Введение к работе
Актуальность работы. Современный техногенез по масштабам преобразования геологической среды ощутимо превысил природные процессы. На готовую продукцию приходится только часть добытого сырья. Более 75 млрд. т минеральной массы идет в отходы. В России ежегодный рост минеральных отходов составляет по разным оценкам от 2,5 до 7 млрд. т, а всего их заскладиро-вано около 85 млрд. т. Подобная ситуация актуальна и для региона Курской магнитной аномалии. Уже сейчас в железорудном бассейне КМА скопились сотни миллионов тонн отходов обогащения, и продолжается ежегодное их складирование в объеме около 50 млн. т.
С экологических позиций хвостохранилища отходов обогащения - локальные источники длительного воздействия на окружающую среду, для которых характерно дифференцированное влияние на все элементы биосферы (недра, воздушный и водный бассейны, земную поверхность, флору и фауну). Экологический ущерб от огромных масс минеральных отходов очевиден: они занимают большие площади земли, создают уродливые ландшафты, загрязняют окружающую среду. Вместе с тем, существенная часть этих отходов может быть использована в качестве ценного минерального сырья для нужд промышленности.
В ближайшее время магнитная сепарация останется основным методом обогащения железных руд КМА, причем для максимального извлечения полезных компонентов требуется все большее измельчение исходного продукта. Поэтому хвостохранилища будут ежегодно пополняться мелкими отходами мокрой магнитной сепарации, а емкости их уже ограничены, и, естественно, требуется экстренное решение вопроса утилизации мелкодисперсных отходов. В этой связи разработка новых технологий использования отходов обогащения мокрой магнитной сепарации (ММС) - это решение проблемы экологической обстановки в горнорудном регионе КМА, так как в идеале обеспечит полную их утилизацию, следовательно, разработка и исследование способов утилизации отходов железистых кварцитов Курской магнитной аномалии весьма актуальны.
Работа выполнена при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.).
Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей изменения активности взаимодействия отходов обогащения мокрой магнитной сепарации с вяжущими материалами и формирования надмолекулярных структур кварца в структуре железистых кварцитов для разработки эффективных способов утилизации мелкодисперсных отходов мокрой магнитной сепарации Курской магнитной аномалии.
Идея работы заключается в том, что эффективные технологии утилизации отходов мокрой магнитной сепарации реализуются введением их в составы закладочной, бетонной и асфальтобетонной смесей и шихты для производства керамического кирпича в виде гидросмеси и минерального порошка, содержащих фракцию менее 71-Ю"6 м не менее 85% и 70% соответственно.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Содержание в отходах обогащения ММС железистых кварцитов КМА фракции менее 71-10"6 м (далее тонко дисперсной фракции) положительно влияет на их активность по отношению к вяжущим веществам.
Утилизация тонкодисперсных отходов обогащения ММС железистых кварцитов КМА в составе бетонной, асфальтобетонной и сырьевой смесей для производства керамического кирпича позволяет получить бетон, асфальтобетон и кирпич высокой прочности и морозостойкости.
Предельное напряжение сдвига гидросмеси отходов обогащения ММС железистых кварцитов КМА зависит от содержания в них тонкодисперсной фракции.
Практически целесообразным является применение пластифицирующей добавки к гидросмеси отходов обогащения и твердеющей закладочной смеси со шлаковым вяжущим для изменения их реологических свойств в сторону улучшения текучести.
Нормативно прочные закладочные смеси (5-6 МПа) можно получить без цемента на одном шлаковом вяжущем III сорта и отходах обогащения при условии содержания в них тонкодисперсной фракции не менее 85% и 90% соответственно.
Новизна основных научных и практических результатов. 1. Разработаны:
асфальтобетонная смесь, включающая битум, минеральный порошок из отходов обогащения мокрой магнитной сепарации железосодержащих руд и минеральный наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве минерального порошка из отходов обогащения мокрой магнитной сепарации железосодержащих руд она содержит минеральный порошок из отходов обогащения последней стадии мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов Курской магнитной аномалии, имеющий не менее 70 мае. % фракции с размером частиц менее 71 -Ї0"6 м, с удельной с поверхностью не менее 250 м2/кг;
бетонная смесь, включающая портландцемент, щебень, песок и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит минеральный порошок из отходов обогащения мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов, имеющих, по крайней мере, не менее 70 % по своей массе фракцию менее
71-Ю"6 м и удельную поверхность не менее 250 м2/кг, а в качестве песка использованы отходы обогащения сухой магнитной сепарации железистых кварцитов фракции (0,14-5)-10 м.
- сырьевая смесь для изготовления керамических изделий, преимущественно кирпича, включающая глину, содержащую раскислители, представленные А1203, Fe203 и СаО, и отходы обогащения железистых кварцитов, отличающаяся тем, что глина содержит 18-29 мас.% раскислителей, представленных спекающими - А1203, Fe203 и щелочными - СаО, К20, Na20 составляющими, а отходы обогащения железистых кварцитов использованы в виде порошка, полученного при мокрой магнитной сепарации последних и имеющего, по крайней мере, не менее 60% по его массе фракцию не менее 74-10 "* м и удельную поверхность не менее 250 м2/кг.
Установлены эмпирические зависимости прочности образцов с различными вяжущими в составе и предельного напряжения сдвига гидросмеси отходов обогащения от содержания в отходах обогащения фракции менее 71-10 -6м.
Установлена эмпирическая зависимость для расчета средневзвешенного диаметра частиц закладочной пульпы отходов обогащения мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов КМА в любой точке намываемого массива при гидрозакладке выработанного пространства.
Обоснована целесообразность применения пластифицирующих добавок для улучшения реологических свойств гидросмеси отходов обогащения и разработанных безцементных твердеющих закладочных смесей на основе отходов обогащения и молотого доменного гранулированного шлака III сорта, содержащих тонкодисперсную фракцию не менее 85% и 90% соответственно.
Методы исследования: аналитические, методы математической статистики. В работе использованы лабораторные исследования свойств отходов обогащения железистых кварцитов с применением ситового, седиментационно-го и лазерного дифракционного анализа дисперсности материала, адсорбционного (БЭТ) и фильтрационного (КК) методов определения удельной поверхности частиц, рентгеновского дифракционного анализа фазового состояния и спектрофотометрического, титрометрического и атомно-абсорбционного методов химического анализа вещественного состава, морфологического состава с помощью растрового электронно-ионного микроскопа, а также методы определения реологических характеристик на ротационном вискозиметре. Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающих системный анализ проблемы, патентно-информационный анализ, лабораторные и промышленные методы испытания физико-химических и технологических свойств разработанных материалов.
Фактический материал. В основу диссертации положены результаты экспериментов, проведенных автором на текущих отходах обогащения и техногенных грунтах с хвостохранилища ОАО «Комбинат КМАруда» в лабораторных условиях, а также результаты промышленных испытаний на действующей технологической линии кирпичного завода ООО «Бригада» (филиал в п. Воло-коновка) и действующей технологической линии асфальтобетонного завода ГУДРСП «Автомагистраль» (г. Старый Оскол).
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием методов математической статистики и достижений вычислительной техники; большим объемом лабораторных и промышленных испытаний (около 1000 лабораторных экспериментов), результаты которых свидетельствуют об эффективности технических решений, обоснованности выводов и рекомендаций; положительными решениями государственной патентной экспертизы технических решений.
Практическая значимость работы: разработаны способы утилизации отходов обогащения в составах бетонной, асфальтобетонной смесей и шихты для производства керамического кирпича, позволяющие реализовать около 1100 тыс. т отходов в год только для нужд Белгородской области, сократить объемы хвостохранилищ и тем самым улучшить экологическую обстановку на объектах горного производства и территориях к ним прилегающих.
Реализация результатов исследований. По результатам работы разработаны и утверждены ТУ 5741-009-00186813-2003 на «Камни бетонные стеновые, изготовленные с использованием мелкого наполнителя - минерального порошка из отходов обогащения мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов ОАО «Комбинат КМАруда»»; ТУ 5745-008-00186813-2003 «Бетоны тяжелые, мелкозернистые и растворы строительные, изготовленные с использованием мелкого наполнителя - минерального порошка из отходов обогащения мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов ОАО «Комбинат КМАруда»»; ТУ 5716-007-00186813-2003 «Порошок минеральный для асфальтобетонных смесей из отходов обогащения мокрой магнитной сепарации ОАО «Комбинат КМАруда»». Установленные эмпирические зависимости предельного напряжения сдвига гидросмеси отходов обогащения от содержания в них фракции менее 71-10 "* м и времени транспортирования использованы для выбора способа и расчета дальности транспортирования пульпы при закладке выработанного пространства на шахте им. Губкина ОАО «Комбинат КМАруда». Разработанный способ утилизации отходов обогащения в составе бетонной смеси использован для изготовления тротуарной плитки в ОАО «Комбинат КМАруда».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научных конференциях и семинарах: на Международной конференции «Экология, окружающая среда и здоровье населения Центрального Черноземья» (Курск, РАЕН, 2005); Международном совещании «Плаксин-ские чтения-2005» - «Современные проблемы комплексной переработки природного и техногенного минерального сырья» (Санкт-Петербург, СПГГИ, 2005); II Международной научной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в европейской России и сопредельных странах» (Белгород, БелГУ, 2006); IX Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, РГГРУ, 2009); научном симпозиуме «Неделя горняка - 2009» (Москва, МГГУ, 2009).
Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 5 статей в научных журналах, в том числе 2 в изданиях, входящих в список ВАК. Получено три патента на изобретения.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность управляющему директору ОАО «Комбинат КМаруда» В.К. Томаеву, техническому директору В.В. Сидорчуку и коллективу технического отдела того же предприятия за содействие, поддержку и практическую помощь в проведении научных исследований.
