Проблемы природосбережения при эксплуатации месторождений Северного Кавказа

СЕМИНАР 7

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99

В.И. Голик, д.т.н., А.А. Баяр, инж.

Северо-Кавказский государственный технологический университет

ПРОБЛЕМЫ ПРИРОДОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СЕВЕРНОГО КАВКАЗА

Большой Кавказ представляет собой тектонический блок первого порядка, в пределах которого развиты крупные разломные структуры, образующие серии тектонических блоков низших порядков и контролирующие оруденение. В пределах блоков развиты трещины, образующие структурные блоки размерами от сантиметров до метров. Взаимодействие структурных блоков во времени и пространстве определяет состояние скальных массивов в процессе эксплуатации.

В северокавказском регионе Большого Кавказа разрабатываются три крупных месторождения: Садонское полиметаллическое Тырныаузское вольфрамомолибденовое и Урупское. По условиям формирования и эксплуатации к ним примыкают закавказское Квайсинское полиметаллическое месторождение.

В истории эксплуатации выделяются периоды: древнейший,

древний и средневековый (собирательство, неупорядоченная выемка выработками малого сечения с использованием мускульной и тепловой энергии) и современный ( выработки по руде с нерегулярной закладкой пустот породами и некондиционными рудами с использованием химической, пневматической, электрической и гидравлической энергии) применяли естественное управление массивом, чему способствовали геологические условия.

Накопление пустот перераспределяло природный уровень напряжений в массивах, что сопровождалось развитием деформаций, вплоть до разрушения массива и дневной поверхности, благодаря природным зонам нарушений, быстрее достигающих по-

верхности на склонах гор. Разрушению массива не препятствовало нерегулярное заполнение пустот породами, добываемыми в боках выработок. Неуправляемые обрушения сопровождались развитием неконтролируемых геодинамиче-ских явлений, способствующих потерям и разубоживанию руд (табл. 1.1.).

Непосредственную опасность окружающей среде представляют отвалы некондиционных руд и продуктов рудничных обогатительных фабрик.

Мизурская обогатительная фабрика выдавала ежесуточно 6-7 тыс. м3 хвостов, содержащих 1,52,0 тыс. т твердых с концентрацией цинка 0,15-0,25 % и свинца 0,130,19 %. В жидкой осветленной фракции содержание цинка 0,34 мг/дм3, свинца 5мг/дм3.

Фиагдонская обогатительная фабрика выдавала в сутки 1,5-2,5 тыс. м3 хвостов, содержащих 0,5 тыс. т твердого с концентрацией цинка 0,18-0,24 % и свинца 0,180,24 %. В жидкой осветленной фракции содержание свинца 0,54 мг/дм3 и цинка 3.24 мг/дм3. В хво-стохранилищах этих фабрик на площади около 120 га хранится до 3 млн. тонн твердого. Еще столько же твердого с более высоким содержанием металлов хранится в отвалах заводов «Электроцинк» и «Победит» в городской черте Владикавказа.

В Урупском хвостохранилище при остаточной концентрации металлов цинка 0,25-0,40 %, меди 0,36-0,46 %, железа 30-35 % накоплено около 3 тыс. т цинка, 7 тыс. т меди и 40 тыс. т железа, из которого извлекают медь и железо с образованием вторичных хвостов.

Тырныаузская обогатительная фабрика выдавала ежесуточно

более 30 тыс. м3 хвостов, содержащих до 30 % твердого с концентрацией вольфрама 0,03 % и молибдена 0,025 %. В жидкой осветленной фракции содержание вольфрама 9 мг/дм3 и молибдена 6,9 мг/дм3. Объем хвостохранилища превышает 120 млн т.

Хвостохранилища активно участвуют в загрязнении окружающей среды химическими ингредиентами

В отвалах добычи и переработки металлов только Северной Осетии накоплено более 7 миллионов тонн на территории более 250 га, в которых находится более 350 т ртути, 8000 т мышьяка, 4700 т селена, 2600 т меди, 25000 т свинца и 60000 т цинка. Радиоактивные отходы содержат более 7,5 т тория на площади 0,3 га. Во Владикавказе выделяется техногенный ореол рассеяния тяжелых металлов площадью около 40 квадратных километров, в пределах которого содержание металлов на порядок превышает средние концентрации по региону.

Хвостохранилища северокавказских полиметаллических рудников являются техногенными месторождениями, неизвлекаемых в свинцовый и цинковый концентраты элементов. По данным Г.В. Хетагурова в хвостах Мизурской и Фиагдонской фабрик остается значительная часть ванадия, титана, марганца, никеля, молибдена и др. металлов.

На крупнейшем месторождении - Садонском четко прослеживаются тенденции уменьшения содержания пирита с увеличением пирротина сверху вниз и от флангов к центру. Влияния на процессы в хвостохранилище это не оказывает, потому что выемка руд производится без определенной

последовательности во времени и пространстве, следуя конъюнктуре металлов на рынке. За время промышленной разработки суммарное содержание свинца и цинка уменьшилось с 30 до 2 %. Можно предполагать, что нижняя часть хвостохра-нилищ имеет большее содержание металлов, чем верхняя, а фактические запасы металлов в отвалах превышают отчетные данные.

Из действующих и проектируемых к разработке месторождений Кавказа наиболее перспективен тип кварц-полиметаллических месторождений в кварц-кера-тофировой формации. Для этого типа характерны виды оруденения: полиметаллический и пирро-тиновый с промышленным содержанием свинца и цинка. Смена обоих видов происходит на Згиде при глубине 900-1100 м, на Садоне - 1200-1400 м, Архоне и Холсте - 1000-1200 м. Поэтому достаточное для реакций количество окислителей - пирита и пирротина для обеспечивается генетически. К садонскому типу близки месторождения: Тызыльское, Эльбрус-

ское, Фиагдонское, Джимидон-ское, Аксаут, Маруха, Квайса и др. Согласно принципам синэнер-гетики горнопромышленных

ландшафтов инерционность системы заключается в том, что после завершения работ по добыче и формирования отвалов, в окружающую среду еще долго будут поступать продукты выщелачивания отходы добычи. В результате изменения условий существования минерала сульфиды из равновесного состояния переходят в активное, приобретают потенциальную энергию и окисляются. Время высвобождения энергии прямо связано с количеством минералов. Процессы химического обогащения отходов описываются закономерностями: интенсивность вы-

щелачивания хвостов зависит от объема хранилищ. Увеличение объемов обеспечивает:

♦ вовлечение в процесс природной переработки большего количества металлов и повышение их содержания в растворах;

♦ увеличение объема отвальных вод формируют экран, препятствующий выщелачиванию ;

♦ при формировании отвального массива происходит фракционирование горной массы по закону градационной вертикальной зональности с увеличением размеров фракций в направлении сверху вниз;

♦ наибольшая интенсивность окисления наблюдается между сухими и влажными участками;

При подземной разработке в выработанном пространстве рудников протекают природные гео-технологические процессы, в результате которых рудничные воды растворяют и выносят цинк и свинец в количествах, достаточных для получения товарных осадков. С учетом того, что металлы уже находятся в водах (т.е. отпадает необходимость их предварительного растворения) экономическая эффективность их извлечения увеличивается. В результате осаждения обеспечивается очистка сбрасываемых шахтных вод от загрязнения и решается проблема охраны окружающей среды.

Например, руды Садонской группы месторождений - полими-неральные, среднезернистые с неравномерным распределением минералов, прорастаниями и микротрещинами наследственных деформаций. Потери в недрах оцениваются в 2 млн. т руд с концентрацией свинца около 2,6 % и цинка 3,6 %. Шахтные воды в среднем содержат до 400 мг/л и до 11 мг/л свинца.

Шахтные воды Садонского месторождения сбрасываются в окружающую среду через ряд штолен в количестве 300 м3/ч при содержании в них свинца - 4,6 г/м3 и цинка - 6,46 г/м3, при рН вод менее 7. В период дождей сброс рудничных вод на месторождении достигает 60 м3/м при содержании свинца - 6,8-9,6 г/м3, цинка - 75-100 г/м3. Выщелачивается металлоносная закладка выработанного пространства, т.к. атмосферные осадки свободно омывают только верхнюю часть месторождения, где зона обруше-

ния выходит на земную поверхность. В выработанном пространстве рудника выщелачивается более 2 млн. т металлосодержащей закладки трех видов. Древняя и богатая закладка отработана в основном традиционными способами, но в пустотах накоплены геоматериалы с содержанием 0,6-1,2 % по сумме полиметаллов. Поздняя закладка содержит окисленные металлы и обладает малой фильтрационной способностью. Молодая закладка представлена окварцованными породами различного гранулометрического состава. Ее фильтрационная способность высока, а процесс выщелачивания интенсифицируется встречными потоками воздуха и воды.

Содержание цинка в шахтных водах Садонского рудника достигает 300 г/м3 и свинца 10 г/м3. Згидский рудник сбрасывает через штольню «Надежда» 24 м3/ч при содержании свинца 4 г/м3, а цинка -

2 г/м3 и через штольню «Красная» 90,3 м3/ч при концентрации свинца 5 г/м3 и цинка 12 г/м3, при рН<7. Холстинский рудник сбрасывает 70 м3/ч при содержании цинка 10-40 г/м3 и свинца 7,8 г/м3 при рН=6,7. Концентрация в шахтной воде на уровне устья шт. №22 - 60-70 мг/л цинка и 6,5-7,0 мг/л свинца при рН вод 5,5-6,0. Содержание цинка в отдельные периоды достигает 0,8 кг/м3 стоков. Из штольни «Архонская» вытекает 30,5 м3/ч воды с содержанием РЬ - 1,87 г/м3 и 2п - 4,7 г/м3'

Руды Хаником-Какадурского месторождения содержат (%): сфалерита - 2,5-3,0, галенита -1,5-2,0, халькопирита - 0,4-0,5, пирита - 10,0-12,0, пирротина -4,30-5,0, карбонатов - 4,0-6,0. Из верхних штолен истекает150 м3/ч воды, содержащей 60 и 100 г/м3 цинка и 4,5-5,5 г/м3 свинца.

Урупское медное месторождение выдает 350 м3/сут. стоков с рН 4-5 при истечении сквозь пустоты и рН 7-10 при контакте с гидравлической закладкой. В пустотах потеряно более 17 тыс. т цинка и меди. Смешение кислых и щелочных вод изменяет рН среды и осаждает металл из растворов.

Медь осаждается при рН 5-5,5, цинк при рН 6,5-7. В жидкой фракции стоков меди 12 г/м3, цинка

- 41 г/м3, железа - 0,2 г/м3, а в твердой фракции меди 0,7 %, цинка -0,7 %, железа 10 %.

Тырныаузское вольфрамовомолибденовое месторождение питает р. Баксан стоками, содержащими металлы (ПДК): молибдена

- 460, вольфрама - 160, цинка - 8, меди 7 и т.д. В сливе фабрики 45 мг/дм3 вольфрама и 37 молибдена.

Отвалы геоматериалов на поверхности оказывают негативное влияние на окружающую среду, поэтому использование отходов горного производства снижает антропогенное воздействие на среду.

Вторичные техногенные ресурсы, сконцентрированные на сравнительно небольших площадях, обладают высокой активностью контактов с окружающей средой. Отвалы обогащения еще более активны после механического и экономического воздействия на минералы в процессе добычи и переработки. Спектр влияния отвалов хвостов охватывает атмо-, гидро-и биосферы, флору, фауну и Человека.

Ущерб от отходов добычи может быть определен из выражения:

Э — Эб - Эп ~ ^у ^у

хвостах, масс. ед.; п - количество источников выделения отходов различных фаз; S - площадь, занятая отвалом, ед. площади; Зз -удельная стоимость земли. ден. ед.; Ув _ объем шахтных стоков,

с

объемн. ед.; - содержание

металлов в стоках, масс. ед.; Кк -коэффициент кислотности жидких отходов; V- - объем газо- и пылеобразных выбросов, объемн. ед.; у -коэффициент концентрации твердого в газообразной фазе.

Решение о целесообразности горных технологий принимается при совместном учете технологических, экономических и экологических факторов. В числе участвующих параметров: ценность дополнительно полученных материалов, удешевление основной продукции, снижение затратности, увеличение рыночной конкурентоспособности, снижение риска, повышение ритмичности и стабильности производства и сумма экономии за определенный промежуток времени (рис.).

Получение дополнительной продукции без существенных затрат удешевляет себестоимость основной продукции:

су - СТу

Эу - Зохt + 3px P + Зшс P + ЗгаP -

£ Vx

где Зо^ - затраты на складирование отвалов хвостов на поверхности в течение времени t, ден. ед.;

Зрх - плата за размещение хвосто-

хранилища; P - коэффициент соотношения фактических объемов с нормируемыми; Зшс - затраты на компенсацию сброса неочищенных шахтных стоков в гидросферу; Згп - затраты на компенсацию сброса газопылевых продуктов в гидросферу; Vx - объем хвостов, объемн. ед.; t - время, год; Зо -удельные затраты на формирование отвала; Зп - удельные затраты

на поддержание отвала; «И - остаточное содержание металлов в

где СУ - себестоимость комбини-

рованной технологии;

С ТУ - себе-

стоимость традиционной технологии; а - доля условно-переменных затрат по участку переработки;

Ь - доля условно-постоянных затрат; к - коэффициент интенсивности производства.

СУ = СУ

Получение дополнительной продукции без существенных затрат удешевляет себестоимость основной продукции:

где СУ - себестоимость комбинированной технологии; СУ - себестоимость традиционной техно-

логии; а - доля условнопеременных затрат по участку переработки; Ь - доля условнопостоянных затрат; k - коэффициент интенсивности производства.

В стадии горного передела наибольший эффект достигается за счет использования энергии массивов для самоуправления. Наиболее управляемы месторождения с выраженной связью между устойчивостью массива и на-рушенностью. Воздействие нарушений придает таким массивам свойства одновременно дискретной и сплошной сред. В ходе очистных работ в массивах развиваются зоны изменения свойств пород, в пределах которых деформации достигают критических значений. Параметры разнопрочных участков задают разделением месторождений на предельно допустимые участки назначением размеров выработок, целиков и зон влияния пустот.

Управление массивами на гео-механической основе повышает эффективность использования недр с сохранением земной поверхности. Использование твердеющих смесей ограничивается стоимостью материалов, поэтому традиционные технологии комбинируют с геотехнологическими, освоенные, например, на быкогорском месторождении Северного Кавказа. Такие технологии в качестве закладочного материала используют горную массу с помощью химико-физических процессов переведенную из одного агрегатного состояния в другое без перемещения.

Инструментом оптимизации является комбинированная технология, рационально использующая энергию массивов для самоуправления в трех вариантах:

♦ комбинация способов изоляции пустот закладки твердеющими смесями характеризуется тем, что изолируемые выработки включают искусственные массивы, или же в массиве закладки заключены пустоты;

♦ комбинация способов погашения твердеющей закладкой и хво-

стами подземного выщелачивания. Сюда включают группу способов с опережающим оформлением закладочных массивов в блоках подземного выщелачивания;

♦ комбинация изоляции, твердеющей закладки и хвостов выщелачивания включает способы доработки междуэтажных целиков: замещение руды закладкой

или оставлением пустот изолированными.

Развитие комбинированных способов объясняется стремлением избежать дефицитных материалов, заменив их другими. В качестве вяжущих используют цементы и отходы производства, а также природные материалы: глины, гипс, известь и т.п..

Анализ тенденции совершенствования горных технологий позволяет выделять основные направления их экологизации:

♦ типизация технологических схем добычи руд, включая закладочные процессы, с учетом особенностей сложноструктурных месторождений;

♦ соединение традиционных- и геотехнологий, что позволит попутно извлекать полезные компоненты из некондиционных руд, хвостов сортировки, обогащения и пр.;

♦ активация закладочных смесей при изготовлении, транспортировании и укладке в выработанное пространство средствами механического и электродинамического воздействия.

Развитие природоохранных процессов в горном производстве обеспечивает комплексное улучшение всех показателей не только добычи и переработки руд, но и всех экосистем региона.

© В.И. Голик, А.А. Баяр