Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Комплексный мониторинг отходов обогащения ОАО «Севералмаз» 11
1.1 Общие сведения о предприятии 11
1.2 Обогащение 17
1.3 Лабораторные исследования горных пород и хвостов обогащения
Глава 2. Обзор и анализ существующих способов утилизации отходов обогащения 55
2.1 Общие положения 55
2.2 Утилизация отходов обогащения с получением строительных материалов
2.3 Утилизация отходов обогащения с использованием в сельском хозяйстве
2.4 Утилизация отходов в качестве бурового раствора 59
2.5 Утилизация отходов в качестве компонента геоматов 61
2.6 Утилизация отходов с использованием в металлургическом производстве
Глава 3. Экологический мониторинг хвостохранилища и прилегающих территорий месторождения им. М.В. Ломоносова 66
3.1 Общие положения 66
3.2 Мониторинг содержания загрязняющих веществ 79
3.3 Комплексное воздействие хранения отходов на окружающую среду 75
3.4 Мониторинг устойчивости дамбы хвостохранилища 79
Глава 4. Лабораторные опыты по утилизации отходов обогащения с получением исходных продуктов
4.1 Отбор и подготовка проб отходов обогащения 89
4.2 Опыты по обжигу отходов обогащения 90
4.3 Оценка пригодности отходов для производства керамики 93
4.4 Свойства хвостов как мелиорантов и удобрений 97
4.5 Лабораторные опыты по оценке возможности использования хвостов в качестве буровых растворов.
Глава 5. Обоснование технологии утилизации отходов обогащения
5.1 Общие положения 112
5.2 Подготовка отходов к утилизации путём вымораживания 113
5.3 Подготовка отходов к утилизации путём кристаллизации 114
5.4 Подготовка отходов к утилизации с использованием системы сгустителей, пресс-фильтров и сушильных барабанов
5.5 Технология утилизации 122
5.6 Оценка эколого-экономического эффекта утилизации отходов 129
Заключение
- Лабораторные исследования горных пород и хвостов обогащения
- Утилизация отходов обогащения с получением строительных материалов
- Мониторинг содержания загрязняющих веществ
- Опыты по обжигу отходов обогащения
Лабораторные исследования горных пород и хвостов обогащения
Термический анализ выполнен на совмещенном DSCGA термоанализаторе SDT Q600 (США). При нагревании одновременно регистрировались изменения массы - кривая TG и изменения энтальпии -кривая DSC. В результате проведённых исследований были сделаны следующие выводы по термическому анализу глинистой фракции. Общие потери массы пробы глины при нагревании до 1150С составляют около 12,3% от первоначальной. На кривой DSC в диапазоне 100-300С первым наблюдает интенсивный эндотермический пик, что отвечает выделению адсорбционной и межпакетной воды. На фоне первого основного эндотермического пика наблюдается дополнительный эндотермический эффект около 211 С, что свидетельствует о насыщенности пробы глины гидратированными обменными катионами Са2+ и Mg2+.
При этом потери массы на кривой TG составляют около 5,6%, из которых около 1 % связаны с удалением воды, сопровождающей поглощенные основания (адсорбированные катионы Са2+ и Л 2+).Данные эндотермические эффекты характерны как для монтмориллонита, так и для его разновидности-сапонита. При температуре около 574 С наблюдается эндотермический эффект без потери массы. Это говорит о присутствии в образце кварца, что только подтверждает закварцованность образцов отходов по сравнению с исходной породой.
В диапазоне 700-800С (при температуре около 795С) на кривой DSC наблюдается интенсивный эндотермический эффект, сопровождающийся потерей массы, зарегистрированной на кривой TG около 4%. Это связано с удалением структурной гидроксильной воды, что характерно для минералов с существенным содержанием монтмориллонита.
В диапазоне 800-900С наблюдается интенсивный эндотермический эффект, что может быть связано с потерей оставшейся части конституционной воды. Потеря массы при этом составляет около 1,5%. Интенсивный эндо-эффект в большей степени характерен для сапонита, чем для монтмориллонита. Однако данный эффект раздвоен. На кривой DSC можно выделить 2 пика при температурах около 837С и 852 С. Это может свидетельствовать о наложении в образце пика доломита и сапонита, для которых характерны эндотермические эффекты в данном диапазоне.
Таким образом, термографический анализ подтверждает тот факт, что глинистые минералы трубки Архангельской месторождения им. М.В.Ломоносова корректно классифицировать как минералы группы , смектитов, представляющие собой смесь монтмориллонита и сапонита.
Утилизация отходов обогащения с получением строительных материалов
Отходы обогащения более чем на 67% представлены глинистыми минералами монтмориллонитом и сапонитом. Данные минералы, являясь глинистым магнезиальным сырьем, может быть применен в производстве таких строительных материалов как керамический кирпич, керамические и прессованные стеновые материалы, цементный клинкер и пр. Располагая отобранной глинистой пульпой, мы поставили задачу экспериментального получения образцов стройматериалов. Полученная пульпа усреднялась путем отбора проб в зоне водосборного колодца с разных глубин (3; 3,5; 4; 4,5; 5; 5,5; 6, 6,5;7 м). Пульпа была залита в ванну для выпаривания осадка путем естественного испарения при комнатной температуре. Средняя плотность твердого осадка составила 1,14 г/см . Плотность глинистой пульпы, отобранной из прудковой зоны хвостохранилища, близка к плотности воды - 1,04 г/см . Опыты по выпариванию осадка из раствора показали, что содержание твердых частиц в сухом виде составляет 11% общей массы. Полученные показатели определялись по ГОСТ 5180-84 [39].
Рассматривая вопрос производства керамического кирпича, следует сказать, что получать образцы для обжига их хвостов, планируется способом полусухого формования, являющимся на данный момент самым прогрессивным. Производство керамического кирпича является перспективным для региона, так как ближайшее крупное производство находится в Ярославле, откуда кирпич и возится в Архангельскую область. Для Архангельской области керамический кирпич является дефицитным строительным материалом, есть лишь небольшое производство «Уемский керамический комбинат». Всего в Северо-Западном федеральном округе насчитывается 17 предприятий, осуществляющих выпуск керамического кирпича (для сравнения в Центральном ФО - 100 заводов, Приволжском - 128) и ощущается его нехватка, особенно в Архангельской и Мурманской областях, где он практически не производится, а также в Вологодской области. Основные производители керамического кирпича в СЗФО - ОАО «Группа ЛСР», ЗАО «Завод стройматериалов «Эталон», ООО «Керамик-Сервис» расположенные в Санкт-Петербурге и Ленинградской области.
Под стеновыми материалами, к коим относится и кирпич, в первую очередь подразумеваются керамические и прессованные стеновые панели. Стеновые панели могут изготавливаться из различных видом минерального сырья, например гипса, асбеста, глин. Для утилизации отходов месторождения имени М.В.Ломоносова перспективно использование стеновых панелей, как прессованных, так и керамических с добавлением портландцемента, как связующего компонента мягких и достаточно текучих глин (Wt=44).
Цемент всегда является востребованным в строительной отрасли, поэтому его производство является актуальным, как для нужд самого предприятия, так и для реализации продукции. Произведенный на месторождении цементный клинкер возможно использовать для получения цемента на Комбинате стеновых и конструкционных материалов (КСКМ) в Архангельске, а возможно и поставлять на Савинский цементный завод, входящий в группу Eurocement.
Мониторинг содержания загрязняющих веществ
Хвостохранилище обогатительной фабрики Ломоносовского ГОКа является масштабным гидротехническим объектом, а также объектом высокой экологической опасности, связанной прежде всего с вопросами устойчивости ограждающей дамбы и ее потенциально возможным прорывом с затоплением прилегающей территории жидкими хвостами, что несомненно повлияет на экосистему района [19]. Осознавая важность данных вопросов, по заказу ОАО «Севералмаз» в 2003 г. до начала строительства хвостохранилища на трубке «Архангельская» лабораторией механики грунтов и устойчивости хвостохранилищ СПбГУ были проведены расчетные исследования фильтрационных потерь и устойчивости. В 2005 г. была построена ограждающая пионерная дамба до проектной отметке 116.0 (максимальная высота дамбы 11.0м). В процессе строительства осуществлялся геотехконтроль. Специалистами кафедры «Инженерной геологии, оснований и фундаментов» в 2005 г. были проведены исследования физико-механических свойств грунтов, уложенных в дамбу (АГТУ), показавшие несоотвествие реальных физико-механических свойств грунта, заложенным в проекте. НИЛ Механики грунтов и устойчивости хвостохранилищ СПбГПУ провела анализ результатов геотехконтроля и исследований грунтов, а также корректировочные расчеты по фильтрации и устойчивости хвостохранилища [45] .
Расчеты 2005 года показали, что хвостохранилище, возведенное до проектной отметки I очереди строительства устойчиво, однако реальные и проектные свойства грунтов отличаются. Полученные результаты устойчивости устойчивости ограждающей дамбы представлены в табл. 3.7. Положение расчетного сечения Варианты расчета Расчетноезначение Кзтіп Координаты центра вращения потенциальнойповерхно сти сдвига Нормативныйкоэффициент устойчивости[Кн](IV класс ) R.M Х,м Y,M Створ 16 Основное сочетание нагрузок Ьур=30м 1,23 32.6 9.2 22.5 1,16 Особоесочетаниенагрузок Lyp=0 1.09 30 9 22 1,04 Ьур=30м сейсмика-7 баллов 1,06 32.6 10 22.5 Створ 17 Основное сочетание нагрузок Ьур=30м 1,24 32.6 9.2 23 1,16 Особоесочетаниенагрузок Lyp=0 1.06 33.6 9.2 24.5 1,04 Ьур=30м сейсмика-7 баллов 1,08 37.6 11 24.5 и Створ 18 Ьур=30м 1.16 27.6 9.2 20.5 1.16 Lyp=0 1.04 26.0 9 20 1.04 Примечание. По створом понимается створ Пикета (ПК). Примечание. Кзтіп - минимальный коэффициэнт запаса устойчивости. Данные цифры были получены в ходе расчетов в программе GRUNTUS, являющейся разработкой НИЛ Механики грунтов и устойчивости хвостохранилищ СПбГПУ.
В настоящее время (2012 г.), когда возведен третий ярус ограждающей дамбы, а результаты геотехконтроля за период работы хвостохранилища проанализированы, возникает необходимость провести корректировочные расчеты устойчивости в связи с изменениями размеров самой дамбы и увеличевшейся нагрузкой на нижние ярусы дамбы. В настоящее время Кафедрой «Инженерной геологии, оснований и фундаментов» С(А)ФУ ведется мониторинг устойчивости хвостохранилища.
В связи с актуальностью вопроса устойчивости ограждающей дамбы в диссертационной работе также представлен расчет сечения ограждающей дамбы. Обсчитываемое в проекте сечение выбрано по сечению в створе пикета дамбы ПК-16, как характерного для практически всей дамбы, сложенной разнородными грунтами, а также для сравнения полученного результата с расчетами С(А)ФУ, проведенными в створе пикетов ПК-16 и ПК-17 (Приложение 1).
Из материалов геотехконтроля С(А)ФУ очевидным является тот факт, что сложение тела дамбы крайне пестрое, что трудно выделить какие-либо участки дамбы, выполненные достаточно однородным материалом. Часть дамбы от ПК-0 до ПК-11+35(«верхняя дамба») сложена преимущественно пылеватыми песками, часть дамбы от ПК-11+31.5 до ПК-21+90.86(«нижняя дамба») сложена по большей части суглинками, суглинками с дресвой, перемежающимися супесями, песками мелкими и пылеватыми. В створе ПК-17 дамба сложена суглинками, а в основании не удалена прослойка торфа максимальной толщиной 1.8м. Суммарная толщина слоя пылеватых песков в основании 7.5м. Ниже залегают суглинки. Створ ПК-16 как уже было сказано является характерным для практически всей дамбы, сложенной разнородными грунтам, поэтому первоначально был выбран в качестве расчетного . Суммарная толщина слоя пылеватых песков в основании 6.0м. Ниже залегают суглинки. Створ ПК-15 практически идентичен створу ПК-16,створ ПК-18 близок створу ПК-17 по составу грунтов дамбы [34] .
Опыты по обжигу отходов обогащения
Как было отмечено ранее, полученные образцы отходов подразделялись на 3 вида обжига при температурах 800, 900, 1000 С. В обжиге каждого вида было получено по 5 образцов. Полученные образцы керамики были испытаны на одноосное сжатие на прессе с Fmax=500 kH. Также на одноосное сжатие испытывалось 5 образцов кирпича-сырца, также в количестве 5 штук. Кирпич-сырец - это не обожженный кирпич.
Проведенные эксперименты показали, что оптимальной температурой обжига для увеличения крепости кирпича является температура 900С (табл. 4.1.). При этом обжиг допустимо проводить и при температуре 800С при незначительном снижении прочности. С целью математического обоснования зависимости прочности образцов от температуры обжига проводится расчет регрессии с получением коэффициента корреляции R (табл. 4.2.). Получен высокий коэффициент корреляции, подтверждающий высокую степень зависимости прочности образцов керамики от температуры обжига. Расчетная кривая имеет наибольшее значение Y и ближе всего к точке пересечения с экспериментальной при значении темературы 900С, что подтверждает экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что данная температура является оптимальной для обжига. В последующих опытах по обжигу определялась пригодность отходов различных зон хвостохранилища (прудковой зоны, пляжной зоны) наиболее пригоден для утилизации с получением керамических строительных материалов. Для обжига были отобраны твердые образцы хвостов с участков пляжа хвостохранилища, отмеченных, как место отбора (МО) 1, 2, 3, а также образцы, полученные из предварительно обезвоженной глинистой суспензии (Сусп.) прудковой зоны (в диссертационном приложении №1).
Получен высокий коэффициент корреляции, подтверждающий высокую степень обратной зависимости прочности образцов керамики от содержания твердого %, и соответственно прямой зависимости прочности керамики от содержания глинистой фракции, %.
Полученные образцы явились подтверждением способности глинистой фракции отходов обогащения к обжигу и производству керамических изделий на их основе, в частности кирпича. Прочность кирпичей, полученных из суспензии составляет от 10 МПа (100 кг/см ), что соотвествует марке М 100 по ГОСТ 530-95 «Кирпичи и камни керамические».
В ходе дальнейших опытов был получен цементный клинкер марки 250 для производства портландцемента. Состав клинкера: 75% известняк, 25% -сапонитовая глина. Изготовление керамических образцов и клинкера осуществлялось по методикам, описанным Горчаковым Г.И и Баженовым В.И. Рис. 4.5.Испытание образцов на прочность одноосным сжатием.
В рамках опытов по изучению свойств глинистой суспензии было проведено раскисление торфяной вытяжки сапонитосодержащей пульпой с хвостохранилища ОФ-1. Торфяная вытяжка являлась солевой с концентрацией 75 г на 1 л дистиллированной воды. В качестве соли использовалась КС1. В течении опыта создавались условия, приближенные к природным и отличающиеся от опытов, отвечающих ГОСТам, для моделирования естественных условий раскисления торфа глинистой пульпой. В течении опытов проводился замер рН, как если бы мы заливали торфяную почву глинистой пульпой.
