Развитие классификаций техногенного сырья горных предприятий и обоснование технологий его активной утилизации

© М.В. Рыльникова, И.Х. Ахмсдьянов, К.А. Аверьянов, В.А. Ангелов, 2012

УДК 622:.004.82

М.В. Рыльникова, И.Х. Ахмедьянов, К.А. Аверьянов, В.А. Ангелов

РАЗВИТИЕ КЛАССИФИКАЦИЙ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ЕГО АКТИВНОЙ УТИЛИЗАЦИИ*

Систематизация знаний о техногенных образованиях направлена, прежде всего, на формирование нормативно-правовой и законодательной базы обращения с отходами, повышение эффективности использования ресурсов недр Земли и на обоснование перспективных направлений формирования и разработки техногенных месторождений в полном цикле комплексного освоения недр для создания более эффективных, энерго- и ресурсосберегающих геотехнологий. Уточнены базовые понятия: техногенные минеральные объекты, техногенное минеральное образование, техногенное месторождение. Определены основные направления развития технологий активной утилизации техногенного сырья.

Ключевые слова: отходы, техногенное образование, вещественный состав, технологические свойства, технологии активной утилизации, складирование, хранение, разработка, переработка.

При систематизации георесурсов выделены три категории: природные (геогенные) — запасы природного минерального сырья, природные полости и ландшафты, сформированные в результате генетических процессов в недрах Земли; техногенные — запасы техногенного минерального сырья, содержащегося в отходах, а так же техногенные полости и ландшафт; природно-техногенные — вскрытые и оставленные в недрах запасы ввиду некондиционности сырья и по условиям безопасности, а так же полезные ископаемые в зонах обрушения, в закладке в выработанном пространстве недр.

В результате ухудшения качества руд вовлекаемых в эксплуатацию месторождений, накопление на поверхности Земли значительного количест-

ва отходов горно-перерабатывающих производств, объем которых постоянно растет, проблема их активной утилизации с комплексным извлечением ценных компонентов становится все более актуальной.

Техногенные минеральные образования — условные выделенные в пространстве и накопленные на поверхности Земли или в недрах в пределах горного отвода в достаточном количестве для промышленного освоения техногенные минеральные ресурсы, образовавшиеся в результате отделения их от массива и складирования в виде отходов горного, обогатительного и металлургического (химического) производств. Это — скопление на поверхности, либо в природных или техногенных полостях в недрах Земли, гидросфере или атмосфере твер-

* Исследования выполняются при поддержке Минобрнауки России

дых, жидких, либо газообразных веществ, созданных в результате производственной деятельности человека в сфере недропользования.

Потенциальная промышленная ценность таких объектов, как правило, не ясна. Для ее установления требуется проведение специальных геологических и технологических работ.

После проведения подобных исследований нахождение эффективной технологии разработки техногенных образований и переработки сырья с проведением соответствующего технико-экономического обоснования техногенные образования переводятся в категорию техногенных месторождений.

Техногенные месторождения — скопление минеральных веществ на поверхности Земли или в горных выработках, образовавшееся в результате их отделения от массива и складирования в виде отходов горного, обогатительного, металлургического, или иного производства и пригодное по количеству и качеству для эффективного промышленного использования (для извлечения металлов и других полезных компонентов, приготовления закладочных смесей, получения топлива и стройматериалов).

По признаку формирования техногенные месторождения разделены на две основные категории: техногенные месторождения, созданные без учета последующего освоения и формируемые с заданными технологическими характеристиками и параметрами для последующей эксплуатации. Предпочтительность второй категории очевидна, так как заблаговременное формирование требуемых характеристик вещественного состава, структурного строения и технологических свойств сырья обеспечивает условия успешного освоения техногенных образований в будущем. Ос-

воение техногенных месторождений первой категории весьма проблематично ввиду разнородности массива складированных отходов, невыдержанности вещественного состава и структуры, а также присутствия в них крупнокусковых фракций горных пород, минерального сырья с существенно различными физико-механическими свойствами, инородных металлических предметов (зубья ковшей экскаваторов, буровые долота, рельсы и т.п.).

Для эффективного изучения и проектирования технологических схем складирования сырья техногенные образования — отходы горно-перерабатывающего производства разделены на две группы:

I. Отходы добычи полезных ископаемых. К ним относятся вскрышные и вмещающие породы, забалансовые и некондиционные руды, отходы радиометрической сепарации и пр. Эта группа отходов представлена невыдержанным по гранулометрическому составу крупно-, средне- и мелкокусковым материалом. Это — добытое, но временно не используемое минеральное сырье, которое необходимо эффективно складировать с сохранением свойств для дальнейшего вовлечения в переработку. Техногенные отходы добычи полезных ископаемых обычно размещают в отвалах.

Отходы добычи руд по их составу, экологическому воздействию разделяются на две подгруппы:

а) отходы, слабо разрушающиеся при складировании, хранении и добыче. Примером отходов этой подгруппы являются отходы, образованные при добыче железных руд, нерудного минерального сырья. Эти горные породы устойчивы к процессам выветривания и окисления и обычно не содержат экологически вредных веществ;

б) отходы, сложенные быстрораз-рушающимися и окисляющимися минералами в ходе складирования и хранения под воздействием техногенных и природных процессов.

Техногенное сырье этой подгруппы представлено отходами предприятий по добыче полиметаллических и медно-колчеданных руд, которые достаточно быстро подвергаются процессам окисления и выветривания. При этом процессе происходит разрушение первичных пород со сложными превращениями их в глинисто-щебенистый агрегат и выносом металлов в окружающую среду. В зависимости от минерального состава сульфидной вкрапленности в воды и почвы выносятся медь, свинец, висмут, мышьяк, сурьма и другие, вредные для природной среды тяжелые металлы. Возможность использования техногенных образований этого типа, после длительного хранения (25—60 лет), является ограниченной и малоперспективной. Поэтому такие отходы следует оценивать, в первую очередь, как источники повышенной экологической опасности и лишь затем как объекты возможной экономически выгодной утилизации.

II. Отходы переработки рудных полезных ископаемых. Эти отходы представлены, преимущественно, тонкодисперсным шламистым материалом, который отличается от природного не только по гранулометрическому составу, но нередко и по содержанию целого ряда химических веществ и новообразований, возникших в процессе переработки и хранения минерального сырья.

Такие отходы представляют собой измельченную массу из тонкодисперсного материала с водонасыщени-ем до 20-50 %, плотностью 2,5-4,6 г/см , с содержанием глинистых частиц до 50 %. Для них характерна бес-

структурность, высокая водопроницаемость и склонность к пылеобразо-ванию.

В зависимости от крупности хвостовые отложения разделяются на крупнозернистые (с диаметром частиц более 0,5 мм свыше 50 %), средне-зернистые (с диаметром частиц 0,50,25 мм свыше 50 %), мелкозернистые (с диаметром частиц 0,25-0,1 мм свыше 75 %) и пылевидные (с диаметром частиц менее 0,1 мм меньше 75 %).

Рациональное размещение сооружений для складирования дисперсных отходов обогащения должно предусматривать: мероприятия по защите окружающей среды с минимальными затратами на строительство и эксплуатацию хранилищ. Технология складирования тонкодисперсного сырья предусматривает проведение операций обезвоживания, грануляции и окомкования, поризации массива, химического, либо биоокисления.

Место для расположения техногенного образования выбирается так, чтобы свести к минимуму возможность загрязнения окружающей среды и вероятность возникновения аварийных ситуаций. При выборе площадки расположения техногенного образования учитываются топографические данные района, гидрологические характеристики водотоков и инженерно-геологические условия.

Технологии складирования техногенного сырья в зависимости от направлений его активной утилизации, возможностей последующей разработки и перспектив использования разделена на 4 класса (рис. 1).

1. Складирование вмещающих пород, не имеющих товарного спроса, обезвоженных хвостов обогащения руд в выработанном пространстве карьера и подземного рудника для утилизации с целью сокращения отхо-

Рис. 1. Направления активной утилизации техногенного сырья в полном цикле комплексного освоения рудных месторождений

дов на поверхности, решения вопросов управления состоянием подрабатываемого подземными выработками и карьером массива и повышения устойчивости горных конструкций, рекультивации поверхности.

Это технологическое направление включает решение вопросов обезвоживания техногенного сырья, его доставки и складирования в выработанные пространства рудников, изоляции близлежащих подземных выработок, гидроизоляции для предотвращения загрязнения окружающей среды, рекультивации поверхности для исключения пылеобразования и сохранения природного ландшафта.

2. Создание в выработанном пространстве карьеров и подземных рудников техногенных месторождений с заданными технологическими характеристиками для их освоения в долгосрочной перспективе.

Реализация этого направления предполагает формирование горнотехнической конструкции — емкости для складирования техногенного сырья с основаниями, перегородками, дамбами, площадками, откосами с заданными геометрическими параметрами, обеспечивающими эффективную эксплуатацию техногенного месторождения в будущем. Складирование техногенного сырья в выработанном пространстве предполагает направленное изменение влажности и механических характеристик, раздельное размещение отходов различного качества, обеспечение заданной структуры массива, например, путем поризации, создания условий для вторичной минерализации и интенсификации процессов окисления, путем введения химических и биологических агентов и т.д.

3. Формирование в выработанном пространстве карьеров, подземных камер, на поверхности и техногенных ландшафтах техногенных месторождений в краткосрочной перспективе. Технология предусматривает обезвоживание тонкодисперсного сырья, его окомкование, дробление и грохочение крупнокусковых фракций отходов с оптимизацией грансостава отдельных фракций при укладке в техногенные образования, обеспечение требуемых фильтрационных характеристик формируемых массивов, условий для их орошения и сбора продуктивных растворов. Эксплуатация техногенного месторождения предпочтительна методами кучного выщелачивания с оптимизацией состава рас-

Оценка ресурсной ценности техногенного сырья

I 1

О 1 гс

ш а

Ю § °

5 гс -О

га с

1 ^

£

к V 2

1 £ ге О

а о 5 I

а ш

£ 0 е- х

Г

Пригодные

Вовлечение 8 переработку

Формирование объектов кучного и подземного выщелачивания с оптимальными параметрами

Складированиева временный склад с сохранением качества

Перспективные

Создание ТО с заданными технологическими характеристиками

Непри! одные

> (

Селективное складирование по физическими ,_ш1мим£.скимтожта1У1 ^

Обеспечение возможности внутримассивного обогащения

С извлечением ценныхкомпонентов

Утилизация нцикле комплексного освоения рудных месторождений

I.

I

Использование в |

качестве строительных

материалов Безизвлечения ценных компонентов

1 I

П

Рис. 2. Структурная схема выбора технологии формирования техногенного образования

творителя, технологии и режима его подачи, реализации технологий интенсификации процессов извлечения ценных компонентов.

4. Разработка техногенных образований прошлых лет с формированием на их основе техногенных месторождений с заданными характеристиками вещественного состава, структуры, технологических свойств сырья для последующей эффективной эксплуатации. Технологические решения базируются на детальном геолого-технологическом изучении техногенного сырья с установлением закономерностей зонального распределения ценных компонентов, изменения физико-механических характеристик и структуры массивов по глубине и площади техногенного образования. На базе таких исследова-

ний производится выбор технологии добычи техногенного сырья, осуществляется выбор технологии его разделения методами сепарации, оценивается целесообразность переработки того или иного вида лежалых отходов методами обогащения, чанового, автоклавного, либо кучного выщелачивания.

Размещение каждого вида техногенных отходов должно предусматривать его раздельное складирование, подготовку, транспортирование отходов и т.д., в полной мере учитывающие физико-механические, химические и технологические свойства отходов в соответствии со спецификой технологии их дальнейшей переработки.

В соответствии с этим выбор технологий активной утилизации техногенного сырья предложено осуществлять

по критерию ресурсной ценности с учетом рассмотренных классификаций техногенного сырья, в соответствии с алгоритмом, представленном на рис. 2.

Выбор технологической схемы формирования техногенного образования на основе отходов добычи и переработки руд определяется с учетом вида сырья, его гранулометрического состава, закономерностей изменения вещественного состава в процессе хранения под воздействием природных факторов и активных агентов.

Обоснование параметров технологий формирования и эксплуатации

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

техногенных образований при активной утилизации техногенного сырья следует производить на начальной стадии проектирования полного цикла комплексного освоения рудных месторождений. Включение в проект технологий активной утилизации некондиционного сырья позволяет экономить природное минеральное сырье за счет использования техногенного, получать дополнительную товарную продукцию, сократить площади отчуждаемых под различного рода хранилища земель, улучшить экологическую обстановку в регионе добычи. Етгге

Рыльникова Марина Владимировна — профессор, доктор технических наук, главный научный сотрудник ИПКОН РАН, rylnikova@mail.ru

Ангелов Валерий Андреевич — аспирант, Магнитогорский государственный технический университет им Г.И. Носова, е-mail: Angelov.Valerii@mail.ru, Ахмедьянов Ильяс Харисович — технический директор ОАО «Учалинский ГОК», Аверьянов Константин Анатольевич — аспирант, Магнитогорский государственный технический университет им Г.И. Носова.

- РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ БВР И ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ВЗРЫВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И ОБОГАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ С УЧЕТОМ ПРОЦЕССА ИХ ВЗРЫВОМАГНИТНОЙ ДЕСТРУКЦИИ (№891/05-12 от 17.02.12, 71 с.) Анисимов В.Н. — кандидат технических наук, президент НПЦ «Экоресурсы», e-mail: anisimov28@mail.ru.

Представлена методика проектирования БВР и руководство для составления проектов (паспортов) буровзрывных работ при разработке не окисленных железистых кварцитов и других минералов при взрывной рудоподготовке различных сложноструктурных массивов полиметаллические месторождений.

Ключевые слова: буровзрывные работы, железистые кварциты, сложноструктурные массивы горных пород, измельчение, рудоподготовка.

DESIGN FOR DRILLING AND BLASTING OPERATION PARAMETERS AND ASSESSMENT OF BLAST IMPACT ON GRINDING AND CONCENTRATION INDEX OF FERRUGINOUS QUARTZITE CONCIDERING THE PROCESS OF THEIR EXPLOSION-MAGNETIC DESTRUCTION

Anisimov V.N.

We have submitted here the methodology for drilling and blassting design as well as the manual to draw up documentation papers for blasting and drilling operations while dealing with non -oxidized ferruginous quartzite and other minerals in ore blasting process of different complex -structure massif of polymetal deposits. The metodology reccomends how to organize drilling and blasting operations at open pit and underground mines so that blasting can bring about the maximum effect in weakening of intergrained bonds in ferruginous quartzite and other minerals in order to to help reduce energy cosuption in futher process of grinding, to help maximized opening of mineral grains and geological safety in mining.

Keywords: drilling and blasting operations, ferruginous quartzite, complex-structure massif, grinding, ore blasting process.