Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Минеральное производство и окружающая среда, цели и задачи исследований 8
1.1 . Основные экологические проблемы горного производства 8
1.2. Экологические аспекты добычи минералов на Северном Кавказе 13
1.3. Теория и практика охраны окружающей среды утилизацией отходов 18
1.4. Цели, задачи и методы исследований 26
Глава 2. Исследование параметров загрязнения окружающей среды 31
2.1 . Исследование параметров природного выщелачивания 31
2.2.Исследование активности природных реагентов 40
2.3. Исследование свойств отходов доломитов 45
2.4.Исследование параметров извлечения металлов из растворов 50
Выводы по главе 2 56
Глава 3. Закономерности управления процессами охраны окружающей среды 57
3.1. Концепция управления состоянием окружающей среды 57
3.2. Моделирование процессов природного выщелачивания 63
3.3. Методика расчета параметров управления средой 70
3.4. Методика определения экологической эффективности управления 76
Выводы по главе 3 81
Глава 4. Экологическая эффективность комплексирования природоохранных технологий 82
4.1 . Характеристика природоохранных технологий добычи руд 82
4.2. Технологии утилизации природных растворов 88
4.3. Технология утилизации отходов доломитов 96
4.4.Экологическая эффективность комплексирования технологий 100
Выводы по главе 4 106
Заключение литература
- Основные экологические проблемы горного производства
- Исследование параметров природного выщелачивания
- Концепция управления состоянием окружающей среды
- Характеристика природоохранных технологий добычи руд
Основные экологические проблемы горного производства
Быстрый рост добычи минералов обусловлен увеличивающимися потребностями в количестве элементов, составляющих материальную основу цивилизации. Увеличение объемов извлекаемой на поверхность горнорудной массы обусловлено и вовлечением в эксплуатацию бедных месторождений, а также месторождений со сложными горнотехническими условиями эксплуатации, на которых добыча руды сопровождается значительными потерями и разубоживанием. В связи с этим применяемые технологии становятся более интенсивными и агрессивными по отношению к окружающей среде.
Проблемы экологически корректного природопользования при добыче минералов рассматриваются в работах М.И.Агошкова, Н.В.Мельникова, В.В. Ржевского, К.Н.Трубецкого, Н.Н. Чаплыгина, Е.А. Котенко, В.А.Чантурия, М.А. Рева-зова, В.А.Харченко, В.Т.Коваля, В.А. Шестакова, В.И. Голика и др.
Любое предприятие по добыче и переработке минералов является потенциальным источником ущерба окружающей среде (рис. 1.1). Безвозвратные потери полезных компонентов достигают 50%. Потерянные компоненты активизируются, становятся мобильными, поступают в зону обитания Человека и оказывают на нее отрицательное воздействие. Продуктами горного производства являются газы и растворы химических веществ.
Горное предприятие, хранящее отделенные от массива минералы, оказывает воздействие на прилегающий к нему участок литосферы. Шахтные воды, выдаваемые на земную поверхность, содержат минеральные частицы в виде растворов и взвесей.
Проблема миграции продуктов природного выщелачивания в биосферу становится все более актуальной, учитывая сложность контроля процессов общения подземных объектов с экосистемами окружающей среды [9,12].
Технологии управления состоянием горно- промышленного производства включают методы утилизации отходов минерального производства, но если из общего количества минеральных отходов утилизируется небольшая часть твердых компонентов, то утилизация растворенных минералов практически не освоена.
Проблема минерализации среды в горных регионах имеет отличительные особенности. Чередование высотных отметок, наличие водных потоков и горных ущелий усиливает влияние минералов на природную среду. Горные массивы препятствуют миграции минеральных веществ, повышая опасность для экосистем окружающей среды [13].
В составе минеральных загрязнителей представлена ураноториевая составляющая, которая растворяется водами интенсивнее, чем сульфиды металлов, в первую очередь, свинца и цинка. В процессе радиоактивно-химического воздействия на твердый скелет минеральных частиц кроме разрушения и растворения происходит радиолиз жидкой фазы «вода - минерал - металлы», рождающий кислород в виде гидроксильных групп, гидропеременных радикалов, перекиси водорода, угольную, азотную, серную и органическую кислоты и атомарный хлор, что интенсифицирует процессы природного выщелачивания минералов и загрязнения экосистем [60].
Крутое падение рудных тел, выходящих на дневную поверхность, способствует разрушению рудовмещающих массивов. Первичной выемке на месторождениях всегда подлежали руды с высоким содержанием металлов. Затем кондиции снижались и руды с меньшим содержанием оставались в недрах. В результате в недрах образовались техногенные месторождения руд, связанные с поверхностью бессистемными связями (рис. 1.2). Оставленные в недрах руды подвергаются природному выщелачиванию водными потоками, которые выносят в реки сотни тонн элементов и распределяют их в природе [14]. Так, на Садонском место-рождении в 5 млн. м пустот оставлено 2 млн. тонн руд.
Происходящие в недрах процессы оказывают глобальное влияние на соотношение газовой, жидкой и твердой фаз, толщину озонового слоя с его сопротивлением воздействию солнечной радиации, активизацию температурной инверсии и другие параметры жизнедеятельности.
Рудники мира сбрасывают на рельеф более 1,3 млрд. м загрязненных сточных вод в год. Только в черте города Кривой Рог из подземных пустот откачивают около 40 млн. м высокоминерализованных вод. Такое же положение характерно для Норильска, Магнитогорска, Усть-Каменогорска и других городов горнопромышленных регионов [28].
Из выполненного автором обобщения опыта добычи руд технологиями с естественным управлением массивом видно, что разрушение массива неизбежно. Технологии с управлением массивом без заполнения пустот материалом, компенсирующим поддерживающую роль извлеченных руд, не могут быть корректными с точки зрения полноты использования недр, т.к. их результатом является разрушение земной поверхности.
Величину потерь и темпов природного выщелачивания уменьшают закладкой пустот твердеющими смесями, которая осуществляется более чем на 30 рудниках цветной металлургии и обеспечивает 25% мировой добычи руд подземным способом, уменьшая потери в 2-5 раз.
Увеличению доли прогрессивных природосберегающих технологий закладкой пустот твердеющими смесями препятствует высокая стоимость ее компонентов [45]. Основные направления уменьшения темпов загрязнения окружающей среды продуктами природного выщелачивания, состоят в следующем: -извлечение минерального сырья для переработки на земной поверхности с исключением потерь руд за счет полной компенсацией пустотности; - развитие геотехнологий с добычей для заводского передела только части руд и переработкой остальных запасов в подземных условиях с компенсацией пустотности за счет массивов технологически выщелачиваемых минералов; - сохранение земной поверхности как разделительной зоны окружающей среды и подземных объектов; -глубокая деминерализация промышленных стоков перед выбросом их в окружающую среду.
Международная конференция «Освоение недр и экологические проблемы -взгляд в XXI век» (Москва, ноябрь 2000 г.) считает, что ушедшее столетие ознаменовалось резким обострением противоречий в сфере человек- природа- ресурсы. В России, несмотря на сокращение техногенного давления на природную среду в результате снижения объемов промышленного производства, экологические показатели улучшились несущественно. Существует разрыв между общими представлениями о биосфере, системной взаимосвязи геосфер, техногенезе и других фундаментальных категориях и конкретными требованиями по обоснованию природоохранных мер, связанных со спецификой горного производства.
Исследование параметров природного выщелачивания
В системе "пустоты - руды - реагенты " для исследования выделены основные параметры процессов выщелачивания: фронт выщелачивания; температурный режим; расход природных реагентов; гидравлический режим; кислотно-основной режим; комплексность растворения минералов; скорость выщелачивания.
Гидро - металлометрическими съемками в выработках устанавливаются параметры природного выщелачивания металлов из потерянных руд. Это производится путем измерения концентрации металлических компонентов. На штольнях рудников устроены замерные станции с желобами. При исследовании определяли дебит потока и водородный показатель.
Содержание металлов определяли в лабораторных условиях с математической обработкой результатов. Для обработки проб использованы методы: фотоколориметрии, полярографии, спектрофотометрии, хромотографии, весовой, титрования и комплексометрии.
Результаты измерений увязываются со склонностью месторождений к природному выщелачиванию, в частности, с зональностью в размещении рудных минералов по падению и закономерностью замещения минералов при снижении их суммарного содержания.
Устанавливается зависимость интенсивности природного выщелачивания от состава руд, что обеспечивает окисление руд кислородом воды и воздуха.
Целью исследований является установление количественных значений физико-химических процессов. Фронт выщелачивания Объем с подвижной дискретной средой называют фронтом извлечения металлов или выщелачивания. Интенсивность минерализации на месторождениях определяется по содержанию металлов в шахтных водах, отобранных в течение одной недели летнего сезона при одинаковой метеорологической обстановке на земной поверхности и постоянном дебите стоков (табл.2.1). Параметры измеряются на верхнем, среднем и нижнем горизонтах Садонского, Згидского, Архон-ского и Холстинского месторождений.
По результатам исследований объект выщелачивания представляет собой объем с подвижной дискретной средой, внутри которого выделяются три зоны: выщелоченные, выщелачиваемые и еще не затронутые процессом геоматериалы.
В верхней зоне минерализация минимальна, поскольку ее слагают по существу хвосты предыдущего выщелачивания. Во второй - средней зоне, протекают физико-химические процессы окисления с выделением активизирующего их тепла. В пределах третьей зоны перемещаются насыщенные растворы малой активности.
Температура в зоне выщелачивания определяется нагревом геоматериалов за счет геотермии, выделенным при реакции теплом и потерянным теплом при движении жидкостей и газов. Исследуемые рудники проветриваются за счет естественной тяги, что предоставляет возможность оценить температуру шахтной атмосферы как следствие процессов выщелачивания. Для исследования выбрано время, когда естественная тяга уравновешена и не влияет на температурный режим.
Повышению температуры в зоне выщелачивания способствует наличие в рудах пирита и пирротина, измеренное как среднее по месторождениям. Об этом свидетельствует корреляция содержания окислителей и температуры в выработках (табл.2.3). Зависимость извлечения металлов в раствор от температуры показана в табл. 2.4.
В выработках месторождений измеряются параметры гидравлического режима для максимальных концентраций металлов (табл.2.7). Таблица 2.7 Максимальные концентрации металлов в водных потоках Месторождения, штольни Дебит водым /ч РН Содержание, мг/дм3 Цинк свинец Садонское 7 горизонт 11.0 5.2 340.4 6.6 Згидское "Надежда" 10.0 5.7 134.7 11.5 Архонское "Архонская" 15.0 4.6 3895.0 10.0 Холстинское "Нижняя" 53.0 6.5 17.7 15.3 Изменение дебита воды сопровождается изменением концентрации метал лов в стоках. Расчетное время циркуляции водных потоков по разрушенным мас сивам месторождений изменяется от 10 часов до 10 суток. \ Таблица 2.8 Параметры кислотно-основного режима Месторождения Штольни Дебит,ум /ч рН Концентрация металлов, мг/дм цинк свинец макс. средняя макс. средняя Садонское Красная 83 6.4 393 21 7 4.8 Мизурская 330 6.8 94 23 4 1.5 Згидское Надежда 25 6.5 121 7 4 1.7 Згидская 58 6.6 148 12 6 2.3 Архонское Архонская 33 6.6 4497 И 7 5.2 №22 82 6.1 7593 47 6 3.9 Холст Нижняя 55 6.6 173 24 7.5 3.6 Кислотно-основной режим в виде водородного показателя (рН) измеряется на устьях выдающих штолен месторождений (табл.2.8). При температуре вод до 30 С и водородном показателе 5 содержание цинка в растворе достигает 300 г/м 3, свинца 10 г/м 3.
Концепция управления состоянием окружающей среды
Комплексными экспериментами установлено, что характеристики процес-ов природного выщелачивания потерянных руд: размеры фронта выщелачива-ия, температурный режим, наличие природных реагентов, гидравлический и ки-лотно-основной режим, комплексность и скорость выщелачивания зависят в пер-ую очередь от количества пустот, потерянных руд в них и окислителей. Резуль-аты исследований определяют механизм управления состоянием окружающей : еды как ограничение значимости этих факторов в границах месторождения. Модель управления состоянием окружающей среды исходит из того, что хранность экосистем окружающей природной среды является функцией коректносте горных технологий: Егг = /Рп КгД П (зл) е Рп - количество потерянных руд; Кг -коэффициент извлечения потерянных д повторной разработкой; Т- продолжительность горных работ; П „ - объем за-женных пустот. Состояние окружающей среды региона определяется не столько эффек-вностью процессов добычи руд, сколько влиянием потерянного сырья. Управ-ние состоянием окружающей среды сводится к уменьшению количества пустот потерянных руд.
Это достигается реализацией известных технологических решений: звлечение сырья без потерь руд за счет компенсации пустотности закладкой ердеющими смесями, герметизирующими пустоты; одземное выщелачивание металлов с компенсацией пустотности за счет масси-в кольматированных хвостов; звлечение металлов из растворов природного выщелачивания перед сбросом их окружающую среду. Основное препятствие реализации первого направления дефицитом и дороговизной вяжущих материалов для приготовления смесей. Исследованием установлено, что на Боснийском доломитовом карьере до 30% добываемого минерального сырья, теряемое и нерационально используемое в качестве щебня, инертного заполнителя и т.п. и загрязняющее регион, по свойствам может быть альтернативой цементу.
Исследование параметров извлечения металлов из руд в количестве до 70% от исходного содержания подтверждает возможность получения товарной продукции выщелачиванием, но реализация этого направления не выходит за рамки полупромышленных экспериментов [41].
Концепция управления состоянием окружающей среды заключается в том, что при невозможности реализации указанных направлений на отдельно взятом месторождении по экономическим соображениям основным направлением защиты окружающей среды может быть региональное комплексирование технологий с объединением технологических и экономических возможностей двух или нескольких предприятий в одну систему.
Предложенная концепция управления способствует прогрессу всех сферах озяйствования: добыче стратегически важного сырья, развитию отсталых регио-ов, обеспечению занятости населения и т.п. Так, заполнение пустот рудника де-евой закладочной смесью на основе вяжущих из отходов карьера обеспечивает очти полную выемку руд, что при равных капитальных затратах обеспечивает рирост товарного продукта на 15-35%.
В теплой и влажной среде минеральных масс при доступе кислорода разви-ается окисление, прежде всего, сульфидных материалов, катализатором которого вляется природная углекислота. Окисление руд является следствием совмест-ых химических и бактериальных процессов. При нагревании горных пород вы-еляются газы, преимущественно С02 и N2 в количествах до 30 м /т. При раство-ении изменяются кристаллические решетки и газы высвобождаются, усиливая кислительные процессы [44]. Инициатором выщелачивания является пирит, играющий роль катода. Действие электродных процессов проявляется при взаимодействии минералов с раз-ичными электрическими потенциалами [10]. На эффективность процессов влияет скорость удаления газов и растворов и перемещения твердых остатков, т.е. раскрытия активных реакционных плоскостей.
Интенсивность выщелачивания определяется количеством растворителя и временем контакта твердой и жидкой фаз минералов. С увеличением влажности выщелачивание ускоряется, а содержание металлов в растворах увеличивается. Выщелачивание происходит через сложные химические реакции с образованием соединений металлов.
С увеличением количества сульфидов и уменьшением карбонатов эффективность процесса увеличивается. Соотношение между количеством этих минералов для Садона около 6:1 [74]. Это значит, что при полном окислении в углекислоты переходят до 15% соединений, а 85 % находится в сульфатной форме. Это соотношение нарушается углекислотой, образуемой разложением органических веществ азотными соединениями, которые образуются при взрывных работах (до 3 кг ВВ на 1 м горной массы).
В результате реакций потерянные! руды изменяют свойства. Активность роцессов возрастает в мелких рудных кусках, где сосредоточена большая часть еталлов. Этот процесс подлежит контролю и управлению технологическими ме-одами.
Лабораторными и натурными экспериментами при извлечении металлов риродными агентами для садонских месторождениях установлена адекватность изико-химических явлений, в т.ч.: в раствор извлекается 10-10 мг/л минеральных частиц; интенсивность процесса определяется параметрами: обеспеченность кислородом; количество пирита; размеры рудных частиц; содержание свинца и цинка при сохранении пропорциональности; замещение пирита и пирротина в определенном направлении; стабильная активность перевода свинца в раствор в диапазоне рН 5-7; снижение активности перевода цинка в раствор при повышении рН до 7; повышение активности процесса применением промышленных реагентов. Закономерности описываются графиками непрерывной функции, что указывает на возможность управления процессами в пределах экологических, экономических и технологических ограничений. Корректность зависимостей подтверждается коэффициентами вариации до 20% и уровнем доверительности до 85%.
Характеристика природоохранных технологий добычи руд
Основное отличие природоохранных технологий состоит в том, что они конструируются с максимальным учетом экологических последствий производства для экосистем окружающей среды. Их целью является сохранность природных экосистем от влиянием горного производства, нарушившего в мире 40% земель, выбрасывающего в атмосферу более 30% газа и пыли, и сбрасывающего в атмосферу 10% объема стоков и оставляющего в недрах 20-40 % от начальных балансовых запасов месторождений [49].
Основные направления снижения негативного влияния продуктов горного производства на окружающую среду: -сокращение количества предприятий при концентрации работ; -сокращение времени между разведки и эксплуатации месторождений; -использование технологий добычи с регулируем уровнем минерализации: -использование технологий, исключающих наличие пустот и потерянные руды; -использование методов выщелачивания с кольматацией хвостов переработки руд; -комплексирование технологий утилизации отходов производства.
Стратегия природоохранности технологий основана на положениях: -некорректность технологий проявляется в потере природных ресурсов при недостаточной управляемости массивами; -оценка технологий производится с учетом качества и количества всех минеральных ресурсов, участвующих в горном производстве или сопряженных с ним; -оптимальным способом управления экосистемами являются технологии с закладкой пустот твердеющими смесями; агрязнение экосистем является следствием некорректности технологий, поэто-у стоимость товарного продукта должна уменьшаться на величину ущерба ок-ужающей среды. Управление состоянием окружающей среды посредством регулирования ее инерального состава осуществляется индивидуальным или совокупным исполь-ованием элементов технологий в ходе добычных работ, в том числе (табл.4.1): формирование свойств массивов на стадии первичной разработки; изменение химического состава руд с помощью реагентов; извлечение металлов из природных растворов. Типы Элементы управления Условия реализации Управление полнота разрушения массива технологии с дискретной формой хранения отделенных от массива минеральных частиц дискретно-) обеспечение доступа реагентов стью массивов оптимальность дробления руд РУД обеспечение путей фильтрации Извлечение растворение металлов химическими агентами металлов в изменение свойств растворов физические методы раствор интенсификация процессов активация агентов Извлечение электрохимическая переработка изменение солевого состава металлов из осаждение изменение формы и свойств растворов сорбция эффект ассимиляции
Активность природного выщелачивания потерянных руд определяется в том числе и технологическими условиями: -полнота отделения руд от вмещающего массива; -дробление руд до приемлемой для выщелачивания крупности; -доступ реагентов возможность дренирования растворов в нижнюю часть участка.
В РСО-Алания наиболее эффективно комплексирование рассмотрена производства полиметаллов и доломитов. С прежних позиции использование твереющих смесей для закладки пустот считалось эффективным только при отра-отке богатых участков и месторождений, например, нового месторождения Са-она- Джимидонского.
Если оценивать уменьшение ущерба окружающей среде одновременно и на арьере и на руднике, то становится эффективной разработка и участков с менее огатыми рудами.
Одно из главных препятствий использования закладочных технологий - вы-окая стоимость цемента для приготовления твердеющих смесей. В то же время а карьере около 30% минералов является некондиционным продуктом. Из не-ондиционного доломита возможно производство вяжущих материалов, пригод-ых для изготовления твердеющих смесей. Качество доломита повышается по-торной переработкой в аппаратах-активаторах с получением активной мелкой ракции для многопрофильного использования доломитов в качестве ценного ырья для производства ценной продукции. Соответственно, увеличиваются воз-ожносуи для оплаты расходов на реабилитацию окружающей среды.
Технологические решения, рекомендуемые для садонских месторождений, отличаются от применяемых в настоящее время экозначимыми особенностями: -приоритетность концепции охраны горных экосистем; -реализация продуктов природных процессов переработки минералов; -использование эффекта энергетической активации минералов; -реализация продуктов утилизации минеральных отходов.
В концепцию управления параметрами влияния технологий на среду входят положения: -совместная оценка параметров окружающей среды и производства; -методы регулирования цен, затрат на производство и компенсацию ущерба; -мониторинг влияния ингредиентов природного выщелачивания на экосистемы.
Оптимизация технологий включает в себя операции: -определение показателей влияния минеральных отходов на экосистемы; -исследование возможностей реабилитационного воздействия на системы; -определение показателей технологий в пределах их возможностей; -комплектование банка данных о технологии для ее корректировки.
Эффективность управления состоянием окружающей среды оценивается кономическими категориями: прибылью, затратами на производство, затратами а компенсацию ущерба, стоимостью продуктов из отходов и т.д.
Работы выполняются в следующей последовательности: аналог технологии выбирается в ходе анализа; показатели технологий находятся опытным путем; значимость варианта определяется решением математической модели; экономическая эффективность оцениваемого варианта определяется расчетом.
Основу предлагаемого решения составляет комплексирование возможностей подземного рудника и доломитового карьера. Причем запыленность атмосферы прикарьерной зоны уменьшается использованием отходов доломитов для приготовления твердеющих смесей, которые позволяют радикально уменьшить объемы природного выщелачивания потерянных руд.
Широкий спектр типов растворов и жесткие требования к их качеству при использовании в отраслях хозяйства и выпуске в экосистемы окружающей среды, особенно в соответствии с требованиями рыбного хозяйства, определяют жесткие требования к технологии очистки жидких стоков.
Рационализация технологий возможна при использовании новых процессов переработки в сочетании с традиционными процессами сорбции, экстракции, электролиза и т.п.[6,13,61,64].
К числу распространенных стоков процессов относятся: электродиализ, мембранный электролиз, обратный осмос, ультрафильтрация и др. Метод электродиализа широко используется в технологии получения питьевых вод, разработанных фирмами: Асахи Гласе (Япония), Токуямо сода (Япония), Айоникс (США), НИГТИПТ, ВНИИХТ на установках производительностью от 10 до 200 м /ч. Наряду с опреснением природных растворов концентрируются соли и микроэлементы в объеме до 10% от исходного объема.
