Разработка способа предотвращения пыления наливного хвостохранилища горного предприятия с использованием глинокомпозитных адгезионных хвостов

© Г.Г. Каркашадзе, A.B. Немировский, Ю.Ю. Шопина, 2014

УДК 622.271

Г.Г. Каркашадзе, А.В. Немировский, Ю.Ю. Шопина

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПЫЛЕНИЯ НАЛИВНОГО ХВОСТОХРАНИЛИЩА ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЛИНОКОМПОЗИТНЫХ АДГЕЗИОННЫХ ХВОСТОВ

Представлен краткий обзор методов предотвращения пыления наливных хвостох-ранилиш на железорудных комбинатах. Используемые на практике методы характеризуются высокими трудовыми и материальными затратами. В МГГУ разработан способ предотвращения пыления, в основе которого использование вяжущего на основе глины и отходов целлюлозы. Проведены лабораторные эксперименты и выполнены предварительные расчеты, подтверждающие возможность реализации способа при невысоких материальных затратах и без применения специальной техники на поверхности хвостохранилища.

Ключевые слова: хвостохранилише, пруд-отстойник, пыль, вяжущий состав, глина, отходы целлюлозы.

Состояние окружающей среды в горнодобывающих регионах функционирования горно-обогатительных комбинатов, характеризуется наличием значительных территорий хвостохранилищ. В летнее время воздушная атмосфера испытывает пылевую нагрузку по действием ветровых потоков, что наносит экологический ущерб окружающей среде.

Пыление на хвостохранилища возникает в основном локально на участках, не покрытых водной поверхностью, пляжной зоны намывных отсеков, на откосах ограждающих дамб и плотин. В жаркий засушливый период с поверхности таких объектов посредством ветровой эрозиипри скорости воздушного потока более 4 м/с выносится вредная техногенная пыль [1].

Опыт эксплуатации показывает, что даже в наливных хвостохранили-щах образуются надводные пляжи, которые в сухую и ветреную погоду являются постоянным источником пылеобразования. В летние месяцы,

когда поверхность хвостохранилища нагревается до 40-50 °С, она быстро теряет влагу и легко поддается ветровой эрозии. Таким образом, борьба с пылением хвостохранилищ комбинатов, в частности Курской магнитной аномалии, является остроактуальной проблемой.

Радикальным решением проблемы борьбы с пылением на законсервированных хвостохранилищах является их рекультивация. Эффективные мероприятия по предотвращению пыления проводят в основном наот-работанных хвостохранилищах путем рекультивации дамб обвалования и их поверхности. На действующих хвостохранилищах борьба с пылени-ем затруднена, поскольку весьма трудоемко создавать долговечное и выдерживающее высокие механические нагрузки покрытие.

Существуют множество способов закрепления поверхности пляжей действующих хвостохранилищ, включая: гидротехнический, аэродинами-

ческий, технологический, механический, биологический и химический.

Так, например, на Михайловском ГОКе в течение последних 10 лет внедряется технология круглогодичного производства гидромеханизированных работ по укладке «хвостов» на пляжи хвостохранилиша, чтобы использовать их для нарашивания ограждаюших дамб. Дополнительные работы по возведению дамбы компенсируется достигаемым эффектом сокрашения пыления пляжей за счет подъема уровня воды на ограниченной плошади хвостохранилиша.

На Лебединском ГОКе применяют технологию заполнения хвостохрани-лиша, когда через каждые 4-5 м по высоте осушествляют временную консервацию отсеков путем намыва в них слоя суглинка толшиной 0,2-0,5 м, используя вскрышу из карьера. Очаги интенсивного пыления смачивают из технологических пульповодов. При этом плошади открытых поверхностей хвостохранилиша сократились, что дало эффект не только в снижении пыления хвостохранилиша, но и в снижении потерь воды на фильтрацию, подтопление прилегаюших территорий, снижении загрязнения подземных вод, зарастании откосов и берм намывных дамб и плотин дре-весно-кустарниковой и травянистой растительностью.

В Белгородском государственном университете разработан способ закрепления пыляших поверхностей хвостохранилиш путем нанесении на поверхность меловой суспензии с по-следуюшей обработкой ее разбавленным раствором серной кислоты [2]. В результате образуется поверхностный слой по составу близкий к природному гипсу. Похожий метод был разработан в институте ВИОГЕМ и заключается в обработке хвостохра-нилиша слабым раствором соляной кислоты. Образуюшийся слой, обла-

дает повышенным содержанием влаги и противостоит ветровой эрозии. Для реализации способа требуется множество поливочных машин и разбрызги-ваюших агрегатов, что является сдер-живаюшим фактором при широкой реализации.

В патентной документации [3] описано устройство для закрепления пы-ляших поверхностей хвостохранилиш и отвалов горных пород, которое позволяет одновременно выравнивать, орошать, перемешивать и укатывать пыляшую поверхность. Так же предусмотрено применение одновременно двух реагентов к первому и второму рядам дисков смесителей. Все механизмы объединены в единую конструктивную схему, способствуюшую качественному приготовлению закре-пляюшей смеси и позволяюшую производить работы на пыляших поверхностях крутых откосов. К недостаткам способа следует отнести низкую производительность и высокие трудозатраты.

На VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиции был представлен способ по которому изоляционную смесь из отходов полиэтилена и полипропилена наносят на предварительно подготовленную поверхность шламо- и хвостохранилиш, а затем подвергают температурной обработке до сплавления с поверхностью [4, 5]. Далее на изоляционный слой отсыпается гравий или галька, для предотврашения разрушаюше-го воздействия солнечной радиации. Способ отличается высокой эффективностью и, одновременно, значительной стоимостью работ.

На Стойленском ГОКе (СГОК) для борьбы с пылью по периметру хво-стохранилиша проложены трубы, в которых через определенное расстояние расположены разбрызгиватели воды. Как только хвостохранилише начинает пылить, по трубам подают воду и

через форсунки распыляют воду над прилегающей поверхностью пляжа. Недостатком способа является ограниченная зона смачивания прибрежной части и высокие энергозатраты на работу насосных агрегатов.

Американская фирма «Smart Fog» производит системы пылеподавления всех размеров. Одной из таких систем является «Smart Fog Dust Suppression Systems». Принцип работы этой системы заключается в том, что капли воды «разбивают» до размера 4,2 микрона, то есть создается туман. Размер капель был обоснован экспериментами, проведенными в Colorado School of Mines. Экспериментально доказано, что при размере капли соизмеримым с размером частицы пыли происходит их лучшее смачивание и осаждение [6]. Подобные системы «Fog Cannons», которые также производят туман, изготавливает австралийская фирма «Wet Earth» [7].

Американская фирма «Dust Solutions» наряду с производством тума-нообразующих установок занимается изготовлением, так называемых ветровых экранов «Dust TAMER™ Wind Screen Systems» [8]. Эти экраны позволяют снизить скорость ветра и минимизировать ветровую эрозию поверхности. Сделаны они из специального пористого материала, который позволяет 30 % воздуха проходить через экран и, тем самым, целенаправленно управлять аэродинамическими потоками над поверхностью.

Подводя итоги выполненному анализу, можно утверждать, что известные технологии пылеподавления на хвостохранилищах принципиально решают важную экологическую задачу, однако все они отличаютсявысокой трудоемкостью и энергозатратами.

В МГГУ предложен оригинальный технологический вариант решения проблемы, имеющий преимущества по сравнению с представленными

выше. Главная идея предлагаемого способа является добавление в пульпу, поступающую в хвостохранилиша, ограниченного количества (порядка 0,1 % от всего массового потока «хво-стов»)экологически чистого связующего вещества, обладающего свойством плавучести в воде, твердости и прочности после осаждения и осушения на пылящей поверхности, дезинтеграции и плавучести при последующих сма-чиваниях.Такие свойства связующего вещества обеспечивают решение задачи предотвращения пыления на всей намываемой площади хвостох-ранилища и не требует применения специальной техники, обрабатывающей поверхностный слой «хвостов» на огромной площади. По существу, потоки пульпы с добавлением предлагаемой смеси, поступающие на хво-стохранилище, уже обладают свойством самопроизвольно формировать такую новую поверхность, которая не пылит, все время находится в верхней части и обладает свойством всплытия при последующих поступлениях очередных потоков пульпы.

В ходе экспериментальных исследований в лабораторных условиях найден состав, обладающих таким свойством. Основа состава содержит глину вскрышных пород, скрепленную в мелкодисперсном помоле с легким, липким целлюлозным составом.

В лабораторных условиях исследованы несколько закрепляющих составов. В частности для нахождения идеального состава были проведены эксперименты, в которых к отобранным образцам отходов обогащения с хвостохранилища СГОКа были добавлены различные вещества: глина, экологически чистые масла, мелко измельченная древесная стружка, клейкие составы и их комбинации. На основании исследований выявлена оптимальная смесь, в состав которой входят мелко измельченные келовей-

Рис. 1. Образец «хвостов» с вяжущим составом на поверхности

екая глина и отход целлюлозно-бумажной промышленности. Эта емееь, как и планировалось, постоянно остается на поверхности и прочно скрепляет поверхностный слой, не давая «хвостам» пылить. На рис. 1 изображен образец «хвостов», покрытый такой оптимальнойсмесью. Видно, что образец устойчиво лежит на горизонтальной поверхности под углом 90° и больше.

Для проведения последующих лабораторных исследований было отобрано множество образцов «хвостов» СГОКа, к которым в последствии была добавлена найденная оптимальная смесь в весовой пропорции: 7-10 единиц массы глины к единице массе отходов целлюлозы. По нашим оценкам, стоимость подобранной смеси при практической реализации способа сравнима с транспортными расходами для ее доставки к месту приготовления.

С целью определения оптимальной толщины поверхностного слоя эксперименты проведены на образцах в равных условиях. Для имитации выпуска пульпы в образцы добавили воду, тщательно перемешали и оставили отстаиваться до полного осушения и

испарения воды. После испарения воды на поверхности образцов формируется твердая корка, по аналогии с рис. 1.

Чтобы убедиться в том, что смесь остается на поверхности хвостохра-нилища после повторного покрытия ее пульпой в смесь добавляли новую водяную пульпу, перемешивали и оставляли отстаиваться. Эти эксперименты показал, что смеси даже при повторном перемешивании сохраняют плавучесть, поднимаются на поверхность «хвостов» и снова образуют твердый поверхностный слой. Для определения наилучшего соотношения были проведены эксперименты на прочность получившегося поверхностного слоя. Схема экспериментальной установки, имитирующей методику определения сопротивления горной породы ударным воздействиям по ГОСТ 30629-99, представлена на рис. 2.

Согласно Методике груз массой 162,5 г сбрасывают на поверхность образованной твердой корки 2 на поверхности «хвостов». Высоту сбрасывания груза 1 фиксируют мерной линейкой 4. Критерием ударной прочности является величина диаметра от-

40

20

10

\_

Рис. 2. Схема экспериментальной установки

печатка от шарика и появление тре-шин раскола.

В процессе экспериментов на поверхность образцов с одинаковой высоты сбрасывался шарик массой 162,5 г и по плошади образовавшей-

ся лунки отбирались наиболее прочные, то есть те в которых плошадь оказалась меньше.

Протокол испытаний поверхностного слоя ударному воздействию представлен в таблице.

Протокол испытаний

Высота сбрасывания гири,см Толщина слоя, мм

1 4 5 10

10 Никаких изменений Никаких изменений Никаких изменений Никаких изменений

15 Слой проседает, образуется лунка Слабозаметное углубление Слой проседает, образуется лунка Практически незаметное углубление

17 Образуется лунка Слабозаметное углубление Образуется лунка Слабозаметное углубление

20 Образуется глубокая лунка, появляются трешины Углубление увеличивается в диаметре Углубление увеличивается в диаметре Слабозаметное углубление

22 Увеличивается количество трешин, слой полностью разрушается Появляется заметное углубление Появляется большая лунка, пошли трешины Незначительное углубление

25 Появляется значительное углубление Увеличивается количество трешин, слой полностью разрушается Появилось небольшое углубление

27 - Значительное углубление - Небольшое углубление

30 Значительное углубление, появляются трешины Углубление увеличивается в размерах

32 Увеличивается количество трешин, слой полностью разрушается Значительное углубление

35 - - - Значительное углубление

37 Значительное углубление, появляются трешины

40 Увеличивается количество трешин, слой полностью разрушается

Фотографии поверхности образцов, представленных в протоколе, после испытаний изображены на рис. 3. По результатам испытаний образец с толшиной слоя 4 мм оказался наиболее устойчивым ударному воздействию и очевидно способен сохранять сплошность при ветровых нагрузках 4 м/с и более. Если же по различным причинам все же произойдет разрушение верхнего слоя

(например, проехала машина), то атмосферные осадки в виде дождя самопроизвольно будут залечивать разрушенные зоны без вмешательства техники.

Полученных исходных данных достаточно для выполнения расчетов и прогноза ожидаемых показателей. Так, например, по предварительным данным железорудный комбинат КМА, например Стойленский ГОК,

Рис. 3. Образцы с толщиной поверхностного слоя 1 мм, 4 мм, 5 мм и 10 мм

при реализации предлагаемого способа предотвращения пыления хвосто-хранилища должен добавлять в пульпу «хвостов», на выходе из обогатительной фабрики, примерно 30 т/сут глины со вскрышного комплекса и 3-5 т/сут вяжущего состава на основе целлюлозы, подготовленных по технологии «ноу-хау» МГГУ. Количество

вяжущего материалав виде глиноком-позитных адгезионных хвостов в пульпе практически не уменьшает вместимость хвостохранилища. При этом примерно за 3 года можно полностью покрыть наливное хвостохранилище-экологически чистым поверхностным слоем и предотвратить его последующее пыление.

1. Е.В. Лычагин, C.B. Сергеев, И.В. Синица. Исследование параметров пыления отходов обогащения железных руд и разработка метода их стабилизации // Вестник удмуртского университета. Сер. 6, Биология. Науки о земле, 2009. - № 1 - C. 127-136.

2. Патент РФ № 2303700.МПК7Б 21 F 005/06. Способ закрепления пылящих поверхностей хранилищ отходов обогащения железных руд / Сергеев С.В., Синица И.В., Лычагин Е.В., заявитель и патентообладатель Белгородский государственный университет. - № 2006107841/03; заявл. 13.03.06; опубл. 27.07.07. 2

3. Патент РФ № 2175065, МПК7Е 21 F 5/02. Устройство для закрепления пылящих поверхностей хвостохранилищ и отвалов горных пород / Мязин В.П.; Бабел-ло В.А.; Офицеров В.Ф.; Ходкевич Д.В.; заявитель и патентообладатель Читинский государственный технический университет. -№ 99108902/03; заявл. 26.04.1999; опубл. 20.10.2001.

4. Патент РФ 2151301, МПК7Е 21 F 5/16. Способ закрепления пылящих поверхностей / Ушаков В.В.; Браунер Е.Н.;

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

заявитель и патентообладатель Читинский государственный технический университет. -№ 98110222/03; заявл. 26.05.1998, опубл. 20.06.2000.

5. Способ консервации и изоляции техногенных месторождений. // Восьмой Московский международный салон инноваций и инвестиций. - 2008. - URL: http://salon.extech. ru/salon8/db/proj.php?kodproekta=2864 Дата обращения 05.12.11.

6. Smart Fog Dust Suppression Systems // Smart Fog #1 Manufacturer of Intelligent NonWetting Industrial Humidifier. - Пер. материала фирмы Smart Fog. - URL: http://www. smartfog.com/dust-suppression-systems.html Дата обращения 05.12.11.

7. Fog Cannon Dust Suppression Systems // Wet earth Irrigation, water tanks & dust control. - Пер. материалафирмы WET EARTH. - URL: http://www.wetearth.com.au/ Fog-Cannon-Airborne-Dust-Control Дата обращения 05.12.11.

8. Dust Tamer Wind Fence and Wind Screen Systems // Dust Solutions Inc. - Пер. материала фирмы Dust Solution. - URL: http://www. nodust.com/Дата обращения 05.12.11. ira

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

Каркашадзе Гиоргий Григолович - доктор технических наук, профессор, e-mail: g-karkashadze@mail.ru,

Немировский Андрей Владимирович - горный инженер, ОАО «Стойленский ГОК», аспирант, e-mail: ud@msmu.ru.

Шопина Юлия Юрьевна - горный инженер, e-mail: ud@msmu.ru, Московский государственный горный университет.

UDC 622.271 N-

THE INVENTION OF A PREVENTION WAY OF DUSTING ALLOCATION STOREHOUSE OF THE MINING ENTERPRISE WITH USE OF COMPOSITE ADHESIVE CLAY STRUCTURES

Karkashadze G.G., Doctor of Technical Sciences, Professor of Department Physics of Rocks and Processes, e-mail: g-karkashadze@mail.ru,

NemirovskyA.V., Graduate Student, Mining engineer, Open Joint-Stock Company «Stojlensky Mining-Concentrating Industrial Complex», e-mail: ud@msmu.ru, Shopina Ju.Ju., Mining engineer, e-mail: ud@msmu.ru, Moscow State Mining University.

The short review of methods of prevention dusting allocation storehouses of a mineral waste at ore industrial enterprises is presented. Methods used in practice are characterized high labor and material inputs. In MSMU the way of reduction of allocation of a dust, in which basis use of a material on the basis of clay and a cellulose waste is developed. Laboratory experiments are made and the predesigns confirming possibility of realization of a way at low material inputs and without application of the special technics on a surface of storehouse of a mineral waste are executed.

Key words: storehouse of a waste, core poolthe. dust, fixing material, clay, cellulose waste.

REFERENCES

1. Lychagin E.V., Sergeev S.V., Sinitsa I.V. Issledovanie parametrov pyleniya otkhodov obogashcheniya zheleznykh rud i razrabotka metoda ikh stabilizatsii // Vestnik udmurtskogo universiteta. Ser. 6, Biologiya. Nauki

0 zemle, 2009. - № 1 - C. 127-136.

2. Patent RF № 2303700.MPK7E 21 F 005/06. Sposob zakrepleniya pylyashchikh poverkhnostei khranilishch otkhodov obogashcheniya zheleznykh rud / Sergeev S.V., Sinitsa I.V., Lychagin E.V., zayavitel'

1 patentoobladatel' Belgorodskii gosudarstvennyi universitet. - № 2006107841/03; zayavl. 13.03.06; opubl. 27.07.07. 2

3. Patent RF № 2175065, MPK7 E 21 F 5/02. Ustroistvo dlya zakrepleniya pylyashchikh poverkhnostei khvostokhranilishch i otvalov gornykh porod / Myazin V.P.; Babello V.A.; Ofitserov V.F.; Khodkevich D.V.; zayavitel' i patentoobladatel' Chitinskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet. - № 99108902/03; zayavl. 26.04.1999; opubl. 20.10.2001.

4. Patent RF 2151301, MPK7E 21 F 5/16. Sposob zakrepleniya pylyashchikh poverkhnostei / Ushakov V.V.; Brauner E.N.; zayavitel' i patentoobladatel' Chitinskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet. -№ 98110222/03; zayavl. 26.05.1998, opubl. 20.06.2000.

5. Sposob konservatsii i izolyatsii tekhnogennykh mestorozhdenii. // Vos'moi Moskovskii mezhdunarodnyi salon innovatsii i investitsii. - 2008. - URL: http://sa!on.extech.ru/sa!on8/db/proj.php?kodproekta=2864 Data obrashcheniya 05.12.11.

6. Smart Fog Dust Suppression Systems // Smart Fog #1 Manufacturer of Intelligent Non-Wetting Industrial Humidifier. - Per. materiala firmy Smart Fog. - URL: http://www.smartfog.com/dust-suppression-systems.htm! Data obrashcheniya 05.12.11.

7. Fog Cannon Dust Suppression Sys-tems // Wet earth Irrigation, water tanks & dust control. - Per. materiala firmy WET EARTH. - URL: http://www.wetearth.com.au/Fog-Cannon-Airborne-Dust-Contro! Data obrashcheniya 05.12.11.

8. Dust Tamer Wind Fence and Wind Screen Systems // Dust Solutions Inc. - Per. materiala firmy Dust Solution. - URL: http://www.nodust.com/Дата обращения 05.12.11.