Утилизация отходов горно-металлургических комбинатов Кольского полуострова при подземной разработке месторождений

Утилизация отходов горно-металлургических комбинатов Кольского полуострова при подземной разработке месторождений

А.А. Леонтьев, И.И,Бессонов

Горный институт КНЦ РАН

Аннотация. Статья посвящена исследованию возможностей использования, свойств и технологий формирования техногенных образований в подземных выработках рудников Кольского полуострова. Рассмотрены вопросы создания техногенных массивов, выполняющих функции искусственных целиков, подземных хвостохранилищ, техногенных месторождений, массивов для очистки шахтных вод и захоронения отходов.

Abstract. The article is devoted to research of possible use, properties and technologies of creating formations in underground workings of the Kola mines. Questions of forming technogenic massifs having functions of artificial pillars, underground tailings dumps, second waste deposits, or massifs for cleaning mine water and waste disposal are under consideration.

1. Введение

При добыче и переработке руд образуется большое количество разнородных отходов, которые складируются на поверхности и являются источниками загрязнения окружающей среды. Частично отходы содержат полезные компоненты, которые пока не извлекаются. Одним из путей решения проблемы является использование технологии добычи руды с подземной утилизацией вторичного сырья. В Горном институте КНЦ РАН выполнены исследования и реализован комплексный подход к проблеме обоснования экологически безопасной технологии подземной добычи руды и формирования искусственных массивов различного назначения, в соответствии с которым определяются требования к составам и свойствам используемых технических материалов из промышленных отходов. В качестве источников приготовления технических материалов и дешевых вяжущих рассматриваются твердые отходы производства, технологические воды и стоки, сбрасываемые в хвостохранилища.

2. Техногенные пустоты горнорудных предприятий Кольского региона

При ведении горных работ на предприятиях Кольского полуострова (АО Севредмет, ГМК Печенганикель, ОАО Ковдорслюда, АООТ Апатит) накоплено около 11.5 млн.м3 подземных и 1.2 млрд.м3 карьерных пустот. Объемы пустот распределены следующим образом: АО Севредмет:

- Подземный рудник Карнасурт. Общий объем подземных пустот 7 млн.м3 годовое приращение 150 тыс.м3, объем единичных незакрепленных камер порядка 5100-6000 м3 (60x100 м при высоте 1-1.5 м).

- Подземный рудник Умбозеро. Общий объем подземных пустот 1.3 млн.м3, годовое приращение 10-150 тыс.м3, объем единичных незакрепленных камер порядка 6500 м3 (80x20 м при высоте

3-5 м). Пустоты частично заполнялись хвостами обогатительной фабрики, породой. ГМК Печенганикель:

- Центральный карьер. Общий объем пустот к моменту отработки (2006 г.) достигнет примерно 400 млн.м3, глубина - 400 м.

- Западный карьер. Общий объем пустот к моменту отработки (2002 г.) составит 120-150 млн.м3.

- Подземный рудник Каула-Котсельваара. Ежегодно образовывалось 100-130 тыс.м3 камерных пустот, объем единичных незакрепленных камер 4000-7000 м3 (45x20 м при наклонной высоте

3-8 м). Пустоты частично заполняются твердеющей и породной закладкой.

- Подземный рудник Северный. Ежегодно образуется 150-170 тыс.м3 камерных пустот, объем единичных незакрепленных камер 4000-7000 м3 (70x20 м при наклонной высоте 2-5 м). Пустоты заполняются твердеющей и породной закладкой.

- Проектируемый подземный рудник Центральный (ввод в 2003-2004 году). При выходе на проектные показатели будет образовываться от 300 до 500 тыс.м3/год камерных пустот, объем единичных незакрепленных камер 4000-50000 м3 (70x20 м при наклонной высоте 3-40 м).

ОАО Ковдорслюда:

- Подземный рудник Ена (ликвидирован в 1993 г.). Участок подземных работ: общий объем пустот около 1 млн.мЗ, объем единичных незакрепленных камер порядка 60000 м3 (100x30 м при высоте 3040 м). Водопритоки в рудник практически отсутствуют. Участок открытых работ: общий объем карьерных пустот 21.5 млн.м3, глубина 130 м. Карьер находится на стадии доработки.

АО Апатит:

- Карьер Центральный. Общий объем пустот к моменту отработки (2006-2010 гг.) достигнет примерно 570 млн.м3, глубина - 480 м.

- Карьер Саамский. Общий объем пустот 25 млн.м3 при глубине 400 м. Карьер отработан.

Техногенные пустоты рудников могут использоваться для размещения отходов горнорудного производства и тепловых электростанций, захоронения токсичных веществ, строительства вспомогательных цехов, складских помещений, теплиц и других целей. Разработка концепции использования пустот в народном хозяйстве позволит повысить экологическую безопасность и эффективность работы горнопромышленных комплексов.

3. База данных по отходам производства

В секторе подземной разработки недр (лаборатория комплексного освоения и сохранения недр) института сформирована и пополняется база данных по имеющимся в регионе отходам производства, пригодным для приготовления технических материалов. Имеется информация о химическом и минеральном составе, свойствах, объемах поступления и вариантах размещения отходов. Это позволяет оценить перспективы и область применения данной технологии для рудников региона. Основными материалами для закладки являются металлургические шлаки медно-никелевого производства, флотационные и гравитационные хвосты обогащения Cu-Ni, Ta-Nb и слюдосодержащих руд (табл.1), шахтные и оборотные воды.

Таблица 1. Техногенные отходы горнопромышленных предприятий Кольского полуострова, _пригодные для вторичного использования_

Предприятие Техногенное сырье Объем поступления, тыс. т Минеральный состав

в год всего

ГМК Печенганикель Хвосты ОФ-1 6200 153000 Серпентин, магнетит, кварц, ильменит, полевой шпат, кальцит

Хвосты ОФ-2 - 17250 Тальк, прохлорит, кварц

Порода вскрыши 43000 1231000

Граншлак 1350 41300 Магнезиально-железистое стекло

Кек нейтрализации 15 Известняк

АО Севредмет Хвосты ОФ 400-800 Полевой шпат, эгирин, нефелин, апатит, лопарит

Ковдорский ГОК Хвосты МОФ - 59000 Апатит, форстерит, кальцит, доломит, флогопит, диопсид

Хвосты АБОФ 6000 Форстерит, флогопит, карбонаты, апатит, пироксен, магнетит

Отвалы бедных руд: маложелезистые апатит- штаффелитовые - 26000 3600 Магнетит, апатит, карбонаты Вермикулит, апатит, штаффелит

ГОК Ковдорслюда Сливы ВОФ 68 Оливин, вермикулит, диопсид, магнетит, кальцит

Отвалы бедных руд: вермикулитовые породы ФОФ - 12000 500 Оливин, пироксен, вермикулит, магнетит, апатит Оливин, диопсид, флогопит

ОЛКОН Хвосты ДОФ Вскрышные породы 8000 35000 291000 820650 Кварц, полевой шпат, гематит, пироксен, магнетит, гранат

АО Апатит Хвосты ОФ 15000 Нефелин, сфен, апатит, эгирин, титано-магнетит

Апатитская ТЭЦ Золо-шлаковые 380 5000 Оксиды кремния, алюминия, железа,

материалы титана

4. Способы утилизации отходов производства

Выделены следующие типы подземных техногенных образований: несущие конструктивные элементы, закладочные массивы, подземные хвостохранилища и техногенные месторождения, искусственные массивы для захоронения отходов, очистки шахтных вод. В соответствии с назначением техногенных образований должны определяться необходимые свойства, составы, технология формирования и пути дальнейшего использования вторичных материалов. Основные требования и возможные технические решения при внедрении технологии представлены в табл.2, 3.

5. Составы вяжущих

Исследования в этом направлении проводятся с участием лаборатории бетонов и вяжущих института ИХТРЭМС РАИ. К настоящему времени разработаны и испытаны несколько типов вяжущих с различным минералогическим составом: серпентинитовое вяжущее из обожженных и измельченных хвостов обогащения Си-№ руд; вяжущее на основе эгиринполевошпатовых хвостов обогащения Та-№ руд; шлако-цементное вяжущее из измельченных гранулированных шлаков, активизированных цементом; шлако-щелочное и силикатное вяжущее из отходов металлургического производства. В зависимости от направления утилизации отходов и требуемых свойств закладки выбираются тип вяжущего и его расход.

Таблица 2. Подземные техногенные образования (ТО) различного назначения

Подземные ТО Основное назначение Критерии выбора состава Возможные технические решения

Искусственные конструктивные элементы Обеспечение высокой полноты извлечения и безопасной эксплуатации ТП при добыче руды и утилизации ТМ Прочностные и деформационные характеристики, однородность, полнота заполнения Использование нетрадиционных быстротвердеющих вяжущих, пластичных бетонов, ПАВ, газо-образователей, армировки и крепи

Твердеющие закладочные массивы Заполнение ТП для повышения полноты извлечения запасов руды и утилизации отходов Прочностные свойства, устойчивость обнажений массива при добыче руды Использование низкосортных вяжущих и ПАВ из отходов производства, заполнителей с рациональным соотношением ТМ, их предварительная подготовка

Подземные хвостохранилища Сохранение ТМ для повторного использова-ния, утилизация отхо-дов Минеральный и гранулометрический состав Двухстадийное заполнение пус-тот песковой фракцией и шлама-ми, формирование массива мето-дом отсадки, использование ПАВ гидрофильного типа

Техногенные месторождения Повышение ценности ТМ, улучшение условий их вторичной переработки, утилизация сырья Прочностные характеристики, минеральный и гранулометрический состав Предварительное разделение материалов на комплексе, при формировании массива, использование вяжущих на основе складируемых материалов

Массивы для захоронения отходов Подземное захоронение токсичных материалов Фильтрационные сорбционные свойства, пластичность, химическая устойчивость, прочность Использование пластичных, водонепроницаемых массивов, введение сорбентов, гидрофобизато-ров, вяжущего. Захоронение в рассредоточенном виде или в емкостях, отстойниках

Массивы для очистки промышленных стоков Очистка воды и захоронение содержащихся в ней вредных веществ Сорбционная, фильтрационная способность, химическая устойчивость, возможность регенерации Разработка технических материалов из вторичного сырья, для сорбционной очистки вод, использование вяжущего, Песковых и породных массивов, окатышей для очистки вод от взвесей

Леонтьев A.A., Бессонов И.И. Утилизация отходов горно-металлургических комбинатов.. ТП - техногенные пустоты; ТМ - техногенные материалы; ТО - техногенные образования.

Таблица 3. Направления использования промышленных отходов горнорудных предприятий Кольского региона при формировании подземных техногенных образований

Техногенные Функции, выполняемые подземным ТО, состав массива

материалы Закладочный Подземное Техногенное Массив для Массив для за-

массив хранилище месторождение очистки промстоков хоронения токсичных веществ

1 2 3 4 5 6

Медно-никелевое производство

Хвосты ОФ Серпентинито- Неизмененные Металлосодер- Серпентинито- Изоляционный

вое вяжущее (1), или обедненные жащая часть вый сорбент (1) массив из тон-

пластификатор ХОФ (1) ХОФ, выделен- ких фракций

(вода флотации, ная по плотнос- ХОФ с сорбен-

тонкие фракции ти и крупности том

ХОФ), заполни-

тель

Гранулиро- Шлакощелоч-ное ТО из неизме- Металлосодер- Шлакощелоч- Массив с шлако-

ванный шлак (1,3) и шла-ко- ненного шлака жащая часть ной сорбент, щелочным

цементное

вяжущее,

заполнитель

Кек нейтра- Добавка к - - - Вредный

лизации вяжущему

Редкометалльное производство

Хвосты ОФ Добавка к вяжу- Неизмененные Нефелин-эвдиа- Нефелиновый -

щему, запол- или обедненные лит-, эгирин- и сорбент

нитель

Железорудное производство

Хвосты Заполнитель(Т) Неизмененные Металлосодер- Фильтрацион- -

ОГОКа ХОФ

Хвосты Заполнитель (1) Неизмененные Апатит-, форс- Фильтрацион- -

МОФ, АБОФ ХОФ

Маложелези- Заполнитель(Т) Неизмененные Апатит-, магне- Вермикулито- -

стые и апа- руды

тит-штаффе- лит-, вермику-

литовые ру- литсодержащее

ды сырье

Сиштоф Сырье для получения цемента, заполнитель

Слюдяное производство

Сливы ВОФ, Заполнитель (1) Неизмененные Вермикулит- Вермикулито- Массив с вер-

бедные вер- или обедненные флогопит- и вый сорбент (2) микулитовым

микулитовые ХОФ

руды щее сырье

Апатито-нефелиновое производство

Хвосты АНОФ Заполнитель

1 2 3 4 5 6

Вскрыша и проходка выработок

Скальные породы Крупный заполнитель (1) Породный массив (4) Забалансовые руды (4) Фильтрационная загрузка (1) -

Карбонат-ные породы Добавка к вяжущему, крупный заполнитель

Теплоэнергетика

Золошлако-вые смеси Добавка к вяжущему, заполнитель

Т - имеются теоретические разработки; 1 - проведены лабораторные эксперименты; 2 - выполнены опытно-промышленные работы; 3 - разработаны ТЭО технологии; 4 - внедрено в производство.

6. Составы технических материалов

Оптимизация составов твердеющих растворов на основе местных отходов производства, не отвечающих строительным нормам, осуществляется в направлении: обоснования гранулометрического и минералогического состава заполнителя; выбора рациональных типов и расходов поверхностно-активных веществ (ПАВ) и способа обработки приготовленных растворов. Принимаются во внимание ограничения на реологические, фильтрационные и прочностные характеристики закладки: вязкость менее 1.0-1.5 Пас; предельное напряжение сдвига менее 100 Па; коэффициент фильтрации от 0.02 до 0.5 м/ч; прочность на сжатие от 0 до 5 МПа; компрессионная усадка от 3 до 10%. Разработана компьютерная программа, предназначенная для формирования баз данных, автоматизации расчетов и анализа информации с целью принятия обоснованного решения при оптимизации составов и свойств композитных материалов. Программа включает: блок ввода исходной информации; блоки расчетов состава и свойств композитных материалов; систему формирования и управления базами данных; блок вывода информации.

7. Поверхностно-активные вещества и активизация твердеющих растворов

Изучено влияние гидрофильных, гидрофобных и ускоряющих добавок на свойства твердеющих смесей различного состава. Разработан состав и способ приготовления закладочных смесей на основе абразивных материалов высокой плотности. Положительный эффект достигается за счет использования ПАВ и пневмоактивации. Обоснованы тип и расход ПАВ для смесей на основе мелкофракционных хвостов медно-никелевых руд и эгиринполевошпатовых хвостов редкометалльных (лопаритовых) руд.

8. Интенсивность твердения закладочных массивов

Разработана методика обоснования составов и интенсивности набора нормативной прочности закладочных массивов для участков месторождения с различными горно-геологическими условиями. Выбор составов закладки производится по минимуму затрат на формирование искусственного массива заданной прочности и затрат, обусловленных величиной активного фронта горных работ для используемой технологии добычи руды.

9. Технология добычи руды с закладкой выработанного пространства

На рудниках региона проводятся работы по совершенствованию систем разработки с закладкой параметров трубопроводного транспорта закладочных смесей и по оценке физико-механических свойств возведенных искусственных массивов различного состава, их экологичности. Внедрены следующие

разработки института: технология добычи руды и состав закладочного материала на руднике "Каула-Котсельваара", где эксплуатировались два подземных закладочных комплекса; технология добычи и состав закладочной смеси, участие в проектировании поверхностного закладочного комплекса на руднике "Северный"; технология добычи и составы закладочных материалов, участие в проектировании поверхностного закладочного комплекса на руднике "Умбозеро" АО "Севредмет". Проведены предпроектные исследования по технологии ведения закладочных работ на руднике "Ковдор" АО Ковдорслюда. На составы закладочных материалов и технологию ведения закладочных работ получено 5 авторских свидетельств.

10. Технологические процессы при формировании техногенных массивов в подземных выработках

На горнорудных предприятиях Кольского региона эксплуатировалось 4 завода (закладочных комплекса) по приготовлению и транспортировке технических закладочных материалов в подземные пустоты рудников:

- два поверхностных закладочных комплекса производительностью по 150 тыс.м3/год;

- два подземных комплекса производительностью по 30 тыс.м3/год.

Проектирование и промышленные испытания комплексов производились с участием Горного института. Схемы цепи аппаратов комплексов предусматривают использование сыпучих материалов (гранулированных шлаков, песков и т.п.) и пульпообразных промышленных отходов (хвостов обогащения).

Для формирования техногенных массивов в технологической схеме закладочных комплексов предусмотрено оборудование для выполнения следующих операций: доставка и складирование исходных материалов, дозировка, измельчение, приготовление растворов ПАВ и вяжущего, обезвоживание пульп, перемешивание и активация, транспортирование смеси в отработанные пустоты, обезвоживание (дренаж) сформированного массива. Технологический цикл включает (Леонтьев и др., 1987):

- доставку исходного сырья, которая осуществляется железнодорожным (гранулированные шлаки) и автомобильным (пески, порода) транспортом. Материалы складируются в открытых складах и в подземных бункерах. Транспортирование пульпообразных промышленных отходов осуществляется насосами типа ГР по трубопроводу 0219 мм. Пульпа поступает в аккумулирующие зумпфы закладочного комплекса объемом 2x25 м3;

- дробление крупнофракционных материалов осуществляется конусными дробилками ККД1500/180 (1 стадия), КСД-2200Б (2 стадия), КМДТ-2200 (3 стадия). Производительность линии 500 тыс. т/год. Новым направлением в переработке крупнофракционных материалов является использование дробилок-насосов, в частности, конструкции НИИКМА, имеющих производительность до 100 м3/ч;

- для обезвоживания пульпообразных отходов производства используются конусные классификаторы (гидроциклоны) ГЦ диаметром 500 мм в цепи с приемным зумпфом и центробежным насосом. Количество твердого в питании и на выходе составляет соответственно 10-15% и 65-70%. Обезвоживание крупнозернистых отходов производства осуществляется спиральными классификаторами до влажности 17% с производительностью до 100т/ч. Глубокое обезвоживание тонких песков осуществляется в дисковых, барабанных и ленточных вакуумфильтрах (ДУ68-2.5, ДУ100-100-2.5, БОУ 100-4 и др.). Производительность установок 2050 т/ч, количество твердого на входе и на выходе составляет соответственно 50-70% и 90-93%;

- процесс измельчения, необходимый для приготовления активных добавок и оптимизации гранулометрического состава заполнителей композитных материалов, осуществляется на шаровых мельницах МШР-27-36 производительностью 30-50 т/ч, МЩЦ-15-31 производительностью 10-20 т/ч. В зависимости от свойств измельчаемого продукта содержание твердого при помоле составляет от 70-80%;

- дозировку исходного сырья в соответствии с ГОСТом с точностью ±2% для вяжущего и ±3% для заполнителей и воды. Наиболее качественное дозирование сыпучих материалов обеспечивается весовыми дозаторами типа ЛДА-12-130с, ДН-1000, конвейерными весами ЛТМ-1. При дозировании цемента используют весовые дозаторы СБ-71, С-864 и СБ-39А. Для дозирования растворов ПАВ и воды используются диафрагменные расходомеры ДСС, водомеры типа ВВ-100, УВК, СТВ, ВТ и в ряде случаев РЭД. Плотность смеси контролируется радиоизотопными приборами ПР-1024в, а производительность комплекса - электромагнитными расходомерами;

- с целью регулирования физико-механических и фильтрационных характеристик формируемых массивов применяются химические добавки ПАВ, которые вводятся в смесь в виде водного раствора 3-5% концентрации. Специализированная линия приготовления ПАВ включает два растворных бака емкостью 2x20 м3 с импеллерами и разделительными решетками, насосы и расходный бак емкостью 1 м3, оборудованный системой стабилизации уровня и расходомером. Добавки ПАВ оказывают гидрофилизующее, гидрофобизующее или комплексное действие на поверхность минеральных зерен. В отечественной практике используются в основном суперпластификаторы, лигносульфонаты, соли из древесной смолы. На их основе готовятся стандартные добавки СП, ЛСТМ, СДО, СНВ, СДБ и ряд других. В большинстве своем они являются анионоактивными. Особое место среди ПАВ занимают добавки воздухововлекающего действия, которые широко используются для приготовления строительных бетонов за рубежом;

- для повышения однородности сформированного массива стандартные вяжущие вводятся в смесь в виде пульпы, подготавливаемой репульпатором. Он представляет собой емкость 1-2 м3, оборудованную импеллером со скоростью вращения 150-300 мин-1. Плотность пульпы вяжущего на выходе репульпатора составляет 1.5 т/м3;

- стабилизация свойств и однородности композитных материалов достигается за счет перемешивания и активации смеси. Перемешивание осуществляется в барабанном смесителе СБ-109 производительностью 120 м3/ч или двухвальном лопастном смесителе С-543, С-780 и С-892. Активация смеси производится в турбулентных смесителях (АС-12) или в разработанном в ГоИ КНЦ РАН пневмоактиваторе. Последний представляет собой емкость объемом 1 м3, оборудованную пневмоэжекторами;

- транспортирование композитных материалов осуществляется по трубопроводам 0159-219мм в самотечном, самотечно-пневматическом, порционно-пневматическом режимах с производительностью 20-120 м3/ч. Для обеспечения надежности процесса разработана и внедрена система сигнализации и контроля параметров транспортирования (Леонтьев и др., 1987). Трубопровод оборудуется пневмоврезками, датчиками давления, водяными врезками с электроклапанами. Способы транспортирования (за исключением порционно-пневматического) пригодны для подачи пластичных смесей в подземные пустоты, когда имеется вертикальный участок трубопровода. При подаче жестких смесей или при отсутствии перепада высот используются пневмонагнетатели УБ-1 производительностью 20-30 м3/ч, поршневые бетононасосы, например УНБ, БН-65 или насосы фирмы Putzmeister (ФРГ) BSA или TS производительностью 50-150 м3/ч. Длина транспортирования смеси пневмонагнетателями составляет 300-400 м, насосами - до 1 км и более. Транспортирование пульп с низким содержанием твердого (хвостов ОФ от фабрики до закладочного комплекса) осуществляется центробежными насосами ГР на расстояние 600-800 м. Содержание твердого в пульпе не превышает 15-20%;

- закладочный массив в подземных пустотах формируется литым (однородные твердеющие смеси), раздельным (гравитационный или гидростатический пролив крупнофракционного материала, гравитационное или вибропогружение, инъекционное нагнетание), полураздельным (одновременная подача или с предварительным перемешиванием или последующей планировкой) способами или сыпучими материалами (Леонтьев, Бессонов, 1995). Для обезвоживания сформированных массивов в них устраиваются дренажные системы различных типов (перфорированные трубы, дренажные перемычки и колодцы, породные бурты и т.п.).

В результате работы закладочных комплексов в подземных пустотах рудников формируются техногенные массивы, прочностные, компрессионные и фильтрационные характеристики которых обеспечивают возможность ведения подземных горных работ по добыче руды, безопасность поддержания выработанного пространства и земной поверхности. В связи с использованием разнообразного по свойствам нестандартного местного сырья и отходов производства требуется выполнение работ по совершенствованию составов технических материалов и определению параметров технологических процессов при их приготовлении и транспортировании.

11. Заключение

Таким образом, комплексное использование техногенных образований и пустот позволяет решать разносторонние задачи повышения полноты извлечения сырья и экологической безопасности технологии подземной разработки месторождений. За счет формирования искусственных целиков создаются условия для создания подземных хвостохранилищ и техногенных месторождений. Имеются материалы, пригодные для очистки шахтных вод и захоронения отходов. Следовательно,

отсутствуют препятствия для создания единой схемы экологически безопасного горного производства с минимальным количеством поверхностных сооружений, хранилищ и коммуникаций. Каждое звено технологической цепи может быть реализовано, и исследования в этом направлении продолжаются с целью комплексного решения проблемы экологической безопасности для условий конкретных подземных рудников.

Литература

Леонтьев A.A., Бессонов И.И. Перспективы подземной утилизации отходов добычи и переработки

руд на горных предприятиях Кольского полуострова. ЦМ, N.9-10, с.1-9, 1995. Леонтьев A.A., Конохов В.П., Бессонов И.И. Методическое руководство по выбору составов

закладочных материалов на рудниках ГМК "Печенганикель". Апатиты, 53с., 1987. Леонтьев A.A., Конохов В.П., Бессонов И.И. Методическое руководство по технологии ведения закладочных работ на рудниках ГМК "Печенганикель". Апатиты, 70с., 1987.