Объемы проходки при бурении эксплуатационных и поисково-разведочных скважин взяты в том числе по диаграммам [17].
При инвентаризационном анализе были рассчитаны объемы и масса бурового шлама, выбуренного при строительстве скважин в СССР и РФ с 1970 по 2016 г. Объем выбуренных пород определялся при помощи общей длины проходки за отмеченный период, средней глубины скважины и диаметров долот. Средние глубины скважин были приняты 2 и 3 тыс. м. Именно такие глубины в среднем имеют в основном скважины в нашей стране. Результаты расчета приведены в табл. 2.
После выхода на поверхность земли буровой шлам имеет влажность 500—800 мас. %; рН = 10—12; среднюю плотность — 1051—1262 кг/м3; истинную плотность — 2,563—2,564 г/см3. В возрасте 1 года буровой шлам в естественном состоянии имеет среднюю плотность около 1450—1500 кг/м3.
По расчету, проведенному по данным табл. 2, был определен суммарный объем выбуренных пород при проходке эксплуатационных и поисково-разведочных скважин с 1970 по 2016 г. [1, 17]. В расчете была принята конструкция скважины, состоящая из спускаемых колонн кондуктора, промежуточной и эксплуатационной колонн. При бурении стволов скважины использовались долота следующих диаметров: 393,7; 295,3 и 215,9 или 244,5 мм для спуска указанных колонн соответственно. Определенный суммарный объем выбуренных пород для скважин глубиной 2 и 3 тыс. м составил 40 и 60 млн м3, или 60 и 90 млн т. Кроме того, следует отметить, что в СССР и РФ многие скважины имеют глубину по вертикали, превышающую 3 тыс. м. Поэтому накопленную за эти годы массу техногенных отходов в виде отсепарированно-го и лежалого бурового шлама можно оценить в количестве около 100 млн т. Соответственно для размещения такого объема отходов требуются громадные площади.
В настоящее время хранение, захоронение и утилизация бурового шлама в крупнейших нефтегазодобывающих регионах мира является большой экологической и технико-экономической проблемой. Самым экологически безопасным, ресурсосберегающим (в широком смысле этого понятия) и рациональным способом размещения техногенных отходов является их утилизация в производстве строительных материалов и изделий. Этот способ даст возможность освободить отчужденные под хранение бурового шлама (и других ТГО) территории и получить эколого-эконо-мический эффект от ликвидации отвалов и т. п.
Для хозяйственного освоения территорий нефтегазовых месторождений требуется осуществить мероприятия по удалению накопленного бурового шлама. После подъема на поверхность шлам проходит через два сита, центрифугируется и сепарируется. Существующие способы хранения и захоронения бурового шлама требуют больших финансовых и материальных затрат, площадей [1, 14—16]. Предлагаемая методика позволит проводить комплексную экологическую оценку бурового шлама при масштабной утилизации за счет использования в производстве
Таблица 3
Элементный и химический состав бурового шлама Бованенковского НГКМ
Элемент Содержание атомов, % Оксид Содержание оксидов, %
Na 0,9-1,82 Na20 1,12-1,18
Mg 0,98-2,05 Mg О 1,38-1,63
Al 4,65-9,98 AI2O3 15,45-17,69
Si 10,1-23,1 Si02 47,9-54,5
S 1,11-2,66 SO 2,17-2,36
Cl 0,38-0,89 CI2O 0,63-0,9
K 0,6-1,32 K2O 1,11-1,43
Ca 9,95-10,2 CaO 10,2-12,2
Ti 0,1-0,22 TiO2 0,21-0,27
Fe 0,9-2,04 Fe2O3 4,87-5,15
Ba 0,3-0,71 BaO 1,8-2,74
строительных изделий. Вовлечение бурового шлама в сырьевую базу для производства строительных изделий может значительно сократить или ликвидировать полигоны техногенных отходов.
Балльная экологическая оценка масштабной утилизации бурового шлама в производстве экологически безопасного керамического кирпича осуществлялась по минимальным, средним и максимальным негативным воздействиям (1, 2, 3 балла соответственно). Рассматривались воздействия на атмосферу, литосферу, биосферу и гидросферу. Инвентаризационный анализ определил, что общая сумма составила 29 баллов [14—16].
Был исследован буровой шлам Бованенковского НГКМ (нефтегазоконденсатного месторождения) на полуострове Ямал. Установлено, что этот буровой шлам можно применять для производства щелевого кирпича полусухого прессования. После экологической оценки разработаны технология получения и технические условия. Для этого определены усредненные физико-технические свойства бурового шлама: средний размер частиц шлама 26,2 мкм; усадка при сушке — 1,05; огневая усадка при ^ = 950—1050оС — 4,6—6,4%; нижняя граница текучести — 26,4—26,9%; граница раскатывания 14,3—14,7%; число пластичности 12,1—12,2%; удельная эффективная активность
Таблица 4 Технические свойства кирпича и кладки
Число щелей, шт. Средняя плотность кирпича, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа (марка) Морозостойкость, циклы Термическое сопротивление кладки, м2°С/Вт Увеличение термического сопротивления кладки, раз
0 1800 10,7 (М100) F75 0,72 -
4 1250 8,5 (М75) F 75 1,91 2,7
8 700 6,1 (М50) F 75 2,32 3,2
j'^J ®
апрель 2019
69
Образование, подъем бурового шлама вместе с буровым раствором
▼
Проход отходов бурения через сита, отбор крупных частиц, сепарация бурового шлама и отделение бурового раствора
▼
Обезвреживание, транспортировка бурового шлама в отвалы, амбары и др.
Негативные эффекты:
- оттаивание ММП при бурении и подъеме шлама наверх;
- отчуждение площадей для его хранения;
- вред ландшафту, почвам, растительности;
- отравление воды;
- изменение режимов сезонного оттаивания мерзлых пород, снега, подземных и поверхностных вод, рек и водоемов;
- при хранении толщ бурового шлама в отвалах происходит оттаивание льда в ММП, образуются термокарсты и др.
▼
Блок-схема жизненного цикла и негативных экологических воздействий размещения бурового шлама и производства керамического кирпича
естественных радионуклидов (по ГОСТ 30108—94) — 270—271 Бк/кг, а также его элементный и химический состав (табл. 3); проведен рентгенофазовый и микроструктурный анализ.
Буровые шламы могут содержать буровой раствор, который необходим в процессе бурения ствола скважины. Буровой раствор имеет в своем составе ядовитые вещества, что надо учитывать при экологической оценке.
Буровые шламы большинства месторождений мира имеют сложный состав, в который входят практически одинаковые минеральные компоненты. Его основную массу составляют частицы кварца и глинистые минералы в виде бентонита, каолинита, галлуа-зита, монтмориллонита; немного меньше карбонатов в виде кальцита, доломита, арагонита, магнезита; есть небольшое количество полевых шпатов, барита, гипса и ангидрита, слюд и гидрослюд.
Средний размер частиц бурового шлама составляет 20—30 мкм. Их доля 50—60% от массы шлама.
После подъема шлама на поверхность он поступает на первое сито. На нем отсеиваются куски шлама, которые можно отнести к очень крупному строительному песку. Содержание крупных частиц незначительно.
По минеральному и дисперсному составу буровой шлам можно использовать в строительных растворах и сухих смесях, производстве дорожных оснований, тротуарной плитки, кирпича и блоков [14—17]. Шлам имеет высокодисперсный состав, щелочной характер среды и высокую связность смеси. Ее обеспечивают глинистые минералы [14]. Смесь обезвреженного и высушенного бурового шлама и любого вида вяжущих веществ придаст полученной системе различные физико-механические свойства.
Были оптимизированы составы формовочной смеси для получения полнотелого керамического кирпича, а также кирпича с 2, 4, 6 и 8 продольными щелями. Свойства кирпича и кладки толщиной в два кирпича (0,51 м) представлены в табл. 4.
Известно, что 8-щелевой керамических кирпич имеет класс по средней плотности — 0,8; марку по прочности — М50 и входит в группу эффективных строительных изделий. Это позволяет существенно снизить расходы энергии на отопление зданий и негативные воздействия на окружающую среду от потерь тепла через стены. С увеличением количества щелей до 4 и 8 повышается термическое сопротивление кладки в 2,7 и 3,2 раза соответственно по сравнению с кладкой из полнотелого кирпича.
Керамический кирпич на основе бурового шлама соответствует ГОСТу. Были разработаны жизненный цикл и технология его производства. Они включают: добычу сырьевых компонентов, дозировку компонентов, подготовку формовочной смеси, полусухое прессование смеси, короткую сушку отформованного сырца, обжиг сырца, отправку на склад готовой продукции.
При традиционных технологиях главная негативная нагрузка на окружающую среду связана с большими энергозатратами при сушке и обжиге сырца, а также с выбросами в атмосферу угарного и углекислого газов. Температуру обжига сырца удалось уменьшить на 150-200оС.
Была разработана блок-схема жизненного цикла и негативных экологических эффектов размещения бурового шлама и производства кирпича на его основе (см. рисунок).
Блок-схема включает негативные эффекты от хранения бурового шлама, его жизненный цикл, жизненный цикл щелевого кирпича с использованием бурового шлама, технологию производства, влияние бурового шлама и технологии производства кирпича на окружающую среду. Это позволило разработать теоретические положения зависимостей негативных экологических эффектов размещения бурового шлама на его жизненный цикл. Определен жизненный
Список литературы
1. Орешкин Д.В. Экологические проблемы комплексного освоения недр при масштабной утилизации техногенных минеральных ресурсов и отходов в производстве строительных материалов // Строительные материалы. 2017. № 8. С. 55-63.
2. Теличенко В.И., Орешкин Д.В. Материало-ведческие аспекты геоэкологической и экологической безопасности в строительстве // Экология урбанизированных территорий. 2015. № 2. С. 31-33.
3. Мещеряков Ю.Г., Колев Н.А., Федоров С.В., Сучков В.П. Производство гранулированного фосфогипса для цементной промышленности и строительных изделий // Строительные материалы. 2009. № 5. С. 104-106.
4. Чантурия В.А., Чаплыгин Н.Н., Вигдергауз В.Е. Стратегия сокращения, вторичного использования и переработки отходов горнопромышленного производства в исследованиях Российской академии наук / Материалы международного со-
цикл щелевого кирпича на основе бурового шлама, технология производства на существующих заводах с традиционными технологическими переделами, полусухим прессованием смеси, обжигом, складированием готовой продукции.
Авторы [1, 14—17] подсчитали, что, например, на Бованенковском НГКМ в отвалах накоплено около 1,2 млн т бурового шлама. Крупные остатки на ситах можно использовать в составе фибробетонной смеси для балластировки подводных трубопроводов [14—17]. Отвалы бурового шлама занимают более 1000 га, наносят большой вред почвенному слою, водным ресурсам, ММП, ландшафту, растительному и животному миру, несущей способности грунтов, подвергаются выветриванию и эрозии, нарушают экологическое равновесие региона. Буровой шлам необходимо вывозить и утилизировать в производстве кирпича. Например, при выпуске 8-щелевого керамического кирпича шлама хватит на 15 млн шт. 1НФ.
Таким образом, определены экологические проблемы РФ, связанные с нарастанием объемов техногенных отходов в виде белого мрамора, бурового шлама при уменьшении доступных запасов минеральных ресурсов недр Земли для производства строительных материалов и изделий. Разработаны научные основы комплексной методики экологической оценки техногенных отходов и их масштабной утилизации в производстве строительных материалов и изделий. Обоснована возможность использования указанных техногенных отходов как сырьевых компонентов для производства строительных материалов и изделий при одновременном решении экологических проблем территорий за счет масштабной утилизации техногенных отходов. Это расширяет сырьевую базу и способствует комплексному и бережному освоению недр, их минеральных и техногенных ресурсов.
References
1. Oreshkin D.V. Ecological problems of integrated development of the subsoil with large-scale utilization of tech-nogenic mineral resources and wastes in the production ofbuilding materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 8, pp. 55-63. D0I:10.31659/0585-430X-2017-751-8-55-63 (In Russian).
2. Telichenko V.I., Oreshkin D.V. Materials science aspects of geo-ecological and environmental safety in construction. Ecology of urbanized territories. Ekologiya urban-izirovannykh territory. 2015. No. 2, pp. 31-33. (In Russian).
3. Meshcheryakov Yu.G., Kolev N.A., Fedorov S.V., Suchkov V.P. Production of granulated phosphogyp-sum for the cement industry and building products. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 5, pp. 104-106. (In Russian).
4. Chanturia V.A., Chaplygin N.N., Vigdergauz V.E. The strategy of reducing, recycling and recycling of mining waste in research of the Russian Academy of Sciences Proceedings of the international meeting "Modern problems of complex processing of natural
J'iyj ®
апрель 2019
71
вещания «Современные проблемы комплексной переработки природного и техногенного минерального сырья» (Плаксинские чтения-2005). СПб.: Роза мира, 2005. С. 230-235.
5. Трубецкой К.Н., Каплунов Д.Р. и др. Комплексное освоение месторождений и глубокая переработка минерального сырья. М.: Наука, 2010. 437 с.
6. Чаплыгин Н.Н. Основания экологической теории комплексного освоения недр. М.: ИПКОН РАН. 2006. 102 с.
7. Экологически ориентированная переработка горнопромышленных отходов / В.А. Чантурия и др.; под общей редакцией В.А. Чантурия, И.В. Шадруновой; Институт проблем комплексного освоения недр им. Н.В. Мельникова Российской академии наук. М.: Спутник+, 2018. 199 с.
8. Орешкин Д.В., Папичев В.И., Землянушнов Д.Ю., Попов П.В. Экологические проблемы территорий при добыче открытым способом и обработке мрамора, пути их решения // Горный журнал. 2018. Т. 40. № 1. С. 88-91.
9. Землянушнов Д.Ю., Соков В.Н., Орешкин Д.В., Сканави Н.А. Утилизация тонкодисперсных отходов обработки мрамора в производстве лицевой керамики // Вестник ИрГТУ. 2014. № 9 (92). С. 122-126.
10. Землянушнов Д.Ю., Соков В.Н., Орешкин Д.В. Использование тонкодисперсных отходов обработки мрамора в технологии облицовочной керамики // Научно-технический вестник Поволжья. 2014. № 4. С. 108-114.
11. Землянушнов Д.Ю., Соков В.Н., Орешкин Д.В. Эколого-экономические аспекты применения тонкодисперсных отходов мрамора в производстве облицовочных керамических материалов // Вестник МГСУ. 2014. № 8. С. 118-126.
12. Moumouni A., Goki N.G. Chaanda M.S. Geological Exploration of Marble Deposits in Toto Area, Nasarawa State, Nigeria // Natural Resources. 2016. No. 7, pp. 83-92. http://dx.doi.org/10.4236/nr.2016.72008
13. Рекус И.Г., Шорина О.С. Основы экологии и рационального природопользования. М.: Изд-во МГУП, 2012. 146 с.
14. Орешкин Д.В., Сахаров Г.П., Чеботаев А.Н., Курбатова А.С. Геоэкологические проблемы утилизации бурового шлама на Ямале // Вестник МГСУ. 2012. № 2. С. 125-129.
15. Oreshkin D.V., Chebotaev A.N., Perfilov V.A. Disposal of drilling sludge in the production of building materials // Procedía Engineering. 111 (2015 ). Р. 607-611.
16. Чеботаев А.Н. Возможность утилизации бурового шлама Бованенковского месторождения в производстве строительных материалов // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2015. № 9. С. 25-28.
17. Богоявленский В.И. Достижения и проблемы геологоразведки и ТЭК России // Бурение и нефть. 2013. № 3. С. 3-7.
and man-made mineral raw materials" (Plaksinsky readings-2005). Saint Petersburg: Roza Mira. 2005, pp. 230-235.
5. Trubetskoy K.N., Kaplunov D.R. and others. Kompleksnoe osvoenie mestorozhdenii i glubokaya pererabotka mineral'nogo syr'ya [Integrated development of deposits and deep processing of mineral raw materials]. Moscow: Nauka. 2010. 437 p.
6. Chaplygin N.N. Osnovaniya ekologicheskoi teorii kompleksnogo osvoeniya nedr [The basis of the ecological theory of integrated development of mineral resources]. Moscow: IPKON RAN. 2006. 102 p.
7. Ekologicheski orientirovannaya pererabotka gorno-promyshlennykh otkhodov [Environmentally oriented processing of mining waste] / Chanturia V.A. end as., Ed. V.A. Chanturia and I.V. Shadrunova, Moscow: Sputnik+. 2018, 210 p.
8. Oreshkin D.V., Papichev V.I., Zemlyanushnov D.Yu., Popov P.V. Ecological problems of the territories in the mining process and the processing of marble, their solutions. Gornyy Zhurnal. 2018. V. 40. No. 1, pp. 88-91. DOI: 10.17580/gzh.2018.01.16. (In Russian).
9. Zemlyanushnov D.Yu., Sokov V.N., Oreshkin DV, Skanavi N.A Utilization of fine wastes of marble processing in the production of facial ceramics. Herald of ISTU. Vestnik IRGTU. 2014. No. 9 (92), pp. 122-126. (In Russian).
10. Zemlyanushnov D.Yu., Sokov V.N., Oreshkin D.V. The use of fine wastes of marble processing in the technology of facing ceramics. Scientific and Technical Bulletin of the Volga region. Nauchno-tehnicheskii vestnik Povolgiya. 2014. No. 4, pp. 108-114. (In Russian).
11. Zemlyanushnov D.Yu., Sokov V.N., Oreshkin D.V. Ecological and economic aspects of the use of fine marble waste in the production of ceramic facing materials. Vestnik MGSU. 2014. No. 8, pp. 118-126. DOI: 10.22227/1997-0935.2014.8. (In Russian)
12. Moumouni A., Goki N.G. Chaanda M.S. Geological Exploration of Marble Deposits in Toto Area, Nasarawa State, Nigeria. Natural Resources. 2016. No. 7, pp. 83-92. http://dx.doi.org/10.4236/nr.2016.72008
13. Rekus I.G., Shorina O.S. Fundamentals of ecology and environmental management. Moscow: Publishing House of MGUP. 2012. 146 p.
14. Oreshkin D.V., Sakharov G.P., Chebotaev A.N., Kurbatova A.S. Geoecological problems of disposal of drill cuttings in Yamal. Vestnik MGSU. 2012. No. 2, pp. 125-129. DOI: 10.22227/1997-0935.2012.2. (In Russian).
15. Oreshkin D.V., Chebotarev A.N., Perfilov V.A. Disposal of drilling sludge in the production of building materials. Procedia Engineering. 2015. Vol. 111, pp. 607-611.
16. Chebotaev A.N. The possibility of disposal of drill cuttings from the Bovanenkovskoye field in the production of building materials. Construction of oil and gas wells on land and at sea. Stroitel'stvo neftyanykh i gazovykh skvazhin na sushe i na more. 2015. No. 9, pp. 25-28. (In Russian).
17. Epiphany V.I. Achievements and problems of exploration and fuel and energy complex of Russia. Drilling and oil. Bureniye i neft' .2013. No. 3, pp. 3-7. (In Russian).
