4. техногенные месторождения полезных ископаемых
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Грановская Н.В., Наставкин А.В., Мещанинов Ф.В. ТЕХНОГЕННЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Ростов-на-Дону 2013 Научно-образовательный курс «Техногенные месторождения полезных ископаемых» разработан сотрудниками кафедры месторождений полезных ископаемых, кандидатами геолого-минералогических наук — доцентом Н.В. Грановской, доцентом А.В. Наставкиным, старшим преподавателем Ф.В. Мещаниновым. Ответственный редактор доктор геол.-мин. наук М.И. Гамов Рецензент канд. геол.-мин. наук, доцент Б.В. Талпа Печатается в соответствии с решением кафедры месторождений полезных ископаемых геолого-географического факультета ЮФУ, протокол № 1 от 04 сентября 2013 г. Рассмотрено и рекомендовано к печати на учебно-методическом совете геолого-географического факультета, протокол № 1 от 18 сентября 2013 г. 2 Аннотация Грановская Н.В., Наставкин А.В., Мещанинов Ф.В. Техногенные месторождения полезных ископаемых. - Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2013. - 93 с. В научно-популярной форме приводятся интересные сведения о техногенных месторождениях полезных ископаемых, которые в результате производственной деятельности человека накопились в окружающей среде. Брошюра рассчитана на широкий круг читателей — от школьников старших классов и их учителей до студентов и аспирантов, изучающих науки о Земле. Она будет полезна студентам (специалитет, бакалавриат и магистратура) и аспирантам при освоении отдельных разделов дисциплин «Промышленные типы месторождений полезных ископаемых», «Техногенные месторождения», а также всем, кого интересует природа, кто увлекается геологией и экологией. Табл. 2, ил. 1, библ. - 42 назв. 3 СОДЕРЖАНИЕ Введение 5 1. Общие сведение о техногенных месторождениях 7 2. Современные потребности народного хозяйства и 12 невозобновляемость минеральных ресурсов 3. Условия формирования техногенных месторождений 22 4. Техногенное минеральное сырье на предприятиях черной 33 металлургии 5. Техногенное минеральное сырье на предприятиях цветной 43 металлургии 6. Техногенное сырье на предприятиях горной химии 52 7. Техногенное сырье на предприятиях угольной 55 промышленности и энергетики 8. Методы геологического изучения и оценки техногенных 67 месторождений 9. Геолого-технологическое картирование как ведущий метод 73 исследования техногенных месторождений 10.Методические особенности изучения углесодержащих отходов 79 как сырья для промышленного использования Литература 89 4 ВВЕДЕНИЕ Учебная дисциплина «Техногенные месторождения полезных ископаемых» является сравнительно новым направлением геологической науки, развивающим «Учение о месторождениях полезных ископаемых» и предлагается для студентов геологических специальностей. Цель преподавания дисциплины — изучение особенностей и проблем освоения месторождений, созданных в процессе производственной деятельности человека. Задачи изучения дисциплины: - получение общих представлений о современных потребностях народного хозяйства в полезных ископаемых; - изучение экологических проблем горного производства; - изучение условий формирования и накопления техногенных ресурсов; - получение представлений об использовании попутных продуктов, отходов и вторичных ресурсов горного производства; - знакомство с новыми видами и нетрадиционными источниками минерального сырья; - освоение методов геологического изучения и оценки техногенных месторождений. Для изучения данной дисциплины студентами необходимо освоение дисциплин «Горные машины, буровзрывные работы и проведение горноразведочных выработок», «Промышленные типы месторождений», а также «Кристаллография и минералогия», «Минераграфия», «Петрография», «Общая геохимия», «Лабораторные методы изучения минерального сырья (рудных, нерудных и горючих п.и.)». Трудности изучения дисциплины связаны с его относительной новизной. Так, всё еще не создана единая стройная теория формирования техногенного 5 минерального сырья и нет общей классификации месторождений, образующихся в процессе производственной деятельности человека. Большинство разработок в этой области до сих пор носят территориальный характер. В представленном научно-образовательной курсе освещаются наиболее важные особенности и проблемы освоения техногенных месторождений, обобщаются данные ведущих ученых-геологов, технологов и экономистов. 6 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ К началу XXI века перед человечеством остро встал вопрос о необходимости обеспечения условий для рационального использования недр и охраны окружающей среды. Это связано с рядом причин: 1) ростом масштабов добычи и потребления минерального сырья; 2) истощением запасов богатого минерального сырья, ухудшением его качества, увеличением себестоимости и необходимостью освоения ресурсов с более бедными содержаниями главных компонентов; 3) усилением отрицательного воздействия горного производства на биосферу, гидросферу и атмосферу. Поэтому освоение ресурсов, созданных и накопленных не только природой, но и человеком, является важнейшей частью программы комплексного использования минерального сырья и создания безотходных технологий. Требование бережного отношения к невозобновляемым минеральным ресурсам имеет не только этический характер, то есть связано с заботой о будущих поколениях. Полное вовлечение в промышленный оборот природных и техногенных ресурсов минерального сырья и топлива является источником повышения экономической эффективности всего цикла работ геологической, горнодобывающей и горно-перерабатывающей отраслей. В настоящее время общемировая добыча горнорудного сырья и топлива значительно превзошла 150 млрд. т в год с полезным содержанием менее 8% от исходной массы. Ежегодно в странах СНГ складируется в отвалах около 5 млрд. т вскрышных пород, 700 млн. т хвостов обогащения и 150 млн. т золы. Из них далее в народном хозяйстве используется не более 2-4%. Всего в отвалах горнодобывающих предприятий Российской Федерации накоплено более 40 млрд. т отходов. 7 Вместе с тем истощаются запасы богатого природного сырья и увеличиваются масштабы освоения ресурсов с более бедным содержанием полезных компонентов. Расширяются сферы использования минерального сырья. То, что вчера рассматривалось как горная порода, сегодня, благодаря открытию новых ее потребительских свойств и технологий, становится полезным ископаемым. Общая тенденция полноты использования недр, растущие возможности использования вторичного сырья и различного рода заменителей позволяют говорить о практической неисчерпаемости абсолютного большинства видов минеральных ресурсов на обозримую историческую перспективу. Расширение масштабов горного производства оказывает неблагоприятное влияние на окружающую среду: изменяются природные ландшафты, занимаются отвалами плодородные земли, отходами (часто токсичными) засоряются воздух, вода, почва. Для сохранения лика Земли и выживания современному человечеству необходимо научиться у природы осуществлять полный круговорот вещества. А это значит — научиться максимально полному использованию всех минеральных веществ, извлеченных из недр, и утилизации всех видов промышленных и бытовых отходов. Поэтому курс «Техногенные месторождения полезных ископаемых» является актуальным и необходимым для будущих специалистов – горных инженеров-геологов. Основные понятия, определения, термины Месторождение полезного ископаемого — участок земной коры с определенным геологическим строением и природным скоплением полезного ископаемого, которое в количественном и качественном отношении может быть 8 предметом промышленной разработки при данном состоянии техники и в данных экономических условиях. В отличие от природного, техногенное месторождение — искусственное скопление полезного минерального сырья, созданное в результате деятельности человека. Минеральные ресурсы — совокупность специфических форм скопления минерального сырья (природного, техногенного), являющегося источником энергии, материалов, химических элементов и соединений, отвечающих требованиям технической возможности и экономической рентабельности добычи, переработки и транспортирования, экологической допустимости разработки и использования, благоприятности социально-политической и международноэкономической ситуации. Рациональное использование минеральных ресурсов — система мероприятий научного, производственно-технического и организационного характера, обеспечивающих полное и комплексное использование полезных ископаемых, вмещающих пород и отходов производства (при разведке, добыче, переработке и на всех последующих стадиях) для удовлетворения потребностей общества. Металлургия — важнейшая отрасль тяжелой промышленности, включающая добычу, обогащение руд, производство и обработку металлов и их сплавов. Горное производство — производство, включающее предприятия, добывающие, обогащающие и перерабатывающие минеральное сырье (рудное, нерудное, горючее). Горно-химическая промышленность — добыча, обогащение и первичная обработка апатитовой, фосфоритной руд, природных калийных солей, руд, содержащих серу, бор, мышьяк, барий, а также получение йода и брома. 9 Энергетика — область народного хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии; важнейшая часть энергетики — электроэнергетика. Отходы горного производства — неиспользующаяся минеральная часть горного производства, складирующаяся в отвалы, хвостохранилища, шламонакопители. Основной продукт (целевой) горного производства — продукт, для получения которого планируется конкретный процесс (например, медный концентрат, апатитовый концентрат). В некоторых процессах он является единственным. Побочный (или попутный) продукт горного производства — вещество, получаемое при производстве основного продукта, которое тоже имеет промышленное применение. Например, при обогащении медных руд попутно извлекают свинец, цинк, редкие металлы, кварцевый и полевошпатовый концентраты. Конечный продукт горного производства — продукт, образующийся после того, как исходное вещество примет участие в нескольких процессах (дроблении, промывке, флотации, сепарации, плавлении). Так, конечным продуктом железорудного производства являются чугун и сталь. Вторичное минеральное сырье — техногенное сырье, получаемое из отходов данной отрасли промышленности, но имеющее промышленное применение в других отраслях, а также получаемое из отходов, переработанных по усовершенствованным технологиям с целью более полного извлечения основного и попутных полезных компонентов. Термин часто применяется только к отходам последующих (после первичного обогащения) стадиям переработки исходного минерального сырья (на металлургических и химических заводах, электростанциях). Однако, он имеет и более широкий смысл, так как общепринятое словосочетание «использование отходов производства» не совсем 10 верно, потому что «отходы» — это ненужные продукты. Во избежании путаницы в терминологии целесообразно употреблять термины — «техногенные минеральные ресурсы», «техногенное минеральное сырье». Хотя в широком смысле к техногенным ресурсам многих видов металлов относятся не только минеральные продукты горного производства, а также вторсырье. В последние годы, особенно за рубежом, важным источником многих металлов (железа, алюминия, меди, свинца, олова, вольфрама, редких и рассеянных элементов) являются промышленный лом, стружка, пыль, шлаки, шламы, изгари различных производств металлических изделий. Например, Япония весь свой цинк, 45% свинца, 44% меди получает из вторсырья; почти такие же показатели по свинцу и меди у Германии и США. В нашей стране до сих пор еще не вовлечены в хозяйственный оборот содержащие алюминий использованные упаковки пищевых продуктов, товары бытовой химии, медикаменты; отходы вольфрама в пылях (до тысячи тонн ежегодно) от заготовки твердосплавного инструмента; оловосодержащие консервные банки; теряется большое количество отработанных аккумуляторов, во всем мира являющихся важным источником свинца. Вокруг действующих и закрывающихся рудников и шахт скапливаются огромные ресурсы вторсырья (брошенное оборудование, тара, обсадные трубы, инструменты). Использование такого рода техногенных ресурсов является также важнейшей экономической и экологической проблемой. Нетрадиционные источники минерального сырья — новые его виды, которые до последнего времени не использовались — либо из-за отсутствия технических, технологических или экономических условий для их применения, либо в силу того, что были неизвестны. Заменители минерального сырья и первичных энергоресурсов — ресурсы, обладающие сходными с заменяемыми ресурсами потребительскими свойствами. 11 2. СОВРЕМЕННЫЕ ПОТРЕБНОСТИ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА И НЕВОЗОБНОВЛЯЕМОСТЬ МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ Уровень добычи и потребления основных видов минерального сырья За всю историю человеческого развития из природной кладовой изъято свыше 160 млрд. т каменного угля, 54-63 (по разным источникам) млрд. т нефти, 30 трлн. м3 природного газа, свыше 30 млрд. т железной руды. Мировое потребление минерального сырья и важнейших продуктов его переработки за последние 50 лет почти удваивалось каждые 15 лет. Среднегодовые темпы прироста мирового использования первичных источников энергии (нефть, газ, уголь, уран) составили 4,9%, металлосодержащего сырья — 4%, нерудного сырья — 5,3%. Потребление минерального сырья в мире достигло 12 млрд. т в год (по содержанию полезного компонента). По темпам роста добычи, производства и потребления рудного сырья (начиная с 1950 г.) можно выделить следующие четыре группы: с активными темпами роста — выше 500% (алюминий, молибден); со значительными темпами — от 300 до 500% (марганец, хром); с умеренными темпами — от 200 до 300% (железо, мель, цинк, вольфрам); с вялыми темпами роста — от 100 до 200% (свинец, олово). Состояние рудной сырьевой базы России Более 70% всего, что производится в нашей стране, является продукцией горнодобывающей промышленности. Расширение потребления минерального сырья требует освоения его новых источников — природных или техногенных. 12 По увеличению темпов роста добычи рудного сырья Россия имеет следующие возможности. Железо. На территории России создана мощная сырьевая база (157 разведанных месторождений). Созданная железорудная база способна обеспечить промышленность до 2290 г. К ведущим эксплуатирующимся объектам с железистыми кварцитами, мартитами и титано-магнетитовыми рудами относятся: Курская магнитная аномалия (КМА), Костомукшское и Ковдорское (Кольский полуостров), Качканарское на Урале. Огромная сырьевая база расположена в Западной Сибири (около 2 млрд. т запасов железной руды); на юге Якутии, в Иркутской области. Основные тенденции развития железорудной горнодобывающей промышленности в ближайшее время будут связаны с эксплуатацией уже открытых крупных месторождений и созданием безотходных технологий добычи и переработки сырья. Марганец. В России известно 26 месторождений марганцевых руд. Месторождения в Республике Коми, на Урале, Усинское в Западной Сибири относятся к карбонатному типу руд, производство марганца из них является тяжелым и дорогим. Большие резервы марганцевого сырья имеются в недрах морского дна. Залежи железо-марганцевых конкреций выявлены в шельфовых зонах Черного, Балтийского, Белого, Баренцева, Карского морей. Хром. Государственным балансом РФ учитывается 24 месторождения хромовых руд, из которых 13 разрабатываются. Запасы хромовых руд в России не удовлетворяют потребностям производства. Эксплуатация месторождений в настоящее время ведется только на Урале (Сарановское месторождение; Полярный Урал). Это коренные руды в массивах ультраосновных пород и ряд россыпных объектов. Некоторые резервы хромитовых руд имеются в Архангельской области, но месторождение еще не эксплуатируется. Медь. В России разведено 121 месторождение меди, запасы которых смогут обеспечить потребности производства только на ближайшие десятилетия. 13 Ведущие типы месторождений: 1) Норильский медно-никелевый с содержанием меди в рудах 0,5%; 2) Удоканский стратиформный тип медистых песчаников с содержанием меди 1,6-1,8%; колчеданные месторождения (Уруп, Худес на Северном Кавказе; Сибай, Учалы, Блява и другие на Урале) с содержанием меди в рудах 1,0-1,8%; 4) медно-молибденовые порфировые с содержанием меди в руде 0,03-1,0% (Песчанка, Магадан). Основным поставщиком меди в России попрежнему остаются Башкирия, Южный Урал. Здесь поиски переводятся на восточный склон Урала; найден новый рудоносный уровень; открыты НовоВишневское и Сафьяновское месторождения, осуществляются программы переработки отходов горно-обогатительных комбинатов по новым технологиям, с целью доизвлечения ценных металлов. Таким образом, основная проблема меднорудной подотрасли — поиски богатых руд и введение новых технологий извлечения меди из бедных и окисленных руд на действующих горнообогатительных предприятиях. Решению этой проблемы способствует введение в ближайшее время в эксплуатацию месторождения-гиганта мирового уровня — Удоканского в Забайкальском крае, то есть регионе с развитой цветной металлургией. Никель. Несмотря на имеющиеся довольно крупные месторождения, проблема никеля полностью не решена. Существенных открытий в последнее время нет. Основные типы промышленных руд: 1) сульфидный медно-никелевый с содержанием никеля 0,1-1% (Талнах-Октябрьский район; Печенга) — ведущий из эксплуатируемых месторождений; 2) силикатный тип с 0,6-0,8% никеля (Сахаринское месторождение на Урале в коре выветривания ультраосновных пород, перспективы которого исчерпываются); 3) Ховуаксинсний тип гидротермальных никель-кобальтовых руд (в Туве) с содержанием никеля до 3%. Перспективы развития никелевой сырьевой базы связываются с освоением глубоких горизонтов эксплуатируемых месторождений Норильска, Кольского полуострова. Недавно на Кольском 14 полуострове открыто Кураковское месторождение типа древней коры выветривания с колоссальными запасами никеля, легко растворимого кислотами. Введение новых технологий извлечения никеля позволит переоценить запасы отвальных бедных и забалансовых руд на действующих рудниках. Кобальт. В России эксплуатируется единственное собственно кобальтовое месторождение — Ховуаксы; но основным кобальтом обеспечивают промышленность норильские комплексные месторождения. Главные перспективы увеличения добычи кобальта связываются с освоением его техногенных ресурсов. Значительные его запасы находятся в отвальных пиритных концентратах (колчеданных, железоскарновых месторождений Урала, норильских медноникелевых и др.). Однако технология переработки таких руд на сегодняшний день является дорогостоящей. Свинец и цинк. В стране разведано 90 свинцовых и 130 цинковых месторождений, и вопрос с сырьевой базой на ближайшие 300 лет решен. Ведущие типы месторождений: 1) метаморфизованный стратиформный тип с содержанием свинца до 7% — уникальное в России Горевское месторождение (Енисейский кряж); 2) колчеданные гиганты мирового уровня — Холодненское (Северное Прибайкалье), Озерное (Забайкалье); 3) колчеданные месторождения Рудного Алтая с содержанием суммы свинца, цинка и меди до 17% (Корбалиха, Зыряновское, Тишинское, Риддер-Сокольное); 4) метасоматические руды в карбонатных породах (Благодатское и Екатерино-Благодатское месторождения в Забайкалье; Тетюхе, где основной упор делается на метасоматические, а не жильные руды); 5) неперспективный жильный тип (Садон, Згид и ряд других на Северном Кавказе — с содержанием суммы свинца, цинка и меди не более 3%; 6) медно-колчеданные месторождения Южного Урала (в рудах Гайского карьера — 0,5% цинка). В этом балансе есть одно «но»: Холодненское и Озерное месторождения могли бы на ближайшие 50 лет обеспечить 15 почти все потребности промышленности в полиметаллах, однако их освоение связано с серьезными экологическими проблемами, так как в районе Байкала прекращаются эксплуатационные работы. Основные перспективы расширения сырьевой базы полиметаллов связаны с Рудным Алтаем, Горевским месторождением, Приморьем, а также с внедрением безотходных технологий переработки руд цветных металлов на всех стадиях — от их добычи до металлургического передела. Примером внедрения таких технологий являются минерально-сырьевые комплексы Рудного Алтая. Олово. Ведущие типы российских месторождений: 1) наиболее распространенный касситерит-силикатный гидротермальный тип — Депутатское месторождение в Якутии (олово в рудах до 1,8%), Валькумей на Чукотке, Хрустальное в Приморье; 2) касситерит-сульфидный гидротермальный тип — Солнечное в Приамурье, Дальнее и Смирновское в Приморье; 3) вольфрамкасситерит-кварцевый гидротермальный тип (с содержаньем олова 0,02-3%) — Иультинское, Чукотка; Тигриное в Приморье; 4) касситерит-скарновый тип — Кительское в Карелии (с содержанием олова 0,46%). Особенностью большинства месторождений олова является их комплексность. Промышленность обеспечена разведанными запасами до 2060 г. Вольфрам. Несмотря на обеспеченность разведанными запасами вольфрамового сырья на ближайшие 50 лет, в его производстве сохраняется напряженность. В России разведано 76 коренных и 35 россыпных месторождений. Ведущие типы месторождений. 1) скарновые — месторождение-гигант Тырныауз на Северном Кавказе и Восток-II в Приморье; 2) штокверковый — Джидинское, Спокойненское, Бом-Горхон в Забайкалье, Иультин на Чукотке; 3) жильный — Джидинское в Забайкалье, Калгуты (Горный Алтай); 4) гидротермальнометасоматический — Кти-Теберда на Северном Кавказе; 5) россыпной — Иультин. 16 Молибден. Россия обеспечена запасами на ближайшие 70 лет. Однако с учетом потребления этого сырья, активно ведутся поисковые и разведочные работы. Ведущие типы месторождений: 1) скарновый — Тырныауз; 2) штокверковый — Сорское в Красноярском крае; 3) жильный — Шахтама в Забайкальском крае. Основной упор делается на поиски молибденовых руд с содержанием 0,1%, которые до недавнего времени считались бедными, а также совершенствование технологий извлечения металла. Поиски ведутся в Бурятии; на Урале открыто Малашевское рудное поле с содержанием Мо в руде до 0,15%. Резервом будущего являются экзогенные молибденсодержащие угли, углистокремнистые сланцы, которые обладают крупными ресурсами, но содержание молибдена низки для современного технического уровня (сотые, тысячные доли %). Алюминий. В России имеется 39 месторождений алюминия, запасы которых могут обеспечить собственную алюминиевую промышленность на 60 лет. Разработки ведутся, главным образом, на бокситовых месторождениях СевероУральского бокситоносного района (49-50% от общей доли), где перспективы связаны с освоением глубоких горизонтов; при современном уровне добычи до глубины 750 м, проект составлен до 1600 м. В Южно-Уральском бокситоносном районе обеспеченность сырьем хуже. Предполагается вовлечение бокситовых месторождений Тимана, Новгородской области. Проблема алюминиевого сырья решается также за счет широкого привлечения природных и техногенных ресурсов нефелиновых сиенитов, несмотря на энергоемкость процесса получения алюминия из нефелиновых сиенитов. Запасы последних огромны, и при открытой разработке и комплексности сырья подобные производства рентабельны. Примером служат безотходные производства переработки апатит-нефелиновых руд Кольского полуострова. Титан. Запасы 25 месторождений титана России обеспечат потребность промышленности на ближайшие 40 лет. Ведущие типы месторождений: 1) 17 ильменит-титаномагнетитовый в Амурской области (с содержанием в рудах титана до 15%); 2) россыпной — наиболее перспективный тип — на Урале, в Западной Сибири, Тимане (например, крупное Туганское месторождение в Томской области). Перспективы обеспечения промышленности титаном связаны также с внедрением комплексных технологий переработки магнетитовых и апатит-магнетитовых руд (Качканарский, Ковдорский комбинаты); так, хвостохранилища Ковдорского горно-обогатительного комбината представляют собой техногенные месторождения, содержащие 70 млн. т различного минерального сырья, в том числе сфена и титаномагнетита. Ртуть. Одним из богатых месторождений нашей страны является Тамватнйское на Чукотке; менее значительны Сахалинское, Перевальное на Северном Кавказе. Однако, поисковые работы на ртуть прекращены, так как добыча и переработка этого сырья вредны экологически. Вследствие этого потребление ртути во всем мире ограничивается. Сурьма. Ведущим типом являются месторождения кварц-антимонитовой формации — Сарылах в Якутии, Удерейское в Красноярском крае. Последнее считается уникальным не только за счет высоких содержаний сурьмы в рудах (до 10-25%), но также из-за промышленных содержаний золота. Ниобий. В России прекрасная обеспеченность этим сырьем на тысячелетие, причем запасы сосредоточены в семи крупных месторождениях. Ведущие типы месторождений: 1) в щелочных пегматитах — Вишневогорское на Урале; 2) карбонатитовый — Татарское месторождение в Красноярском крое, Томторское в Якутии, а также в Туве, Забайкалье; 3) в корах выветривания — Татарское (Красноярский край); 4) магматические лопаритовые руды — Ловозерское месторождение; 5) лейкоксеновые россыпи. В связи с открытием ряда месторождений (например, Томторского) изменились представления о редких металлах, так как содержание ниобия в богатых частях рудных тел достигает 15%. На комплексных месторождениях перспективно 18 освоение техногенного ниобийсодержащего сырья. Так, в Японии, Германии активно разрабатываются новые технологии извлечения ниобия из хвостов обогащения оловянных руд, оловянных шлаков, промышленных растворов, отходов, образующихся при производстве ниобий-титановой проволоки. Тантал. Основным поставщиком тантала в России является Кольский полуостров с уникальным Ловозерским месторождением, лопаритовые руды которого содержат 0,1-0,2% тантала (тогда как богатыми считаются руды с сотыми долями %). Перспективы добычи тантала, как и ниобия, связаны с комплексными технологиями переработки редкометалльного, оловорудного и другого сырья на пегматитовых, альбититовых, карбонатитовых месторождениях. Новые технологические разработки (в США, Японии, Германии) позволяют извлекать тантал из хвостов обогащения оловянных руд, отвалов с труднообогатимыми рудами, скрапа суперсплавов на основе никеля и кобальта). Золото. Обеспеченность разведанными запасами промышленности — на ближайшие 30 лет, поэтому необходим поиск новых месторождений и активное вовлечение техногенных источников этого металла. Ведущие типы разведанных месторождений: 1) коренной золото-кварцевый — Балейское в Забайкальском крае, Многовершинное, Покровское в Хабаровском крае, Зун-Холба в Бурятии, Березовское на Урале, Комсомольское в Магаданской области; 2) коренной кварцево-сульфидный — Сухой Лог в Иркутской области; 3) россыпной — Якутия, Чукотка, месторождение-гигант Сухой Лог. Ведется разведка ряда камчатских месторождений золото-серебряной адуляр-кварцевой формации — Аметистового, Озерновского, Агинского, однако их эксплуатация связана с серьезными экологическими проблемами. В связи с нехваткой сырья, основные тенденции золоторудной отрасли связаны с разработкой мелких по масштабу (с запасами 10-20 т), но богатых по содержанию (не менее 20 г/т) месторождений, а также с повышением комплексности извлечения металлов при обогащении и переработке руд цветных 19 металлов. Важным источником золота во многих регионах с крупными действующими обогатительными предприятиями могут стать техногенные отвалы, которые хвостохранилища ждут своих исследователей Сибайского (например, серно-меднообогатительного отвалы и комбината, Тырныаузских перерабатывающих предприятий и др.). Серебро. Добыча и производство серебра неуклонно повышаются. В России выявлено 13 собственно серебряных месторождений и 284 — комплексных. Среди собственно серебряных крупных эксплуатируемых месторождений на первом месте в России — Дукат (Магаданская область), с содержанием серебра в рудах до килограммов на тонну. Расширяются поисковые и разведочные работы на серебро-полиметаллическое оруденение в Верхоянском районе (Мангазейское месторождение), золото-серебряное оруденение на Камчатке и других комплексных месторождениях. Основные перспективы расширения серебряной сырьевой базы связываются с комплексными полиметаллическими, колчеданнополиметаллическими, медно-порфировыми месторождениями цветных металлов. При переработке руд цветных металлов получают около 70% мирового производства серебра, а золото-серебряных — около 10-15%. Введение новых технологий позволило на многих действующих предприятиях цветной металлургии наладить производство серебряных концентратов. Однако в отвалах бедных руд и старых хвостах обогатительных фабрик возможны техногенные скопления этого ценного металла (на Урале, Рудном Алтае, Северном Кавказе, в Приморье). Платина. Запасы разведанных месторождений России обеспечат промышленность на 70 лет. В основном это комплексные норильские руды. В последнее время в Якутии выявлено два крупных россыпных месторождения с содержанием платины до 2 г/т. Большие перспективы связаны с усовершенствованием технологических процессов переработки комплексных 20 медно-никелевых, хромитовых руд в гипербазитах на Урале, Кольском полуострове. Огромно потребление в России нерудного сырья. По многим его видам имеются достаточные запасы на многие годы, но земные недра при современном их использовании не смогут выдержать темпов хозяйственного развития отраслей и предприятий. Обеспечение промышленности неметаллическими полезными ископаемыми уже сегодня связано не только с дефицитом природных ресурсов, но и с трудностями технического характера (проблемы транспортировки, сохранности). По расчетам специалистов, для многих видов нерудного сырья (строительно-дорожного, цементного, керамического, формовочных материалов, флюсов, удобрений, красителей) техногенные местные ресурсы являются более выгодными, чем богатые природные, но удаленные от потребителя. 21 3. УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Чтобы понять условия формирования техногенных месторождений, необходимо прежде всего представить современное горное производство, все его отрасли (добычу, обогащение, переработку сырья), а также важнейшие технологические процессы и продукты, получаемые в результате его проведения. И тогда станет очевидно, как образуются техногенные скопления рудного, нерудного, горючего твердого минерального сырья, техногенных газов, вод. Эти скопления складируются на многих предприятиях и, по-существу, являются отходами и потерями конкретного производства, но одновременно могут представлять интерес в качестве попутных и вторичных минеральных ресурсов. Сырье из техногенных скоплений можно использовать непосредственно без переработки (пески, щебень, кварц-полевошпатовые и баритовые концентраты, шлаки), но часто его обогащают и подвергают вторичной переработке по новым технологическим схемам с целью доизвлечения полезных компонентов (металлов, химических элементов). Все месторождения техногенного сырья по способу образования можно разделить на три главные группы: месторождения горнодобывающих предприятий, месторождения горнообогатительных предприятий, месторождения горноперерабатывающих предприятий. Промышленный и бытовой лом, стружка, скрап черных и цветных металлов и их сплавов тоже являются важным техногенным сырьем. Однако их скопления нельзя назвать месторождением, так как они не имеют закономерной формы, определенного строения, минерального наполнения, и их нельзя изучать и оценивать по правилам геологоразведочного процесса. 22 Техногенные скопления горнодобывающих предприятий На добычных предприятиях основными техногенными скоплениями являются отвалы карьеров, рудников, шахт. В отвалах действующих предприятий накапливаются прежде всего вскрышные и вмещающие породы, а также бедное и забалансовое сырье, окисленные и комплексные руды, которые не перерабатываются в связи с несовершенством существующих технологических схем извлечения полезного компонента. Особенно значительными по объему являются отвалы открытых разработок полезных ископаемых. Вскрышные и вмещающие породы состоят из рыхлых и кристаллических разновидностей, а также почв. Их используют для рекультивации земель в качестве закладочных, строительных, дорожных, формовочных материалов, сырья для стекольной, керамической промышленности, утяжелителей, красителей. Особенностью таких скоплений является их быстрое старение, разрушение, химические и физико-химические изменения под действием атмосферных явлений, горение. В большей степени это касается рыхлых образований (почвы, глинистых, меловых пород), которые вообще не рекомендуется хранить длительное время, а необходимо использовать сразу. Кристаллические образования, несмотря на их лучшую устойчивость внешним явлениям, в отвалах также слеживаются и окисляются. Окисление неблагоприятно сказывается на качестве некоторых видов рудного сырья. Например, окисленные разности ряда цветных, железных руд — труднообогатимы. Это требует введения дорогих пирометаллургических процессов обогащения, вместо более дешевых флотационных или дополнение к мокрой магнитной сепарации других схем, например, обжигмагнитной. К техногенным скоплениям забалансовых руд можно отнесят отвалы окисленных железистых кварцитов, бедных и окисленных сульфидных руд колчеданных, полиметаллических, медно-никелевых, 23 золоторудных месторождений (КМА, Урал, Рудный Алтай, Северный Кавказ, Кольский полуостров, Норильск, Приморье, Забайкалье, Чукотка). Из отвальных бедных руд при современных технологиях становится рентабельным извлекать железо, хром, марганец, ванадий, медь, свинец, цинк, золото, серебро, германий, кобальт, никель, титан, алюминий. Ярким примером попутного комплексного сырья являются пириты, огромные отвалы которых скопились на многих рудниках. Их можно разрабатывать не только для извлечения серы, но также многих цветных, благородных и редких металлов. До внедрения новых технологий обогащения сырья необходимы определенные мероприятия как по учету, так и по содержанию в сохранности этих отвалов, а также раздельное складирование разных видов отходов. При угледобыче помимо твердых полезных ископаемых (глин, песков, карбонатных и скальных пород, горючих сланцев, графита, самородной серы), которые складируются специальные в отвалы, водосборники и каптируется искусственные шахтный озера для газ, создаются шахтных вод. Используемые для отопления в местных котельных, для производственного противопожарного и сельскохозяйственного водоснабжения, облагораживания зон отдыха шахтные газы и воды также относятся к техногенным ресурсам, которые накапливаются при добыче полезных ископаемых. Утилизация попутного газа необходима также при добыче нефти, а воды — на многих рудниках. В случаях, когда месторождение обводнено, но дренажные воды не могут быть использованы по назначению, их можно захоронять. Таким образом, создаются особые формы техногенных месторождений за счет сбрасывания или перекачки подземных вод разрабатываемой толщи пород в нижележащие водоносные толщи, тем самым пополняя естественные запасы пресных вод. 24 Техногенные месторождения горно-обогатительных и перерабатывавших предприятий Велики потери при извлечении полезных компонентов из минерального сырья за счет его обогащения и последующей переработки сырья на металлургических, химических, энергетических предприятиях. При переработке полезных ископаемых техногенные месторождения могут образовываться за счет потерь двух видов: технологических и организационных. К технологическим относятся потери, зависящие от природного качества руды, связанные с системой разработки месторождения и принятой технологией переработки. В организационные потери включены потери, связанные с организацией и управлением предприятием, в том числе организацией технологического процесса переработки. По продуктам переработки и технологическим процессам потери ценного компонента распределяются следующим образом: потери при рудоподготовке — хвосты, сепарации, пыли; потери при обогащении — отвальные хвосты, отвальные шламы, разноименные концентраты, пыли, промстоки; потери при гидрометаллургии — кеки, ссадки, промстоки; потери при пирометаллургии — шлаки, пыли, газы. О том, как протекает металлургический процесс, еще в XVI веке писал известный ученый Г. Агрикола, автор 12 книг «О горном деле и металлургии»: «Подвергая руду нагреванию, обжигу и прокаливанию, удаляют этим часть веществ, примешанных к металлу. Много отнимается примесей при дроблении руды в ступах, еще больше при промывке, грохочении и сортировке. Однако этим путем нельзя еще отделить все, что скрывает металл от глаза. Плавка необходима, так как только посредством ее горные породы и затвердевшие соки (рассолы) отделяются от металлов, которые приобретают свойственный им цвет, очищаются 25 и становятся во многих отношениях полезны человеку». То, о чем говорится в этом отрывке, — и подготовка руды механическими и физико-химическими способами, и сама плавка как сложный физико-химический процесс высвобождения металла из соединений и смесей — и сейчас остается предметом металлургии. Лишь одно утверждение устарело: «Плавка необходима...». Действительно, пирометаллургические процессы (от греческого слова «пир» — «огонь») — обжиг и плавка — очень широко применяются в современной металлургии. Так, на этих процессах основано получение самых крупных по объему производства металлургических продуктов — чугуна и стали. Но на рубеже XIX и XX веков наряду с пирометаллургией появилась гидрометаллургия. Пирометаллургические процессы основаны на химических реакциях. Обжиг бывает окислительным (при производстве сталей), восстановительным (доменный процесс), хлорирующим, сульфатизирующим. Сульфиды меди, свинца, цинка подвергают окислительному обжигу, чтобы превратить сульфиды металлов в оксиды, а вредную серу удалить в виде газообразного SO2. Главные процессы в гидрометаллургии — выщелачивание и осаждение металлов (или определенных их соединений) из растворов, экстракция, сорбция металлов ионообменными смолами. С помощью серной кислоты из концентратов выщелачивают медь, цинк, уран; с помощью соды — молибден и вольфрам. Гидрометаллургические способы применяют для извлечения, главным образом, редких, рассеянных, особо ценных металлов, но некоторые гидрометаллургические производства, например, получение меди из окисленных руд, приобрели крупные промышленные масштабы. В последнее время стала развиваться еще одна отрасль гидрометаллургии — тиобактериальная. С помощью тиобактерий, которые в процессе жизнедеятельности окисляют сульфиды в сульфаты с высокой растворимостью, на опытных производствах добывают, к примеру, медь. К особым видам металлургических процессов относятся электрометаллургия, порошковая металлургия, металлотермия. 26 Многие виды, особенно нерудного, сырья перерабатывают на химических комбинатах (фосфориты, апатиты, нефелины, соли, сернистое сырье, хромовые руды). Здесь используют всевозможные химические процессы, то есть основанные на химических реакциях, в также более сложные, комплексные (например, металлурго-химические, термохимические) способы переработки сырья. На предприятиях, перерабатывающих твердое горючее сырье (электростанциях), основные технологические процессы связаны с горением минеральных веществ, получением энергии и отходов в виде зол и шлаков. Приведем содержание некоторых терминов, используемых в горном производстве для обозначения его продуктов и процессов. Хвосты — отходы обогащения полезных ископаемых на обогатительных фабриках, в которых содержание ценного компонента значительно ниже, чем в исходной породе. Xвостохранилище — складированные хвосты или, по-существу, искусственные россыпи, состоящие из дробленного и отсепарированного материала отходов (песчаных фракций и ниже). Шлам — (от немецкого «грязь») — 1) взвесь мелких (до 10-40 мм) частиц твердых веществ в воде, образующаяся в процессе измельчения пород и руд при обогащении; 2) порошкообразный продукт, выпадающий в осадок при электролизе меди, цинка и других металлов (часто содержит благородные металлы). Отвальные шламы — обезвоженные и складированные на поверхности шламы. Шламовые озера — шламы, складированные в искусственных и естественных водоемах. Кек — (от английского — «затвердевать») — слой твердых частиц, остающийся после фильтрации суспензий, 27 или нерастворимый остаток, получаемый после выщелачивания ценных компонентов из руды или промпродукта. Содержит 12-20% влаги. Примером кеков являются отходы гидрометаллургических процессов извлечения цветных металлов, в частности меди из окисленных руд. Шлак — 1) расплавленное, а после затвердевания стекловатое и камневидное вещество, формирующееся из рудных материалов, пустой породы, флюсов при пирометаллургических процессах (металлургический шлак); 2) частицы золы, спекшиеся или сплавленные в куски (шлак топливный). Примером металлургических шлаков являются отходы из доменной печи, состоящие из силиката кальция и образующиеся в результате реакции между флюсовым известняком и пустой породой, содержащейся в железной руде. Зола — несгоревший остаток (в виде пыли), образующийся из минеральных примесей топлива при полном его сгорании. Шлаковая пемза (термозит) — искусственный пористый заполнитель для легких бетонов, (преимущественно получаемый доменных) из шлаков расплавленных при их быстром металлургических охлаждении и последующем измельчении. Вельцевание (от немецкого «катать», «перекатывать») — извлечение металлов (цинка, свинца, кадмия и др.) отгонкой при нагревании во вращающейся печи полиметаллических отходов свинцового, медного и оловянного производства (шлаков). Клинкер — 1) металлургический — твердый спеченный остаток после вельцевания; его перерабатывают для получения меди, серебра и других элементов; 2) цементный — полупродукт, получаемый (в виде гранул) при обжиге тонкоизмельченной смеси известняка с глиной, применяется в производстве цементов; 3) дорожный — высокопрочный кирпич, получаемый из глин обжигом до спекания. Используется для мощения полов в промышленных зданиях. 28 Шлакопортладцемент — получается совместным тонким помолом портландцементного клинкера, доменных гранулированных шлаков (в пределах 30-60% от массы цемента) и гипса (не более 5%). Штейн (от немецкого «камень») — промежуточный продукт производства некоторых цветных металлов (меди, никеля, свинца) — сплав сульфидов цветных металлов и железа. На обогатительных предприятиях основные потери ценных компонентов, в том числе и металлов, связаны с хвостами обогащения. Хвостохранилища многих комбинатов, особенно старых, в настоящее время можно считать техногенными месторождениями. Проблема снижения этих потерь решается по следующим направлениям: совершенствование схем и режимов обогащения, организация доизвлечения металлов из песковой фракции хвостов текущей переработки и вовлечение в переработку старых. В последние годы (особенно в США, ЮАР, Канаде, Чили, Австралии и ряде других стран) производятся установки для переработки лежалых хвостов, содержание металлов в которых соответствует содержанию в перерабатываемых в настоящее время рудах, а в некоторых случаях и превосходят его. За рубежом эксплуатируется более 20 видов установок для переработки старых хвостов для извлечения меди, свинца, олова, золота, тяжелых металлов, флюорита. Самая крупная установка имеет мощность 60 тыс. т хвостов в сутки на фабрике Моренси (США). Специалистами Горного бюро США подсчитано, что повторная переработка 1 млн. т хвостов с содержанием меди 0,5% дает возможность дополнительно получить 5 тыс. т металла. Три крупные установки введены на золотоизвлекательных фабриках ЮАР. В Марокко (Зелиджа) пущена флотационная установка, перерабатывающая хвосты обогащения свинцово-цинковых руд, содержащих 1,69% цинка и 0,37% свинца. Количество хвостов — 16,5 млн. т. Такие же хвосты перерабатывают методом вельцевания на заводе Кабве фирмы «Брокен Хилл - Нханга Консолидейтед» (Замбия) и на руднике Берг-Аукас (ЮАР). Фабрика Флин-Флон (США) из старых 29 хвостов цианированием извлекает золото, затем остаточный материал промывают водой и направляют в закладку выработанных пространств на рудниках. В нашей стране использование отвальных отходов горной промышленности осуществляется медленно, хотя их объемы, образующиеся при добыче различных полезных ископаемых, исчисляются миллиардами тонн. В небольшом количестве они находят применение лишь в производстве строительных материалов и нерудного сырья, но уже достаточно имеется опытно-промышленных разработок по утилизации отвалов и хвостохранилищ с целью извлечения попутного и доизвлечения основного рудного сырья. В бывшем СССР технология доизвлечения металлов из хвостов обогащения руд впервые была освоена на Балхашской фабрике, а затем получила распространение на других предприятиях. После доизвлечения из отвальных хвостов металлов и главных химических компонентов (фосфора, магния, калия, серы) в них остается ценное попутное сырье (в основном нерудное), которое можно использовать в стройиндустрии, в качестве кварцевого сырья, стекольных и формовочных песков, керамического и абразивного материала, красителей). Например, главными отходами обогащения фосфорсодержащего сырья является фосфогипс — техногенное сырье для стройиндустрии, сельского хозяйства. В хвостохранилищах после апатитовой флотации теряется нефелиновый, сфеновый, титаномагнетитовый концентраты. В калийной промышленности скапливаются значительные галитовые отходы, из которых получают технические сорта соли. В отвалах предприятий последующих после обогащения стадий переработки минерального сырья накопилось более 3 млрд. т отходов, пригодных к использованию взамен первородного сырья. К основным из них можно причислить металлургические шлаки и шламы черной и цветной металлургии, золошлаковые отходы тепловых электростанций, фосфогипс, пиритные огарки, флотационные и галитовые отходы. 30 Значительными по объему техногенными скоплениями являются отвалы шлаков. Шлаки, также как и хвосты обогащения, используют по двум направлениям: 1) из них доизвлекают металлы; 2) остатки используют как нерудные материалы, главным образом, строительные. Возвращают в технологический процесс для доизвлечения железа доменные и сталеплавильные шлаки. Из шлаков цветной металлургии доизвлекают цинк, свинец, медь, никель. В красных шлаках, получаемых на алюминиевых производствах, содержится железо, алюминий, титан, ванадий, цирконий, галлий, ниобий, скандий, редкие земли. Из пиритных огарков сернокислого производства возможно извлечение железа, золота, серебра, цветных и редких металлов. Из золошлаковых отходов теплоэлектростанций возможно извлечение редких металлов, молибдена, глинозема. Однако большая часть шлаков используется в стройиндустрии — как заполнители для изготовления бетонов, сырье для изготовления силикатных кирпичей, удобрений, облицовочной плитки, стеклотары, как заполнителей теплои звукоизоляционных материалов. На многих предприятиях скапливаются шламы, особенно в алюминиевой промышленности, из которых извлекают железо, титан, редкие элементы. Осадки шламонакопителей используют как цемент. Кеки, обезвоженные и накопленные в отходах заводов, также представляют собой техногенное сырье. Например, ярозитовые кеки цинковых заводов, как сырье для красителей. Из пылей агломерации и плавки свинцово-цинкового и медного производства извлекают свинец, рений, кадмий, индий, селен. Пыль из агломерационных газов, а также пыль конверторного и мартеновского переделов является техногенным сырьем для извлечения германия, доизвлечения железа. В производстве цемента также используют мартеновских и конверторных печей. 31 колошниковую пыль, пыль В уловителях газов — как отходов многих перерабатывающих предприятий — также накапливаются ценные компоненты: исходный хром, серосодержащие газы, хлорсодержащие продукты. Представляют интерес и многие жидкие отходы производств. Из отработанных электролитов получают калийные удобрения; из кубовых остатков ректификационных колонн — соединения газоочистительных установок — серную кислоту. 32 ванадия; из кислых стоков 4. ТЕХНОГЕННОЕ МИНЕРАЛЬНОЕ СЫРЬЕ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ Черная металлургия является одной из базовых отраслей всей современной индустрии. В настоящее время в мире ежегодно добывается около 1 млрд. т железной руды и выплавляется более 700 млн. т стали. 67% вскрышных пород и 60% отходов обогащения железных руд пригодны для производства стройматериалов. Из отходов возможно доизвлечение железа, хрома, марганца, ванадия, так как потери металлов в хвостах составляют 10-25%. Очень крупной и важной стала проблема доизвлечения железа из отвальных бедных и окисленных руд, которых накопилось сотни миллионов тонн, особенно на предприятиях КМА. Техногенное сырье на добывающих и обогатительных предприятиях Предприятиями черной металлургия России, Украины и Казахстана занято более 120 тыс. га земельных угодий, перерабатывается ежегодно более 2 млрд. т рудных и нерудных материалов. Отходы образуются прежде всего на стадии добычи руды, главным образом, при разработке открытым способом. Опыт полезного использования отходов железорудных карьеров и рудников довольно разнообразен и может быть проиллюстрирован многими примерами. Бассейн КМА выступает сырьевой железорудной базой черной металлургии. Здесь сосредоточены огромные промышленные запасы богатых, не требующих обогащения железных руд, залегающих в основном на больших глубинах, в сложных горно-геологических условиях, и еще большие запасы железистых кварцитов, которые требуют предварительного обогащения перед металлургическим переделом. Разведаны и утверждены промышленные запасы бокситов. 33 Перспективы прироста запасов железа связываются со снижением его кондиционных содержаний в руде, переводе из забалансовых запасов медных магнетитовых руд и окисленных кварцитов, которые пока складируются в специальных отвалах. Только на КМА при добыче магнетитовых кварцитов ежегодно попутно извлекается и складируется по 12-15 млн. т окисленных их разностей, содержащих 37-45% железа. На Михайловском ГОКе КМА уже складировано более 50 млн. т таких руд и намечается складировать 10-12 млн. т, что составляет одну треть всей добычи руды. На их базе возможно строительство отдельной, третьей очереди Михайловского комбината. На железорудных месторождениях КМА действует четыре горно- обогатительных комбината. В связи е тем, что железистые кварциты и покрывающие их богатые железные руды залегают на сравнительно большой глубине (100-160 м), при их добыче открытым способом объем вскрышных пород составляет почти 80 млн. м3 в год. Из них используется в народном хозяйстве менее 15%. Породы вскрыши представлены суглинками, глинами, мелом, песками, кристаллическими сланцами и др., и при рациональном производстве почти все из них могут найти применение. На ряде карьеров при открытом способе разработки железорудных месторождений вскрышные работы производятся с отдельным складированием почвенного и подпочвенного слоев. После выемки руды проводятся рекультивационные работы и распределение сохраненного почвенного слоя, что позволяет использовать земли для сельскохозяйственных угодий. Таким образом рекультивировано боле 4 тыс. га земли. Во многих случаях вскрышные породы и отходы обогащения используются для засыпки карьеров. Основную массу пород, покрывающих и вмещающих железорудные залежи, можно считать сырьем для производства промышленных строительных материалов. В основной своей части они являются ценным сырьем для 34 производства строительных материалов — щебня, цемента — и для нужд других отраслей народного хозяйства. Щебень и песок особенно дефицитны в Центрально-Черноземном районе. Так, дефицит щебня в Центрально-Черноземном районе составляет 5 млн. м3 в год и в перспективе увеличится до 9,5 млн. м3. По данным ряда научноисследовательских институтов, щебень можно получать из кристаллических пород, попутно добываемых на горно-обогатительных комбинатах КМА. При широкой организации производства выпуск такого щебня можно довести до 6 млн. м3 в год, при себестоимости в 2,5 раза ниже привозного щебня. Из пород вскрыши возможно получение строительных и формовочных песков для литейного производства. Песчаные породы вскрыши железорудных месторождений КМА относятся преимущественно к кварцевым. По химическому и гранулометрическому составу они удовлетворяют требованиям к сырью для производства товарного стекла. Полупромышленные испытания гидроотвалов Лебединского ГОКа показали, что последние пригодны для изготовления силикатного кирпича марки 100. Пески от производства вскрышных пород служат сырьевой базой завода силикатного кирпича годовой мощностью 100 млн. шт., построенного в районе Старого Оскола. В более значительных объемах строительный песок можно получать из отходов обогатительных фабрик. Только на Стойло-Лебединском комплексе имеется возможность ежегодно получать до 3 млн. м3 песка, достаточного для покрытия дефицита по себестоимости в 2-3 раза против привозного. Из хвостов обогатительных фабрик возможно в больших количествах получать пески, пригодные для приготовления тяжелых бетонов в энергетическом строительстве. К 1985 г. в регионе КМА намечался значительный дефицит в стеновых материалах (силикатный кирпич, ячеистый бетон, глиняный кирпич), до 420 млн. шт. условного кирпича с увеличением в перспективе до 1000 млн. шт., в то время 35 как их можно производить из отходов горно-обогатительных комбинатов. По расчетам проектных организаций, из попутных пород вскрыши и отходов обогатительных фабрик за год можно изготовить 300 млн. шт. кирпича, 340 тыс. м3 ячеистого бетона. Кроме того, возможен выпуск других видов строительной керамики, в частности, дренажных труб из глин Михайловского ГОКа. Песчано-глинистые дисперсные породы могут применяться в кирпичном производстве или как добавка в цементный клинкер с целью удаления включений пирита. Глинистые сланцы, характеризующиеся постоянством компонентов, можно использовать в качестве добавки при получении портландцементов. Четвертичные глины и суглинки, слагающие верхнюю часть вскрышных пород всех месторождений КМА, пригодны для использования в шихте цементного клинкера, а также для изготовления глинистого кирпича, минеральной ваты и керамзита. Исследования подтвердили возможность производства из них керамзита марок 300-600. Кроме того, верхняя часть толщи суглинка является хорошим сырьем для производства щебня марки 500, на котором получено несколько видов конструктивных теплоизоляционных бетонов. На базе вскрышных пород Стойлинского ГОКа работает цементный завод, перерабатывающий ежегодно более 4 млн. т мела, глин и сланцев. Карбонатные породы представлены белым мелем, мергелями верхнего отдела меловой системы и известняками. Наибольшую ценность представляют маломергелистые породы с 90-99,3%-ным содержанием СаСО3. По химическому составу этот мел пригоден для применения в производстве белого цемента, воздушной строительной извести, минеральной ваты, стекла и резиновых изделий, а также в качестве пигмента. Мел может использоваться также как сырье для производства известковой муки, необходимой для известкования почв. 36 Известь в регион КМА для нужд металлургических предприятий и строительных организаций завозится из других областей, хотя ее можно получать на месте из мела. Имеются все данные для проектирования завода по производству извести мощностью 1 млн. т в год. Весьма разнообразны и содержащиеся во вскрышных породах КМА каменные материалы, которые могут быть использованы в качестве нерудных заполнителей в бетонах марки 500, а также огнеупоров. Кроме того, они применяются для получения строительного щебня, бетона, асфальта, дорожных оснований, бутового камня и т.д. Кристаллические сланцы могут использоваться для производства облицовочных плит. Из попутно добываемых скальных пород и отходов обогащения горные предприятия черной металлургии ежегодно используют на собственные нужды 20-22 млн. т сырья для строительства дамб, водохранилищ, автомобильных и железных дорог, что составляет 1,5-2% общего объема образующихся отходов. На Уральских железорудных комбинатах (Качканарском, Первоуральском, Высокогорском, Гороблагодатском, Богословском) имеется большой опыт использования техногенного сырья. Из пород вскрыши и отходов обогащения здесь получают песок, строительный щебень (с годовым объемом производства щебня 5,3 млн. м3). Высокогорское и Первоуральске рудоуправления используют попутно добываемые известняки в качестве флюсов. При переработке титаномагнетитов Качканарского месторождения попутно извлекается железо, титан, ванадий. На Первоуральском месторождении извлекаются из недр и используются все полезные ископаемые — железная руда, цветные металлы, флюсовый известняк, а образующиеся в процессе обогащения отходы полностью перерабатываются в щебень. Отходы обогащения железорудного СоколовскоСарбайского горно-обогатительного комбината содержат цветные металлы в такой номенклатуре и таком количестве, что их правомерно считать техногенным месторождением. 37 В рудах Ковдорского месторождения, помимо железа, содержится много ценных компонентов, в том числе апатит, фосфорит, кальцит, вермикулит, флогопит, мусковит, керамическое и другое сырье. Начато производство апатитового концентрата. В перспективе предусматривается предприятие с малоотходной технологией, разработанной Горным институтом Кольского филиала РАН. Ее применение позволит в 3 раза сократить объем переработки руды, выделить ценные компоненты и продукты, необходимые для цветной металлургии и сельского хозяйства. Хвостохранилища Ковдорского горнообогатительного комбината по существу представляют собой техногенное месторождение с запасами минеральных ресурсов 70 млн. т, содержащими апатит, нефелин, сфен, титаномагнетит, форстерит и другие минералы. Лабораторные исследования показали принципиальную возможность получения из руд кальцитового концентрата с содержанием СаО до 54%. На Оленегорском ГОКе успешно решаются вопросы комплексного использования железной руды. Кварцевые отходы обогатительной фабрики используются для производсгва силикатных строительных материалов, а из вскрышных пород производится высокопрочный щебень. В перспективе для удовлетворения нужд Мурманской области и соседних регионов необходимо существенно увеличить выпуск строительных материалов, включая силикатный кирпич и щебень. На Лисаковском ГОКе (Казахстан) забалансовые руды складируются в специальные отвалы, которые представляют собой техногенное месторождение железа. Здесь создаются условия для его эксплуатации и осуществляется строительство промышленных секций по обжигмагнитному обогащению. В балансовых запасах руд Лисаковского месторождения сосредоточено также значительное количество глинозема, 31,7 млн. т пятиокиси фосфора, 2,3 млн. т пятиокиси ванадия, что представляет собой крупный источник получения ценных видов продукции, но пока теряется вместе с отходами обогащения. Проведенные 38 испытания и расчеты подтвердили технологическую возможность и экономическую целесообразность извлечения глинозема и фосфора из этих руд, эффективной технологии извлечения ванадия пока не разработано. Большой практический интерес представляет комплексное использование атасуйских гематит-магнетитовых руд (Казахстан), которые в настоящее время перерабатываются лишь как железосодержащий продукт с полной потерей, например, существенных примесей германия (более 1% германия в балансовых рудах). К сожалению, попутно добываемое сырье по тем или иным причинам еще не всегда находит применение и безвозвратно теряется в отвалах. Между тем, по предварительным оценкам, более 0,5 млрд. т вскрышных пород на предприятиях черной металлургии пригодны для производства строительных материалов, в том числе для производства щебня — около 20%, цемента — 16%, керамических и силикатных стеновых материалов, соответственно 11 и 7%. Использование отходов последующих стадий переработки минерального сырья в черной металлургии К отходам черной металлургии относятся в первую очередь различные шлаки — доменные, сталеплавильные, ферросплавные, а также колошниковая пыль, отходы литейного производства, различные железосодержащие пыли и шламы. Современный металлургический завод на каждый 1 млн. т выплавленной стали выбрасывает в окружающую среду (в тыс. т): шлаков — 800, пыли — 100 и шламов — 30. В обозримой перспективе производство стали и сплавов на основе железа будет преимущественно базироваться на существующей в настоящее время технологии, поскольку невозможно представить ее быструю замену на какую-либо более совершенную. В этих условиях единственно правильный путь 39 переход традиционной черной металлургии к безотходному или малоотходному производству. Имеющаяся практика на целом ряде предприятий позволяет сделать вывод, что эта задача реальна и выполнима. Пыль, улавливаемая из агломерационных газов, представляет собой тот же железосодержащий продукт и с успехом может быть возвращена в технологический процесс. Из пылей конверторного и мартеновского передела возможно извлечение германия; на некоторых предприятиях налажено производство цемента на основе колошниковой пыли, а также пыли мартеновских и конверторных печей. Но основными техногенными отходами металлургических заводов являются шлаки, которые нашли достойнее применение особенно в цементной промышленности. Цементная промышленность в настоящее время использует более 25 млн. т гранулированных шлаков. Их применение в качестве активных гидравлических добавок, связывающих растворимую в воде свободную известь и нерастворимые соединения, выделяющиеся при твердении цемента, делает цемент долговечным, способным противостоять коррозионному воздействию почвенных и агрессивных вод. Бетон, изготовленный из шлакового щебня, прочнее на 14-26% по сравнению с бетоном, изготовленным из гранитного щебня, а плотность его ниже на 7%. Важное преимущество шлакопортландцемента — экономия при его производстве клинкера и топлива. Превышение расхода шлакопортландцемента по сравнению с чисто клинкерным цементом для бетонов марки 300, из которых делают до 80% всех сборных и монтажных железобетонных конструкций, составляет всего 5%. Выпуск же цемента при использовании шлаков увеличивается в 1,5-2 раза, при уменьшении удельного расхода топлива (за счет разницы расхода топлива на обжиг клинкера и сушку шлака) — на 40 %. Себестоимость единицы товарной продукции уменьшается при этом на 25-30%. 40 При организации производства шлакопортландцемента на действующем цементном заводе капитальные вложения по сравнению со строительством новых заводов также снижаются примерно в 3,5 раза. Кроме того, доменные шлаки весьма эффективно используются для введения в цементную смесь, а также в производстве автоклавных бетонов, шлаковой пемзы и строительного щебня. Шлаковая пемза — эффективный заполнитель при изготовлении тепло- и звукоизоляционных материалов. Ограждающие конструкции из шлаковой пемзы легче кирпичных на 15%, а расход цемента при их производстве меньше на 1520%. В стекольной промышленности доменный шлак используется при производстве стеклокристаллических материалов, окрашенной стекольной тары и облицовочной плитки. Ив то же время только отдельные предприятия полностью утилизируют доменные шлаки. Еще в меньшей степени используются сталеплавильные шлаки. В 1982 г. из 24 млн. т сталеплавильных шлаков было использовано только 6 млн. т, они находят применение в дорожном строительстве, приготовлении известковых и шлакофосфорных удобрений. Между тем в них содержится около 20% металла, который может извлекаться и возвращаться в технологический процесс. Сталеплавильные шлаки эффективно применяются главным образом в производстве строительного щебня, минеральных компонентов асфальтобетона и местных вяжущих компонентов. Широкому их применению в цементной промышленности препятствуют пестрый состав шлаков и значительные содержания металлов. Ферросплавные шлаки применяются в производстве силикатного кирпича и автоклавных бетонов. Сырьем для цементного производства могут служить шлаки алюмотермического производства ферросплавов — ферробора, ферротитана и металлического хрома. Введение в состав цемента 5-8% этих шлаков значительно повышает его прочность. Шлаки, полученные на заводе «Азовсталь» при переработке керченских железных руд, содержат значительные количества фосфора, что позволяет 41 использовать их в качестве удобрений. Эффективно также введение шламовых отходов обогащения этих руд в кислые почвы, что повышает урожайность сельскохозяйственных культур (гороха — на 30-40%, пшеницы — на 15-20%, картофеля — на 15%). Отмеченные выше возможности эффективного применения шлаков черной металлургии далеко не исчерпаны. В настоящее время в США полностью перерабатываются все доменные и сталеплавильные шлаки. В Германии переработке подвергаются 100% доменных и 88% сталеплавильных шлаков. В настоящее время в отвалах российских предприятий черной металлургии накопилось более 400 млн. т неиспользованных шлаков, а отведенная площадь превышает 2,5 тыс. га. Изложенное позволяет заключить, что строительство современных шлакоперерабатывающих комплексов на предприятиях черной металлургии является актуальной задачей, а ее решение позволит перейти на безотходную технологию с производством широкой номенклатуры строительных материалов и другой продукции. 42 5. ТЕХНОГЕННОЕ МИНЕРАЛЬНОЕ СЫРЬЕ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ Среди других отраслей промышленности цветная металлургия занимает ведущее место в решении проблем комплексного использования сырья. В этой отрасли добыча горной массы составляет почти 2,1 млрд. т в год. Выход отходов на единицу продукции несопоставимо выше, чем в угольной и железорудной промышленности (100-200 т, а в отдельных случаях — до 1000 т на 1 т металла). Отходы добычи цветных металлов достигают 80%, а отходы обогащения — 10% добытой горной массы. В процессе переработки сырья образуется большое число токсичных веществ, загрязняющих отходы. Это соединения серы, мышьяка, сурьмы, селена, теллура и др. Часто токсичными являются и остаточные цветные металлы: свинец, цинк, медь, кадмий, ртуть и другие, которые переходят в водные растворы и переносятся по поверхности. В отрасли ведется значительная работа по комплексному использованию сырья. На предприятиях цветной металлургии в настоящее время извлекается более 70 элементов. Попутная продукция занимает около 30% стоимости от всего товарного выпуска продукции. В ее числе минеральные удобрения, серная кислота, кальцинированная сода, строительные и керамические материалы, некоторые виды неметаллического индустриального сырья, красители. Путем попутного извлечения получают металлы платиновой группы, редкоземельные элементы, значительную часть золота, серебра, редкие элементы. Многие едкие металлы, необходимые для развития электроники, радиотехники и машиностроения, такие как гафний, рубидий, вообще не образуют минералов, а кадмий, селен, теллур, индий, галлий, скандий, таллий, германий, хотя и образуют их, но находятся в рассеянном состоянии. Их извлечение возможно только при металлургической переработке других руд и особенно руд цветных металлов. 43 Рудное техногенное сырье на добывающих и обогатительных предприятиях В отвалах добывающих предприятий цветной металлургии складируются забалансовые и окисленные руды, которые содержат большие количества меди, свинца, цинка, никеля, олова, молибдена, вольфрама. Вследствие несовершенных технологий и нарушения режима работы обогатительных фабрик ценные металлы теряются с хвостами при флотации и селекции комплексных руд, переработке труднообогатимых руд. Около половины потерь меди, свинца, цинка и др. металлов в хвостах связаны с недостаточно раскрытыми сростками минералов, в то же время примерно 10% их теряется из-за переизмельчения и отсутствия эффективных реагентов и флотационных машин. При сложном вещественном составе руд требуется раздельная переработка всех их типов, применение развитых технологических схем и большого фронта флотации. Такие работы проводятся на многих предприятиях отрасли. В увеличенных объемах перерабатываются низкокачественные руды на Балхашском, Зыряновском, труднообогатимых руд — Лениногорском, на Хрустальненском Ачисайском, Норильском, комбинатах, Тырныаузском, Приморском и других комбинатах. Значительная часть таких руд, находящихся в отвалах Коунрадского рудника, была переработана на Балхашской обогатительной фабрике с получением нескольких десятков тысяч тонн меди. Часть этих Джезказганская руд перерабатывается отвальная окисленная методом руда кучного также выщелачивания. перерабатывается на обогатительных фабриках. Практика применения метода кучного выщелачивания меди из бедного сырья показала его перспективность, так как стоимость ее получения втрое ниже, чем при пирометаллургическом методе, а затраты труда из расчета на единицу металла меньше в 10 раз. 44 Экономически эффективной является переработка гидрометаллургическим способом бедного медно-никелевого сырья из отвалов рудников на комбинатах «Печенга-никель» и «Североникель». Изучение гравитационных хвостов фабрики №1 Хрустальненского горнообогатительного комбината показало, что без больших капитальных затрат с помощью гидроциклонов можно выделять из них оловянные продукты, пригодные для флотации касситерита. Полученные шламовые концентраты имеют высокое качество с ростом извлечения олова до 1,5-2%. На Тырныаузском целесообразность вольфрам-молибденовом карьерной разработки комбинате хвостохранилищ установлена обогатительной фабрики. Потери металлов в этих отходах были связаны с недоизмельченностью шеелита и молибдошеелита. На Джезказганской обогатительной фабрике, помимо меди, из медной руды в концентраты извлекается серебро, рений (67-70%), из медно-свинцовой руды — свинцовый концентрат (67-70%). На Балхашской фабрике из медно- молибденовых руд извлекаются молибден в молибденовый концентрат и молибдат кальция, железо — в богатый магнетитовый концентрат благородные металлы. При переработке полиметаллических руд, наряду со свинцом, цинком и медью, извлекаются барит, золото, серебро, сера, кадмий и другие попутные компоненты. Для улавливания свободного золота в цикле измельчения на Лениногорской, Зыряновской и Белоусовской фабриках созданы гравитационные секции, организовано сорбционное извлечение растворенного золота из сливов сгустителей. Важнейшей проблемой является комплексная переработка пиритных концентратов, извлекаемых из руд колчеданно-полиметаллических, медноколчеданных, медно-никелевых и других природных типов месторождений цветных металлов. В пиритный концентрат медно-колчеданных месторождений извлекается 15-20% меди и цинка, 27-59% свинца, индия, кадмия, серебра и молибдена, 63-69% селена, теллура, 80-90% железа, кобальта и ряд других 45 компонентов, на долю которых приходится свыше 30% валовой стоимости содержавшихся в исходной руде ценных компонентов. Пиритный концентрат, выход которого составляет 80-85% общей массы руды, вплоть до настоящего времени используется в основном для производства серной кислоты с попутным извлечением из него только селена. Все остальные компоненты после обжига концентрата переходят в огарки, которые пока еще почти не находят практического применения и направляются в отвалы. Исследованиями в области технологии комплексной переработки пиритных концентратов в нашей стране, начиная с 1930-х годов, занимались несколько институтов, но ни одна из разработанных ими технологий полностью не доведена до промышленного внедрения. Для производства серы используется пирит из отходов переработки медно-колчеданных уральских руд (например, на Сибайском комбинате). Из Лениногорских сульфидных руд пиритный концентрат лишь частично используется в шихте электроплавки меди на Джезказганском ГМК и при свинцовой плавке на Чимкентском свинцовом заводе, а около 10 тыс. т складируется. За рубежом из пиритовых концентратов давно уже извлекаются цветные и благородные металлы, а железистый остаток успешно используют в качестве доменного сырья. Пиритные концентраты комплексно используются в Германии, Японии, Италии, Канаде, США, Швеции, Испании, Бельгии, Франции, Финляндии, Португалии, Румынии, Чехии, Польше, Кубе. Нерудное техногенное сырье на добывающих и обогатительных предприятиях На добывающих и обогатительных предприятиях цветной металлургии образуются также отходы, не представляющие потенциальной ценности для цветной металлургии. Но многие из них могут быть использованы для дорожного 46 и строительного щебня, в качестве минерального порошка-заполнителя тяжелых бетонов, бутового камня при закладке фундаментов, для цементно-известковых растворов, изготовления облицовочных плит и блоков, в горячих и холодных асфальтобетонах, как балласт для отсыпки авто- и железных дорог. Использование твердых отходов металлургии в строительном деле позволит полностью или частично ликвидировать производство традиционных строительных материалов на базе природных ресурсов, значительно сократить затраты на разведку нерудных материалов, строительство карьеров и щебеночных заводов, подготовку балласта и наполнителей. Например, расчетами установлено, что предприятия цветной металлургии Казахстана могут ежегодно производить щебня в объеме 3,5-4 млн. м3, из которого 2,5 млн. м3 могут быть реализованы другим отраслям промышленности. А общая потребность Казахстана в щебне составляет около 20 млн. м3 в год. Применение в промышленности нашла также легкая фракция, получаемая в процессе обогащения руд в тяжелых суспензиях. Она используется в качестве дорожно-строительных и закладочных материалов. На бокситовых месторождениях Казахстана попутно с бокситами добываются огнеупорные глины. В виде попутной продукции поставляется высококачественный полевой шпат и кварц многим предприятиям электрокерамичеекой, абразивной и фарфоро-фаянсовой промышленности. На ряде предприятий цветной металлургии могут быть эффективно извлечены кондиционные слюдяные концентраты. Вторичные ресурсы в отходах металлургических предприятий На металлургических комбинатах ежегодно образуются разнообразные и обширные отходы обогащения, шлаки, шламы и сульфатно-калийные соли глиноземного производства, фторангидритные отходы производства криофита, 47 пиритные огарки, фосфогипс и др. В отвалах сосредоточено свыше 300 млн. т металлургических шлаков, 2,5 млрд. т отходов обогащения, более 100 млн. т шламов глиноземного производства. Ряд заводов цветной металлургии выделяет металлургические шлаки с высоким содержанием цветных металлов. В связи с этим, одной из важных задач является извлечение ценных компонентов из шлаков. И лишь после такого извлечения допустимо использование шлаков для производства строительных материалов. Образование хвостов обогащения руд, а также отходов переработки концентратов (кеков, шлаков), из которых можно доизвлекать основные и попутные полезные компоненты, во многом связано с несовершенством практически применяемых технологий. Особенно большие потери возникают при переработке труднообогатимых руд (тонковкрапленных, окисленных, шламистых, сажистых). Так, большие объемы шлаков накоплены на ряде действующих и старых заводов, использующих пирометаллургическую переработку свинцовых концентратов. В этих шлаках содержатся повышенные концентрации цинка (до 17%), свинца (до 3%), меди (до 0,9%), а также оксиды железа, кремния и алюминия. Проведенные исследования по комплексной электротермической переработке шлаков медеплавильных заводов показали возможность получения из них медистого чугуна, цинковых возгонов и силикатно-кальциевого шлака. Разработана также технология безотходной переработки джезказганских медных концентратов с получением богатого медью штейна и высококальциевого маложелезистого шлака, являющегося высококачественным сырьем для производства шлаковаты, шлаколитных изделий и шлакоситалла. Шлаки металлургического производства цветных металлов после доизвлечения из них ценных компонентов могут использоваться в строительной 48 индустрии. Шлаки медного и никелевого производства пригодны в качестве заполнителей при изготовлении бетонов, а в гранулированном виде — в качестве вяжущего сырья. Бетоны автоклавного твердения, полученные на вяжущих продуктах гранулированных шлаков цветной металлургии, пригодны для изготовления бетонных и железобетонных конструкций. В соответствии с разработанной технологией гранулирования, шлаки цветной металлургии пригодны и к использованию для производства шлакового песка. Например, на Побужском никелевом заводе электроплавкой с последующим обогащением получают ферроникель, содержащий основную массу никеля и железа. Шлак гранулируется и используется в строительстве. Высокий экономический эффект от использования гранулированных шлаков цветной металлургии в качестве железосодержащей добавки в сырьевую смесь цементного производства подтвержден расчетами, выполненными для условий Свердловской области. Отходы медеплавильных и других металлургических заводов пригодны также для производства минерального волокна — дешевого теплоизоляционного материала. Таким образом, шлаки цветной металлургии должны рассматриваться как дешевый источник получения целой гаммы строительных материалов, весьма дефицитных во многих промышленных и сельскохозяйственных районах страны. Особое место занимает проблема комплексных отходов, получаемых при переработке бокситов, так называемых красных шламов. Громадные их залежи накопились и ежегодно пополняются в окрестностях действующих алюминиевых (глиноземных) заводов. Между тем красные шламы содержат железа 30-33%, окиси алюминия — до 12-30%, двуокиси титана — 2-4%, пятиокиси ванадия — 0,2%, цирконий, галлий, ниобий, скандий, редкоземельные элементы. Концентрация ценных компонентов в шламах достаточна для промышленного их извлечения, что предопределяет большую актуальность использования в народном хозяйстве, как комплексного сырья. 49 проблемы их Сложность технологии переработки красных шламов обусловлена тем, что основная часть глинозема и щелочей в них связана с кремнеземом в форме гидроалюмосиликатов натрия, являющихся прочными соединениями. Для извлечения глинозема и щелочей металлургические процессы реагентами. Для или необходимы высокотемпературные гидрометаллургия с высокореактивными высокожелезистых красных шламов эффективна технологическая схема, включающая восстановительную плавку красных планов с последующей щелочной переработкой ее шлаков. Конечной товарной продукцией восстановительной плавки является чугун. В шлаки при плавке переходит основное количество натрия, алюминия и другие полезные компоненты, включая редкие и редкоземельные элементы. Конечная товарная продукция переработки шламов — глинозем и щелочь. Разработанная технология предусматривает также извлечение титана, редких и редкоземельных элементов. Извлечение в товарную продукцию основных составляющих достигает: глинозема — 96%, железа — 98%, щелочи — 80% и титана — 100%. В расчете на годовой выпуск 190 тыс. т глинозема капитальные затраты на комплексную переработку красных шламов с получением чугуна, глинозема, каустической соды и цемента, по сравнению е производством на специализированных предприятиях, возрастают на 17%. Красные шламы с относительно невысоким содержанием железа и других ценных компонентов представляют интерес в качестве корректирующей добавки при производстве портландцементного клинкера и в относительно небольших объемах, как добавка при агломерации железорудных материалов и для производства флюса в сталеплавильном производстве. Кроме того, красные шламы могут использоваться для окрашивания силикатного кирпича и некоторых других целей. В опытных условиях проверена также и возможность их применения для производства стеновых изделий. На основе шламов алюминиевого завода получен качественный пустотелый и обычный кирпич. 50 Разработаны также способы использования шлаков при производстве шлакощебня, шлакоситаллов, различных вяжущих для закладки выработанного пространства горных выработок и др. Метод переработки цинковых кеков гидрометаллургическим способом основан на высокотемпературном выщелачивании кеков и осаждении железа из комплексных солей — ярозитов. При этом цинковый кек выщелачивают при высокой температуре (90-95оС) и кислотности (начальная 180-200, конечная 40-60 г/л) в течение 4-6 часов; ферриты цинка, кадмия, меди, а также соединения мышьяка и сурьмы разрушаются, а в раствор одновременно с ними переходит большое количестве железа. При дальнейшей операции (добавление в раствор соединения калия и снижение его кислотности) железо осаждается в виде ярозитового кека. В результате такого выщелачивания цинкового кека из цинковых концентратов извлекается 96-97% цинка и кадмия в чушковый металл, 90% меди в медный кек, 94-97% свинца, золота и серебра в свинцовые остатки. Ярозитовый кек (отвальный продукт при гидрометаллургической переработке цинковых кеков) может быть использован для производства красителей в производстве стройматериалов. Утилизация ярозитового осадка необходима также в связи с экономической проблемой, т.к. его тонкодисперсность и токсичность приводят к загрязнению окружающей среды. В свинцовой и медной подотраслях металлургической промышленности значительное количество попутных элементов переходит в пыль и технологические газы. Пыли агломерации и шахтной плавки свинцового производства служат сырьевым источником получения редких и рассеянных элементов (кадмия, индия, рения, селена и др.). Но действующие схемы сложны у недостаточно эффективны. Пыли медного производства содержат более 40% свинца, являются товарными и направляются на переработку на свинцовые заводы как свинецсодержащее сырье. Из технологических газов осуществляется утилизация серы. 51 6. ТЕХНОГЕННОЕ СЫРЬЕ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ГОРНОЙ ХИМИИ На предприятиях горной химии основными отходами являются: галитовые отходы в калийной промышленности; фосфогипс при переработке фосфатного сырья; отходы апатитовой флотации при переработке апатито-нефелиновых руд; пиритные огарки при переработке серосодержащего сырья. В солеотвалах и шламонакопителях предприятий накоплено более 460 млн. т галитовых отходов, для складирования которых отведено 1700 га сельскохозяйственных земель. Их используют в небольших количествах (в 1984 г. использовано около 14% от общего их выхода при производстве калийных удобрений) для производства технической очищенной соли, закладки выработанного пространства шахт, подсыпки дорог в целях борьбы с гололедом и для химической водоочистки в энергетических системах. Изучается возможность наиболее полной замены пищевой соли на ее технические сорта из отходов калийных предприятий. При производстве фосфорных удобрений образуется один из самых массовых отходов — фосфогипс, ежегодный выход которого составляет 20 млн. т. В отвалах разных предприятий накопилось около 170 млн. т. Использование фосфогипса в народном хозяйстве составляет не более 10-14% текущего его выхода. Фосфогипс успешно используется в ряде отраслей. В сельском хозяйстве его употребляют на химическую мелиорацию солонцовых почв вместо природного сыромолотого гипса, в цементной — в качестве добавки к цементному клинкеру перед его помолом вместо природного гипса. В стройиндустрии фосфогипс употребляется при производстве гипсовых вяжущих изделий и продуктов, получаемых на их основе. Ведутся исследования по использованию фосфогипса в производстве серной кислоты, в бумажной 52 промышленности, при тампонировании нефтяных скважин и креплении шахтных выработок, а также в дорожном строительстве. На производственном объединении «Фосфорит» ежегодно в хвостохранилище поступает более 5 млн. т кварцевых отходов, в которых уже накопилось более 60 млн. т песка. Площадь, занятая под отходами, составляет 490 га. Более 8-10% стоимости основной продукции этих предприятий расходуется на удаление промышленных отходов. Пыль фосфогипса содержит вредные вещества (фтор, стронций, мышьяк и др.) и может загрязнять атмосферу, почвы в радиусе до 10 км и более. Расчетами установлено, что из отходов перерабатываемой исходной кингисеппской руды можно получить обширный перечень высококачественных продуктов и внедрить безотходную технологию. Хвосты обогатительных фабрик после обезвоживания могут быть использованы для производства строительных материалов (штукатурных кладочных растворов, ячеистых и тяжелых бетонов, силикатного кирпича и облицовочной плитки и т.д.), а также в дорожном строительстве. Разработаны и проверены в опытнопромышленных установках режимы и технологические схемы получения высококачественных кварцевых стекольных и формовочных песков, кварцевого абразива для бытовой химии, песка для силикат-глыбы и стекловолокна, а также магний-аммоний-фосфатных удобрений и продуктов процесса грохочения. Комплексное использование сырья предусматривает также снижение вредных воздействий на окружающую среду за счет утилизации различного вида отходов —извлечения фтора при переработке фосфоритов, использования вскрышных пород в строительстве, рекультивации нарушенных земель, меньших объемов захоронения отходов. Ежегодное образование отходов апатитовой флотации составляет около 30 млн. т, в том числе 28 млн. т — на производственном объединении «Апатит» при переработке апатито-нефелиновых руд Хибинского месторождения. В отвалах находится 300 млн. т, отходов апатитовой флотации. Общее содержание полезных 53 минералов в массе апатито-нефелиновой руды составляет почти 98%. Хибинские месторождения содержат ценнейшие минералы, имеющие народнохозяйственное значение: апатит, нефелин, сфен, титаномагнетит и эгирин. В состав этих минералов в общей сложности входит около 22 химических элементов, важнейшие из которых — фосфор, алюминий, натрий, калий и др. Разработаны достаточно эффективные технологические схемы переработки хибинских руд, позволяющие получать свыше 20 видов товарных продуктов. Но в настоящее время из этих руд извлекается только апатит и около 12% нефелина, что составляет не более производственном 60% общей объединении ценностной «Апатит» структуры площадь руды. На хвостохранилища обогатительных фабрик составляет свыше 10 млн. м2. При годовом объеме добычи апатитовой руды 42 млн. — при обогащении из 30 млн. т отходов возможно получение 6 млн. т нефелинового концентрата. Конечными продуктами переработки последнего могут быть глинозем, сода, поташ, алюминиевый коагулент, алюмокалиевые квасцы, керамические связки. В отвалах сернокислых производств на начало 1984 г. хранилось около 30 млн. т пиритных огарков. Годовое образование пиритных огарков — около 4,5 млн. т. Пиритные огарки используются в основном в цементной промышленности, незначительное их количество применяется при производстве стекла и огнеупорных материалов, в сельском хозяйстве для мелиорации почв, при обжиге свинцовых концентратов в качестве агломерирующей добавки с последующим извлечением содержащихся в этих огарках золота и серебра. Проводятся исследования по комплексной переработке пиритных огарков с извлечением таких ценных компонентов, как железо, золото, серебро, цветные и редкие металлы. 54 7. ТЕХНОГЕННОЕ СЫРЬЕ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ЭНЕРГЕТИКИ На предприятиях угольной промышленности объем учтенных накопленных отвалов превышает 10 млрд. м3, причем половина из них подвержена горению. К отходам угольной промышленности относятся отвальные вскрышные породы, образующиеся в процессе разработки месторождения, отходы углеобогащения и зола от сжигания энергетических углей. Определились два основных направления утилизации отходов: повторное обогащение отходов, использование их в других отраслях промышленности. Попутные продукты угледобычи При разработке угольных месторождений ежегодно извлекается из недр около 1 млрд. т вскрышных пород, 100 млн. т шахтных пород. Интенсивное развитие открытого способа добычи привело к более быстрому накоплению этих отходов. Только в Донецком бассейне ежегодный объем их складирования составляет 75 млн. т породы. Отходы угледобычи подразделяются на твердые: минеральные и органоминеральные (углесодержащие с Сорг. более 4%), а также жидкие и газообразные. Твердые отходы часто содержат попутные полезные ископаемые, то есть минеральные комплексы в породах, вмещающих основное полезное ископаемое, образующие самостоятельные пласты, залежи или рудные тела, которые экономически целесообразно добывать для использования при разработке углей (горючих сланцев). К ним относятся пески, песчано-гравийные смеси, глины, каменные строительные материалы, железные руды, фосфориты, бокситы, россыпные полезные ископаемые, кремнистые породы, гипс, ангидрит, самородная сера. Попутные полезные ископаемые обычно сосредотачиваются в 55 минеральных отходах угледобычи (вскрышных или шахтных породах, С орг. менее 4%). Во вскрышных породах часто содержится уголь. Например, его потери со вскрышей составляют на карьерах Кузнецкого бассейна (Россия), Экибастузского бассейна (Республика Казахстан) и Ангренского месторождения (Республика Узбекистан) до 10 млн. т в год. Тем не менее, есть примеры доизвлечения угля из таких органо-минеральных отходов. Применительно к углям Канско-Ачинского бассейна разработан метод комплексного энерготехнологического использования низкосортного топлива, основанный на термической переработке углей. При этом получают высокосортное твердое, жидкое и газообразное энергетическое топливо и одновременно технологическое сырье для химической промышленности (углеводороды, фенолы, серу), производства строительных материалов и сельского хозяйства, то есть создается малоотходная технология использования высокозольного и сернистого топлива в энергетике. Одним из наиболее естественных (хотя и дорогостоящих) способов использования горной породы является оставление ее в шахте для закладки выработанного пространства и забутовки горных выработок, то есть для поддержания кровли в забоях. Такое использование пород, бесспорно, обеспечивает наилучшие условия для поддержания кровли в выработанном пространстве, крепления и ремонта горных выработок. При этом практически отсутствует проседание почвы на поверхности, что особенно важно при подработке ценных сельскохозяйственных земель, городских и прочих территорий. Окончательный вывод об эффективности данного способа должен делаться по итогам технико-экономических расчетов. Альтернативой здесь является выдача породы на поверхность с последующей ее переработкой и полезным использованием. Наиболее широкое применение порода находит пока в строительной индустрии. Скальные породы используются в дорожном строительстве и для 56 балластировки железнодорожных путей, в виде щебня. Различные сорта глин и карбонатные породы направляются на производство цемента, кирпича, керамических изделий, дренажных труб, аглопорита, керамзита и других видов строительных материалов. Однако при больших возможностях переработки отходов уровень их фактического использования в целом еще весьма незначителен: из добываемого объема вскрышных и смешанных пород для производства строительных материалов используется менее 3%. На Ангренском месторождении, разрабатываемом угольным разрезом, в толще вмещающих пород залегают каолины, известняки, песчано-глинистые отложения и суглинки. Запасы каолинов месторождения составляют значительную долю балансовых запасов этого сырья в целом по Узбекистану. В настоящее время на Ангренском месторождении реализуется около 10% попутной годовой добычи каолинов — в основном для производств канализационных и дренажных труб, облицовочных плиток, санитарно-технических фаянсовых изделий, бытовой посуды, а также в качестве добавки в производстве белого и цветного цементов и высокопрочного кирпича. Основная же масса добываемых каолинов вывозится в спецотвалы. Горелые породы шахтных отвалов успешно применяются для устройства оснований немагистральных шоссейных дорог. Наконец, все породы могут быть использованы для рекультивации земель. Для повышения эффективности рекультивации порода, выдаваемая из шахт и обогатительных фабрик, должна укладываться в плоские отвалы, которые легче и дешевле рекультивируются и практически не самовозгораются. Перегорелые породы находят все большее применение при строительстве постоянных и временных дорог. Тонкомолотые перегорелые породы являются ценнейшим материалом для изготовления стеновых панелей и стеновой керамической плитки. На Украине было установлено, что построенные на базе 57 перегорелой породы дороги хорошо дренируют поверхностные воды, на них не наблюдается зимнего вспучивания, как следствие — срок их нормальной эксплуатации увеличивается более чем в два раза. На предприятиях «Интауголь» в советские годы из породных отходов изготавливался кирпич марки 75-100, все показатели соответствовали ГОСТу (в том числе и морозостойкость). Опыт показал, что для получения качественного кирпича содержание углистого вещества в шихте не должно превышать 10%. Кирпич, изготавливаемый из породы, легче глиняного и обладает лучшими теплоизоляционными свойствами. На бывшем ПО «Ростовуголь» еще в 1980 году был построен завод по производству блоков из горелой породы бывшей шахты им. Петровского. На заводе был организован экспериментальный цех керамики, изучались возможности использования пород для выпуска санитарно-технических изделий. Горелые породы породоотвала шахты им. Октябрьской революции были использованы для строительства ткацкой фабрики №3 Шахтинского хлопчатобумажного комбината, а также отсыпки автодороги г. Шахты — станица Мелиховская. Кроме горелой породы породоотвалов, используются и свежие породы шахт и обогатительных фабрик для устройства плотин на строительстве прудов. Важным попутным продуктом угледобычи является выдаваемая на поверхность шахтная вода. Объем шахтных вод зависит от водообильности месторождений, например, на шахтах Донецкого бассейна — 3 м3/т. Вся поступающая из подземных водотоков в горные выработки вода направляется в водосборники, из которых ее и откачивают на поверхность. Для более широкого использования шахтных вод в народном хозяйстве необходимо улучшить их качество. Механических примесей в шахтных водах, 58 например, Донецкого бассейна — не более 200-300 мг/л, они состоят из частиц угля и пород крупности не более 100 мкм. Откачиваемые на поверхность шахтные воды подвергаются очистке в отстойниках и прудах-осветлителях в одну и две стадии. Средняя эффективность отстаивания взвешенных веществ составляет: при одноступенчатой очистке 6575%, при двухступенчатой 70-80%. Глубокая очистка шахтных вод от взвешенных веществ и бактериальных загрязнений до норм воды питьевого качества проводится лишь на немногих шахтах. Основное количество шахтной воды после очистки используется для производственного и противопожарного водоснабжения. В очистных сооружениях шахт ежегодно образуется много осадков, которые могут использоваться в качестве минеральных удобрений. При добыче угля открытым способом попутно извлекаемые воды используются на углемойках с оборотным циклом с целью более полного его извлечения. Часть шахтных вод, несмотря на минерализацию, применяется в сельском хозяйстве для полива посевов овощных культур и многолетних трав. Важным попутным продуктом угледобычи является метан. При определенных соотношениях концентрации метана в шахтной атмосфере он представляет серьезную опасность, так как может стать источником взрыва, а также препятствует увеличению нагрузки на очистной забой, повышению темпов подготовки и отработки выемочных полей. Для обеспечения допустимых концентраций метана на шахтах Донецкого и Кузнецкого бассейнов применяется дегазация, в результате которой резко улучшаются все технико-экономические показатели процесса угледобычи. Однако, газ, извлекаемый при дегазации вакуум-насосными установками угольных шахт, по происхождению относится к природным углеводородам и является попутным продуктом разработки угольных месторождений. Количество метана, содержащегося в подрабатываемых толщах дегазируемых шахт глубиной 500 м, эквивалентно 10-15% добываемого ими угля. Если извлекать только 59 половину запасов газа, то годовая его добыча будет эквивалентна 2 млн. т условного топлива. Использование продуктов углеобогащения При обогащении твердых горючих полезных ископаемых выделяются и накапливаются в самостоятельные концентраты и продукты обогащения различные попутные компоненты. Основными методами обогащения углей являются флотация и гравитация. При этом образуются отходы крупностью от 300 до 0,5 мм и менее, содержащие каолинит, гидрослюду, монтмориллонит, хлорит, кварц, сульфиды, карбонаты, полевые шпаты. Области применения отходов углеобогащения и добычи во многом совпадают: это производство аглопорита, керамзита, строительной керамики, кремнеалюминиевых сплавов, огнеупорных материалов, пиритного концентрата, стеклокристаллических и плавленых материалов; дорожное и гидротехническое строительство, производство удобрений. Одним из перспективных направлений использования отходов углеобогащения является производство пористых заполнителей для бетонов (аглопорита, керамзита). Промышленное производство пористых заполнителей методом агломерации было начато в середине 1950-х годов, когда в США был введен в эксплуатацию завод по производству заполнителей из отходов обогащения каменного угля. В настоящее время в мире эксплуатируется более 10 предприятий по производству аглопорита из отходов углеобогащения. Основной потенциальной сырьевой базой производства аглопорита являются отходы гравитационного обогащения углей. Производство керамзита может быть ориентировано на использование минеральных отходов угледобычи (глин, суглинков, аргиллитов), а также на применение отходов обогатительных фабрик Печорского, Донецкого, Кузнецкого 60 и Сахалинского бассейнов, характеризующихся низким содержанием углерода и высокой вспучиваемостью. Отходы добычи и обогащения углей могут частично или полностью заменить глинистое сырье в шихте кирпичных заводов. Кроме того, в ряде случаев отходами углеобогащения удается заменить несколько компонентов в составе сырьевых смесей кирпичных заводов (опилки, уголь, шамот, гранулированный шлак), что упрощает технологию. Опытно-промышленными работами показана целесообразность введения до 20% тонкоизмельченных отходов гравитационного обогащения углей в состав шихты Новокузнецкого завода. Одним из примеров использования отходов углеобогащения в качестве компонентов для производства цементов является Польша, где ежегодно около 0,4 млн. т таких отходов используется в шихте цементных заводов. Из углеотходов обогащения целесообразно выделять пиритные концентраты. Такие отходы характерны для предприятий Донецкого бассейнов, причем основные потенциальные запасы дисульфида железа сосредоточены в породе гравитационного обогащения. Пиритный концентрат в течение ряда лет применялся в сернокислотном производстве и к нему предъявлялись жесткие требования по крупности (менее 3 мм), содержанию серы (39% и более) и углерода (менее 5%). Поэтому пиритный концентрат тяжелосреднего обогащения додрабливали, измельчали, подвергали гидроклассификации, а в случае необходимости, дообогащали на концентрационных столах. При использовании пиритного концентрата для улучшения обрабатываемости сталей и в качестве сульфидизатора плавки окисленных никелевых руд содержание углерода не нормируется, крупность может быть 5-100 мм. В отходах добычи и обогащения углей часто присутствуют породы, богатые алюминием, главным образом состоящие из минералов каолиновой группы (Иркутский, Тунгусский, Таймырский бассейны). Наибольшее число работ 61 посвящено каолиновым породам, залегающим в угольных пластах Экибастузского бассейна и Ангренского месторождения. Доказана эффективность переработки (щелочными методами) на глинозем этого сырья с удалением из него вредных примесей. Примером могут служить вторичные каолины Ангренского месторождения, для которых характерно высокое (до 50-60% при допустимом 30%) содержание зерен кварца размером более 10 мкм. Для повышения плодородия почв во многих странах мира применяют зольные отходы от сжигания углей и значительно меньше — отходы добычи и обогащения. Многие из содержащихся в углеотходах агрохимических компонентов представлены формами, плохо усваиваемыми растениями. Один из способов перевода малоподвижных форм в легко усваиваемые основан на их биохимической активизации применением в виде компоста (то есть смеси углеотходов с органическим удобрением). Техногенное сырье на энергетических предприятиях Увеличение общей мощности тепловых электростанций, рост зольности энергетических углей, вовлечение в топливный баланс различных низкосортных топлив сопровождается прогрессирующим возрастанием массы отходов. Широко известно и в крупных масштабах реализовано в промышленности применение золошлаковых отходов энергетического сжигания углей в качестве компонента сырьевых смесей для производства цемента. Золошлаковые отходы, прошедшие термообработку, существенно изменяют исходный минеральный состав и структуру. При этом золу нельзя отождествлять (как количественно, так и качественно) с минеральной частью топлива. Состав золы топлива принято выражать через оксиды элементов, и он может быть охарактеризован преобладающими SiO2 + Al2O3, варьирующими СаО + MgO и подчиненным количеством Fe2O3. Основные золообразующие минералы в углях — кварц, 62 глинистые минералы, слюды, полевые шпаты, карбонаты, сульфиды, оксиды и гидрооксиды железа, опал, халцедон, корунд. Среди акцессорных встречаются галенит, сфалерит, халькопирит, оксиды титана, диаспор, ильменит, целестин, гипс, ярозит, апатит. Примеси, растворенные в грунтовых водах, также являются одной из составляющих золы топлива. Высокая минерализация грунтовых вод может служить причиной повышенного содержания в углях натрия (так называемые «соленые» угли). В углях более высокой степени углефикации (от газовых до антрацитов) отсутствуют активные группы, реагирующие с металлами, поэтому золообразующие минеральные примеси в них те же, что и в осадочных породах, то есть глинистые минералы и кварц. При обогащении топлива из него удаляют лишь внешние минералы, то есть отделяющиеся от топлива при его размоле. Внутренние минералы, заключенные в частице топлива, претерпевают превращения при более высокой температуре и в более восстановленной среде, чем отделенные от угля. Они составляют зольность собственно угля, которая не зависит от обогащения. При озолении топлива только кварц, полевые шпаты и некоторые оксиды железа не меняют своей массы вплоть до начала плавления. Глинистые минералы, карбонаты, сульфиды теряют массу в результате удаления воды, диоксида углерода, выгорания серы. И наоборот, кальциевые и натриевые соединения, подвергаясь сульфатизации, увеличивают свою массу. В связи с этим зольность топлива практически всегда отличается от содержания в нем минеральных компонентов. В результате термической обработки золошлаковые отходы меняют исходную структуру сырья и могут характеризоваться очень высокой дисперсностью, близкой по крупности к измельченному цементному клинкеру. Отходы сжигания углей на тепловых электростанциях представляют собой ценное сырье для народного хозяйства и в первую очередь для строительной индустрии. Шлаки, составляющие 10-20% этих отходов, являются хорошим заполнителем бетона, используются в 63 дорожном строительстве и для теплоизоляционных засыпок, а зола — в производстве цемента (как активная минеральная добавка к цементу и как компонент цементной сырьевой смеси), газобетона, керамзитобетонов, искусственных пористых заполнителей (аглопоритового и зольного гравия, золокерамзита), силикатного и глиняного кирпича (отощающие и кремнеземистые добавки). Зола тепловых станций, использующих экибастузские угли Казахстана, содержит до 30% окиси алюминия и может стать практически неисчерпаемым источником сырья для производства глинозема. Использование золошлаковых смесей позволяет сэкономить до 25% технологического топлива за счет вторичного вовлечения топливной составляющей золы. Исследования показывают, что золошлаковые отходы могут содержать повышенные количества серы, германия, галлия, молибдена. Например, в Великобритании в течение 20 лет германий извлекался из золы и шлаков ТЭЦ, работающих на бурых углях, содержащих 0,01% германия. В условиях избытка воздуха большая часть германия концентрировалась в шлаках (52%) и золе (19%), при недостаточном доступе воздуха (на газогенераторных установках) — в пыли дымоходов (75%), золе и шлаках (25%). Производство было прекращено в связи с переводом ТЭЦ на газовое топливо в середине 1970-х годов. Промышленное полупроводниковых использование свойствах (для германия основано изготовления на его транзисторов светоэмиссионных диодов и выпрямителей), а в последние годы доминирует потребление германия в инфракрасной и волоконной оптике (линзы, стекла). В США 80-90% германия используют в военной области (боевая техника, оснащенная приборами инфракрасного видения). Однако использование в народном хозяйстве указанных отходов до сих пор еще не превышает 5% общего выхода этой продукции. Проблема утилизации золошлаковых отходов остается нерешенной. Тем не менее, они занимают огромные площади, пагубно действуют на окружающую среду. В странах СНГ такими отвалами занято более 150 тыс. гектаров земли. 64 В ряде зарубежных стран уровень использования золошлаковых отходов значительно выше и составляет 50-80% от их текущего выхода. Л.Я. Кизильштейном с соавторами разработана схема комплексной утилизации золошлаковой смеси угольной тепловой электростанции (рисунок 1), позволяющая рассмотреть возможность проектирования технологической линии производства большого ассортимента материалов, актуальных для Юга России. 65 Примечание: ЗШС — золо-шлаковая смесь; ФС — ферросилиций; АСПМ — алюмосиликатные полые микросферы; МШ — магнетитовые шарики; НУЧ — несгоревшие угольные частицы Рисунок 1 – Типовая схема комплексного использования золо-шлаковых отходов угольной тепловой электростанции 66 8. МЕТОДЫ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ И ОЦЕНКИ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В настоящее время не создано единой методики изучения техногенных месторождений, которое зависит от промышленно-генетического типа природного объекта, условий образования и накопления вторичных минеральных ресурсов, существующих схем технологического производства. Однако, несмотря на специфику месторождений, созданных человеком, их изучение должно базироваться на получении той же количественной, качественной и прагматической информации, которая необходима для оценки природных тел полезных ископаемых. В качестве типовых показателей оценки техногенных месторождений могут быть рекомендованы следующие группировки (Мищенко, 1983): общая географо-производственная характеристика (источник отходов, его местонахождение, наименование отходов, условия их образования и накопления, изученность); ресурсная характеристика (текущий и перспективный выход, запасы, емкость отвалов, затраты на удаление и складирование, землеемкость); качественная характеристика (физико-механические и химико- технологическое свойства сырья и продукции из него); производственно-экономическая использования по перерабатывающих направлениям установок, характеристика (объемы переработки использования технологические условия и и мощность производства, себестоимость, отпускная или оптовая цена, эксплуатационные и капитальные затраты на отгрузку, предварительную переработку отходов, на получение кондиционного сырья или готовой продукции). 67 Геологическое изучение техногенных объектов можно разделить на два этапа: поисково-ревизионный и разведочно-эксплуатационный, границы между которыми условны. Первый поисково-ревизионный этап связан с обнаружением техногенных скоплений полезных ископаемых. Успешное проведение этого этапа зависит от общей эрудиции исследователей, знаний конъюнктуры рынка и геологических особенностей природного месторождения, представлений о существующих технологических схемах обогащения и переработки первичного минерального сырья, а также о возможностях внедрения новых эффективных технологий. При этом поиски связаны с изучением фондовой геологической и технической документации, сопровождавших добычу и переработку первичного полезного ископаемого. Выявляются по годам все отходы горного производства и места их складирования. Среди поисковых объектов можно выделить следующие: скопления в отвалах добывающих предприятий ранее некондиционных руд, но в настоящее время представляющих промышленный интерес в результате изменившихся потребностей, кондиций и появлению новых технологий переработки сырья (как по главному, так и по попутным компонентам); скопления полезных компонентов, образующиеся при несовершенстве или временных нарушениях обогатительного или перерабатывающего технологического процесса (например, в хвостохранилище обогатительных фабрик, отвалах шлаков, кеков, скоплений пыли); вскрышные и промпродукты, вмещающие являющиеся горные отходами породы, для минералы данной и отрасли горнорудного производства, но обладающие другими полезными для человека свойствами; сюда могут быть включены как традиционные полезные ископаемые (строительные материалы, индустриальное, 68 химическое, агрономическое сырье и др.), так и нетрадиционные материалы, заменители первичного минерального сырья. Задачей поисково-ревизионного этапа является определение перспектив выявленных техногенных скоплений с отбраковкой проявлений, не имеющих промышленного значения. Получение первичной информации дополняется поисково-оценочными работами в соответствии с инструкциями и методиками, разработанными для конкретных видов природных полезных ископаемых. Разведочно-эксплуатационный этап условно можно разделить на две стадии: предварительную разведку и детальную, сопровождающуюся частичной эксплуатацией объекта. Задачей предварительной разведки является получение однозначного заключения о промышленной значимости объекта как по качественным, производится так в и тех количественным случаях, когда показателям, в ее детальная проведении разведка заинтересована соответствующая отрасль народного хозяйства. На этой стадии выявленное месторождение и минеральное сырье изучаются со всей полнотой, необходимой для передачи объекта в промышленное освоение с получением таких данных, которые оказывают влияние на условия, технику, технологию и экономику добычи. Геолого-промышленные показатели, получаемые в результате детальной разведки природных месторождений, должны сохраняться и для техногенных месторождений. К ним относятся (Погребицкий, 1974): характер контура и размеры площадей распространения полезного ископаемого; положение их в пространстве; мощность, строение и объем тела полезного ископаемого; элементы залегания; количество рудных тел и их взаимоотношение в пространстве; 69 вещественный состав полезного ископаемого, содержание полезных, вредных и инертных компонентов; текстурно-структурные особенности, их технические и технологические свойства, объемный вес, влажность; типы и сорта полезного ископаемого, их пространственное обособление, выход на рудную массу; запасы полезного ископаемого; горно-технические условия эксплуатации (гидрогеологические, газовые и термальные условия, крепость и устойчивость полезного ископаемого и боковых пород). Разведочная модель месторождения обычно представляется в виде ряда графических изображений, которые дополняются и разъясняются словесными данными. Графическое изображение природных объектов дают геологические карты и разрезы, стратиграфические и литологические колонки, тектонические схемы, которые не совсем применимы к техногенным месторождениям. И поэтому для последних на первое место выступают схемы минералогического и геолого-технологического картирования, планы и разрезы опробования и подсчета запасов, планы разведочных выработок, планы в изолиниях мощностей залежи, изменения качества полезных ископаемых, глубина зоны окисления техногенных руд и т.д. Получение необходимой геологической информации о техногенных скоплениях базируется прежде всего на их опробовании при проведении поисково-разведочных маршрутов, проходке канав и шурфов, бурении скважин и геотехнологическом картировании. Отобранные пробы исследуются в лабораториях минералогическими, петрографическими, минераграфическими, геохимическими методами с выявлением химического состава полезного ископаемого, элементов-примесей, физических и механических свойств, а также подвергаются технологическим испытаниям. Для ряда техногенных полезных 70 ископаемых возможно проведение геофизических исследований (магниторазведки, электроразведки, ядерно-геофизических). При завершении разведочных работ техногенное месторождение передается в эксплуатацию при следующих условиях: технологическими испытаниями доказана возможность промышленного использования полезного ископаемого; технико-экономические расчеты показывают, что дополнительные затраты на их переработку до товарного продукта не превышают извлекаемой при этом ценности; выявлены конкретные потребители и указаны объемы использования. Таким образом, несмотря на специфику образования и накопления техногенных полезных ископаемых, их геологическое изучение принципиально не отличается от оценки природных месторождений. Хотя в каждом конкретном случае подобная работа является творческой, она зависит не только от квалифицированного и интуитивного подхода исследователей, но и многих объективных обстоятельств, связанных с условиями проведения работ, возможностями технологического процесса, технической оснащенностью и др. В качестве примера методики изучения техногенного месторождения можно привести геологоразведочные работы на одном из хвостохранилищ Тырныаузского вольфрам-молибденового комбината (Шуликовский, 1992), целью которых являлось, установление целесообразности его разработки, либо использовании в подсобном хозяйстве комбината для разбивки фруктового сада. В результате этих работ по разведочным линиям вкрест простирания искусственной россыпи было пробурено 26 скважин глубиной от 25 до 45 м с учетом общей мощности россыпи. Общий объем бурения составил 600 погонных метров, опробованию подвергался каждый 1,5-2-метровый интервал скважин. Выход опробуемых песков составил в среднем около 60%. Среднее содержание трехокиси вольфрама в целом по хвостохранилищу составило 0,03%, молибдена 71 валового — 0,006%, что довольно точно совпадает с данными ОТК фабрики при заполнении хвостохранилища в 1960-е годы. Объем хвостов здесь составил 15,0 млн. м3, что при плотности песков 1,55 т/м3 равно 23 млн. т. Изучение распределения вольфрама в искусственной россыпи показало, что его повышенные содержания образуют две горизонтальные линзы в средней и донной части хвостохранилища. Проведенный минералогический и гранулометрический анализ хвостов выявил, что основная часть потерь металла связана с недоизмельченностью шеелита и молибдошеелита. Присутствие этих минералов в относительно крупных зернах (классов 0,15-0,30 мм и более) указывает на брак работы обогатительной фабрики. Это подтверждает и морфология обогащенных вольфрамом участков хвостохранилища. Вытянутые горизонтальные линзы соответствуют положению хвостопровода и определенным периодам работы фабрики. В связи с этим представляется целесообразным использование гравитационных методов обогащения для переработки отработанной пульпы, идущей с хвоста, с целью извлечения шеелита крупных классов. Разведочные работы показали, что искусственная россыпь шеелита, образованная в описанном хвостохранилище, может служить весьма экономичным объектом отработки открытым способом в связи с частым дефицитом карьерной руды, для подшихтовки основных руд. Положительный результат разведки дал основание для поставки аналогичных работ на другом хвостохранилище, где также возможно образование искусственных россыпей шеелита и некоторых попутных компонентов руд. 72 9. ГЕОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТИРОВАНИЕ КАК ВЕДУЩИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Среди геологических исследований техногенных месторождений особая роль принадлежит геолого-технологическому картированию, то есть комплексу работ по геометризации руд с различными технологическими свойствами и обогатимостью. Такие работы основаны не на единичных технологических пробах, средних по месторождению или рудному телу, а на массовом опробовании и картировании всего разнообразия руд. В основу методики геологотехнологического картирования положено детальное изучение технологические особенностей всех текстурно-минералогических разновидностей руд, их классификация и составление геотехнологических карт, разрезов. При этом выделяются и геометриэуются факторы, обусловливающие технологическую неоднородность полезного ископаемого, составляются частные классификации технологических субтипов руд на основе технологических требований перерабатывающих предприятий; выделяются и геометризуются технологически, однородные блоки с определением их параметров; производится опробование технологически однородных блоков и определение оптимальных направлений испытаний технологических проб. Научные основы геометризации месторождений были заложены отечественными учеными П.К. Соболевским и П.А. Рыжовым еще в 1930-40-е годы. Развитие их автоматизированной идей на современном информационной этапе системы связано контроля с созданием изученности вещественного состава и технологических свойств руд на основе использования электронно-вычислительной техники. Основными функциями такой системы (любого масштаба) будут сбор, систематизация и хранение данных, контроль за их полнотой, корректировка характеристик месторождений по последним данным, выдача необходимой информации в различных режимах. Такие работы 73 позволили обогащения бы обоснованно для имеющихся выбирать типов наиболее руд и целесообразные гарантировали бы схемы полноту использования минерального сырья. Методика картирования разработана для различных типов природных месторождений, однако, она вполне приемлема и для техногенных объектов. Выделение технологических типов и субтипов полезных ископаемых производится на основе разных показателей. Так, в качестве технологически значимых параметров руд цветные металлов обычно рассматриваются: 1) содержание в рудах металлов (%); 2) соотношение содержаний металлов; 3) минералогические формы нахождения металлов и минеральный состав руд; 4) текстура и структура руды; 5) флотационные свойства руд и вмещающих пород; 6) литолого-петрографический состав рудовмещающих пород. В общем случае извлечение металлов из сульфидных руд скарновых, жильных месторождений увеличивается с ростом их содержания в данном типе руд, это связано с хорошими флотационными свойствами главных рудных минералов гидротермального и гидротермально-метасоматического генезиса. Однако на стратиформных и колчеданно-полиметаллических месторождениях выявленная закономерность не всегда подтверждается. Нередки случаи, когда при меньших содержаниях из бедных руд извлечение металлов значительно выше, чем из богатых. Особенно сильно влияют на изменение технологических свойств минералогические Флотационным формы способом нахождения обогащения свинца, наиболее цинка, меди эффективно в рудах. извлекаются сульфиды этих металлов. Процессы окисления ухудшают технологические свойства руд, так как у большинства новообразованных минералов свинца, меди и цинка отсутствуют природные гидрофобные свойства. Хорошо флотируются 74 вторичные сульфиды меди, самородная медь, но только после сульфидизации флотируются малахит, церуссит, англезит, смитсонит, виллемит. Облагораживает руды метаморфизм, начиная с p-t условий фации зеленых сланцев, так как при этом они перекристаллизовываются в более крупнозернистые агрегаты сульфидов и последние очищаются от примесей. Эффективность флотации резко понижается для сажистых и землистых (например, малахитовых) руд из зон окисления. Такие агрегаты могут преобладать на поверхности техногенных месторождений цветных металлов. Крупнозернистый гранулометрический состав зерен сульфидов является одним из исходных условий хорошего флотационного обогащения руд. Поэтому лучшее качество концентратов достигается при обогащении гидротермальных, скарновых и метаморфогенных руд с зернистыми, коррозионными или кристаллобластическими структурами. Тогда как коллоидные (метаколлоидные), тонкополосчатые текстуры и структуры значительно понижают эффективность их обогащения. Особенно часто гидротермально-осадочного и такие структуры наблюдаются вулканогенно-осадочного в генезиса. рудах При селективной флотации из метаколлоидных и коллоидных руд из-за больших потерь металла целесообразно получать коллективный концентрат с последующей переработкой по другим технологиям. Флотационные свойства могут меняться от особенностей кристаллического строения и примесей в рудных минералах. Так, для сфалерита они зависят от количества и формы вхождения элементов-примесей (Fe+2, Cd+2, Mn+2), изменяющих его кристаллическую решетку. Клеофаны флотируются лучше мартитов. Примеси меди в сфалеритах (изоморфной или механической) повышают их флотоактивность. Присутствие пирита при флотации халькопирита, сфалерита является отрицательным фактором, так при этом в пульпе образуются сульфооксиды смешанных металлов, нежелательные пленки на рудных зернах. Вмещающие породы, вовлекаемые в процесс флотации, также влияют на 75 конечный результат обогащения (продолжительность измельчения, селективность разделения при концентратах и шламообразовании, др.). Например, количество на балластных Риддер-Сокольном примесей в месторождении установлено отрицательное влияние глинозема и карбонатов на извлечение меди, а карбонатов на извлечение свинца. Таким образом, учитывая всю совокупность технологических свойств руд, проводится их типизация с учетом существующих на горно-обогатительных предприятиях схем обогащения и возможности изменения технологического процесса. Наиболее перспективным изменением является совершенствование, флотационного метода — ведущего в отечественной цветной металлургии, повышение селективности и расширение диапазона крупности селективно флотируемых частиц. Значительная роль принадлежит введению высокоэффективных флотореагентов. Одним из примеров решения комплекс ной переработки сульфидной медно-свинцово-цинковой пиритовой руды является комбинированная схема обогащения с применением металлургии. Металлургическая переработка хвостов медной флотации позволяет повысить извлечение свинца до 51%, меди до 73%, цинка до 61,5%, тогда как по чисто флотационной схеме удавалось получить извлечение свинца 30%, меди 61%, цинка 55,5%. Важным технологическим параметром железорудного сырья является содержание в нем магнитных фракций, т.к. основным методом извлечения железа в концентрат является мокрая магнитная сепарация, использующая магнитные свойства минералов. Поэтому при геотехнологическом картировании железорудных объектов не достаточно иметь данные только по общему содержанию железа в сырье. Необходимо детальное минералогическое изучение вещества, особенно если это отходы первичного горного производства. Составление геометрических схем распределения доли магнитного железа является результатом такого картирования. 76 По данным практики на месторождениях железистых кварцитов, если это соотношение составляет около 0,9, то относительная часть железа, уходящего в хвосты, — около 80%, а при снижении доли магнитного железа до 0,7, в хвосты теряется уже около 50% исходного железа. Поэтому часто богатые по содержанию железа руды (но бедные по магнетиту) разрабатывать оказывается менее рентабельно по обычной технологии, чем более бедные магнетитовые руды. Одним из путей повышений эффективности извлечения железа из некондиционных руд является внедрение обжигмагнитной схемы обогащения. При геотехнологическом картировании отвальных скоплений пирита, по данным опробования, составляются геохимические схемы распределения серы, кобальта, золота, меди, цинка, серебра и других ценных элементов. При повышенных содержаниях полезных компонентов в отдельных участках отбираются минералогические пробы, изучаются и картируются формы нахождения попутных компонентов (изоморфные примеси, минеральные), а также их микроассоциации, проводится морфометрический анализ. На горнообогатительных предприятиях Кольского полуострова в отвалах накоплено большое количество бедных забалансовых апатитовых руд. При картировании таких техногенных скоплений необходимо оконтуривать участки по повышенным содержаниям нефелина, сфена, титаномагнетита, эгирина с изучением формы и размеров зерен этих минералов. При картировании терриконов (конусных отвалов угледобывающих предприятий) важным технологически признаком является гранулометрический состав складированного материала. Отбор проб проводится обычно по склону отвала. Картированием геометризуются три зоны: у основания — с валунноглыбовым составом, в средней части — с песчано-гравелитовым размером частиц и верхняя — пелитовая с высоким содержанием органического вещества (горючая составляющая до 20-30%). Наиболее ценным для использования является пелитовый материал — как корректирующая добавка при получении пористой 77 керамики, аглопорита. Избыток серы (более 2%) в этом материале ухудшает физико-механические свойства изделий. Для изучения распределения серы в отвале и выяснения формы ее вхождения в минералы обычно картируются содержания в пробах пирита. Пирит в верхней части терриконов является вредным компонентом при обжиговом производстве также вследствие токсичности серы. Таким образом, геолог при оценке рентабельности вторичного использования отвального сырья должен хорошо ориентироваться в новейших технологиях обогащения и переработки руд, пород, нерудных минералов, углей и этими знаниями руководствоваться в выборе параметров при картировании изучаемых объектов. 78 технологически значимых 10. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧЕНИЯ УГЛЕСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ КАК СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Изучение углесодержащих отходов добычи и обогащения углей целесообразно проводить в две стадии: предварительной (поисково-ревизионной), выявляющей объекты для дальнейшего изучения и заключительной (промышленной), в результате которой подготавливаются исходные данные для проектирования соответствующей установки или предприятия для переработки углеотходов. На предварительной стадии анализируют состав и свойства углеотходов, оценивают стабильность этих показателей. Для предварительного исследования отходов обогащения и добычи углей, хранящихся в отвалах, разработана специальная методика, позволяющая определить выбор направлений их использования и основные технологические параметры. Технические средства не позволяют с удовлетворительными техникоэкономическими показателями оценить состав и свойства складированных углеотходов во всем объеме отвала. Обычно изучают только внешний слой отвала (на глубину до 4 м). Полученные данные в отличие от исследования текущих отходов обогащения позволяют дать прогноз состава и свойств пород терриконов только на короткий период времени после проведения опробования, продолжительность которого тем меньше, чем больше масштаб переработки. Эти недостатки присущи как зарубежным, так и отечественным методикам опробования пород терриконов. Например, в Великобритании, где угледобыча полностью прекращена, пробы массой около 5 кг отбирают бурением поверхности террикона на глубину до 3 м. В Венгрии и Польше проводится изучение углесодержащих пород, хранящихся в конусных отвалах, с целью оценки целесообразности получения из 79 них кондиционного топлива методами гравитационного обогащения. Пробы отбирают с поверхности отвала, а расстояние между точками тем больше, чем меньше его объем. По методике, принятой в нашей стране, отвал разбивают на зоны, от каждой из которых отбирают первичную пробу, составляемую из порционных. Число порционных проб составляет от 3 до 5 в зависимости от площади поверхности зоны. Зоны отмеряются от вершины к основанию, и расстояние между ними (по вертикали) принимается равным 4 и 1 м, соответственно, для конического террикона и плоского отвала. Опробованию не подлежит нижняя зона крупновалунного (500-1000 мм) и глыбового (более 1000 мм) материала. В отобранных пробах исследуются следующие показатели: гранулометрический состав, влажность, пластичность, прочность на сдвиг, анализ серы и золообразующих элементов, литолого-минералогический состав, содержание органического углерода, содержание углистого вещества. Показатель выветриваемости, степень окисленности (или термическая характеристика, разделяющая породы на горелые, горящие и негорелые). Заключительная потребитель на стадия углеотход исследования конкретного выполняется, предприятия, если имеется установлены (на предварительной стадии) выдержанность состава и свойств углеотходов и определено, что они образуются в объеме, достаточном для использования. На промышленной стадии обычно исследуется одна достаточно крупная (технологическая) проба, состав и свойства которой должны соответствовать данным опробования, полученным на предварительной стадии. На технологической пробе проводится полный комплекс испытаний в лабораторных и полузаводских (заводских) условиях по программе, предусмотренной для оценки традиционного сырья, вместо которого предполагается использовать углеотходы. Оптимальная масса представительной пробы из породных отвалов изменяется от 50 до 200 кг. 80 Разработанные рекомендации по принципиально возможным и технологически целесообразным направлениям использования углеотходов позволили определить для каждого из них десять параметров (Шпирт и др., 1990), которые представлены в таблице 1. Характеристические параметры обозначаются в таблице латинскими буквами, а более мелкие группы — арабскими цифрами. Такая индексация позволяет оптимально классифицировать отходы угледобычи и обогащения. Как правило, только совместное рассмотрение нескольких классификационных параметров позволяет выбрать перспективные направления их использования. Например, песчаные углеотходы (В2) целесообразно применять в качестве земляного грунта при строительстве автомобильных дорог и искусственных земляных сооружений или (с параметрами С1 и С2) — в качестве фильтрующих массивов, а при С3, С4, С5 и Д1 — при рекультивации в смеси со слоем почвы. Карбонатные углесодержащие отходы (В3) можно утилизировать вместо щебня (с учетом параметров С, S), в дорожном строительстве, для известкования почв и в качестве сырья для производства вяжущих (при определенных значениях параметров С, Д, S). Углеотходы глинистые (В1) могут быть рекомендованы как сырье в производстве пористых заполнителей для легких бетонов и строительной керамики, кремнеалюминиевых сплавов (с учетом параметров С, Д, Fe, S), абразивных материалов (с учетом параметров С, Fe), а также при строительстве дорог и искусственных земляных сооружений (с учетом параметров Д, S). Из глинистых весьма перспективны для использования углеотходы, относящиеся к каолинито-кварцевой группе (В1а). Они являются наиболее подходящим сырьем для производства, например, огнеупорных и кислотостойких (с учетом параметров С, Д, Fe) пористых заполнителей, глинозема (с учетом параметров С, Fe, S), концентратов соединений алюминия (с учетом параметров С, Д, Fe). 81 Таблица 1 Индексация параметров и групп общей классификации отходов добычи и переработки углей Обозначение группы Параметр и группа классификации параметра А Источник образования отходов 1. Отходы добычи а) вскрышная порода б) шахтная города 2. Отходы углеобогащения 3. Порода терриконов Z Первичная характеристика углеотходов 1. Горелая порода 2. Негорелая порода 3. Отходы обогащения а) порода крупная более 13 мм или 25 мм б) порода средней крупности 0,5-13 (25) мм в) флотационные (менее 0,5 мм) В Литолого-минералогическая характеристика 1. Глинистые а) каолинитовые б) гидрослюдистые в) монтмориллонитовые 2. Песчаные 3. Карбонатные а) кальцитовые б) сидеритовые С Содержание органического углерода 1. Низкоуглеродистые, менее 4% а) <2% б) 2-4% 2. Малоуглеродистые, 4-8% 3. Среднеуглеродистые, 8-12% 4. Углеродистые, 12-20% 5. Высокоуглеродистые, более 20% D Степень углефикации органической массы 1. Низкометаморфизованные 2. Среднеметаморфизованные 3. Высокометаморфизованные 82 Цифровой код место номер в коде группы 1 1 1 1 1 2 3 4 2 2 1 2 2 2 2 3 4 5 3 3 3 3 3 3 3 1 2 3 4 5 6 7 4 4 4 4 4 4 1 2 3 4 5 6 5 5 5 1 2 3 Продолжение таблицы 1 Обозначение группы Параметр и группа классификации параметра Fe Содержание соединений железа (Fe2O3 в золе) 1. Низкожелезистые, менее 1,5% 2. Маложелезистые, 1,5-5% 3. Среднежелезистые, 5-12% 4. Железистые, 12-18% 5. Высокожелезистые, более 18% S Содержание серы 1. Низкосернистые, <0,5% 2. Малосернистые, 0,5-2% 3. Среднесернистые, 2-3% 4. Сернистые, 3-4% 5. Высокосернистые Al Содержание соединений алюминия (А12О3 в золе) 1. Малоглиноземные, менее 15% 2. Среднеглиноземные, 15-28% 3. Высокоглиноземные, более 28% M Содержание соединений кальция и магния (СаО+MgO в золе) 1. Низкокальциевые, менее 3% 2. Среднекальциевые, 3-6% 3. Кальциевые, 6-12% 4. Высококальциевые, более 12% P Пластичность 1. Непластичные, П=0 2. Малопластичные, П менее 7 3. Среднепластичные, П=7-15 Отсутствие данных или требований к изучению параметра 83 Цифровой код место номер в коде группы 6 6 6 6 6 1 2 3 4 5 7 7 7 7 7 1 2 3 4 5 8 8 8 1 2 3 9 9 9 9 1 2 3 4 10 10 10 1-10 1 2 3 0 При разработке рекомендаций практически всегда необходимо учитывать содержание органического вещества, то есть параметр С. Углеотходы группы С1 по свойствам практически не отличаются от традиционного минерального сырья. Углеотходы группы С5, по-существу, являются высокозольным топливом и могут использоваться либо как исходное сырье для выделения кондиционного угля методами обогащения, либо непосредственно для сжигания или газификации, в специальных устройствах. В процессах получения пористых заполнителей методом агломерации (аглопорита) можно использовать углеотходы групп С2, С3, С4. Однако следует учитывать, что если углеотходы с параметром С3 не требуют введения в шихту каких-либо добавок, то углеотходы с параметрами С2 или С4, вероятно, необходимо шихтовать, соответственно, либо с топливосодержащими, либо с отощающими добавками. Для получения пористых заполнителей обжигом во вращающейся печи наиболее целесообразно применять углеотходы с параметрами С1, а углеотходы других групп (С2-С5) необходимо подвергать предварительному обжигу. Как добавки при производстве строительной керамики могут использоваться углеотходы всех групп (от С1 до С5), но в качестве топливосодержащих компонентов — только с параметрами С3, С4, С5. Как основной компонент шихты для получения стеновой керамики перспективны углеотходы с параметрами С1, С2 и в некоторых случаях С3 (с учетом параметров В, Д, S). Для производства обычной облицовочной плитки можно рекомендовать только углеотходы с параметром С1а. Для большинства термовосстановительных процессов в качестве сырья обычно рекомендуют отходы С2 и С3. При термообработке в восстановительных условиях малоперспективны углеотходы с параметром Д1, так как для них характерно выделение основного количества топливосодержащих компонентов в газовую фазу при температуре, 84 значительно более низкой, чем требуется для восстановления соединений кремния и алюминия. Сернистость отходов (S) также определяет выбор направлений их использования. Для производства пористых заполнителей благоприятно использование углеотходов с параметрами S1, S2 и, возможно, S3; для огнеупорных материалов и стеновой керамики (в качестве основного компонента шихты) — с параметрами S1 и S2, а для кремнеалюминиевых сплавов и карбидкремниевых материалов — S1. Возможной областью применения углеотходов группы S4 может стать дорожное строительство (в нижних слоях автодорог после укрепления вяжущими); S4 и S5 — как компонент удобрений, а S5 — в качестве исходного сырья для получения пиритных концентратов. Повышенное содержание соединений железа в углеотходах (параметр Fe) может стать лимитирующим фактором при их использовании в производстве пористых заполнителей (Fe5), кремнеалюминиевых сплавов (Fe3, Fe4, Fe5 и частично Fe2), глинозема (Fe3, Fe4, Fe5). Для снижения содержаний железа можно использовать магнитную сепарацию. Полученные при сепарации высокожелезистые продукты или углеотходы с параметром Fe5, вероятно, представляют интерес как железорудное сырье. В таблице 2 показаны возможные направления использования углесодержащих отходов в зависимости от параметров общей классификации, показанных в таблице 1. Согласно индексации параметров и групп общей классификации каждый отход можно охарактеризовать десятизначным числом. Каждая цифра из десяти в этом числе показывает номер группы, а место ее в цифровом коде определяется соответствующим параметром. Например, отходы обогащения бурого угля класса +25 мм при содержании С орг. = 10%, серы = 1,8%, числе пластичности 4, в составе которых содержание минералов каолиновой группы и кварца составляет 65%, а содержание в золе Al 2O3 27%, Fe2O3 4,5%, обозначаются 3314122202. При этом цифра 0 обозначает или незначимость 85 параметра для рассматриваемого направления использования или отсутствие данных о параметре. Индексированная характеристика изучаемого сырья позволяет по таблице 2 найти ему возможное применение в качестве сырья для производства аглопорита, строительной керамики, вяжущих материалов. 86 Таблица 2 Выбор направлений использования углеотходов в зависимости от параметров классификации (см. табл. 1) Направление использования А Z B C D Fe S Al M P 1; 2 2; 4; 5 1-4 6 1-3 1-5 1-3 1-3 1-3 1-3 аглопорита 1; 3 3; 4 1-3 3-5 1-3 1-4 1; 2 2; 3 1-3 1-3 керамзита 1-3 1; 3; 4 1-3 1-3 1-3 3; 4 1; 2 1; 2 1-3 2; 3 строительной керамики 1; 3 2-5 1-3 1-4 1-3 2-4 1; 2 2; 3 1; 2 2; 3 1; 2; 4 1; 2 1-3 1 1-3 1 1 2; 3 1 2; 3 1-3 2; 3 1; 2 3-6 2; 3 1-5 1 2; 3 1-4 1-3 1-3 2-4 1; 2; 4 4-6 2; 3 1; 2 1 3 1 1-3 вяжущих материалов 1 1; 2 5 1; 2 2; 3 2; 3 1-5 2; 3 4 1-3 пиритного концентрата 3 3; 4 1-4 1-6 1-3 4;5 5 1-3 1; 2 1; 2 3; 4 1; 3 3; 5 4-6 1-3 3-5 1-3 1; 2 3; 4 1-3 1-4 1-4 1-3 1-3 3 3-5 4-5 1-3 1-4 1-3 1-4 1-4 1-6 1-3 2; 3 1-3 1; 2 1-3 1-4 1-3 Сжигание, газификация Основное сырье для производства: тонкой керамики кремнеалюминиевых сплавов огнеупорных материалов (нитриды, карбиды) стеклокристаллических и плавленых материалов Дорожное строительство: основания, укрепленные неорганическими вяжущими щебень, грунт Продолжение таблицы 2 Направление использования А Z B C D Fe S Al M P Гидротехническое строительство 1-4 1-4 1-6 1-5 1-3 1-4 1-3 1-3 1-4 1-3 Компонент удобрений 1-3 2-5 1-3 5; 6 1 1-3 1-5 1; 2 1-4 1; 2 аглопорита 1-4 1-5 1-4 1-6 1-3 1-5 1-4 1-3 1-4 1-3 строительной керамики 1-4 1-5 1-4 1-6 1-3 1-5 1-3 1-3 1-3 1-3 вяжущих материалов 1-4 1-5 1-З; 5 1-5 1-3 1-5 1-5 1-3 1-4 1-3 чугуна 1; 3 2; 3 1; 2; 4 5; 6 2; 3 1-5 1 1-3 1; 2 1; 2 1 2 1-4 6 1-3 1-5 1-3 1-3 1-4 1-3 Добавка при производстве: Обогащение на энергетическое топливо 88 ЛИТЕРАТУРА Основная 1. Аксенов, Е.М. Техногенные месторождения — проблемы и перспективы вовлечения в хозяйственный оборот [Текст] / Е.М. Аксенов [и др.] // Разведка и охрана недр. - 2010. - №2. - С. 17-20. 2. Беневольский, Б.И. Два аспекта проблемы утилизации горно- промышленных отходов [Текст] / Б.И. Беневольский // Минеральные ресурсы России: экономика и управление. - 2011. - №1. - С. 37-42. 3. Боков, В.Г. Техногенные ресурсы России. Сырье для производства строительных материалов [Текст] / В.Г. Боков. - М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2001. - 91 с. 4. Быховский, Л.З. Техногенные отходы как резерв пополнения минерально- сырьевой базы: состояние и проблемы освоения [Текст] / Л.З. Быховский, Л.В. Спорыхина // Минеральные ресурсы России: экономика и управление. - 2011. №4. - С. 15-20. 5. Вершинин, А.С. Методологические основы геолого-технологического картирования гипергенных никелевых руд [Текст] / А.С. Вершинин // Известия вузов. Геология и разведка. - 1980. - №2. - С. 125-130. 6. Геолого-технологическое картирование руд месторождений цветных металлов [Текст] / Ю.Б. Генкин [и др.]. - М.: Недра, 1986. - 120 с. 7. Залкинд, И.Я. Зола и шлаки в котельных топках [Текст] / И.Я. Залкинд, В.С. Вдовченко, Э.П. Дик. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 80 с. 8. Кизильштейн, Л.Я. Ревизионная оценка золо-шлаковых отвалов ТЭС на территории Ростовской области в качестве техногенных месторождений нерудного сырья [Текст] / Л.Я. Кизильштейн [и др.]. - Фонды ФГУП «ТФГИ по ЮФО». - 2001. 9. Комаров, М.А. Горнопромышленные отходы — дополнительный источник минерального сырья [Текст] / М.А. Комаров [и др.] // Минеральные ресурсы России: экономика и управление. - 2007. - №4. 10. Коц, Г.А. Технологическое опробование и картирование месторождений [Текст] / Г.А. Коц, С.Ф. Чернопятов, Н.В. Шманенков. - М.: Недра, 1980. 11. Критерии выделения геолого-технологических типов руд на Удоканском месторождении [Текст] / И.Ф. Наркелюн [и др.] // Известия вузов. Геология и разведка. - 1982. - №1. - С. 137-142. 12. Макаров, В.А. Условия формирования техногенных золотосодержащих объектов и особенности методики их геолого-технологической оценки [Текст] / В.А. Макаров. - Красноярск: Изд-во Красноярского ГТУ, 2002. 13. Минеральное сырье и экономия материальных и энергетических ресурсов [Текст] / А.С. Астахов [и др.]; под ред. А.С. Астахова. - М.: Недра, 1986. - 335 с. 14. Минеральное сырье: от недр до рынка: в 3-х т. - Т. 1. Благородные металлы и алмазы. Золото, серебро, платиноиды, алмазы [Текст] / Под ред. А.П. Ставского. - М.: Научный мир, 2011. - 400 с. 15. Минеральное сырье: от недр до рынка: в 3-х т. - Т. 2. Цветные металлы. Алюминий, медь, никель, олово, свинец, цинк [Текст] / Под ред. А.П. Ставского. М.: Научный мир, 2011. - 496 с. 16. Минеральное сырье: от недр до рынка: в 3-х т. - Т. 3. Черные легирующие металлы и некоторые неметаллы. Железо, марганец, хром, вольфрам, молибден, титан, фосфаты, калийные соли, плавиковый шпат [Текст] / Под ред. А.П. Ставского. - М.: Научный мир, 2011. - 624 с. 17. О промышленном использовании окисленных железистых кварцитов Михайловского месторождения КМА / Н.Т. Цапков [и др.] // Горный журнал. 1983. - №7. - С. 37-38. 18. Певзнер, М.Е. Экология горного производства [Текст] / М.Е. Певзнер, В.П. Костовецкий. - М.: Недра, 1990. - 235 с. 90 19. Пирогов, Б.И. Роль минералогических исследований в обогащении руд [Текст] / Б.И. Пирогов // Минералогич. журнал. - 1982. - №1. 20. Пирогов, Б.И. Изучение апатита и прогноз обогатимости комплексных руд Ковдорского месторождения [Текст] / Б.И. Пирогов, А.Н. Трунин, И.В. Холошин // Минералогическая зональность и локальный прогноз оруденения. - Ростов-н/Д: Издательство Ростовского университета, 1991. - С. 149-157. 21. Погребицкий, Е.О. Геолого-экономическая оценка месторождений полезных ископаемых [Текст] / Е.О. Погребицкий, В.И. Терновой. - Л.: Недра, 1974. - 304 с. 22. Техногенные месторождения Среднего Урала и оценка их воздействия на окружающую среду [Текст]; под ред. Ю.А. Боровкова. - М.: НИА-Природа, 2002. 206 с. 23. Техногенные минерально-сырьевые ресурсы [Текст]; под ред. Б.К. Михайлова. - М.: Научный мир, 2012. - 236 с. 24. Туркебаев, Э.А. Комплексное использование сырья и отходов промышленности [Текст] / Э.А. Туркебаев, Г.Х. Садыков. - Алма-Ата: Казахстан, 1988. - 140 с. 25. Фейтельман, Н.Г. Эффективность освоения минеральных ресурсов СССР [Текст] / Н.Г. Фейтельман. - М.: Недра, 1985. 26. Чантурия, В.А. Экологические и технологические проблемы переработки техногенного сульфидсодержащего сырья [Текст] / В.А. Чантурия, В.Н. Макаров, Д.В. Макаров. - Апатиты: КНЦ РАН, 205. - 218 с. 27. Шадрунова, И.В. Комплексная физико-химическая технология переработки хвостов обогащения медно-цинковых руд [Текст] / И.В. Шадрунова [и др.] // Горный информ.-аналит. бюлл. - 2005. - №12. - С. 188-197. 28. Шпирт, М.Я. Рациональное использование отходов добычи и обогащения углей [Текст] / М.Я. Шпирт, В.А. Рубан, Ю.В. Иткин. - М.: Недра, 1990. - 224 с. 91 29. Шуликовский, А.В. Геолого-технологическое картирование рудных тел Тырныаузского вольфрам-молибденового месторождения [Текст]: дис... канд. геол.-мин. наук: 04.00.11. - Ростов-на-Дону, 1991. - 145 с. Дополнительная 30. Арбатов, А.А. Обострение сырьевой проблемы и международные отношения [Текст] / А.А. Арбатов, А.Ф. Шахай. - М.: Международные отношения, 1981. 31. Аренс, В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых (геотехнология) [Текст] / В.Ж. Аренс. - М.: Недра, 1986. 32. Болдырев, А.С. Использование отходов в промышленности строительных материалов [Текст] / А.С. Болдырев, А.Н. Люсов, Ю.А. Алехин. - М.: Знание, 1983. 33. Бурмистров, В.Н. Отходы флотации углей — материал для керамических стеновых изделий [Текст] / В.Н. Бурмистров, Т.И. Карпунина, В.И. Смолин // Уголь. - 1986. - №2. - С. 43-54. 34. Вторичные материальные ресурсы угольной промышленности (Образование и использование) [Текст] / Под ред. А.Е. Юрченко [и др.]. - М.: Экономика, 1984. 35. Горлов, В.Д. Рекультивация земель на карьерах [Текст] / В.Д. Горлов. - М.: Недра, 1981. 36. Инструкция по изучению и оценке попутных твердых полезных ископаемых и компонентов при разведке месторождений угля и горючих сланцев [Текст]. - М.: Наука, 1987. 37. Кравченко, А.Н. Повышение эффективности использования материалов на шахтах [Текст] / А.Н. Кравченко. - М.: Недра, 1979. 92 38. Лебедев, В.В. Комплексное использование углей [Текст] / В.В. Лебедев, В.А. Рубан, М.Я. Шпирт. - М.: Недра, 1987. 39. Молявко, А.Р. Сокращение потерь угля с отвальными породами и отходами обогащения [Текст] / А.Р. Молявко // Уголь. - 1985. - №10. - С. 59-61. 40. Основные проблемы развития безотходных производств [Текст] / Б.Н. Ласкорин [и др.]. - М.: Стройиздат, 1981. 41. Пешев, И.Г. Экономические проблемы рационального использования фосфоритного сырья [Текст] / И.Г. Пешев. - М.: Наука, 1980. 42. Якунин, В.П. Использование отходов обогащения углей [Текст] / В.П. Якунин, А.А. Агроскин. - М.: Недра, 1978. 93
