Актуальные аспекты геологического обеспечения освоения техногенных месторождении

В.А. Ермолов

Московский государственный горный университет

A.Н. Быховец, Ковдорский ГОК

B.К. Гончарук, Вяземский ГОК

АКТУАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОСВОЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ

Горнодобывающие предприятия, спроектированные и созданные исходя из стандартов и требований прошлых лет, продолжают и в настоящее время работать в многоотходном режиме. В результате накоплено более 18 млрд т отходов горнометаллургического производства, в том числе 14 млрд т хвостов обогащения. В производство же ежегодно вовлекается лишь 14% годового образования отходов горного производства, 10% отходов обогащения и 10% отходов металлургического производства [3,6].

При добыче и обогащении минерального сырья величина потерь достигает 25-30% и обусловлена как химическим, минеральным составом и структурнотекстурными особенностями руд и вмещающих пород, так и несовершенством применяемых технологий добычи, рудопод-гоговки и переработки сырья. Кроме того, значительная часть попутных компонентов в рудах содержится в виде изоморфных примесей и часто ввиду некомплексности использования сырья переходит в те или иные продукты и отходы обогащения.

Специфика горнопромышленных отходов предприятий, цели и задачи их оценки. В количественном отношении это наиболее многотоннажные виды отходов. Накапливаясь в течение периода эксплуатации горно-обогатительного предприятия, они имеют непостоянный состав и пространственное распределение, претерпевают значительные качественные изменения. В связи с

этим для ресурсной оценки отходов необходимо проведение разведки и опробования, а также разработки методов моделирования пространственно-качественной

структуры хвостохранилища как объекта промышленного использования.

Вовлечение горнопромышленных отходов в переработку должно базироваться на определении возможных направлений и объемов использования: установлении ресурсных характеристик объекта (текущий и перспективный выход, запасы, емкость хво-стохранилищ, затраты на складирование и т.д.); определении качественных и физикомеханических параметров вторичного сырья, а также закономерностей их пространственной локализации; установлении и обосновании нормативных показателей для геоэкологической оценки сырья и экологической безопасности района хвостохранилища [1,2].

При этом следует учитывать особенности горнопромышленных отходов по сравнению с природным (первичным) минеральным сырьем. Если первичные минеральные ресурсы во всех случаях оцениваются запасами в недрах, то отходы одного и того же вида могут характеризоваться накопленными запасами (в хвостохранилищах и отвалах), текущим и ожидаемым выходам -годовым и суммарным. Последний определяется масштабами и темпами развития горно-обогатительного производства. Так, для полезных ископаемых, находящихся в составе вскрышных пород, ожидаемый вы-

ход представляет те запасы, которые находятся в контурах карьерного (рудничного) поля. Для отходов рудоподготовки и обогащения - это суммарный объем за срок отработки запасов основного полезного ископаемого на данном месторождении. Для целей утилизации учет форм нахождения горнопромышленных отходов крайне необходим, поскольку с этим связано существенное различие качественных показателей сырья.

При оценке горнопромышленных отходов необходимо учитывать специфику использования различных видов отходов. Здесь возможны следующие варианты, обусловливающие особенности оценок эффективности использования отходов: прямая замена первичного (традиционного) сырья отходами, связанная с идентичностью некоторых основных их свойств; частичная замена исходного сырья при условии дополнительной технологической переработки отходов с доизвлечением полезных компонентов; возвратное использование отходов в рамках данного целевого производства.

Именно эти особенности обусловливаю!' специфику, сущность и состав задачи геологического обеспечения разведки и освоения техногенных месторождений, основными из которых являются [2,5];

• диагностика направления использования и паспортизация сырья техногенных образований;

• моделирование пространственнокачественной структуры лежалых хвостов техногенных массивов;

• статистический анализ, контроль и прогнозирование качества хвостов текущей переработки руд;

• прогнозирование качества сырья и лежалых хвостов;

• геолого-технологическое и геоло-го-экологическое районирование техногенных образований;

• геолого-промышленная оценка техногенных образований;

• учет состояния и движения запасов сырья техногенных образований при их формировании и разработке.

Такой подход к изучению и оценке вторичного минерального сырья дает возможность определить приоритетность использования различных видов горнопромышленных отходов, а также прогнозировать изменение показателей эффективности малоотходных технологий с учетом экологических требований к охране окружающей среды.

В настоящее время на кафедре геологии Московского государственного горного университета выполнены исследования на Вяземском, Ковдорском, Соколовско-Сар-байском и других техногенных объектах. Ниже приведены результаты исследований, позволившие сформулировать научнометодические основы моделирования и оценки техногенных месторождений.

Геолого-технологическая диагностика техногенных образований связана с анализом состава и обоснованием номенклатуры показателей качества их сырья. По отношению к различным свойствам отходов исходя из цели оценки качества, условий переработки отходов и их дальнейшего использования, выделены следующие группы показателей; назначения, технологичности, сохраняемости, экологичности, точности, надежности и стабильности.

Под показателями назначения понимается химический и минеральный состав техногенного образования, обусловливающий направление дальнейшего использования отходов рудообогащения. Показатели технологичности характеризуют эффективность переработки отходов. К ним относятся: обогатимость минералов; содержание вредных примесей окисленных фаз; гранулометрический состав хвостов; плотность различных фракций, структурно-текстурные особенности хвостов; физико-механические свойства отходов обогащения и др.

К показателям экологичности относятся химические элементы или их соединения (содержание которых в отходах обогащения превышает нормы ПДК), представляющие экологическую опасность для района хвостохранилища.

К показателям сохраняемости принадлежат такие, как окисляемость отходов, способность их к слеживанию, слипаемость, степень сохранности зерен минералов и др. Показатели точности, надежности и стабильности характеризуют с заданной вероятностью погрешность, достоверность и изменчивость в пространстве значений перечисленных выше вещественных показателей. Следует отметить, что без установления этих показателей оценка показателей назначения, технологичности и сохраняемости теряет определенность.

На основании предложенной номенклатуры показателей оценки качества сырья Ковдорского техногенного образования обосновано, что лежалые хвосты магнитной сепарации могут быть использованы для производства высококачественного апатитового концентрата; извлечения Р2О5 и 1У^О и получения фосфорно-магниевых удобрений; производства бадделитового концентрата. При этом отмечена невозможность использования лежалых хвостов для производства строительных материалов, ввиду высокой концентрации в хвостах радиоактивных элементов.

Моделирование техногенных образований на основе показателей назначения, технологичности и сохраняемости состоит в установлении закономерностей пространственного размещения показателей, оценки их изменчивости, а также в выделении и районировании геолого-технологических зон, различающихся технологической направленностью. Рассмотрим эти вопросы на примере хвостохранилища Вяземского ГОКа.

Вяземский ГОК разрабатывает песчано-гравийное месторождение. Месторож-

дение представлено песками и включениями гравия и валунов межморенных отложений. Подстилающими породами являются нижнеморенные отложения из бурокрасной глины с гравием или мелкозернистыми песками. В состав вскрышных пород входят: почвенный слой мощностью 0,2 м, лессовидные суглинки мощностью в среднем 3,0 м, местами озерно-бологистые отложения -глины и пески мощностью 1,5 м с примесью гравия и валунов. Общая мощность вскрышных пород колеблется от 3,0 до 13,5 м.

Основная продукция Вяземского ГОКа - щебень, отходами обогащения являются пески. Минералогический анализ отходов обогащения показал в них наличие золота. Содержание гравитационно-извлекаемого золота в пробах колеблется в пределах от 10 до 150 мг.т, составляя 5070% от общего его содержания в хвостах. Существенная доля золота находится в связанной форме.

Анализ статистических характеристик показывает, что содержания общего золота и золота гравитационного имеют ло-гарифмически-нормальные законы распределения при коэффициенте вариации 90110%. Результаты тренд-анализа содержания общего и гравитационного золота показали, что для его размещения характерен тренд второго порядка. При этом тренд 2-го порядка для золота общего объясняет 43,0% дисперсии, а гравитационного 44,1% дисперсии. Поверхность тренда для гравитационного золота представлена на рис.1.

Следует отметить, что наличие закономерной составляющей в распределении содержаний золота указывает на анизотропное строение техногенного массива. Аналогичное строение массива характерно и для Ковдорского техногенного месторождения. Так, например, для содержаний Р2О5 и 2гОг установлен значимый полиноми-нальный тренд 2-го порядка, объясняющий соответственно 21,5 и 15,3% общей диспер-

При этом наибольшая изменчивость проявляется в направлении намыва хвостов.

Аналогичные зависимости получены и для других техногенных образований. Так, например, для Соколовско-Сарбайского хвостохранилища установлены зависимости линейного типа (летний намыв) и экспоненциального типа (зимний намыв), показывающие, что с удалением от дамбы намыва размещены хвосты мелких классов крупности, а в зоне, примыкающей к дамбе намыва на расстоянии 60-80 м крупных классов крупности. Показатели, характеризующие качество хвостов, также размещается закономерно, что подтверждается значимостью тренда 2-го порядка, объясняющего 60-66% дисперсии. При этом высокие концентрации ¥е0йщ и ¥есуЛЬф приходятся на крупные классы крупности, а БЮг и СаО - на мелкие фракции.

Таким образом, результаты исследований позволяют считать, что пространственно-качественная структура техногенных образований описывается аддитивными моделями изменчивости качественных и структурных показателей. Зональность обусловлена пространственно-временными ситуациями отработки природных месторождений, а также особенностями формирования техногенных массивов. Случайные отклонения сопряжены как с геологическими, так и техногенными факторами.

Прогнозирование качества сырья лежалых хвостов и текущей добычи руд в общем случае сводится к оценке среднего значения случайной функции в некотором объеме [5,7]:

С = ±-\\\С(Х,У,2)с1У

V

При отсутствии тренда или после его исключения методами корреляционной теории находится оптимальная оценка показателя качества (С) из выражения:

методы прогнозирования, базирующиеся на стохастическом моделировании временных последовательностей показателей качества, данные методы являются наиболее эффективными с точки зрения погрешности получаемых оценок, учитывают динамику состояния хвостов, и что наиболее важно, пригодны для анализа нестационарных случайных процессов. При использовании методов прогнозирования на основе временных рядов стохастическая модель строи гея либо по исходным данным (С,), либо ряд

нестационарный, по С^ преобразо-

ванным данным, где - оператор взятия разностей с/-го порядка:

^ ФУ (^С,_Х +..л<р^ + е,

у =

где {(о.) - параметры авторегрессии; (0^) -

параметры скользящего среднего; е, -“белый шум” с постоянной дисперсией; р -порядок авторегрессии и - порядок скользящего среднего.

При этом следует отметить, что прогнозирование показателей качества в хвостах текущей добычи должно быть основано на основе следующих методов:

• статистической экстраполяции для экспоненциальной и степенной моделей изменчивости;

• обособленных динамических рядов общего вида авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего;

• взаимосвязанных динамических рядов, аппроксимирующих изменчивость показателей по стадиям процесса обогащения;

• комбинированных моделей прогнозирования, основанных на анализе моделей регрессии и временных рядов.

Геолого-технологическое районирование техногенных образований связано, с одной стороны, с нахождением оптималь-

пой системы классификационных признаков, обусловливающих технологическую направленность выделяемых зон, с другой стороны - с моделированием поверхностей, ограничивающих технологические зоны.

Нахождение оптимальной системы классификационных признаков целесообразно осуществлять с помощью метода главных компонент с учетом нагрузки на собственные векторы (главные компоненты). Так, для условий лежалых хвостов Ковдорского техногенного месторождения два собственных вектора представляют 94% дисперсии множества данных (Р2О5, СО2, 2г02, Реобш, N^0, СаО, Р^фракция)) +3,0-0,14 мм, П1+0,074 мм). Первый вектор, характеризует 58,1% общей дисперсии и дает наибольшие вклады в переменные РК+3,0-0,14 мм и РЯ-0,074 мм, а второй, обусловливающий 36,2% дисперсии - в переменные содержаний Р2О5, 7г02 и СО2, т.е. первая главная компонента характеризует гранулометрический состав техногенных образований, а вторая - его качественное состояние. Собственно районирование по комплексу значимых признаков производится на основании методов распознавания образов.

Геолого-технологическая диагностика отходов обогащения в зонах связана с анализом показателей, обусловливающих технологические свойства отходов.

Так, для лежалых хвостов магнитной сепарации Ковдорского ГОКа на основании технологических исследований и прогноза обогатимости шихты в зависимости от гранулометрического состава хвостов установлено [2]:

• оптимальное извлечение Zr02 в бадделеитовый концентрат достигается при содержании фракции -0,074 мм в шихте не более 35%, в противном случае - потери при обогащении превышают 50% за счет переизмельчения зерен циркона;

• заданный уровень содержания

Р2О5, в концентрате - 37%

(апатитовый концентрат) обеспечивается при содержании фракции - 0,074 мм в шихте не более 3035%;

• содержание Р2О5, в концентрате 25-36% обеспечивающее получение фосфорно-магнезитального продукта для производства фосфорно-магниевых удобрений, достигается при содержании фракции -0,074 мм не более 55-60%.

Выделение геолого-экологических зон техногенных образований базируется на эколого-технологической диагностике качества сырья отходов рудообогащения и его последующего геоэкологического нормирования на основе комплексных параметров -геоиндикаторов, т.е. взаимосвязанных природных и технологических свойств, характеризующих качество отходов и определяющих степень его относительной опасности, которая проявляется при переработке отходов по конкретной технологии путем негативного воздействия на окружающую среду. Вопросы геоиндикационного моделирования месторождений подробно рассмотрены в работах [4,5].

Выбор математических методов моделирования поверхностей (линий), ограничивающих геолого-технологические или геоэкологические зоны, определяется априорным характером зависимости между координатами характерных точек поверхности (линий), получаемых в результате маркшейдерских съемок, или в результате выделения однородных геологических зон по данным опробования. Задача моделирования сводится к построению интерполяционной поверхности с ограничениями на гладкость [7]. При постановке задачи наиболее хорошие результаты получаются при использовании интерполяционных сплайн-функций. Интерполяция с помощью сплай-

нон также отвечает целям компьютерного графического моделирования.

Специфика геолого-промышленной оценки техногенных месторождений состоит в обосновании вариантов и направлений использования отходов в соответствии с составом показателей назначения, технологичности, экологичности и сохраняемости сырья, а также закономерностями пространственной локализации фракционноминеральных агрегатов техногенного образования. Поэтому в настоящее время необходима разработка экономически обоснованных кондиций стандартов и технических условий на сырье горнопромышленных отходов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

I. Бедрина Г.ГІ., Гончарук В.К., Месхи Н.Ж. Информационное обеспечение геолого-

экологической оценки хвостохранилищ горнообогатительных предприятий //Горный информаци-

© В

онно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ - 1995, -Вып.5.

2. Быховец А.Н., Ермолов В.А. Геологотехнологическая оценка техногенных месторождений в системе рационального природопользования //Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов. - М.: МГГУ, 1995.

3. Гальперин А.М., В. Ферстер, X. -Ю.Шеф Техногенные массивы и охрана окружающей среды. - М.: Изд-во МГГУ, 1997.

4. Ермолов В.А. Геонндикационное моделирование пространственно-качественной структуры месторождений полезных ископаемых // Изв.ВУЗов. Геология и разведка - 1997. - № 5.

5. Ермолов В.А. Основы моделирования техногенных образований // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ. - 1996. -Вып. 1.

6. Ермолов В.А., Мосейкин В.В. Научнометодические аспекты оценки и моделирования техногенных месторождений // Изв.ВУЗов. Геология и разведка - 1997. - № 1.

7. Ершов В.В. Геолого-маркшейдерское обеспечение управления качеством руд. - М.: Недра, 1986.

Д. Ермолов, А.Н. Быховец, В.К. Гончарук