Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изученности и использования техногенных источников минерального сырья . 13
1.1. Постановка проблемы 13
1.2. Экологические проблемы 17
1.3. Техногенное минеральное сырье в угольной промышленности . 23
1.4. Техногенные россыпи 29
1.5. К проблеме классификации техногенного минерального сырья . 33
1.6. Краткий анализ опыта переработки техногенного сырья . 44
Глава 2. Краткий очерк о минерально-сырьевой базе юга Центральной Сибири, как основе для образования техногенных минеральных ресурсов 61
2.1. Горнодобывающая и перерабатывающая промышленность Кемеровской области 61
2.2. Горнодобывающая и перерабатывающая промышленность Республики Алтай 70
2.3. Горнодобывающая и перерабатывающая промышленность Республики Хакасия . 72
2.4. Горнодобывающая и перерабатывающая промышленность юга Красноярского края 81
2.5. Горнодобывающая и перерабатывающая промышленность Томской области 83
2.6. Выводы 86
Глава 3. Методика исследований 91
3.1. Общая методика исследований. Объекты . 92
3.2. Лабораторные исследования 95
3.2.1 Многоэлементный инструментальный нейтронно-активационный анализ 97
3.2.2 Эмиссионный спектральный полуколичественный анализ 102
3.3. Методика обработки информации 103
Глава 4. Причины накопления ценных компонентов как классификационный признак техногенных минеральных ресурсов . 105
Глава 5. Техногенные минеральные ресурсы, формирующиеся на разделительных и радиохимических заводах ядерно-топливного цикла 123
5.1. Обедненный гексафторид урана (ОГФУ), образующийся при изотопном обогащении урана, на разделительных заводах ядерно-топливного цикла 124
5.1. Радиоактивные отходы, образующиеся при переработке отработанного ядерного топлива на радиохимических заводах ядерно-топливного цикла 132
Глава 6. Воздействие отходов горнодобывающих предприятий Черногорского горнодобывающего района на компоненты природной среды . 148
6.1. Краткая характеристика территории . 148
6.2. Воздействие на атмосферный воздух 151
6.3. Воздействие на почвенный покров 157
6.4. Воздействие на растительный покров 160
6.5. Воздействие на гидросферу . 163
6.5.1. Дренажные шахтные воды .
6.5.2. Подземные воды . 165
6.6. Воздействие на донные отложения . 166
6.7. Выводы . 168
Глава 7. Подходы к геолого-экономической оценке техногенных минеральных объектов . 171
Заключение . 181
Литература . 183
Приложение 1. Список сокращений 222
Приложение 2. Список терминов 224
- Техногенное минеральное сырье в угольной промышленности
- Горнодобывающая и перерабатывающая промышленность Республики Алтай
- Многоэлементный инструментальный нейтронно-активационный анализ
- Причины накопления ценных компонентов как классификационный признак техногенных минеральных ресурсов
Введение к работе
Актуальность исследований. Ежегодно мировой объем извлекаемой из недр горной массы возрастает на 65-75 млрд. т; в России он оценивается в 850 млрд. т, а ежегодный его прирост составляет около 7 млрд. т (Секисов и др., 2012).
Значительная часть разрабатываемых месторождений полезных ископаемых России сосредоточена на территории юга Центральной Сибири. В связи с ростом потребности в минеральном сырье объемы складированных и вновь образующихся горнопромышленных отходов на данной территории с каждым годом увеличиваются. В данном регионе одним из основоположников изучения проблем комплексного использования минерального сырья был И. К. Баженов, которым совместно с профессором А. П. Бунтиным была предложена и опробована в лаборатории кафедры химии Томского госуниверситета (1938– 1941 гг.) технология комплексной переработки нефелиновых пород щелочным методом. Томскими профессорами была доказана рентабельность использования таких пород для получения глинозема с попутным получением цемента, соды, щелочи и других продуктов. У А. В. Мананкова работала научно-исследовательская лаборатория кинетики минералообразования и кристаллофизики, которой был собран банк данных о промышленных отходах со всего бывшего СССР, включая Эстонию, Украину, Узбекистан, Киргизию, была выпущена монография, посвященная описанию этих отходов и была предложена их минералого-петрогеохимическая классификация (Мананков, 2006). В Томском госуниверситете усилиями профессора А. В. Мананкова в 1985 г. была сформирована межвузовская научно-техническая программа «Комплексное использование природных ресурсов» Минвуза РФ, в которой заметное место уделялось вопросам реабилитации промышленных отходов страны.
Иссякающие запасы минерального сырья заставляют обращаться к новым источникам их получения. В утвержденной Распоряжением правительства РФ № 91-р от 30.01.2013 Государственной программе Российской Федерации «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности» в рамках развития минерально-сырьевой базы композитов, редких и редкоземельных металлов предусмотрено проведение геологоразведки отвалов техногенных отходов, постановка их на учет/баланс, что позволит выявить их инвестиционную привлекательность и обеспечить их эффективное и рациональное освоение. В настоящее время Государственным балансом Российской Федерации оценены и учтены объемы месторождений техногенного происхождения по многим видам полезных ископаемых. Наибольшее число среди них составляют золотосодержащие (более 100). В значительно меньшем количестве учтены оловянные (18), железорудные (17), мусковитовые (10), вольфрамовые (6), медные (7). В количестве от 1 до 4 учтены техногенные месторождения платиноидов, алмазов, молибдена, хрома, мышьяка, свинца, цинка, циркония, бокситов, фосфорных и апатитовых руд, редкоземельных и рассеянных элементов, серы и других (Быховский и др., 2011).
В последние годы проблеме изучения техногенных источников минерального сырья посвящено значительное количество работ различных исследователей (Б. Н. Ласкорин, К. Н. Трубецкой, В. А. Чантурия, Л. З. Быховский, В. Н. Уманец, А. Б. Макаров, Б. И. Беневольский, Л. С. Табаксблат, А. Г. Талалай, В. А. Макаров, В. Т. Борисович, В. В. Чайников, М. А. Сапрыкин, А. Г. Баранников, В. Ф. Павлов, Л. Ф. Наркелюн, В. А. Елохин, С. Б. Бортникова, Н. В. Мельников и многие другие).
Большое внимание этой проблеме, в том числе разработке классификации, составлению кадастра и методических указаний по геолого-экономической оценке техногенных минеральных ресурсов уделялось и уделяется в Казахстане (Б. С. Ужкенов, А. К. Мазуров и другие). Зачастую техногенное минеральное сырье представляет интерес для промышленной переработки, но, тем не менее, уровень использования техногенного сырья в Сибири остается крайне низким.
На настоящий момент времени создано большое количество классификаций как техногенного сырья (Секисов, 2012, Экономика, 2012 и другие), так и техногенных месторождений (Трубецкой и др., 1989, А. Б. Макаров, 2006, В. А. Макаров, 2001 и др.), они, в основном, носят общий характер, так как классифицируют объекты хранения отходов по отрасли их образования, способу разработки месторождения, форме, свойствам и так далее. В то же время техногенное сырье отличается от природного по многим показателям, вследствие этого требует иных подходов к проведению его геолого-экономической оценки. Решить эту проблему позволило бы создание классификации техногенных источников минерального сырья, в которой классификационным признаком были бы причины накопления ценных компонентов в отходах, что позволило бы прогнозировать участки скопления повышенных концентраций ценных компонентов, дифференцировать подход к оценке такого рода объектов и выдать рекомендации по возможности дальнейшей переработки техногенного минерального сырья.
Цель исследований. Разработка классификации техногенных минеральных ресурсов, учитывающей причину накопления в них ценных компонентов, и выявление их воздействия на окружающую среду.
В задачи работы входило:
выявить объекты образования техногенных минеральных ресурсов на территории юга Центральной Сибири;
составить схему расположения источников техногенного минерального сырья на территории юга Центральной Сибири;
установить причины накопления в отходах ценных компонентов и разработать на этой основе классификацию техногенных минеральных ресурсов;
обосновать, что отходы, формирующиеся на радиохимическом этапе ядерно-топливного цикла, являются специфичными источниками техногенного минерального сырья;
показать воздействие отходов горнодобывающих производств на компоненты природной среды (на примере Черногорского горнодобывающего района (Республика Хакасия)).
Фактический материал и методы исследований. Основу диссертационной работы составляет фактический материал, собранный и обработанный автором совместно с сотрудниками и студентами кафедры геоэкологии и геохимии в 1997-2011 гг. на территории Сибири в рамках договорных и инициативных работ (около 400 проб техногенного сырья, включая пробы хвостов и золошлаковых отходов, дренажных шахтных вод, а также компонентов природной среды – почвенного покрова, снегового покрова, донных отложений, глин). Также широко использованы результаты исследований других специалистов в разное время занимавшихся изучением техногенного минерального сырья на этой территории (В. А. Макаров, В. И. Верещагин, А. В. Мананков, С. Б. Бортникова, Е. В. Лазарева, Л. П. Рихванов, С. И. Арбузов, Е. Г. Язиков, С. В. Азарова, В. М. Худяков, А. А. Поцелуев, А. Ф. Коробейников, А. Я. Пшеничкин, А. А. Айриянц, Н. В. Юркевич и другие).
Работа выполнялась в рамках проекта ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» за 2005 год «Анализ состояния и перспективы использования техногенных источников минерального сырья в горнопромышленных районах юга Сибири», а также х/д № 2-105/08 «Геоэкологические исследования в зоне влияния ООО «Хакасразрезуголь» и разработка программы производственного экологического мониторинга на его территории».
Для решения поставленных задач использовались следующие научные методы: анализа и синтеза, сравнения и обобщения, построения классификаций. Работа по исследованию радиоактивных отходов, по причине специфики их формирования и нахождения, а также закрытости информации о них заключалась в анализе и систематизации литературных данных.
Защищаемые положения
-
Предложена классификация техногенных минеральных ресурсов, учитывающая причины накопления в отходах различных производств ценных компонентов, которая позволяет на ранних стадиях изучения выявить их перспективность на предмет возможности получения из них дополнительной продукции и выбрать рациональную методику геолого-экономической оценки.
-
В процессе работы разделительных и радиохимических заводов ядерно-топливного цикла формируются техногенные образования, которые могут рассматриваться как специфичные техногенные минеральные ресурсы фтора, урана, платиноидов и теллура.
-
Разнотипные отходы, формирующиеся в районах деятельности горнопромышленных предприятий юга Центральной Сибири, формируют мощные зоны воздействия на компоненты природной среды, имеющие ярко выраженные геохимические особенности, отражающие специфику добываемого и перерабатываемого сырья.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана классификация техногенных минеральных ресурсов, учитывающая причины накопления в них ценных компонентов;
изучен элементный состав бентонитовых глин, добываемых ОАО «Хакасский бентонит», ООО «Аргиллит», золошлаковых отходов промкотельных
разрезов «Кедровский», «Черногорский», шахты «Хакасская», дренажных шахтных вод шахты «Хакасская», отходов обогащения руд месторождений: Юлия Свинцовая, Юлия Медная, Сорское, Киялых-Узень;
установлены элементы-индикаторы влияния отходов горнодобывающих предприятий на трансформацию состава природных сред;
охарактеризованы виды продукции, возможные к получению из отходов предприятий радиохимической стадии ядерно-топливного цикла.
Достоверность защищаемых положений обеспечена значительным количеством проб, изученных современными высокочувствительными аналитическими методами, а также глубокой проработкой литературных данных по теме исследований.
Практическая значимость работы. Для юга Центральной Сибири создана схема расположения источников образования техногенного минерального сырья в горнодобывающей и перерабатывающей промышленности на основе оцифрованной автором металлогенической карты АССО.
Установлены повышенные содержания V, Y, Yb, Ba, La, Ce, Nb, Bi, Be в золошлаковых отходах промкотельной шахты «Хакасская», Pb и Zn – в хвостах старого хвостохранилища месторождения Юлия. Сделан вывод о возможности использования ЗШО сжигания угля Бородинского разреза как комплексного удобрения, ввиду повышенного в них содержания Ca, P и Mn.
Созданная классификация техногенных минеральных ресурсов позволяет на стадии предварительного изучения техногенных минеральных объектов прогнозировать места возникновения скоплений минерального сырья с повышенными содержаниями ценных компонентов, что дает возможность рационально провести геолого-экономическую оценку техногенного месторождения.
Оценены основные подходы к методике геолого-экономической оценки техногенных минеральных объектов.
Результаты исследований представлены в виде отчета по г/б теме (№ госрегистрации 01200504856), а также в виде отчетов по х/д в отделы охраны окружающей среды ООО «СУЭК-Хакасия» – шахты «Хакасская» и разреза «Черногорский» и были использованы нами для составления программы производственного экологического мониторинга и рекомендаций по перечню природоохранных мероприятий для шахты «Хакасская».
Материалы диссертационной работы используются при преподавании курсов «Геология полезных ископаемых», «Основы природопользования и экономика сырьевых ресурсов», «Технологические проблемы обращения с отходами добычных производств», «Экология геологоразведочных работ и горнодобычного производства. Рекультивация земель», «Геоэкология» для студентов специальностей «Геология», «Геоэкология» кафедры геоэкологии и геохимии Института природных ресурсов Томского политехнического университета.
Апробация работы и публикации. Основные положения работы докладывались автором на конференциях различного уровня и научных семинарах кафедры геоэкологии и геохимии. По теме исследований автор
являлась ответственным исполнителем двух хоздоговорных работ и одной госбюджетной темы.
По теме диссертации опубликовано 27 работ (из них 4 – в рецензируемых журналах из перечня ВАК).
Структура и объем работы. Диссертация объемом 226 страниц состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературных источников из 315 наименований, и 2 приложений, содержит 37 таблиц и 41 рисунок.
Техногенное минеральное сырье в угольной промышленности
Угольная отрасль промышленности является источником формирования значительного количества отходов (Усманова, 2005). Основными поставщиками отходов в виде породы вскрыши являются угольные разрезы (Крапчин, 1976). Компонентный состав шахтных и вскрышных пород во многих случаях позволяет считать эту категорию отходов потенциальным сырьем, которое может непосредственно использоваться для тех или иных нужд или подвергаться переработке с целью производства других видов продукции (Усманова, 2005). В г. Новокузнецке неоднократно проводились Всероссийские конференции «Перспективы развития технологий переработки вторичных ресурсов в Кузбассе», на которых рассматривались технологические, экологические, а также экономические и социальные аспекты управления отходами на углепромышленных предприятиях. В результате гравитационной сепарации некоторых углей могут получаться высокозольные фракции, обычно рассматриваемые как породные отходы, в которых содержание ряда микроэлементов (Ag, As, Cd, Cr, F, Ga, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb) в 1,3-14 раз выше, чем в исходных углях (Равич и др., 1988). В результате в них, как правило, имеется большое число микроэлементов с содержанием 0,1-0,0001%, некоторые из них (Ge, Ga, Zn, Pb, Mo и другие) могут извлекаться при переработке углеотходов, а другие (В, Mn, Cu, Ni, Co и так далее) представляют интерес при использовании углеотходов в качестве удобрений (Шпирт, 1986).
Одним из главных факторов, существенно влияющим на преобразование углевмещающих пород в отвалах и ухудшение экологической ситуации, является термическое воздействие, связанное с пожарами на отвальных хозяйствах угледобывающих и углеобогатительных предприятий. Таким образом, помимо природных литологических типов, в техногенных месторождениях выделяются их горелые аналоги: горелый песчанистый, горелый глинисто-песчанистый, горелый глинистый и горелый известково-песчано-глинистый (Коломенский и др., 2004).
Подобные горелые породы горелые породы с 1921 года применяются в строительной отрасли для получения бетона для стенового камня, для отделочных работ, в производстве кирпича, строительства автодорог и так далее. Также подобные материалы можно использовать для создания искусственных фильтрующих массивов для очистки карьерных и шахтных вод от механических примесей (Шпирт, 1986).
Характеризуя вещественный состав подобных отходов, предопределяющий направления их использования, следует указать на одну специфическую их особенность - наличие в них обломков угля, содержание которых колеблется от 16,7 до 44,6% (Коломенский и др., 2004), по примерным расчетам только с отходами обогащения ежегодно теряется 3,4-5 млн. т угля (Равич и др., 1988). В отечественной и зарубежной практике проявляется интерес к применению углесодержащих отходов добычи и переработки углей и в качестве нетрадиционных видов органо-минеральных удобрений, что обусловлено довольно высоким содержанием органического вещества (20-25 % и выше), наличием в их составе необходимых растениям микроэлементов (B, Zn, Ni, Mo, Mn, Cu, Co) и серы, а также большим поглощением, что способствует повышению плодородия обрабатываемых почв и улучшению их механической структуры. В результате деятельности тепловых электростанций. использующих в качестве основного топлива уголь, на территории России ежегодно образуется более 20 млн. т золошлаковых отходов (Ефимов и др., 2011). В настоящее время в нашей стране под золоотвалы ТЭС отчуждено более 220 км2 земельных участков, на которых накоплено свыше 2 млрд. т золы и шлаков, и с каждым годом эта цифра увеличивается на 25-30 млн. т (Ежова и др.,2010). Возникает проблема их сбора, размещения и хранения, в особенности вблизи городов, когда золошлакоотвалы являются источником загрязнения и антисанитарного состояния прилегающих территорий и воздушного бассейна. Наиболее перспективным и относительно легко реализуемым направлением в использовании отходов от сжигания углей является их применение в строительстве и в промышленности строительных материалов и изделий (Юровский,1968, Шпирт, 1986, Горшков, 2006, Вольхина, 2005, Озерский, 2006, Борисенко и др., 2001, Шильцина, 2004, Инструкция…, 1987, Лотош, 2007, Состав…,1985, Петроченко, 1999, Туманова и др., 1998, Техногенные…,1991, Экология…, 2003, Щеблыкина, 2008, Уфимцев, 2012). Например, во Франции золу, как составную часть шихты при производства бетона, начали использовать еще до второй мировой войны. Но, первую очередь, из ЗШО должны быть извлечены ценные и токсичные компоненты, а «пустые» отходы могут быть использованы для получения различных строительных материалов и в других отраслях промышленности (Усманова, 20121). Между тем, золошлаковые отходы также могут являться источником получения дополнительной продукции. Основными минеральными компонентами ЗШО являются оксиды алюминия, железа и кремния, в небольшом количестве присутствуют щелочные и щелочноземельные металлы, примеси титана, фосфора, серы и т.д. (Ежова и др., 2010). В литературе имеется данные подсчета ресурсов металлов в золоотвале ТЭЦ-2 г. Новосибирска, запасы редких и благородных металлов составляли ориентировочно 36045 т, содержание этих металлов достигает 6,1 кг/т или 1, 65 % (Деуленко и др., 2008). На кафедре геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета с 1989 г. проводится комплексное исследование геохимических особенностей углей и зол, образующихся при их сжигании. В результате были получены данные о средних содержаниях в них элементов-примесей. Наиболее контрастные аномалии в углях Сибири образуют Se, As, Sr, Ge, Co, Au, Sb, U, Ge, Nb, Y, Zr, лантаноиды, Br, Hg, и Cd, что позволяет прогнозировать высокую вероятность выявления месторождений и угольных пластов с промышленно значимыми содержаниями Ge, Se, Au, Sc, U, Nb, Y и лантаноиды (Арбузов и др., 2007). Известно, что угольная зола, по сравнению с исходным углем, обогащается различными элементами в 2-15 раз (Гришина и др., 2004].
Был проведен ряд экспериментов по обогащению золошлаковых отходов; одна из таких схем, разработанная в лабораториях МГУ Ю.В. Траскиным и др. и ТПУ С.А. Бабенко (Редкометалльный…, 2003). ЗШО имели большой процент недожога (до 40 %), выделенная методом флотации несгоревшая масса представляет собой сажу с высокими потребительскими свойствами, которая может быть реализована как товарная продукция. В литературе известны результаты исследований химического состава золошлаковых отходов действующих котельных на Черногорском, Восточно-Бейском и Изыхском разрезах, показывающие, что в грубой фракции зол уноса всех котельных, улавливаемой циклонными фильтрами, по сравнению со шлаками отчетливо концентрируются Be, B, V, Ni, Cu, Sc, Zn, Ge, Se, Zr, Nb, Mo, Ag, Cd, Sb, Ta, Tl, Pb и U. В некоторых случаях отмечено повышенное содержание в уносе Co, Th, Hf, Ga, Au и РЗЭ. Вероятно, их концентрирование в уносе зависит как от технологии сжигания, так и от форм их нахождения в угле (Редкометалльный…, 2003). Проведенный С.И. Арбузовым с соавторами анализ поведения ограниченного количества элементов при сжигании углей показал, что даже в процессе лабораторного озоления наблюдаются существенные потери U, Co, Sc, Ce, Lu, Hf. Соответственно, можно предположить, что данные элементы накапливаются в тонкой фракции уноса и не могут полностью улавливаться циклонными фильтрами (там же). Авторами также сделано заключение о вероятном подобном поведении золота, так как его расчетное содержание в золе угля в 4 раза выше его концентраций в шлаке и в 3 раза – в грубой фракции золы-уноса. Согласно В.Р. Клеру, на ТЭС Au концентрируется в золе электрофильтров при его отсутствии в шлаках.
Горнодобывающая и перерабатывающая промышленность Республики Алтай
Минеральные ресурсы Республики Алтай разнообразны по количеству выявленных полезных ископаемых и значительны по разведанным запасам. Но сегодня минерально-сырьевой потенциал региона практически не используется. В настоящее время разрабатываются в незначительных объемах золоторудные и молибдено-вольфрамовое месторождения. Имеются промышленные запасы бурого и каменного углей, которые находятся в начальной стадии освоения. Наибольшее значение среди полезных ископаемых Горного Алтая имеет золото. Затем идут редкие металлы - вольфрам, молибден, висмут, кобальт, литий, тантал, ртуть. В последние годы обнаружены перспективные месторождения серебра совместно с богатым набором цветных и редких металлов. Золото известно на территории Горного Алтая с глубокой древности (в переводе с древне-тюркского «алт» - золото). Наиболее крупным коренным месторождением золота является Синюхинское золото-медное в Чойском районе. Это месторождение с начала 50-х годов успешно разрабатывается открытым и подземным способом ОАО "Рудник Веселый", которое дает более 90% годовой добычи золота Республики Алтай. Добываемая руда перерабатывается на золотоизвлекательной фабрике. Из литературы известно, что на руднике «Веселый» накоплено более 2 млн. т потенциально опасных хвостов ЗИФ, запасы в них рудных и сопутствующих компонентов составляют: Au – 3,6 т, Ag – 15, 4 т, Hg – 10,4 т, Cu – 3920 т (Сакладов, 2008). ООО "Артель старателей Горизонт" ведет добычу россыпного золота дражным способом на месторождениях россыпного золота рек Каурчак и Андоба, открытым способом с раздельной выемкой торфов и песков на р. Сия. Промывка песков осуществляется на промприборах ПГШ-30 и гидроэлеваторах (Доклад…, 2003). Вольфрам. Месторождения и проявления вольфрамовых руд целиком расположены на юго-востоке Республики Алтай в приграничных с КНР районах, в основном в Кошагачском районе. Здесь сосредоточены месторождения редких металлов: ртути, вольфрама, молибдена, известные с 40-х и 50-х годов. Кроме того, здесь находятся месторождения лития, тантала, кобальта, открытые в последние десятилетия и еще недостаточно изученные. Наиболее известно Калгутинское молибден-вольфрамовое месторождение. На хвостохранилище обогатительной фабрики руд Калгутинского месторождения по данным Ю.В. Робертуса накоплено более 0,1 млн. т хвостов, в которых присутствует более 300 т меди, 100 т вольфрама, 570 т молибдена, 320 т висмута, а в отвале – 5-10 млн. т. забалансовых руд, вскрышных и вмещающих пород. (Сакладов, 2008). В составе руд месторождения обнаружены высокие содержания благородных металлов: Au до 0,05 г/т, Ag до 41 г/т, Pt до 3,5 г/т, Pd до 0,7 г/т, Оs до 0,09 г/т, Rh до 0,019, а также редких элементов – Li, Rb, Cs, Ta, Nb, Be (Поцелуев и др., 2008). В литературе известны данные, что ресурсы благородных металлов в рудах месторождения составляют: Au – 33 кг, Ag – 7770 кг, сумма ЭПГ (Pt, Pd, Os) – 736 кг (Поцелуев, 2008). Ртуть. В 40- 80-х гг ртуть считалась основным полезным ископаемым Горного Алтая. Здесь со времен Великой Отечественной войны действовал Акташский рудник, на котором за 30 лет было добыто более 3000 т ртути. В начале 90-х годов добыча руды прекращена и ООО "Акташское горнометаллургическое предприятие" перешло на переработку ртутьсодержащих отходов. Известно, что на объектах хранения отходов ООО «Акташское ГМП» накоплено более 1,8 млн. т металлургических шлаков – огарков, в которых содержится около 300 т ртути, и около 9 млн. т штольневых отвальных пород – в отвалах. (Сакладов, 2008). Предприятия теплоэнергетики в республике представлены многочисленными (около 340 единиц) котельными разной мощности (от котельных, отапливающих отдельные здания, до районной котельной г. Горно-Алтайска). В них, по ориентировочным данным Министерства промышленности, строительства, жилищно-коммунального хозяйства Республики Алтай, ежегодно сжигается порядка 150 тыс. т угля. С учетом аналогичных отходов печного отопления в республике ежегодно образуется более 30 тыс. т золошлаковых отходов.
Наибольшее количество отходов в Республике Алтай продуцируют горнодобывающие предприятия, особенно рудник «Веселый», который ежегодно образует порядка 100 тыс. т хвостов обогащения руд. С учетом отходов прииска «Алтайский» и старательских артелей (вскрышные породы и промытые пески), эта цифра может быть удвоена. По предварительным оценкам, в республике к настоящему времени образовано и размещено (на общей площади около 320 га) более пяти млн. т отходов производства и потребления, из которых 80 % приходится на токсичные ртутьсодержащие отходы горнодобывающих и горно-металлургических предприятий (2,4 млн. т - хвосты рудника «Веселый» и 1,8 млн. т - шлаки и пустые породы Акташского горно-металлургического предприятия), 13-15 % - на другие промышленные отходы и только 5-7% - на отходы потребления. 95% от общего количества отходов размещается на свалках, хвостохранилищах, в отвалах, на территориях отходообразующих предприятий и прочих объектах. Республика Хакасия занимает сравнительно небольшую площадь. Однако, несмотря на это, она очень богата различными природными ископаемыми и является одним из крупнейших горнодобывающих регионов России.
Горнодобывающая промышленность является одной из базовых отраслей экономики республики. На территории действуют около 100 предприятий по добыче полезных ископаемых, в том числе 2 рудника по добыче железных руд, 3 рудника по добыче золота, 6 разрезов и 2 шахты по добыче каменных углей, молибденовый комбинат, комбинат по добыче мрамора и гранита, более 20 артелей по добыче каменных углей, молибденовый комбинат, комбинат по добыче мрамора и гранита, более 20 артелей и других предприятий, по добыче россыпного золота, 27 предприятий по добыче общераспространенных полезных ископаемых, 45 по добыче подземных вод и 2 минеральных (лечебных) вод, 6 геологических организаций.
Многоэлементный инструментальный нейтронно-активационный анализ
Основным методом анализа являлся инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА). Метод позволяет определять содержание (концентрация, мг/кг) 28 химических элементов. ИНАА основан на регистрации радиоактивных радионуклидов, образующихся при облучении исследуемых проб потоком нейтронов. Облучение осуществляли тепловыми нейтронами с интегральной дозой 21013 нейтр./(см2с) на исследовательском реакторе ИРТ-Т научно-исследовательского института ядерной физики при Томском политехническом университете (НИИЯФ при ТПУ). Измерения производились на гамма-спектрометре с германий-литиевым детектором. Пределы определения элементов вышеуказанным методом приведены в таблицах 3.1, 3.2. Приведенная методика утверждена Научным советом по аналитическим методам при ВИМСе и используется лабораторией ядерно-геохимических исследований при ТПУ в течение многих лет.
Кроме того, ИНАА с успехом применяется и для аттестации стандартных образцов состава (СОС) как отечественных, так и зарубежных (МАГАТЭ, Германия, Япония, Индия и др.). Результаты анализа СОС находятся в хорошем согласии с табличными данными, то есть согласуются в пределах погрешности измерений (рисунок 3.2, таблица 3.3). Обычно погрешность определения составляет 5–15 %. данные Преимущество ИНАА – отсутствие сложной пробоподготовки образцов перед измерениями, что обеспечивает чистоту измерений. Данный анализ обеспечивает возможность анализа малых навесок (100–400 мг) в зависимости от характера материала, обеспечивает количественные определения многих элементов из одной навески; практически исключает зависимость результатов определений от химических свойств элементов. К недостаткам можно отнести необходимость наличия помещений для «остывания» облученных проб и для выполнения радиохимических и измерительных операций. По оценке специалистов, это один из весьма эффективных методов определения редких, редкоземельных и радиоактивных элементов, его проведение не требует специфического химического разложения, приводящего к потере элементов. Отсутствие химической подготовки пробы исключает погрешности за счет привноса или удаления элементов вместе с реактивами. Дробление и истирание проб необходимо лишь для стандартизации процесса взвешивания и упаковки проб перед облучением. Так как аналитический сигнал снимается с ядер химических элементов, то физическое и химическое состояние пробы не влияет на результат анализа. Влияние изменения состава матрицы пробы определяется лишь интерферирующими и нейтронопоглощающими элементами. А поэтому методы нейтронно-активационного анализа с успехом применяются с одними и теми же стандартными образцами сравнения (СОС) как для угля, так и для золы угля и углевмещающих пород. Это позволяет одним методом в различных пробах определять в широком диапазоне (от n 10 % до n 10–9 %) содержания химических элементов. Причем, следует отметить, что углерод и органические соединения в пробе способствуют улучшению параметров анализа – повышают точность и снижают пределы обнаружения, что подтверждается проведенными методическими работами по разработке нейтронно-активационного анализа углей.
Результаты ИНАА прошли и внутренний контроль, который показал удовлетворительную сходимость (рисунок 3.3). Различие в содержании бария можно объяснить улучшением качества анализа и снижением пределов обнаружения элементов, за счет появления новой аппаратуры. Методика анализа хорошо отработана и утверждена Научным советом по аналитическим методам (НСАМ) при ВИМСе и используется лабораторией «Ядерно-геохимических исследований» при Национальном исследовательском Томском политехническом университете в течение многих лет, в том числе и для аттестации стандартных образцов состава (СОС). Аналитическая лаборатория ГГП «Березовгеология», г. Новосибирск, аккредитованная в системе Госстандарта России № РОСС RU 0001.511189. Эмиссионный спектральный полуколичественный анализ на 48 элементов (ЭСПА). Контроль за правильностью метода осуществлялся количественными методами определения микроэлементов. Сравнение результатов с данными, полученными в аналитических лабораториях Иркутска и Новокузнецка, показывают, что они довольно близки, хотя и получены совершенно разными методами (табл. 3.4). Согласно методическим рекомендациям (Методические …, 1982) рассчитывались некоторые количественные характеристики твердого осадка снегового покрова и почв. Одной из главных характеристик геохимической антропогенной аномалии является ее интенсивность, которая определяется степенью накопления элемента-загрязнителя по сравнению с природным фоном или кларком. Показателем уровня аномальности содержаний элементов являются: 1) коэффициент концентрации (КК), который рассчитывался для снегового покрова как отношение содержания элемента в твердом осадке снега (С) к его фоновому содержанию (Сф), КК = С/Сф и 2) кларк концентрации (КлК), который рассчитывался для снегового покрова как отношение содержания элемента в твердом осадке снега (С) к кларку ноосферы по Н.Ф. Глазовскому (1982), а для почв и отходов производства к кларку в земной коре по А.П. Виноградову (1962): КлК = С / Скл В качестве значений фоновых содержаний микроэлементов использовались уровни их накопления в нерастворимом осадке снегового покрова территорий, удаленных от промышленной территории. После расчета коэффициентов концентрации или кларков концентрации каждая выборка представлялась в виде набора относительных характеристик аномальности химических элементов, представляющего собой геохимический ассоциативный ряд элементов с коэффициентами в порядке убывания. Такой набор позволял дать качественную и количественную оценку геохимической ассоциации природным средам.
Причины накопления ценных компонентов как классификационный признак техногенных минеральных ресурсов
К объектам этой группы можно отнести многочисленные отвалы, хвосты переработки, золы и шлаки, илы отстойников самых разнообразных месторождений Сибири, содержащих ценные компоненты в промышленно значимых концентрациях, о чем на момент добычи и переработки руды отсутствовала информация. Например, в результате исследований исходной нефелиновой руды и белитовых шламов, проведенных на Ачинском глиноземном комбинате, были отмечены повышенные концентрации золота (0,2-6,57 г/т в нефелиновой руде и 3,02-5,24 - в белитовом шламе), а также платиноидов ( 0,005-0,2 г/т) (Сазонов и др., 2000).
Примером такого типа ТМО также могут являться иловые отстойники Ольховской ЗИФ, перерабатывающей руды Чибижекского рудного узла, изучавшиеся в геолого-аналитическом центре «Золото-платина» при Томском политехническом университете (Пшеничкин и др, 2006). В эфелях фабрики, кроме золота, были выявлены повышенные содержания платины и палладия, о которых ранее ничего не было известно.
Распределение элементов по площади и глубине илохранилища крайне неравномерное (рисунки 4.1, 4.2). Обогащение некоторых горизонтов платиной авторы связывают с наличием в илах отстойников первичных перерабатываемых руд. Нами проводились исследования особенностей химического состава лежалых отходов некоторых горнопромышленных предприятий Хакасии, с этой целью студентами под руководством профессора кафедры геоэкологии и геохимии ТПУ С.И. Арбузова были опробованы хвостохранилища месторождений Сорское, Киялых-Узень и Юлия (Усманова и др.5, 2012). По данным наших исследований в пробах из хвостохранилища, в которое складировались хвосты обогащения руд двух месторождений Юлия свинцовая и Юлия медная были обнаружены повышенные относительно кларка в земной коре по Тейлору (1964) содержания Au, Cd, Ag, Bi, Mo, Sb, As (таблица 4.2). Эти компоненты были потеряны при переработке сырья данных месторождений, так как изначально о наличии этих компонентов в рудах ничего не было известно. В качестве еще одного примера, могут быть рассмотрены хвосты переработки руд медно-молибденового месторождения Киялых-Узень обнаружены повышенные относительно кларка в земной коре по Тейлору (1964) содержания Ag, Zn, As, Sn, Cr, Pb, Sb (таблица 4.3), что говорит о недостаточной степени изученности элементного состава руд месторождения (Усманова и др., 2013). Следовательно, можно рассматривать вопрос о возможности получения сырья для Туимского завода по обработке цветных металлов на базе старого хвостохранилища месторождения Киялых-Узень при наличии технологий по извлечению компонентов с низким содержанием в отходах переработки, например кучного выщелачивания. Группа 1.2.2 – Потери ценных изотопов, являющихся продуктами делении ядер урана в ядерно-топливном цикле. Примером таких объектов радиоактивные отходы, образующиеся на радиохимических заводах при переработке отработанного ядерного топлива, в которых происходит накопление продуктов деления ядер урана, среди которых особый интерес представляют благородные элементы (Ru, Rh, Pd) (Усманова, 2009). На этот тип ТМ мы вышли при детальном знакомстве с литературой по месторождениям типа «Окло», где протекали цепные ядерные реакции (Рихванов и др., 2004). Количество, например, металлов платиновой группы (МПГ) в ОЯТ зависит от вида топлива, глубины его выгорания в реакторе и продолжительности последующей выдержки и наибольших величин достигает в топливе реакторов на быстрых нейтронах (Ренард, 1993). Этот тип техногенных объектов подробно рассмотрен в 5 главе нашей работы. Группа 1.2.4 - потери ценных компонентов в бытовых и промышленных отходах. Примером могут являться как старые, в том числе несанкционированные свалки промышленных предприятий, так и полигоны бытовых отходов. С бытовым мусором теряется вторичное сырье, содержащее Fe, Ag, W, Sn, Cu, Zn, Pb, Ni, Al и многие другие металлы. Общеизвестно, что за счет использования твердых бытовых отходов при производстве 1 т алюминия можно сэкономить около 5 т бокситов, а при производстве 1 т меди почти 130 т медной руды (Теоретические…, 1998). Трудовые затраты на сбор и переплавку 1 т металлолома примерно в 7 раз меньше, чем при производстве, например, чугуна из железной руды. Количество газовых выбросов и твердых отходов при этом может уменьшиться в 9 раз. К тому же бытовые отходы, после извлечения из них металлов, могут широко использоваться в топливной энергетике, так как их теплотворная способность весьма близка к теплотворной способности каменного угля. Группа 1.2.5 – потери пустых пород, не оцененных для использования в проведении рекультивационных работ и в строительной индустрии. К таким техногенным объектам могут быть отнесены отвалы вскрышных пород, отходы обогащения и металлургического передела, для которых пока еще не были найдены эффективные области использования. Например, упоминавшиеся нами ранее ЗШО, образованные при сжигании угля Бородинского разреза, могут рассматриваться как комплексное удобрение, вследствие того, что в них обнаружены повышенные содержания обнаружены Ca, P и Mn (Усманова1, 2012). Другим примером месторождений этого типа являются золошлаковые отходы золоотвала Назаровской ГРЭС, которые могут рассматриваться на предмет их использования в сельском хозяйстве вследствие повышенного содержания в них таких элементов, как Са и Mn, а повышенное содержание в них бария может быть использовано в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями (Усманова1, 2012).
