Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы. термины и понятия. классификация техногенно-минеральных месторождений 12
Выводы 25
ГЛАВА 2. Условия формирования и размещения техногенно-минеральных месторождений урала 27
2.1. История формирования и исследований уральских техногенно-минеральных месторождений 27
2.2. Условия формирования и размещения техногенно-минеральных месторождений 37
2.2.1. Положение техногенно-минеральных месторождений в геологических структурах Урала 37
2.2.2. Главные аспекты формирования и размещения техногенно-минеральных месторождений 43
Выводы 52
ГЛАВА 3. Характеристика главных типов техногенно минеральных месторождений Урала 53
3.1. Техногенно-минеральные месторождения предприятий черной металлургии 53
3.1.1. Техногенно-минеральные месторождения железорудной промышленности 54
3.1.2. Техногенно-минеральные месторождения производства ферросплавов 76
3.2. Техногенно-минеральные месторождения предприятий цветной металлургии 84
3.2.1. Техногенно-минеральные месторождения медной отрасли цветной металлургии 85
3.2.2. Техногенно-минеральные месторождения алюминиевой отрасли промышленности 113
3.2.3. Техногенно-минеральные месторождения никелевой отрасли промышленности 116
3.3. Техногенно-минеральные месторождения благородных металлов 119
3.4. Техногенно-минеральные месторождения промышленности редких металлов 125
3.5. Техногенно-минеральные месторождения топливно энергетической отрасли 126
3.6. Техногенно-минеральные месторождения химического производства 135
3.7. Нетрадиционные типы техногенно-минеральных месторождений 141
Выводы 145
ГЛАВА 4. Характеристика техногенно-минерального сырья и направления его использования 147
4.1. Характеристика техногенно-минерального сырья 147
4.1.1. Характеристика вещественного состава техногенно минеральных месторождений горнодобывающей промышленности 147
4.1.2. Характеристика вещественного состава техногенно-минеральных месторождений - отходов обогащения руд 152
4.1.3. Характеристика вещественного состава техногенно-минеральных месторождений металлургического производства 155
4.1.4. Характеристика вещественного состава сырья техногенно минеральных месторождений топливно-энергетического комплекса 165
4.1.5. Характеристика вещественного состава техногенно минеральных месторождений химического производства 168
4.2. Направления и области использования техногенно-минерального сырья 169
4.2.1. Использование техногенно-минерального сырья техногенно-минеральных месторождений горнодобывающего производства 170
4.2.2. Использование техногенно-минерального сырья техногенно-минеральных месторождений черной металлургии 178
4.2.3. Использование техногенно-минерального сырья техногенно-минеральных месторождений цветной металлургии 190
4.2.4. Использование техногенно-минерального сырья техногенно-минеральных месторождений топливно-энергетической отрасли 195
4.2.5. Использование техногенно-минерального сырья техногенно-минеральных месторождений химического производства 200
Выводы 203
ГЛАВА 5. Технологии и методы исследования техногенно-минеральных месторождений 204
5.1. Особенности геологических исследований техногенно минеральных месторождений 205
5.1.1. Особенности исследования минерального и химического состава техногенно-минеральных образований 205
5.1.2. Технологии и методы изучения и оценки техногенно-минеральных месторождений 210
5.1.3. Технологические особенности разработки техногенно минеральных месторождений и переработки техногенно минерального сырья 228
5.2. Особенности геоэкологических исследований техногенно минеральных месторождений 232
5.2.1. Геоэкологическое картирование территорий техногенно минеральных месторождений 236 5.2.2. Особенности экологического мониторинга и аудита
техногенно-минеральных месторождений 247
Выводы 256
ГЛАВА 6. Роль техногенно-минеральных месторождений в загрязнении природной окружающей среды и оценка " РТХ экологического воздействия 258
6.1. Основные виды негативного воздействия техногенно минеральных месторождений на природную окружающую среду 259
6.2. Оценка экологического воздействия техногенно-минеральных месторождений предприятий черной металлургии 267
6.3. Оценка экологического воздействия техногенно-минеральных месторождений предприятий цветной металлургии 279
6.4. Оценка экологического воздействия техногенно-минеральных месторождений предприятий топливно-энергетической отрасли 297
Выводы 298
Заключение 299
Литература 3
- Условия формирования и размещения техногенно-минеральных месторождений
- Техногенно-минеральные месторождения производства ферросплавов
- Характеристика вещественного состава техногенно-минеральных месторождений - отходов обогащения руд
- Технологии и методы изучения и оценки техногенно-минеральных месторождений
Условия формирования и размещения техногенно-минеральных месторождений
В Свердловской области всестороннее изучение проблемы оценки, хранения и использования техногенно-минеральных образований Уральским комитетом по геологии и недропользованию с проведением паспортизации имеющихся техногенно-минеральных образований [40, 41, 177] началось с 1994 г. Общие объемы отходов Департаментом природных ресурсов по Уральскому региону определены в 8,5 млрд. т на 74 предприятиях в 188 объектах техногенных образований. Переработка шлаков черной металлургии уже к 2002 году превысила их текущий выход.
Распределение техногенно-минеральных месторождений Свердловской области в целом подчиняется распределению минерально-сырьевых ресурсов и связано с размещением систем поселений. Здесь четко выделяется три системы поселений, возникновение и развитие которых определяется в первую очередь освоением и развитием минерально-сырьевой базы: Екатеринбургская, Нижнетагильская и Серовская. Первая включает территории городов Асбеста, Березовского, Верхней Пышмы, Первоуральска, Полевского, Ревды, Екатеринбурга, а также Белоярский, Нижнесергинский и Сысертский районы [62]. В центральной части области сформировалась Нижнетагильская система поселений, включающая города Качканар, Кировград, Кушву, Нижнюю и Верхнюю Туру, Нижний Тагил, Верхнюю Салду, Невьянск. На севере области складывается Серовская система поселений, включающая города Ивдель, Карпинск, Краснотурьинск, Серов, развитие которой также определяется разработкой полезных ископаемых (бокситы, железные, медные и марганцевые руды, каменный уголь).
Основным экономико-географическим районом, в котором находится наибольшее количество техногенно-минеральных месторождений, является район горнопромышленного Урала - колыбель горнозаводской промышленности. Главный производственный профиль района определяется тяжелой промышленностью с преобладанием металлурго-химического и машиностроительного комплексов. В центре области - г.Екатеринбурге, преобладают предприятия машиностроительного комплекса (Уралмаш, Уралэлектротяжмаш, Турбомоторный, Уралхиммаш и др.) и в меньшей мере металлурго-химического комплекса (Верх-Исетский металлургический завод, Вторчермет, завод по обработке цветных металлов и т.д.) - в основном перерабатывающие предприятия «верхних этажей», поэтому в пределах города крупных скоплений техногенно-минеральных образований не отмечается. Для ряда городов Екатеринбургской агломерации (Березовский, Верхняя Пышма, Первоуральск) характерны ТММ, связанные с деятельностью горнодобывающих предприятий.
Другая направленность производства и, соответственно, формирование многочисленных ТММ, связанных с добычей полезных ископаемых, характерно для подрайонов Горнозаводского района: Тагило Качканарского и Серово-Ивдельского. Для первого, образование которого связывается со строительством на р.Тагил чугуноплавильного завода, обусловленного сочетанием запасов железных руд г. Высокой, месторождений известняка, обширных лесных массивов и водного источника в виде р.Тагил, характерно развитие предприятий черной и цветной металлургии. В настоящее время в Нижнем Тагиле наиболее полно представлен металлурго-химический комплекс, включающий Нижнетагильский металлургический комбинат, Уралхимпласт и другие предприятия. На территории Тагило-Качканарского подрайона функционирует значительное количество горнодобывающих предприятий, занимающихся добычей железных (Нижний Тагил, Кушва, Качканар), медных (Красноуральск, Кировград) руд и благородных (золото, платина) металлов. Преимущественно с деятельностью предприятий горнорудной промышленности здесь связано формирование наиболее значительных по масштабам техногенно-минеральных месторождений. Серово-Ивдельский подрайон характеризуется наиболее развитой горнорудной промышленностью (Краснотурьинск, Североуральск, Карпинск) и большим значением отраслей тяжелой промышленности. Более половины стоимости валовой продукции промышленности здесь приходится на долю качественной металлургии. Главными предприятиями подрайона, формирующими ТММ, являются Металлургический завод им. А.К.Серова, Серовский завод ферросплавов, Богословский алюминиевый завод и др. Горная подотрасль представлена как длительно существующими предприятиями (Богословский горный округ, Турьинский медный рудник), так и возникшими уже в двадцатом веке предприятиями по добыче алюминиевых, марганцевых руд и благородных металлов.
В пределах промышленного Зауралья, примыкающего с юго-востока к горнопромышленному району, основу промышленности в прошлом составляла черная металлургия. В настоящее время она сохранилась, но коренным образом изменила свой профиль. За советский период получили развитие цветная металлургия (выплавка и обработка алюминия, никелевая), производство строительных материалов. Наиболее значимыми предприятиями, формирующими крупные отвалы - техногенно-минеральные месторождения - являются Уральский алюминиевый завод (красные бокситовые шламы), Режский никелевый завод (шлакоотвал, отвалы Липовского месторождения силикатных никелевых руд).
Техногенно-минеральные месторождения производства ферросплавов
С июня 1995 г. введен в постоянную эксплуатацию природоохранный комплекс, включающий флотоотделение МОФ-2 и Главный карьер и началась отработка Черемшанского шламохранилища как техногенно-минерального месторождения. В период с июня 1995 г. по январь 2000 г. на флотофабрике произведено 18893 т медного концентрата на сумму 63480 тыс. рублей.
Отстойник промывочной фабрики Высокогорского ГОКа, ныне не действующий, содержит шламы промывки мартитовых и валунчатых руд Высокогорского месторождения. В механическом составе здесь преобладает пелитовая фракция, химический состав в целом аналогичен вышеописанным хвостам.
В ряде накопителей размещаются хвосты Лебяжинского железного рудника, шламы газоочисток доменных печей, золы ТЭЦ НТМК и другие отходы. Обезвоженные хвосты Лебяжинского аглоцеха представлены тонкоизмельченным материалом, преимущественно песчаной фракции, их химический состав (% масс): БЮг - 34; СаО - 18; Fe общ. - 11; S - 2,5; ТіОг - 0,2; Р - 0,2; Си - 0,16. Отходы ММС Лебяжинского рудника обогащены Zn (0,42%), Со (0,02 %), Си (0,11- 0,2 %).Шлам газоочисток доменных печей НТМК по данным Уралмеханобра (1991) обладает следующим химическим составом (% масс): Si02 - 6,7; А1203 - 2,2; Fe общ. - 45; СаО - 6,9; MgO -1,2; S - 0,32; ZnO - 1,9-2,4; CuO - 0,03-0,04; PbO - 0,06; CdO - 0,014; NiO -0,011-0,014; CoO - 0,011; As - 0,003; Sb - 0,04; Tl - 0,0003.
Качканарский горно-обогатительный комбинат отходы обогащения титаномагнетитовых руд, представленные хвостами мокрой магнитной сепарации (916 млн. т), при ежегодном выходе 33-35 млн. т, размещает в хвостохранилище площадью 1465,7 га. Хвостохранилище состоит из трех отсеков: Рогалевского, Промежуточного и Выйского (рис. 8). Для получения железорудного концентрата используются бедные титаномагнетитовые руды с содержанием железа около 16%, что обуславливает многоступенчатое дробление руды с получением хвостов сухой магнитной сепарации и мокрой магнитной сепарации. Хвосты CMC получают после грохочения дробленой породы через сито 10 мм, они представляют собой надситный дробленый материал фракции 10-40 мм. Минералогический состав хвостов CMC (%): пироксениты (до 95%), плагиоклазиты (10%) и габбро (5%).
Рудная мелочь класса -10 мм поступает на мокрое измельчение в стержневые мельницы и первую стадию магнитной сепарации, где сбрасывается значительная часть хвостов ММС - 50-60%, а промпродукт поступает в шаровые мельницы для последующей мокрой магнитной сепарации в несколько стадий с доизмельчением в шаровых мельницах. Хвосты ММС транспортируются гидротранспортом в виде водной суспензии с содержанием от 15 до 30 % твердого вещества. Материал достаточно однороден, с преобладающим фракционным составом 0,5-1,5 мм.
Выполненный минералогический анализ показал, что в составе хвостов преобладает пироксен (до 90%), реже отмечаются амфибол, оливин, незначительное количество плагиоклаза и рудного минерала (титаномагнетит) в виде мелких зерен ( 0,1%). Распределение материала по поверхности хвостохранилища равномерное. По данным исследований Ленинградского инженерно-строительного института пироксен в хвостах представлен на 70-85% диопсидом, основной примесью является хромдиопсид с содержанием Сг20з до 2%, встречаются разновидности с примесями Ті, V, Al, Na (фассиит, омфацит). Цвет зерен пироксена белый, зеленоватый, серый, плотность - 3,3-3,4 г/см . Гранулометрический состав хвостов (%): 2,5 мм - 0,68; 2,5-1 мм - 29,05; 1-0,5 мм - 29,05; 0,5-02 мм -15,54; 0,2-0,08 - 19,59; 0,08 мм - 6,08. Плотность хвостов составляет 2,7-3,3 г/см3, насыпная плотность: CMC - 1,5-1,9 т/м3, ММС - 1,4-1,7 т/м3 [153]. Как следствие однородности состава хвостов, в них отмечаются стабильные содержания одного из редких металлов - скандия, входящего в состав пироксена, представляющие промышленный интерес (рис. 9).
Рис. 9. Гистограмма распределения скандия в хвостах мокрой магнитной сепарации Качканарского ГОКа.
Хвосты ММС содержат Ті (0,3 %) и V (0,003 %) . Средние содержания платины в рудах и отходах обогащения составляют 0,048 г/т, золота 2,5 мг/т, присутствуют галлий, германий и другие редкие и рассеянные элементы. Определены технологические схемы извлечения из них ильменитового концентрата, золото-платинового продукта, сульфидного концентрата (содержащего Аи и Pt), плагиоклазового концентрата и оксида скандия.
Значительное количество хвостов было утеряно в результате аварии 2 ноября 1999 г. - прорыве разделительной дамбы с образованием прорана шириной 130 м и глубиной 12 м, а затем ограждающих дамб промежуточного отсека, что привело к тяжелым экологическим последствиям и значительному материальному ущербу.
На Первоуральском рудоуправлении значительные количества техногенно-минерального сырья сосредоточены в хвостохранилище дробильно-обогатительной фабрики. Запасы хвостов CMC здесь составляют 34961 тыс. м , в их составе преобладают горнблендит и габбро с содержанием железа 13,76 %, оксида ванадия -0,16 % [123].
В Челябинской области скопления хвостов ММС обогащения железных руд сосредоточены в шламохранилищах ОАО «Бакальские рудники» (37 тыс. т) и ОАО « Магнитогорский металлургический комбинат».
Отходы обогащения руд Магнитогорского металлургического комбината складировались в отвале № 35 и шламохранилищах 1 и 2. В отвале № 35 находится около 0,8 млн. т хвостов обогащения сернистых руд. Шламохранилище № 1 эксплуатировалось с 1932 по 1951 гг., в него уложено 10 млн. т хвостов промывочно-обогатительной фабрики ПОФ-1 с содержанием железа в хвостах от 21,9, до 38,0 % (табл. 6).
Характеристика вещественного состава техногенно-минеральных месторождений - отходов обогащения руд
Техногенно-минеральные месторождения, связанные с добычей силикатных никелевых руд, в Свердловской области представлены отвалами Липовского и Серовского месторождений. Нерекультивированная территория отработанного Липовского месторождения в Режевском районе Свердловской области представляет собой сложную техногенную систему, обусловленную сочетанием отвалов и карьерных выемок. Многочисленные отвалы сложены вскрышными рыхлыми породами, особую ценность представляет отвал бурожелезняковых руд. В настоящее время происходит самопроизвольное зарастание отвалов, в бортах карьеров и отвалов наблюдаются разнообразные геодинамические процессы (площадной смыв, формирование конусов выноса). Исследование распределения химических элементов в отвальной рыхлой глинисто-песчаной массе показало наличие в них значительных концентраций Mn, Ni, Си, Zn, Pb, Sn, Cr, Co и Ті. Для бурых железняков при аналогичном спектре элементов характерны более высокие концентрации кобальта и никеля (табл. 24).
В целом аналогичный Липовскому месторождению состав и полезные компоненты имеют и отвалы других отрабатываемых силикатно-никелевых месторождений Урала. Так, в отвалах Серовского рудника находится 13,4 млн. т. вскрышных пород и 2,2 млн. т. забалансовых руд при площади отвалов 32,6 га. Вмещающие породы представлены серпентинитами, глинами, песчаниками. В забалансовых железных бобово-конгломератовых рудах содержится 40,27 % железа и 0,26 % никеля [65].
В числителе - минимальные и максимальные содержания, в знаменателе - среднее значение. из никелевых руд. Гранулированные шлаки складируются в отвалах на участке площадью около 40 га на северо-восточной окраине г. Реж, в 100-700 м от р. Реж. Высота шлакоотвала колеблется от 30 до 60 м. По состоянию на 1.01.99 г. в нем находилось 11698,4 тыс. т шлаков. Шлаки соответствуют ТУ 48-0410-86 и имеют преимущественно пироксеновый (диопсидовый) состав. Химический состав шлаков (% масс): Si02 - 39-44; СаО - 18-22; FeO - 14-20; MgO - 7-15; А1203 - 5-9; Ni - 0,12-0,15; Со - 0,02; Си - 0,01. Физическое состояние - твердое, шлак нетоксичен, невзрывоопасен, по радиационному фактору относится к первому классу стройматериалов. В шлаке присутствуют высокие валовые содержания вольфрама (до 50 г/кг), хрома (до 4 г/кг), цинка (до 1 г/кг), кадмия (до10мг/кг) [46].
Техногенно-минеральные образования никелевой отрасли в настоящее время не перерабатываются и не используются, составляя определенный резерв минерально-сырьевой базы никеля и кобальта. 3.3. Техногенно-минеральные месторождения благородных металлов В настоящее время техногенно-минеральные месторождения, формирующиеся золотодобывающей промышленностью, объединяются В.А. Макаровым [98] в две группы: 1) литотехногенные, сформированные при переработке руд, песков и пород, отделенных от массива, и 2) остаточные, включающие месторождения и их части, испытавшие техногенные воздействия в горном массиве. При этом вторая группа включает как чисто природные (оставленные целики и блоки забалансовых руд), так и техногенно-измененные (блоки подземного выщелачивания, сульфидные горельники) объекты. Собственно ТММ благородных металлов включают: 1) техногенные россыпи; 2) хвосты обогащения коренных руд (по видам - гравитации, флотации, цианирования, магнитной сепарации, комбинированные); 3) штабеля кучного выщелачивания; 4) металлургические шлаки и кеки.
В разряд золотосодержащих ТММ могут быть отнесены шламохранилища и шлакоотвалы цветной металлургии и золоотвалы ГРЭС.
Уральской золотой промышленности насчитывается более 250 лет, за этот период на Урале отрабатывались как коренные (вначале), так и россыпные месторождения золота различных генетических и геолого-промышленных типов. Основные типы ТММ здесь представлены отвалами вмещающих пород и разработки россыпных месторождений, а также хвостохранилищами обогатительных фабрик. Отвалы разработки золоторудных месторождений прошлых веков, в частности отвалы Березовского месторождения, занимают значительные площади, по большей части они уже заросли лесом. Какие-либо данные по объему, минералогической и технологической характеристике отвалов обычно отсутствуют. Известно, однако, что в подобных образованиях в результате процессов гипергенеза происходит высвобождение тонкого золота, что и позволяет их успешную последующую переработку.
По В.К.Багазееву и Е.М.Симаковой [6] к числу техногенных россыпей относятся отвалы разработки россыпных месторождений, хвосты обогащения золоторудных фабрик, целиковые и неотработанные участки исходных (первичных) россыпей, в которых содержатся полезные минералы. Из общего числа разрабатываемых на Урале россыпей более 85% затронуты отработкой или перерабатывались ранее (рис. 19). Промышленная ценность отвальных техногенных россыпей обусловлена способом первичной разработки, принятыми в то время кондициями, уровнем развития техники, технологией производства работ, качеством их выполнения
Технологии и методы изучения и оценки техногенно-минеральных месторождений
Техногенно-минеральные образования химической промышленности, образующие специфические ТММ, представлены в Уральском регионе фосфогипсами, фторогипсами и пиритными огарками.
Фосфогипсы - отходы производства экстракционной фосфорной кислоты, основы концентрированных фосфорсодержащих удобрений, представляющие собой гипс, загрязненный соединениями фосфора. Фосфогипс (CaS04x2H20 - 70-97%, Н20 - 2%, F - 0,3-0,4%, Р205 - 1,5%) полностью направляется в отвалы. Это тонкодисперсный порошок с размером зерен 1-2 мкм, в котором помимо минералов со структурой гипса встречаются единичные зерна сфалерита, пирита и халькопирита.
Фторогипсы образуются при производстве плавиковой кислоты, получаемой посредством разложения флюоритового концентрата серной концентрированной кислотой.
Химический состав в основном представлен соединениями кальция. Общее содержание кальция - 26%, в том числе в виде CaSC 4 - 52-95%, СаСОз - до 42%. Фтор содержится преимущественно в виде плохо растворимого CaF2. Растворимость химических соединений, входящих в состав фторогипса, незначительна. Содержание водорастворимого фтора - 0,0019%, водородный показатель - 12,4. По данным В.И.Гашковой [24] наименьшая массовая доля
169 дигидрата сульфата кальция в шламонакопителе Полевского криолитового завода изменяется от 60 до 81%. Во всем объеме фторогипс имеет влажность от 10,5 до 21%. Состав фторогипса по содержанию СаСОз по глубине от 0,5 до 21 % масс, а средние значения содержания CaF2 составляют от 2,7 до 10%. Фторогипсы характеризуются низкими содержаниями естественных радионуклидов (U - 0,7-2,2 г/т, Th - 1,3-2,7 г/т, К - 0,2-0,6%) и удельной эффективной активности - АЭфф - 2,6-49 Бк/кг [86]. По значению Аэфф они относятся к 1 классу стройматериалов, пригодных для всех видов строительства. Фторогипсы могут применяться в производстве гипсовых строительных материалов, в цементной промышленности, и при решении этого вопроса возможно производство по безотходной технологии [183].
Пиритные огарки - отходы производства серной кислоты, получаемой путем обжига пиритного концентрата, представляют собой красновато-бурую, слабо сцементированную алевролитоподобную породу. В составе огарков преобладают лимонит, гематит и магнетит, присутствуют сульфаты кальция и бария, сульфит кальция, природные силикаты, пирит и халькопирит, в качестве полезной примеси - благородные металлы. Анализ вещественного состава техногенно-минеральных месторождений химической промышленности показывает, что наиболее рациональным их применением являются: использование в стройиндустрии (фосфо- и фторогипсы) и в качестве рудного сырья (пиритные огарки).
В последние годы возрастает интерес к переработке ТМО как в России, так и за рубежом, что в целом определяет новое направление в экономике, связанное с регенерацией энергии и материалов [228]. Техногенное минеральное сырье представляет собой значительный резерв минерально-сырьевой базы страны. Специфические свойства отходов позволяют рассматривать их не только как заменители природного сырья, но и как новые нетрадиционные полезные ископаемые. Тем не менее, уровень их использования в России низкий, а объемы образования, особенно в горнодобывающей промышленности, постоянно растут по мере увеличения глубины разработки месторождений и вовлечения в переработку все более бедных руд. Рост объемов техногенно-минеральных образований, занимающих значительные территории земельного фонда для их хранения, загрязнение природной окружающей среды также определяет необходимость переработки ТММ. Увеличивают возможности использования данного вида сырья применение новых технологий и совершенствование организации производства.
Все виды техногенно-минерального сырья условно подразделяются на близкие по вещественному составу и свойствам к природному сырью и существенно отличающиеся от него [187]. Техногенно-минеральное сырье первой группы (вскрышные, вмещающие породы, отходы сухой переработки и сухого обогащения полезных ископаемых) используют практически в тех же направлениях, что и природные - в качестве рудного, горнохимического, горно-технического, нерудного строительного и кристаллосырья. Техногенное минеральное сырье второй группы (отходы мокрых способов обогащения, металлургические шлаки и шламы, золошлаковые отходы ТЭЦ, химической промышленности) требует при изучении возможных направлений использования специального подхода. Свое применение они находят в качестве рудного, агрохимического и нерудного строительного сырья. Основные области применения минерального сырья ТММ показаны в табл. 33.
