Основные принципы и способы формирования техногенных месторождений, представленных отвальными породами, на примере рудников Мурманской области

© С.П. Решетняк, А.В. Архипов, 2010

УДК 622.271.45

С.П. Решетняк, А.В. Архипов

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, ПРЕДСТАВЛЕННЫХ ОТВАЛЬНЫМИ ПОРОДАМИ,

НА ПРИМЕРЕ РУДНИКОВ МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ

Рассмотрен экономичный, экологичный, ресурсосберегающий способ размещения по периметру верхнего контура карьера на возможно близком расстоянии от него техногенного сырья.

Ключевые слова: минеральные отходы, отвалообразование, хвостохранилище, рекультивация земель.

Семинар № 17

~П настоящее время в Мурман-

-Щ-М ской области накоплено на поверхности свыше 6 млрд т крупнокусковых минеральных отходов.

Это — техногенное сырьё, представленное отвальными и проходческими породами, забалансовыми и попутными рудами, металлургическими гранулированными шлаками, которое размещается в отвалах и складах горной массы, формируемых по определённым правилам.

Принципы проектирования таких отвалов исторически менялись в зависимости от используемой техники, функций и требований, которым должен отвечать отвал, как ёмкостное сооружение. Проектировщики решают главным образом вопросы вместимости и размещения, устойчивости и безопасности ведения отвальных работ, а с конца двадцатого века стали руководствоваться требованиями по охране окружающей среды, и, в частности, требованиями по рекультивации нарушенных земель. Но всегда вскрышная порода считалась «пустой» и её использование в основном для целей дорожного строительства и как наполнителя бетонов было очень ог-

раничено и решалось за счёт текущих объёмов вынимаемой вскрыши. Использование лежалых вскрышных пород для переработки с целью извлечения полезных компонентов было и остаётся эпизодическим.

С конца восьмидесятых годов прошлого столетия под влиянием развития промышленной экологии и законодательных актов об охране окружающей среды был проведён учёт лежалых отходов горно-добы-вающих и горнообогатительных производств. Тогда же было предложено считать эти отходы потенциальным вторичным сырьём техногенного происхождения. Так появились термины техногенное сырьё (ТС) и техногенное месторождение (ТМ). Однако существенного влияния на технологию и процессы отвалообра-зования это обстоятельство не оказало и до сих пор не оказывает. Пока проблема сводится к поиску возможностей использования текущего и лежалого техногенного сырья, представленного преимущественно хвостами обогатительного производства. Такое внимание к хвостам обогащения объясняется

двумя обстоятельствами. Во-первых, снижением содержания в руде полезных компонентов до уровня, когда хвосты с близким содержанием этих компонентов стало выгодно перерабатывать. Во-вторых, складирование хвостов, в отличие от складирования пород вскрыши, производится более благоприятно для последующей выемки. Однако целенаправленное формирование отвалов хвостов обогащения и тем более отвалов вскрышных пород, как техногенных месторождений, до сих пор не производится. В то же время накопленный опыт отработки лежалых хвостов обогащения и складов забалансовых руд на предприятиях Мурманской области показал ряд существенных трудностей по технологии разработки, связанных со вторичным использованием ТС. Вот почему уже в настоящее время требуется безотлагательное решение вопросов формирования ТМ любого генезиса, разработка нормативной и законодательной базы по проблемам ТМ и внедрение этого комплекса в проектирование и производство.

Проблема должна решаться на базе системного подхода с учётом дальней перспективы. Одна из основных целей должна состоять в возможности использовании ТС. От вида использования будет зависеть процесс формирования ТМ.

Можно выделить укрупнённо три типа использования ТС:

1) извлечение полезных компонентов путём переработки ТС;

2) использование в качестве строительного материала с дополнительной переработкой ТС;

3) использование в качестве строительного материала без переработки.

По первому типу предполагается образование отходов переработки, аналогичных переработке твёрдых полезных ископаемых. Чаще всего это будут хво-

сты обогащения, для размещения которых необходимо предусмотреть место либо на эксплуатируемом отвале, либо в виде отдельного хвостохранилища. Переработка возможно потребует ввести в технологию отвалообразования усреднение ТС при его укладке.

По второму типу дополнительная переработка может состоять из дробления материала и измельчения. При этом будут образовываться отсевы, которые необходимо разместить в отрабатываемом отвале. В этом случае, возможно, предусмотреть первичное дробление вскрышных пород, что позволит шире внедрить циклично-поточную технологию при формировании отвалов вскрышных пород.

По третьему типу отвал формируется в виде сооружения большой вместимости и по форме, необходимой для данного сооружения. Это различного рода дамбы, плотины, дорожные насыпи и т.д. Например, можно построить спортивный комплекс, где отвал будет сформирован в виде основания для лыжного трамплина, горы фристайла, полигона для тренировки горнолыжников, сноубордистов. Можно создавать горизонтальные и наклонные площадки для различных целей.

На стадии проектирования карьера достаточно сложно решить вопрос об использовании пород вскрыши через несколько десятков лет. Эта задача сходна с задачей о конечных контурах карьера, которую проектировщики решают с помощью технических и экономических критериев, не имея надёжных приёмов расчёта потребностей в полезном ископаемом и расчёта возможного уровня цен и себестоимости добычи. Но если вопрос об использовании ТС достаточно сложен и требует разработки методических подходов, то вопросы сохранения

сырья, разработки и переработки решается уже на современном уровне знаний.

Укрупнёно задачи, которые необходимо решать проектировщикам по размещению пород вскрыши (как будущего ТС) и формированию отвалов (как объектов ТМ), должны выглядеть следующим образом:

1. Необходимость и возможность использования пород вскрыши как ТС.

2. Необходимость и возможность (технологическая) переработки ТС.

3. Сохранность сырья и его качественных характеристик.

4. Размещение отвалов и их количество.

5. Вместимость, параметры и форма отвалов.

6. Техническая возможность и технология формирования отвалов.

7. Возможность и технология выемки ТС.

8. Безопасность работы людей и техники при формировании отвалов.

9. Экологическая безопасность.

10. Размещение отходов переработки

ТС.

11. Техническая и биологическая рекультивация образующихся техногенных объектов.

Все перечисленные задачи тесно взаимосвязаны и решаются системно. Кроме этого обязательно учитываются специфические условия залегания и разработки месторождения: геологические, топографические, гляциоклиматические, экологические, возможности ресурсосбережения. Каждая из перечисленных задач имеет свои методические и технологические особенности при их решении.

Использование ТС

О степени влиянии возможности использования пород вскрыши, как ТС, на порядок формирования ТМ уже говорилось выше. К этому следует добавить, что,

если породы вскрыши не находят применения с извлечением полезных компонентов или как строительный материал, то следует более тщательно оценивать возможности использования его в различного рода сооружениях и в рекультивационных целях.

Естественно такие объекты уже не будут являться ТМ, но задача снижения отрицательного влияния горного производства на окружающую среду, то есть экологическая безопасность, будет решена.

Возможность переработки ТС

Возможность переработки ТС — одна из основных задач в процессе формирования ТС. Эта задача тесно связана с вышеперечисленными основными задачами, от возможностей переработки зависят перспективы и сроки эксплуатации ТМ. Уже на поисковой стадии следует иметь сведения о технологии переработки хотя бы в масштабе лабораторных испытаний, дающих принципиальную оценку возможности переработки.

Возможность переработки ТС потребует решения следующих тесно связанных между собой задач:

а) сохранности сырья, его качественных характеристик;

б) усреднения сырья при формировании ТМ;

в) возможности извлечения ТС (то есть технологии добычи);

г) размещения ТМ по возможности ближе к перерабатывающему комплексу;

д) решения задач технологии переработки;

е) поиска места размещения ТС и обеспечение стабильности условий его транспортирования;

ё) поиска возможностей размещения вторичных отходов переработки, особенно, если они предположительно мо-

гут быть размещены на площади рассматриваемого ТМ;

ж) возможности способов транспортирования ТС в ТМ.

з) выбор способов технической рекультивации или временный отказ от неё для сохранения качественных характеристик и возможностей добычи ТС.

Сохранность техногенного сырья и его качественных характеристик

Эта задача тесно связана с возможностями и технологией переработки. Прежде всего, чтобы обеспечить качественные характеристики ТС и стабильность процессов переработки, необходимо предусмотреть раздельное хранение сырья по типам пород. По возможности необходимо всегда стремиться к формированию отвалов из однородных горных пород. Помимо стабилизации качественных характеристик, возрастает устойчивость отвалов. Процесс раздельного хранения можно рассматривать и как первичную стадию обогащения.

Раздельное хранение, возможно, осуществить в разных отвалах, на разных ярусах отвалов, но при этом необходимо предвидеть очерёдность освоения ТС. На карьерах Мурманской области нашёл практическое применение способ раздельного хранения забалансовых и попутных руд, которые размещаются на заполненных породных отвалах.

Некоторые типы пород меняют свои качества под воздействием внешних факторов, чаще всего под воздействием атмосферных осадков, подотвальных водотоков, воздуха и т. д. В этих случаях отвалы необходимо размещать не над руслами водотоков, а ливневые потоки по возможности направлять по обводным каналам. Формирование ТМ и отвалов позволяет управлять качественными характеристиками складируемой горной массы. Для этой цели можно ис-

пользовать технологии формирования усреднительных складов.

Для снижения потерь ТС подотваль-ная поверхность должна быть предварительно очищена от почв, торфов, растительности, если необходимо, то создаётся водонепроницаемое либо дренируемое основание. Категорически следует запретить сбрасывание в отвал посторонних отходов: автомобильных по-

крышек, металлолома, катушек от кабельной продукции и т. д.

Одним из важнейших методов управления качеством ТС следует считать постоянный контроль, опробование и учёт качественных характеристик при отсыпке.

Размещение отвалов и их количество

Многие задачи, связанные с формированием и управлением ТМ могут быть разрешены за счёт грамотного размещения отвалов.

Оптимальное размещение должно обеспечивать:

а) достаточную вместимость;

б) устойчивость отвала и безопасность его формирования;

в) минимальную транспортную работу;

г) минимум транспортных коммуникаций;

д) минимальные энергетические затраты;

е) наибольшее ресурсосбережение;

ё) простоту технологии формирования;

ж) наибольшее сохранение качественных характеристик ТС;

з) снижение подотвальных земельных площадей и земельного отвода за счёт сокращения санитарно-защитных зон и использования земель не сельскохозяйственного назначения;

и) минимальное загрязнение окружающей среды;

й) обеспечить условия для технологичности выемки ТС;

к) минимальные затраты на рекультивацию.

Вместимость, параметры и форма отвалов

Все эти качества отвалов взаимосвязаны, и, кроме того, они в значительной степени зависят от устойчивости отвалов, от экологических требований, а теперь — и от возможностей использования горной массы отвала в качестве ТС.

В настоящее время наблюдается тенденция увеличения отвалов в высоту, за счёт этого решаются вопросы охраны окружающей среды, устойчивости и в какой то мере — минимизации транспортной работы. Но совершенно не обеспечивается раздельность складирования ТС и возможность разработки отвала как ТМ, и к тому же затруднены работы по технической рекультивации высоких отвалов. На наш взгляд, целесообразнее снижать высоту отвалов, за счёт рассредоточения их по периметру карьера.

Для обеспечения достаточной вместимости, раздельного размещения ТС, устойчивости насыпей, снижения техногенной нагрузки на природу и обеспечения технологичности разработки отвалы целесообразно делать ярусными. Из-за затруднений с обеспечением достаточной вместимости отвалы можно строить с повышенной высотой яруса, но не превышающей предельных параметров по критериям устойчивости. Ярусная конструкция даёт возможность складировать породы раздельно, но при этом несколько усложнится технология и последовательность формирования ярусов. Для обеспечения раздельного хранения ТС и его отработки целесообразнее формировать последовательно по периметру ярусные отвалы, содержащие породы одного типа. Форма ярусов пред-

почтительна в сечении в виде трапеции, если отсыпка идёт на равнинной местности. В нагорных условиях основание отвала чаще всего бывает наклонным, а отвал — треугольным в сечении.

Техническая возможность и технология формирования отвалов

Существующая техника вполне обеспечивает формирование ТМ любой формы, высоты, параметров.

Железнодорожный транспорт обеспечивает площадные отвалы с большими расстояниями перевозки, автомобильный транспорт обеспечивает компактные сложной формы и нагорные отвалы с малыми расстояниями перевозки. Поточный транспорт обеспечивает внутренние отвалы или отдельные внешние площадные отвалы.

Для сохранения ТС, его раздельного размещения и обеспечения последующей отработки наиболее предпочтителен автомобильный транспорт. Использование для этих целей других видов транспорта потребует разработки своих технологий, которые в настоящее время даже и не разрабатываются, так как до сих пор нет отношения к отвальной массе как к ТС.

Возможность и технология выемки

ТС

Техническая и технологическая возможность выемки ТС может быть обеспечена и при существующей технике. При этом практически нельзя добиться селективной выемки на существующих отвалах, т. к. формирование отвалов выполнялось без разделения пород по типам, сортам, грансоставу, химсоставу и т. п.

Раздробленная горная масса в отвале подвержена процессам слёживаемости, особенно на высоких отвалах. Такая горная масса чаще всего потребует дополнительного рыхления. Как показал опыт разработки старых отвалов на карьерах АО «Апатит», для рыхления

требуется применение буровзрывных работ. Использование специальных рыхлителей оказалось малопроизводительным при больших объёмах выемки «вторичной» вскрыши.

В условиях Севера проблема рыхления осложняется наличием в теле отвалов спрессованного снега и льда. В случае крупномасштабной разработки отвалов, необходимы новые технологии рыхления горной массы. Возможно, это будут те же буровые и взрывные работы, но приспособленные для рыхления слежавшейся рыхлой скальной массы. Моренные, почвенные и песчаные отвалы могут отрабатываться и современной техникой. В настоящее время уже существует технология выемки отвальной массы, однако в будущем технологические схемы должны быть изменены из-за отсутствия вскрышных работ.

Исходя из опыта предпроектной проработки эксплуатации месторождения лежалых хвостов ОАО «Ковдорский ГОК», авторами предложено производить выемку ТС горизонтальными слоями без ускоренной углубки дна карьера. При этом обеспечивается достаточный фронт выемки, высокая производительность производства и упрощается работа на всех процессах. Такая технология потребует формирования ТМ горизонтальными слоями, чтобы обеспечить равномерное качество складируемого сырья.

Безопасность работы людей и техники при формировании отвалов

Это наиболее изученный вопрос, который на протяжении развития отвало-образования с использованием техники был одним из основных.

Процесс отвалообразования будет стабильным и равномерным при любой применяемой на отвале технике, если отвал будет устойчивым по геомехани-ческим параметрам.

На эту тему имеется достаточно много литературы инструктивного и нормативного материала. Вопрос обеспечения устойчивости отвалов более сложен для нагорных отвалов, особенно в сложных гляциоклиматических условиях Севера.

Горный институт КНЦ РАН на протяжении многих лет занимался этой проблемой для карьеров Мурманской области, имеются внедрённые инструкции по управлению нагорными отвалами для карьеров АО «Апатит».

Экологическая безопасность

Самое большое влияние на природу отвалы оказывают тем, что они занимают огромные земельные площади, которые нередко под действием нагрузок от массы отвала подвергаются определённым деформациям. Кроме того, отвалы меняют топографию местности и нередко занимают площади лесов, сельскохозяйственных угодий, водные площади естественных водоёмов. Однако в некоторых случаях отвалы могут выполнять и восстановительную функцию — если отвалы размещаются в неудобьях, оврагах, ущельях и других непригодных для лесопосадок и сельского хозяйства местах. Новый техногенный рельеф в данном случае становится лучше ранее существовавшего для сельскохозяйственного производства.

Радикальным средством снижения занимаемых отвалами площадей, конечно, является размещение отвальной массы в выработанном пространстве карьеров. Если считать, что отвальная масса — это техногенное сырьё, которое может быть использовано, то формирование ТМ в зонах карьеров и подземных горных выработок нетехнологично с точки зрения извлечения ТС. Поэтому внутренним отвалам следует отдавать предпочтение в том случае, если порода вообще не будет использоваться, либо объёмы её настолько велики, а исполь-

зование проблематично, то часть породы можно разместить в выработанном пространстве.

В том случае, когда ТС склонно к изменению под действием внешних факторов, предпочтение следует отдавать внутренним отвалам.

Помимо площадей, занимаемых внешним отвалом, отчуждение, а иногда и нарушение земель, происходит за счёт транспортных коммуникаций от карьера до отвала. Уменьшить этот фактор можно за счёт размещения внешних отвалов как можно ближе к карьеру. Метод размещения отвалов вдоль периметра карьера максимально решает эту задачу и, кроме того, снижает площади земельного отвода за счёт объединения санитарно-защитных зон карьера и отвала.

Загрязнение атмосферы от отвалооб-разования — фактор не очень существенный, хотя и имеет место при разгрузке и перегрузке горной массы и работе дорожной техники. Современные методы снижения влияния этого фактора применимы при формировании ТМ. Несколько большее влияние отвалы оказывают на загрязнение водной среды. Атмосферные осадки могут изменять свой химический состав, проходя через отсыпанную массу. Однако при безопасном классе пород по-дотвальные воды достаточно пропускать через обычные отстойники. Естественно, все внешние водотоки требуют водоотводных сооружений. При формировании ТМ в любом случае необходимо учитывать экологическую обстановку и требования в регионе и районе размещения ТМ (наличие плодородных земель, заповедных территорий, гидрогеологию, климатические условия, адаптационные возможности флоры, фауны).

Размещение отходов переработки

ТС

В случае возможности использования ТС с его переработкой при форми-

ровании ТМ необходимо предусматривать решение вопроса о размещении новых отходов переработки.

Отходы будут размещаться в специальных или основных хвостохранили-щах, как это имеет место при разработке лежалых хвостов ОАО «Ковдорский ГОК». Иногда необходимо предусматривать размещение отходов на площадях разрабатываемого ТМ или в отработанных карьерах.

Техническая и биологическая рекультивация образующихся техногенных объектов

Имеющиеся в России нормативы, правила и принципы по рекультивации нарушенных территорий пригодны и в случае формирования ТМ.

Однако требуются дополнительные меры по сохранению ТС и его кондиций, снижению его загрязнения и обеспечению технологичности его извлечения. Поэтому не всегда могут быть приемлемы меры технической рекультивации по изменению формы и качества объекта ТМ. Полную рекультивацию допустимо производить в том случае, если отвальная масса не будет использоваться в дальнейшем. Если ТС будет использоваться с его переработкой, то, на наш взгляд, допустимы меры по предотвращению влияния техногенного объекта на окружающую среду без изменения качественных характеристик ТС и формы, благоприятной для отработки.

Заключение

1. На территории Мурманской области размещено на поверхности свыше 6 млрд т техногенного сырья, представленного породами вскрыши, проходки, забалансовыми и попутными рудами, лежалые объёмы которого практически не используются.

2. До конца ХХ века отвальная горная масса не считалась техногенным сырьём, поэтому размещение её произ-

водилось и продолжает производиться без учёта возможности её использования в будущем.

3. При формировании техногенных месторождений необходимо уже на стадии проектирования разработки основного месторождения предусматривать укрупнённо решение вопросов использования ТС, сохранение его потребительских

свойств, технологию добычи, переработки и размещения вторичных отходов по требованиям, предъявляемым к использованию горно-рудного сырья.

4. Уже в настоящее время требуется раздельное сохранение ТС, хотя бы в

отношении горных пород, имеющих резко отличные свойства и содержащие разные полезные компоненты. На современном уровне развития техники, технологий и знаний возможно обеспечить сохранение ТС, последующую его выемку, но требуется разработка специальных технологий.

5. Многие вопросы формирования ТМ решаются с помощью правильного размещения ТС. Наиболее экономичным, экологичным, ресурсосберегающим способом размещения следует считать размещение по периметру верхнего контура карьера на возможно близком расстоянии от него, пгсге

Коротко об авторах

Решетняк С.П., Архипов А.В. — ГИ КНЦ РАН, rybin@goi.kolasc.net.ru

----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

САМЕРХАНОВА Алла Сергеевна Повышение эффективности применения магнито-импульсной обработки руд с целью их разупрочнения перед измельчением 25.00.20 к.т.н.