Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор и постановка задач исследований 10
1.1 Геоэкологическая оценка функционирования хранилищ отходов горных предприятий 10
1.1.1 Воздействие и нагрузка техногенной пыли на окружающую среду 10
1.1.2 Влияние пыли на организм и здоровье человека 19
1.1.3 Источники пылевыделения на территории горнодобывающих предприятий 22
1.1.4 Воздействие техногенных массивов на окружающую среду 24
1.2 Проблема закрепления пылящей поверхности и анализ эффективности существующих методов ее решения 33
1.3 Хранение отходов горного производства на хвостохранилище Лебединского ГОКа 46
Выводы 52
2. Разработка способа закрепления пылящих поверхностей железорудных отходов 56
2.1 Методика исследования 56
2.2 Лабораторные исследования 59
2.2.1 Исследование физико-механических, химических свойств и состава хвостов 59
2.2.2 Исследование прочностных и компрессионно- фильтрационных характеристик грунтов 63
2.3 Разработка способа закрепления карбонатами 69
2.4 Методика оценки эффективности закрепления поверхности хвостов 79
2.5 Полевой эксперимент по закреплению поверхности хвостов 89
Выводы 93
3. Технология реализации разработанного способа закрепления пылящих поверхностей в условиях горного производства 95
3.1 Технологические решения закрепления с помощью разработанного способа пылеподавления 95
3.2 Совершенствование технологии закрепления путем применения пластифицирующей добавки 98
3.2.1 Лабораторные исследования влияния пластифицирующей добавки СБ-3 на реологические свойства дисперсий 98
3.2.2 Влияние суперпластификатора на реологические свойства меловой суспензии 101
3.2.3 Влияние суперпластификатора на электрокинетический потенциал частиц дисперсной фазы 102
3.2.4 Влияние суперпластификатора на размер частиц дисперсной фазы 104
Выводы 108
4. Экономическое обоснование способа и ипредла-гаемой технологии закрепления пылящих поверхно стей хвостохранилищ 111
Выводы 114
Заключение 115
Библиографический список
- Воздействие и нагрузка техногенной пыли на окружающую среду
- Исследование физико-механических, химических свойств и состава хвостов
- Совершенствование технологии закрепления путем применения пластифицирующей добавки
- Влияние суперпластификатора на электрокинетический потенциал частиц дисперсной фазы
Воздействие и нагрузка техногенной пыли на окружающую среду
Темпы пылевого загрязнения земель оказывают наибольшее влияние в районах, где мощность почвенного слоя менее 30 см, поскольку такие районы характеризуются низкой экологической устойчивостью к запылению. В районах с мощностью почвенного слоя 100 см также отмечается повышенный ущерб от запыления земель. Поскольку в этих случаях значительно снижаются качество, а следовательно, и ценность почв, то темпы пылевого загрязнения земель можно с достаточной достоверностью определить по темпам снижения их качества, т.е. по величине их разубоживания привносимым пылевым материалом [33].
В качестве критерия для оценки степени загрязнения почв могут быть применены их кларковые содержания в загрязненном слое, так как предельно допустимые концентрации для некоторых металлов в почве не определены. Исследованиями ученых установлено, что при концентрации элементов в почвах всего в 2-4 раза выше кларковых значений наблюдаются серьезные экологические последствия, приводящие к изменению физиологии растений, животных и человека.
Так, спектральным анализом почвенных образцов в районах расположения Лебединского и Стойленского горно-обогатительных комбинатов установлено превышение в 1,5-4,0 раза кларкового содержания таких элементов, как медь, цинк, кобальт, свинец, ванадий и некоторых других. Однако выраженных тенденций к увеличению концентрации указанных элементов по мере приближения к промышленной зоне комбинатов не выявлено.
Воздействие пыли, содержащей тяжелые металлы, на почву зависит от окислительно-восстановительных условий и ее кислотности. В кислой среде металлы более подвижны, что способствует их внедрению в биологические ткани и ухудшению жизнедеятельности нитрифицирующих и азотфикси-рующих бактерий. Почвы на таких участках малоплодородные и непригодны для выращивании овощей, особенно зелени. Накопление тяжелых металлов в почве приводит к очень медленному ее самоочищению, так как соединения металлов с гуминовыми кислотами очень прочны.
Многолетние исследования Лаборатории антропогенной динамики растительных сообществ Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН показали, что в районах неорганизованных выбросов пыли, содержащей тяжелые металлы, существенное изменение претерпевают растения всех ярусов лесных фитоценозов, их химический состав и процессы жизнедеятельности, что приводит к нарушению структуры и продуктивности экосистем сосновых лесов Кольского полуострова, вплоть до полной их деградации [101].
Уровень воздействия техногенных массивов на агроценозы определяется удельным пыленакоплением на поверхности ландшафтов, зависящим от расстояния, техногенного массива, его площади и высоты, а также интенсивности пылесдувания с поверхности техногенного массива (табл. 1.5, рис. 1.1).
Расстояние от техногенного массива, км Рис 1.1. Изменение удельного пыленакоппения на поверхности агро-ландшафтов в зависимости от расстояния до техногенного массива
Общая информация о влиянии техногенной пыли на растения довольно ограничена. В большинстве случаев пыли химически инертны и их воздействие проявляется прежде всего в образовании чехла, препятствующего нормальному тепло- и влагообмену листа с атмосферой и уменьшающего интенсивность поступления доступного для растений света, что ведет к снижению фотосинтеза и интенсивности поглощения С02 и выделения (Ь. В результате наблюдается снижение и полное прекращение роста растений и их деградация. При сплошном покрытии пылью растения погибают.
Химическое воздействие пылевых частиц определяется их составом, количеством и токсичностью для данного растения. Способность растенииий поглощать и включать в свой метаболизм нанесенные на поверхность листьев различные соединения подтверждается многими исследованиями. Твердые частицы, накапливаясь на листьях, проникают в них через устьица и повреждения тканей, вызывая большие повреждения, в том числе ожоги и некрозы.
Влияние пыли на организм и здоровье человека Важнейшей качественной характеристикой общества является здоровье населения, рассматриваемое как интегральный показатель сложного взаимодействия социально-экономических, экологических, медико-биологических и демографических факторов.
Из присутствующих в воздухе примесей только пыль обладает выраженным кумулятивным воздействием на организм человека. Пыль обладает способностью накапливаться в организме с постепенным наложением первоначально незначительных изменений. Пылевые поражения легких человека относятся к распространенной форме патологии и занимают значительное место в общей структуре заболеваемостей, что приводит к значительным социально-экономическим потерям [44].
Пыление, связанное в основном с отсутствием растительности в окрестностях техногенного массива, обусловливает проникновение вредных веществ через дыхательные пути. До настоящего времени ошибочно считается, что распространение токсичной пыли не может быть причиной заражения местного населения. Рабочие, осуществляющие очистные и транспортные работы на загрязненных площадях, подвержены воздействию вредных веществ.
Вредное действие пыли на организм человека зависит от ее вида (ядовитая и неядовитая пыль), размеров и способов действия. Пыль, находящаяся в воздухе, может оказывать негативное действие на глаза человека, кожу и внутренние органы, попадая вместе с вдыхаемым воздухом.
Исследование физико-механических, химических свойств и состава хвостов
Технологическое закрепление предполагает добавление в пульпу какого-либо реагента, способного связывать твердые частицы после их отложения. Применение технологического способа в чистом виде затруднительно, так как большая доза закрепителя неизбежно остается в отстойном пруде. Это приводит, во-первых, к завышенным расходам закрепителя, и, во-вторых, к закреплению всего объема хвостов. Последнее может существенно затруднить дальнейшее использование складируемых отходов.
Механический способ защиты откосов и гребня, ограждающих сооружений заключается в обсыпке по всей защищаемой площади слоя щебня или гравия толщиной 0,15-0,20 м. Этот способ является предпочтительным в условиях сухого, а также сурового климата, где невозможно или трудно обеспечить постоянное поддержание растительного покрова.
Результаты и эффективность биологического закрепления отходов обогащения путем посева многолетних трав и кустарника с использованием или без использования слоя растительного грунта на защищаемой поверхности находятся в прямой зависимости от климатических условий, содержания токсичных веществ в хвостохранилище и гранулометрического состава складируемого материала.
Сущность химической стабилизации заключается в направленном изменении свойств поверхностного слоя намытого материала путем создания противоэрозионного покрытия из материала дамбы, обработанного химическими вяжущими веществами. Выбор вяжущих средств в каждом конкретном случае определяется гранулометрическим, химическим и минеральным составом хвостовых отложений и необходимой периодичностью работ. Созданное покрытие должно обеспечивать в последующем нормальную эксплуа 38 тацию намывного сооружения, не оказывать отрицательного влияния на его водный режим и структурную сохранность закрепленных хвостов под нагрузкой.
Механическая прочность закрепленного слоя должна быть такой, чтобы выдержать нагрузку 0,5 кг/см . Используют PI способы, при которых прочность закрепленного слоя при увлажнении понижается, но после высыхания восстанавливается. При решении вопроса о закреплении ориентируются на способы, требующие минимального количества привозного реагента.
Наиболее часто применяемые способы закрепления: глинизация, цементация; силикатизация, битумизация и комбинированные способы с использованием добавок, в том числи полимеров.
Глинизация применяется в целях повышения сопротивляемости разрушению. Сущность ее заключается во введении в закрепляемый грунт глинистого материала. Применение глинизации образует на закрепленной поверхности травяной покров, что защищает от ветровой эрозии. В районе горных работ наиболее выгодные для этих целей жирные глины чаще всего отсутствуют, поэтому исследуют возможности применения местных суглинков и супесей, которые распространены везде.
Сущность закрепления песчаных грунтов посредством глинизации заключается в том, что при введении в них определенного количества глинистых частиц песчаные грунты приобретают свойство связности или сцепления. Сцепление объясняют влиянием межмолекулярных или так называемых сил Ван-дер-Ваальса (первичное сцепление) и также влиянием цементации (сцепление упрочнения) и т. п.
Все виды сцепления сводятся к притяжению между ядрами одних атомов и электронами других атомов, что возможно при сближении их на расстояние порядка ангстрем. Чтобы между какими-либо частицами могли проявляться силы сцепления, необходимо сблизить эти частицы на расстояние, не превы шающее сферы взаимодействия атомов. Сближение атомов частиц, находящихся в твердом состоянии, на расстояние, при котором возникают силы сцепления, затруднительно. Однако это легко осуществить, если тела перевести в жидкое состояние. Для растворимых тел это осуществляется растворением сращиваемых поверхностей. Причиной сцепления является поверхностное растворение частиц. Глинистые частицы играют роль растворимого цемента или клея. Смачивание сухого глинистого порошка вызывает растворение поверхности частиц, в результате чего они приобретают склеивающую способность, обусловливая связность между частицами, которая еще более упрочняется при высыхании.
Наибольшей связностью обладают монтмориллонитовые глины, а наименьшей - каолинитовые. Предел прочности при сжатии образцов кварцевого песка с добавками 1% глинистых частиц (менее 0,001 мм) составляет: при добавках монтмориллонитовой глины - 5,4 кг/см , каолина - 0,1 кг/см, суглинка - 2,5 кг/см , покровного суглинка - 2,4 кг/см .
Цементизация грунтов заключается во введении в грунт цемента с последующим перемешиванием, увлажнением и уплотнением. В результате этого образуется цементно-грунтовая масса, обладающая высокой прочностью, водо- и морозостойкостью.
При устройстве цементно-грунтовых покрытий цемента расходуют от 6 до 15% к весу сухой смеси. При толщине покрытия в 10 см это составляет 100-250 т на 1 га закрепленной площади. Цементизация исключает образование травяного покрова, что является ее существенным недостатком. Наиболее употребляем портландцемент. Для повышения механической прочности и водоустойчивости удельную поверхность цемента увеличивают за счет тонкости помола, а удельную поверхность цемента уменьшают путем агрегирования его тонкодисперсной части.
Совершенствование технологии закрепления путем применения пластифицирующей добавки
Распространение по поверхности пляжа имеет текстура русловой ряби, текстура оплывания. Господствующей формой являются текстуры золовой эрозии поверхности пляжа и откосов дамбы, а также типично аккумулятивные текстуры накопления продуктов ветровой эрозии.
Хвосты не содержат органических соединений, имеют рыхло-песчаную структуру хорошую водопроницаемость, но очень низкую вла-гоемкость. Они представляют собой в основном тонкозернистый материал, фракции которого являются эрозионно-опасными. В целом следует констатировать, что как с точки зрения морфологических особенностей поверхности, так и строения массива в целом, отложения техногенных грунтов практически лишены позитивных качеств. Отсутствие диагенеза, практически повсеместное распространение эрозионно-аккумулятивных золовых текстур и малая высота капиллярного поднятия обусловливают неустойчивость техногенных грунтов по отношению к ветровой эрозии.
Пыление на действующих хвостохранилищах возникает в основном локально, на участках не покрытых водной поверхностью пляжной зоны намывных отсеков, на откосах ограждающих дамб и плотин. В жаркий засушливый период с поверхности таких объектов посредством ветровой эрозии выносится огромное количество техногенной пыли. Важной особенностью данной проблемы является необходимость кратковременного, локального, экологически безопасного закрепления пылящих поверхностей. При этом предпочтительным является простота технологического осуществления предлагаемого способа и его экономическая рентабельность.
В разделе 1.2 было показано, что для предотвращения пыления существует несколько способов. Однако, они либо требуют существенных материальных затрат (например, использования различных химических веществ), либо их эффективность зависит от высоты хвостохранилища (аэродинамический метод), либо затрудняют последующее использование складируемых отходов (технологическое закрепление), либо могут быть использованы на отработанных хвостохранилищах (рекультивация). Наиболее распространенным является гидротехнический способ, однако потребности в больших объёмах воды и кратковременность закрепления делают его либо дорогостоящим (в аридном климате), либо экологически небезопасным (при использовании природных поверхностных и грунтовых вод).
Эффективные мероприятия по предотвращению пыления проводятся в основном на отработанных хвостохранилищах, на действующих же хвостохранилищах борьба с пылением затруднена, поскольку нет необходимости создавать долговечное и выдерживающее высокие механические нагрузки покрытие, при этом требуется многократное оперативное закрепление поверхности на сравнительно короткий срок в перерывах между намывами.
Учитывая вышеприведенные сведения, в качестве основной задачи при организации исследования явилось создание нового, дешевого и экологически безопасного способа закрепления на действующих хвостохранилищах, для локального, оперативного закрепления пылящих поверхностей хвостов.
При изучении возможных способов закрепления, соответствующих поставленной задаче, было обращено внимание на работу А.Г. Сидакова, в которой рассмотрена технология закрепления массива хвостов карбонатами (рис 2.6). Принцип основан на следующем. Для образования изолирующей поверхности использованы сухие хвосты, уложенные двумя слоями поочередно. Верхний слой двухслойной секции засыпан отходами доломита. В нижнем слое засыпан инертный к серной кислоте измельченный алевролит с добавкой обожженной извести. При обработке верхнего слоя аполитом, имитирующим кислые отвальные воды, протекает химическая реакция, в результате которой образуется гипс. Часть раствора и образующиеся в результат реакции кислые воды переходят из верхнего слоя в нижерасположенный слой, где под их воздействием образуется гашеная известь. Получающаяся гашеная известь является вяжущим для хвостов и образует на поверхности отвала достаточно прочное изолирующее покрытие.
Такой способ обработки пылящей поверхности техногенного массива хвостов ввиду значительной прочности получаемого покрытия (порядка 1,2 МПа) и целесообразно применять для долговременного закрепления на отработанных участках хвостохранилищ.
В работе Е.В. Лычагина отмечается возможность активации железосодержащей составляющей техногенного грунта, обладающей высокой чувствительностью к уменьшению водородного показателя в результате формирования окислительной среды РН 6. Окислительная среда в техногенных грунтах достигалась посредством его обработки соляной кислотой, при этом формируется техногенно-геохимическая система, обладающая рядом позитивных свойств, в частности, повышенной гигроскопичностью, обусловленной образованием кристаллогидратов железа и кальция. В отличие от существующих способов пылеподавления посредством внесения гигроскопических солей, кислотная активация железосодержащих минералов обеспечивает образование кристаллогидратов за счет внутренних ресурсов грунта. Отмечается факт монотонного, практически линейного увеличения гигроскопиче 72
ской влажности при возрастании концентрации кислоты. При этом оптимальная концентрация соляной кислоты для грунтов Лебединского ГОКа составляет 2-4 %, при этом обеспечивается влажность слоя, близкая к максимальной молекулярной влагоёмкости.
Такие изменения свойств активированного грунта предопределяют использование кислотной обработки для временного закрепления поверхности хвостохранилищ в период его эксплуатации.
В связи с этим, на основании анализа предложенных ранее способов пылеподавления нами предложен комбинированный способ закрепления пылящей поверхности техногенного массива отходов обогащения, заключающийся в нанесении на поверхность карбонатов в виде суспензии с последующей обработкой поверхности раствором серной кислоты.
При этом с целью обеспечения минимального воздействия на окружающую среду и регулирования прочности закрепляемой поверхности концентрация суспензии мела составляет от 5 до 20 мае. %, а последующая обработка поверхности раствором серной кислоты производится в стехиомет-рическом соотношении к внесённому мелу в виде водного раствора с концентрацией от 5 до 15 мае. %.
Влияние суперпластификатора на электрокинетический потенциал частиц дисперсной фазы
Реологические кривые меловой суспензии для суперпластификатора СБ-3 представлены на рис.3.3. При увеличении концентрации добавки СБ-3 суспензия последовательно проходит через бингамовскую, ньютоновскую и дилатантскую области.
Как видно, исходная суспензия мела представляет собой типичное вяз-копластичное тело с довольно значительной величиной предельного напряжения сдвига, которая определялась как отрезок, отсекаемый на оси ординат при продолжении линейной части кривой. По мере увеличения концентрации суперпластификатора характер течения суспензии кардинально изменяется. И при оптимальной дозировке реологическая кривая становится прямолинейной и выходит из начала координат. Анализ реологических кривых позволяет сделать следующие выводы. В исходной водной меловой суспензии на дальних расстояниях между частицами преобладают силы притяжения. Наличие вторичного минимума обусловливает тиксотропный режим течения, т.е. наличие предельного динамического напряжения сдвига.
Из данных реологических кривых определялось предельное напряжение сдвига и пластическая вязкость, которую определяли как тангенс угла наклона линейной части уравнения.
Влияние добавки на предельное динамическое напряжение сдвига и пластическую вязкость меловой суспензии представлено на рис. 3.4, 3.5.
Как показывают исследования, введение олигомерных молекул до концентраций 0,1-0,2 % снижают предельное динамическое напряжение сдвига меловых суспензий до нуля.
При этих же концентрациях пластическая вязкость снижается до минимального значения. Дальнейшее увеличение концентрации суперпласти 102 фикаторов приводит к дилатантному режиму течения системы, для которого характерно наличие стесненных условий и преобладание сил отталкивания. Это может иметь место при повышении дисперсности и стабилизации системы. Превышение сил отталкивания обусловливается в основном образованием развитых адсорбционно-сольватных слоев.
Такой переход модели течения свидетельствует об увеличении агрега-тивной устойчивости суспензий и уменьшении сил взаимодействия между частицами дисперсной фазы. где Хка - удельная электропроводность 0,1 м раствора КС1 при 200 С, равная 1,167 см м"1; R\, - сопротивление мембраны с дисперсионной средой, Ом; /?2 - сопротивление мембраны, заполненной 0,1 М раствором КС1. Результаты исследований представлены на рис. 3.6.
Как видно из полученных данных, поверхность исходного дисперсного материала имеет незначительный суммарный отрицательный заряд, о чем свидетельствуют небольшие отрицательные значения С- потенциала.
Изменение С- потенциала может быть обусловлено двумя факторами. Во-первых, анионактивная олигомерная добавка, адсорбируясь на поверхности дисперсной фазы, будет увеличивать абсолютное значение отрицательного потенциала поверхности. С другой стороны, по мере формирования адсорбционного слоя граница скольжения будет отодвигаться в глубину раствора, что уменьшит абсолютное значение потенциала на границе скольже ния. Изменение С, — потенциала определяется в первую очередь увеличением отрицательного заряда поверхности при адсорбции анионактивной добавки. Сравнивая значения f потенциалов и реологические параметры, следует отметить, что в общем случае не наблюдается корреляции между кодом изменения электрокинетических потенциалов и реологических параметров систем. Так, для меловых суспензий введение добавок олигомера в количестве 0,1-0,2% приводит к снижению т0 до нуля, значение пластической вязкости приближается к своему минимальному значению. При таких же концентрациях олигомеров значение "- потенциала снижается лишь с -6мвдо-12 + -14 мв.
Влияние исследуемых добавок на размер частиц дисперсной фазы определяли с помощью седиментационного анализа путем непрерывного взвешивания осадка. Для взвешивания использовали торсионные весы с точностью ± 1 мг. Для исследования готовили суспензии. Соотношение дисперсной фазы и дисперсионной среды было равным 2:1. Дисперсионной средой служила дистиллированная вода. Добавки предварительно растворяли в воде и вводили вместе с последней. Суспензии перемешивали в течение 5 минут, затем переносили в цилиндр с водой, в котором путем перемешивания в течение 5 минут готовили разбавленные суспензии с содержанием дисперсной фазы 1 мас.%. Взвешивание осадка на чашечке производили через 0,25; 0,5; 1,0; 1,5; 2 ; 3 ; 5 ; 10, 15, 20 и т.д. минут. Измерение заканчивали, если в течение часа масса осадка в чашечке не изменялась. Расчет соответствующих коэффициентов дифференциальной кривой проводили с помощью ЭВМ по специально разработанной программе.
