Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Техногенные новообразования в условиях Михайловского ГОКа
1.1 Технология извлечения и отсыпки в отвалы вскрышных пород, образование техногенных ландшафтов
1.2 Техногенные месторождения как источник дополнительного сырья. Основные направления использования вскрышных пород
1.3 Влияние технологического ландшафта на экологическую обстановку в регионе
1.4 Эколого-экономические аспекты использования пород вскрыши в народном хозяйстве
Глава 2. Методика и условия проведения исследований 38
2.1 Обоснование выбора направления исследований и объект исследований
2.2 Условия проведения исследований 39
2.2.1 Природно-климатические условия и рельеф Михайловского железорудного месторождения
2.2.2 Краткие геологическая и гидрогеологическая характеристики месторождения
2.2.3 Стратиграфическая колонка карьера месторождения. Состояние вскрыши, отсыпанной в отвалы
2.2.4 Краткая характеристика вскрышных пород карьера, отсыпанных в отвалы Михайловского железорудного месторождения
2.3 Методики, использованные в исследованиях 57
2.3. 1 Методики практических исследований 57
2.3.2 Схема исследований 58
Глава 3. Результаты исследования химического состава пород вскрыши
3.1 Химический анализ и характеристика вскрышных пород карьера
3.1.1 Общий химизм вскрышных пород 60
3.1.2 Валовой химический состав и обусловленные им свойства вскрышных пород
3.1.3 Исследование свойств пород вскрыши в разновозрастных отвалах
3.1.4 Химический состав и свойства хвостов обогащения . 81
3.2 Сорбционные качества вскрышных пород 83
3.3 Биологические свойства вскрышных пород 95
3.4 Агроэкологические основы проведения восстановительных мероприятий в условиях Михайловского железорудного месторождения
Глава 4. Оценка экономической эффективности комплексного использования пород вскрыши в народном хозяйстве
4.1 Эколого-экономический аспект эффективности горного производства
4.2 Восстановление земель техногенных ландшафтов, как основа природоохранных мероприятий в горнодобывающем производстве
4.3 Обоснование экономической эффективности использования вскрышных пород в мероприятиях направленных на восстановление экологического равновесия в условиях Михайловского железорудного месторождения
Выводы П7
Рекомендации производству 119
Литература 122
Приложения 134
- Технология извлечения и отсыпки в отвалы вскрышных пород, образование техногенных ландшафтов
- Условия проведения исследований
- Химический состав и свойства хвостов обогащения
Введение к работе
В настоящий период во всем мире большое внимание уделяется проблеме охраны биосферы и рациональному использованию природных ресурсов. Особое внимание направлено на открытые разработки полезных ископаемых, многократно увеличивающие экологическую нагрузку на окружающую среду и ее составляющие: литосферу, гидросферу и атмосферу.
В нашем случае проблема рассмотрена на примере карьера Михайловского месторождения КМА, на котором ведется добыча железной руды открытым способом. При этом изымаются сельскохозяйственные угодья, претерпевают изменения естественные биоценозы, происходит загрязнение пылевыми и грязевыми выбросами, изменяется гидрогеологический режим подземных вод, увеличивается заболеваемость и смертность населения.
Актуальность темы
В результате добычи железной руды на территории КМА отсыпано в отвалы более 2 млрд.тонн вскрышных пород и отходов их обогащения, которые не находят вторичного применения. В основном они складируются валовым способом и частично используются как источник дополнительного сырья в строительстве, цементной промышленности, мелиорации и т.д. Народное хозяйство способно востребовать только незначительную часть отходов горного производства - не более 3%. Остальное складируется в отвалы, в результате возникают техногенные ландшафты. После завершения формирования отвалов они технически перемешиваются, образуя смеси, а при вторичной их сортировке возникают значительные трудности технического и экономического характера. Сегодня ведется ряд исследований, цель которых найти пути использования пород вскрыши в народном хозяйстве. Таким образом, естественные биогеоценозы подвергаются трансформации. Стандартные методы охраны окружающей среды малоэффективны.
В нашем случае решение проблемы измененных ландшафтов должно быть рассмотрено и с позиции природопользования сельского хозяйства, и с позиции химического состава компонентов техногенного новообразования. Такой подход позволит делать выводы о дальнейшем использовании компонентов биосферы в интересах сохранения экологического равновесия.
Реанимация измененных территорий предполагает воссоздание всех ее компонентов. Максимальный эффект будет достигнут только в том случае если в решении проблемы будет учтен эколого-экономический аспект. Сегодня ведется ряд исследований, цель которых, найти пути использования пород вскрыши в народном хозяйстве.
Проведенные нами исследования являются актуальными и направлены на рациональное использование вскрышных пород Михайловского железорудного карьера, предусматривают поиск пути снижения затрат при использовании вскрыши в народном хозяйстве и решении социально-экологических проблем.
Состояние изученности проблемы
Решение экономических и экологических задач функционирования Михайловского железорудного месторождения является сложным и многогранным. Исследованиями ученых A.M. Бурыкина, А.И. Стифеева, М.В. Сергеева, В.И. Прозорова, Э.В. Засориной и др. разработаны приемы биологической рекультивации земель, образование естественных и искусственных фитоценозов, интенсивность эрозионных процессов и меры борьбы с ними в техногенных ландшафтах. В последнее время поднимается вопрос о внедрении программ, носящих эколого-экономический характер, в частности Уманец В.Н. (1987) задается вопросом о рентабельности использования рекультивированных земель в сельскохозяйственном обороте, а также о возможности использования вскрыши в направлениях, не носящих традиционный сельскохозяйственный аспект, но в тоже время выполняющих функции экологизации сельскохозяйственного производства и одновременно
являющаяся инструментом повышения экономической эффективности. Вместе с тем, вопросы глубокого изучения физико-химических свойств вскрышных пород и возможности их использования в различных отраслях народного хозяйства, позволяющих параллельно улучшить экологическое состояние территории Железногорского района, до настоящего времени не решены, что предопределило цели и задачи наших исследований.
Цели и задачи работы
Целью наших исследований являлось установление уровня сорбционных свойств и биологической пригодности вскрышных пород для биологической рекультивации и других видов использования.
Для реализации поставленной цели нами решались следующие задачи: l.Ha основании обзора научных данных, дать оценку степени воздействия горнорудного производства на состояние природных ресурсов в районах добычи полезных ископаемых.
2.Определить химический состав вскрышных пород по срезу стратиграфической колонки карьера Михайловского железорудного месторождения.
3.Установить тенденцию изменения химического состава вскрышных пород, отсыпанных в отвалы, во времени.
4,Определить сорбционные и биологические свойства вскрышных пород Михайловского железорудного месторождения, находящихся в карьере и отсыпанных в отвалы.
Объект и предметы исследования
Объект — горные вскрышные породы Михайловского железорудного месторождения КМА (карьера и отсыпанные в разновозрастные отвалы), их химические свойства, влияние техногенных образований на экологическую обстановку в регионе, основные направления в их использовании, возможность внедрения элементов технологий комплексного использования и отдельных его приемов.
Предмет исследования - основные направления комплексного использования вскрышных пород Михайловского железорудного месторождения, их влияние на экологическую обстановку, пути их применения с позиций рационального природопользования и охраны окружающей среды.
Научная новизна
Более глубоко изучен химический состав и впервые определены сорбционные свойства вскрышных пород карьера Михайловского железорудного месторождения. Выявлены кинетические закономерности их химического состава и свойств. Изучены биологические свойства вскрышных пород, обусловленные сорбционными химическими свойствами.
Практическая значимость работы состоит в том, что детальное изучение химического состава, сорбционных и биологических особенностей вскрышных горных пород в карьере и отвалах разных возрастов позволит использовать их в решении проблем, связанных с «реанимацией» нарушенной экологической обстановки региона КМА. Материалы диссертационной работы широко используются в учебном процессе Курской государственной сельскохозяйственной академии и Курском институте социального образования (филиал) Московского государственного социального университета.
Апробация работы. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научных исследований КГСХА им. И.И.Иванова, ее результаты включены в научные отчеты по программе НИР (№ государственной регистрации 01.9.70000668). Основные положения диссертационной работы рассматривались на ежегодных отчетах аспирантов и научных сотрудников (2000-2004г.г.), на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов в КГСХА и получили положительную оценку.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных статей.
Личный вклад автора. Диссертантом выполнен весь объем исследований, проведены необходимые расчеты, произведена обработка полученных результатов и их анализ, сформулированы общие положения, выносимые на защиту, выводы и рекомендации.
Положения, выносимые на защиту:
Сорбционные и биологические свойства вскрышных пород, обусловленные их химизмом.
Возрастные тенденции изменения во времени химического состава и свойств вскрышных пород, отсыпанных в отвалы.
Комплексные направления использования вскрышных пород, продиктованные их сорбционной способностью и биологическими свойствами.
Возможности комплексного использования вскрышных пород в природоохранных мероприятиях.
Структура и объем, работы. Работа изложена на 151 странице основного текста, состоит из введения, четырех глав, 6 приложений, содержит 12 рисунков, 32 таблиц, список литературы включает 135 наименований.
Автор выражает глубокую признательность руководителям - доктору химических наук, профессору ЖУКОВОЙ Людмиле Алексеевне и доктору сельскохозяйственных наук, профессору СТИФЕЕВУ Анатолию Ивановичу, сотрудникам кафедры «НЕОРГАНИЧЕСКОЙ И АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ», кафедры «ЭКОЛОГИИ И ОХРАНЫ ПРИРОДЫ» за оказанную помощь при выполнении кандидатской диссертации.
Технология извлечения и отсыпки в отвалы вскрышных пород, образование техногенных ландшафтов
Основной способ добычи руды на Михайловском месторождении - открытый. Разработки ведутся с земной поверхности, в результате образуется карьер - комплекс горных выработок, предназначенных и оборудованных для разработки месторождений полезных ископаемых. Открытые разработки имеют ряд достоинств: нет необходимости в креплении горных выработок, их вентиляции, освещения, меньший объем подготовительных работ; сокращение количества применения взрывчатых веществ; более высокая безопасность труда; значительно выше его производительность; ниже себестоимость продукции; меньшие потери полезного ископаемого; значительно легче увеличивается мощность предприятия [5]. По утверждению Коваленко А.И. и др. [6] открытые разработки полезных ископаемых позволяют повысить производительность труда в 5 - 6 раз по сравнению с подземной добычей и снизить себестоимость продукции в 2 — 3 раза.
Ведение вскрышных работ на объектах неселективное. Мощность вскрыши местами достигает 80 - 100 и более метров.
Текущий коэффициент вскрыши (количество вскрышных пород, приходящихся на единицу полезного ископаемого при открытых горных работах в т/т) составляет 15 т/т. В горнотехнической литературе отмечается, что через 30 лет глубина выработанных карьеров увеличится до 1000 м [7]. С углублением карьеров изменится текущий коэффициент вскрыши до 30-50 т/т. Так как высота отвалов обычно не превышает 50 м и вряд ли может быть более 100 м, то для размещения такого большого объема вскрышных пород на поверхности земли потребуются значительно большие территории. Расчеты показывают, что площадь отвала будет превышать площадь карьера в 4-7 раз. Воздействие на ландшафты открытых горных работ проявляется в коренном переустройстве рельефа с образованием техногенных отрицательных (денудационных) и положительных (аккумулятивных) форм [8].
Отвалы являются положительной формой рельефа по отношению к контуру карьера. Отвалы, находящиеся внутри карьерного контура - внутренние, располагающиеся вне карьера - внешние [9].
Для техногенного ландшафта, остающегося после разработки подобных месторождений, характерно наличие гребневидных отвалов вскрышных пород [10].
Отвалы, сформированные вскрышными породами - техногенные ландшафты, представляют совокупность запасов техногенного минерального сырья, содержащегося в невостребованных отходах производства, которые могут характеризоваться в соответствии с их назначением, как минерально-сырьевые, так и экологические (ландшафтные). Выделяют две категории техногенных образований: созданные без учета последующего освоения, формируемые на основе традиционных требований к складированию отходов и с оптимальными параметрами, проектирующиеся с учетом качества сырья и технологии будущего применения [11]..
Качество минерального сырья в техногенном образовании зависит от технологии складирования, порядка размещения пород во времени и сроков давности складирования. Этим определяются физико-химические свойства складируемого материала — гранулометрический состав, степень дробления и измельчения, состояние соотношения твердой и жидкой фазы и др. При складировании может происходить, с одной стороны, усреднение качества складируемого материала, из-за его перемешивания, а с другой стороны, гравитационная дифференциация и сегрегация по качественному признаку. Так, при отсыпке отвалов их нижняя часть формируется из крупнокускового материала, который при складировании рудного сырья характеризуется, как правило, пониженным содержанием полезного компонента. Кроме того, на
внутреннее состояние техногенных образований оказывает существенное влияние длительность нахождения в них заскладированного материала. Раздробленность складированных пород способствует воздействию на них атмосферных осадков и кислорода воздуха. В результате чего происходят процессы выщелачивания и окисления. В одних случаях имеют место миграции и перераспределения отдельных компонентов внутри объекта, их накопление в определенных зонах. В других происходит постепенное изменение пород с потерей одних свойств и приобретением других. Для техногенного образования в пространственном распределении качественных характеристик отсутствуют закономерности [12].
Изменение свойств вещества в отвалах дает возможность сделать вывод о том, что в техногенном новообразовании идут процессы формирования, породы с новыми свойствами, и это позволяет говорить о том, что к таким, формам техногенного рельефа можно применить термин «техногенных месторождений»
Как и природные месторождения полезных ископаемых, техногенные образования имеют определенную структуру распределения полезных компонентов: зоны вторичного обогащения, окисления. В основу классификации техногенных месторождений положен ряд признаков, важнейшим из которых является процесс их образования [10]. 1.2 Техногенные месторождения как источник дополнительного сырья. Основные направления использования вскрышных пород
Горное производство оставляет после себя отвалы, сложенные раздробленными породами, вмещавшими бедные руды, которые экономически невыгодно перерабатывать, а также продуктами переработки промышленных руд — отходами обогащения.
Появившиеся в последние десятилетия техногенные новообразования являются результатом интенсивного развития горнодобывающей и перерабатывающей промышленности.
В группу техногенных месторождений входят отвалы карьеров; шламо-и хвостохранилища горнообогатительных фабрик (отходы обогащения руд специалисты называют хвостами).
Классификация техногенных месторождений построена на ряде признаков, важнейшим из которых является процесс их образования (рис. 1).
Х.Э. Харлампиди [13], выражая взгляды многих Российских ученых, отмечает: «Твердые отходы горной промышленности хранятся в отвалах, постепенно накапливаясь на территории предприятия. Между тем в отвалах содержатся миллионы тонн веществ, которые путем механической, термической или химической обработки можно превратить в полезные продукты».
Породы вскрыши, отсыпанной в отвалы, представляет собой источники дополнительного сырья, которые успешно можно использовать в народном хозяйстве.
Условия проведения исследований
Рельеф местности, климатические условия, геология и гидрогеология определяют: характер механической миграции вещества (эрозия почвенного покрова на склонах, накопление сносимого материала у подножия склонов и в балках); наличие выходов материнских пород на поверхность; микроклимат (как правило, южные склоны более сухие и теплые, чем северные); водообес-печенность почв и растительности - на водоразделах практически вся влага дождей и снеготаяния поглощается почвой, на склонах часть воды уносится с поверхностным стоком, в поймах рек и ручьев за счет близкого залегания грунтовых вод почвы хорошо увлажнены [71]. Как следствие от этого зависят химические свойства пород отсыпанных в отвалы и залегающих в карьере пород [72].
КМА занимает обширное пространство на юго-западе «Русской платформы», состоящей из двух частей: кристаллического фундамента и покрова горных пород осадочного происхождения. Рельеф характеризуется центрально - приподнятой полосой, ось которой проходит по линии Старый Оскол -Курск - Дмитриев Льговский.
Михайловский железорудный район расположен в 100 км к северо-западу от Курска, в верховьях р. Свала вблизи г. Железногорска. Поверхность месторождения представляет равнину, изрезанную оврагами и балками. Ее пересекают два притока Свапы - р. Чернь и р. Речица [73]. Повсеместно распространены четвертичные образования: аллювиальные суглинки вдоль долин рек, пески и галечники в руслах, делювиальные суглинки на пологих склонах и щебнистые суглинки на хребтах. Ландшафты представлены лиственно-сосновыми лесами на светло-серых лесных почвах. Имеются осоковые и кустарниковые болота.
Рельеф карьера месторождения представляет всхолмленную равнину с развитой балочной системой. Максимальные отметки поверхности запроектированного карьера +219м; балки расположены в крест простиранию карьера и углублены до +188м, до подошвы четвертичных суглинков. За пределами карьера рельеф имеет еще более глубокие эрозивные врезы +164м, вскрывающие келловей.
Михайловка расположена в зоне умеренно-континентального климата, в зоне недостаточного увлажнения. Среднегодовое выпадение осадков составляет 550 - 575 мм/год. Абсолютный максимум температур +37С , абсолютный минимум -38С0. по сезонам осадки распределяются следующим образом: весна 90 - 100мм, лето 200 - 220мм, осень 120 - 140мм, зима 140 -160мм. Среднесезонные температуры: весна +5С, лето +19С , осень +5,5С , зима -9С . Сумма средних суточных температур за активный период вегетации 2300 — 2400С . Главная особенность климата большая годовая амплитуда температур, жаркое засушливое лето, преобладание летних осадков над зимними.
Число дней в году со снежным покровом 110 - 120. Высота снежного покрова достигает 25 — 30см. Продолжительность безморозного периода 140 -150 дней.
Годовой расход солнечной радиации 89 ккал/см3. продолжительность солнечного сияния 1700 — 1790 часов.
Ветровой режим: с апреля по сентябрь преобладают северо-западные, западные и северные ветры; с октября по март юго-восточные. Скорость ветра в летний период около 4 м/с, в зимний период 5 -7м/с.
Кристаллический фундамент месторождения сформирован докембрий-скими породами, представленными железистыми кварцитами. Осадочные породы чехлом покрывают кристаллический фундамент, их можно разделить на 3 группы: обломочные, химические, органогенные. Обломочные породы возникают из механических обломков пород:
1. несцементированных (глины, пески, гальки, щебни);
2. сцементированных (аргиллиты, алевролиты, песчаники, брекчии, конгломераты).
Новые минералы в результате этого процесса не образуются. Обломочные породы являются наиболее распространенными среди осадочных пород. Классификация обломочных пород основана на величине обломков. Выделяют следующие виды обломочных пород: 1. Крупнообломочные породы или псефиты - размер обломков более 1 мм, представлены валунами, галькой, гравием и другими составляющими.
2. Среднеобломочные породы или псаммиты - размер зерен от 0,1 до 1,0 мм. Состоят из песка и песчаников.
3. Мелкообломочные породы или алевриты и алевролиты - размер зерен от 0,01 до 0,1 мм, представлены лессом, лессовидными суглинками.
4. Пелиты - представлены глинистыми породами с размером частиц менее 0,01 мм.
Галечник образуется при переносе обломков водными потоками или в результате прибоя. В процессе переноса обломки окатываются, приобретая хорошо отполированные округлые формы. Галечник имеет размер галек от 10 до 100 мм, гравий - от 1 до 10 мм. Мелкий гравий называют так же грубым песком. По своему происхождению галечник и гравий могут быть речными, озерными, морскими, ледниковыми.
Брекчия представляет собой сцементированные, не окатанные обломки, размер которых более 2 мм. Цемент может быть различный, а обломки по составу как однородные, так и неоднородные.
Конгломерат - сцементированный галечник и гравий. Состав гальки и цемента может быть различный.
Химические осадки образуются из химических истинных и коллоидных растворов. К химическим породам относятся соли, некоторые известняки, доломиты, бокситы, кремнистые породы. Карбонатные породы наиболее распространены среди осадочных пород химического и биохимического происхождения. Они представлены известняками, доломитами, мергелями. Известняк - широко распространенная осадочная горная порода, состоящая из кальцита. Процесс отложения солей называется галогенезом и происходит в строго определенном порядке. Этот порядок зависит от физико-химических условий минералообразования: растворимости солей, их концентрации в растворе, температуры раствора и времени кристаллизации, присутствия других солей [74].
Органогенные породы образуются в результате жизнедеятельности организмов. Это известняк, диатомит, мел.
В осадочном чехле в результате гипергенных и гипогенно-гипергенных процессов дифференциации вещества сформировались месторождения многих видов минерального сырья в самых различных геологических обстановках. Выделенные эпохи формирования многих видов полезных ископаемых обусловлены благоприятным сочетанием общих факторов - тектонического, климатического и эволюционного. Образование конкретного полезного ископаемого определялось рядом факторов, часто встречается литологический, палеогеоморфологический, для осадочных месторождений - гидродинамический [75].
Химический состав и свойства хвостов обогащения
На металлургическом комбинате твердые отходы представлены шламом. Наиболее ценными для черной металлургии являются железосодержащие отходы (пыль, шлам, окалина), в то время как шлаки в основном используются в других отраслях промышленности.
При работе основных металлургических агрегатов образуется большее количество тонкодисперсной пыли, состоящей из оксидов различных элементов. Последняя улавливается очистными сооружениями и затем подается в шдамонакопитель.
По содержанию железа их подразделяют следующим образом:
а) богатые (55-67 %): пыль и шлам газоочисток мартеновских печей и конвертеров;
б) относительно богатые (40-55 %): шламы и пыли аглодоменного производства;
в) бедные (30-40 %): шлам и пыль газоочисток электросталеплавильного производства.
Основными характеристиками шламов являются химический и гранулометрический состав, однако при подготовке шламов к утилизации необходимо знать такие параметры, как плотность, влажность, удельный выход и др. Следует отметить, что пыли (шламы) металлургических предприятий по химическому (и отчасти по гранулометрическому) составу отличаются друг от друга, поэтому эти характеристики представлены далее в усредненном ви-де.Химический состав шламов, отсыпанных в хвостохранилище на Михайловском железорудном месторождении по основным компонентам приведен в таблице 17.
Плотность их колеблется в пределах 2.7-3.8 г/см3. Коэффициент использования этих шламов изменяется. Шламы довольно тонкодисперсный материал: фракции 0.063 мм до 10-13%, 0.016-0.032 мм от 16 до 50 % и 0.008 мм от 10 до 18 %. Для них характерны легкий гранулометрический состав, отсутствие биофильных элементов и доступной влаги, низкая емкость поглощения, высокая концентрация тяжелых металлов.
Сравнительно низкий уровень их использования объясняется относительно невысокой долей железа в них (Fe общ 50 %).
Изначально содержание свинца в породах карьера и отвалов соответствовало среднестатистическому (табл. 18). Следует отметить, что в разновозрастных отвалах содержание этого элемента значительно большее, чем в породах карьера, что связано с процессами, идущими внутри отвалов, это и усреднение состава пород, отсыпанных в отвалы, и воздействия извне.
Для первого года характерна интенсивная сорбция свинца,-Наиболее активны породы, взятые непосредственно из карьера. Наименее активное поглощение отмечено в породах, образцы которых были отобраны из наиболее старых отвалов. Поведение солей свинца в контроле очень близко к старым отвалам (табл.19).
Второй год исследований показал, что интенсивность накопления свинца снижается. При достижении определенного уровня содержания процесс сорбции замедляется. Количество сорбированного свинца также стремится к одинаковым показателям (табл. 20).
Опыт подтвердил предположение: в первый момент породы адсорбировали свинец в значительном количестве, к концу второго года эксперимента содержание свинца в вариантах опыта стало стремится к равным значениям, к тому же сорбция стала проходить гораздо равномернее, нежели при внесении солей свинца в варианты опыта, содержащие образцы, взятые непосредственно из карьера (рис. 11).
Проблема сорбции ионов тяжелых металлов в почвах уже на протяжении многих лет остается актуальной. А чем лучше исследован механизм какого — либо процесса, тем легче этим процессом управлять. Даже процессы жизнедеятельности живой клетки обусловлены содержанием в ней микроэлементов, что предполагает необходимость контроля их перемещения в биосистемах, особенно в трофических связях о почв к растениям и животным, а следовательно и человеку [119].
