ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В результате интенсивного развития горнодобывающей промышленности в ряде регионов России сформировано значительное количество техногенных образований в виде отработанных карьеров, складов некондиционных руд, отвалов минерализованных пород, которые являются причиной загрязнения почв и вод тяжелыми металлами, запыления поверхности земли и изъятия дорогостоящих земель из сельскохозяйственного оборота.
В настоящее время в России накоплено около 100 млрд. т отходов горнодобывающей отрасли. Значительную часть из них составляют породные отвалы. Породы отвалов могут иметь широкое применение в качестве сырья для различных отраслей промышленности. Однако масштаб использования этих пород в целом незначителен и находится в пределах 3-10 %. Это является следствием того, что формирование отвалов зачастую осуществляется без учета возможности их дальнейшей переработки. Бессистемное складирование с перемешиванием горных пород различных типов впоследствии приводит к значительному росту издержек на их переработку.
Размещение вскрышных пород, использование которых в настоящее время нецелесообразно, в выработанном пространстве карьеров наиболее перспективно с точки зрения сохранности сельскохозяйственных земель и обеспечения высоких технико-экономических показателей открытых горных работ. Однако имеющегося практического опыта и научно-методической базы недостаточно для разработки эффективных способов внутреннего отвалообразования в действующих глубоких карьерах. В проектах практически не предусматривается использование выработанного пространства карьеров в качестве инженерных сооружений и различных емкостей.
Изменение подхода к проектированию и эксплуатации карьеров позволит формировать техногенные георесурсы в процессе отработки месторождений. Возможными направлениями освоения данных видов георесурсов являются: использование карьеров и отвалов в качестве элементов инженерных сооруже-
5
ний, переработка заскладированных руд, рекультивация отвалов .и выработанного пространства карьеров.
Однако слабая изученность закономерностей изменения ценности техногенных георесурсов от условий и способов их формирования, отсутствие систематизации самих способов не позволяют в полной мере использовать ресурсный потенциал отвалов и выработанного пространства карьеров.
Выбор и реализация способов формирования техногенных георесурсов позволит снизить ресурсоемкость открытого способа разработки, расширить область его эффективного применения, а также уменьшить вредное воздействие карьеров и отвалов на окружающую среду.
. Поэтому обоснование способов формирования техногенных георесурсов при открытой разработке месторождений полезных ископаемых является актуальной научно-практической задачей.
Цель работы: обоснование способов формирования техногенных георесурсов для снижения ресурсоемкости освоения железорудных месторождений открытым способом.
Идея работы заключается в том, что обоснование параметров карьеров и отвалов, выбор технологии разработки и складирования горных пород осуществляется на основе установленных зависимостей ценности техногенных георесурсов от условий и способа их формирования.
Объект исследования: техногенные образования, такие как отвалы горных пород и выработанное пространство карьеров.
Задачи исследования:
1. Анализ техногенных образований формируемых при работе карьеров, динамики объемов отходов горного производства и воздействия отвалов и карьеров на окружающую среду; анализ состояния методической базы формирования отвалов и выработанного пространства карьеров.
2. Обоснование перспективного использования техногенных образований горных предприятий; систематизация направлений использования отвалов и ' выработанного пространства карьеров в виде новых георесурсов.
6
3. Обоснование подхода к снижению ресурсоемкости открытой разработки месторождений, основанного на формировании и использовании новых техногенных георесурсов.
4. Разработка математической модели расчета ценности формируемых георесурсов; установление зависимостей ценности техногенных георесурсов от различных условий и способов их формирования.
5. Обоснование способов и разработка алгоритма формирования и повы-шения ценности техногенных георесурсов.
6. Оценка экономической эффективности формирования техногенных георесурсов при открытой разработке месторождений.
Научные положения, представленные к защите:
1. Отвалы вскрышных пород, склады некондиционных руд, выработанное пространство карьеров являются потенциальными техногенными георесурсами, ценность которых определяется способом и технологией их формирования. Критерием ценности является максимум прибыли, получаемой в результате формирования и использования данных георесурсов.
2. Ценность выработанного пространства карьера при использовании его в качестве емкости для складирования отходов определяется расстоянием транспортирования, классом опасности отходов, объемом и способом формирования карьерного пространства.
3. Повышение ценности формируемого карьерного пространства достигается изменением конструкции и специальной подготовкой участков борта, поставленных в предельное положение, для обеспечения безопасности и рационального складирования вскрышных пород.
Научную новизну работы составляют:
1. Подход к формированию новых видов техногенных георесурсов с учетом их ценности, обеспечивающий снижение ресурсоемкости открытой геотехнологии.
2. Математическая модель расчета ценности создаваемых при ведении открытых горных работ техногенных георесурсов, основанная на учете затрат на
формирование георесурсов и возможных доходов от их дальнейшего освоения или реализации.
3. Зависимости ценности выработанного пространства карьера от расстояния транспортирования, объема и класса опасности складируемых отходов, позволяющие выбирать эффективные способы формирования техногенных георесурсов.
4. Способ формирования отвалов на верхних горизонтах карьера, обеспечивающий безопасность ведения горных работ на нижележащих горизонтах, сокращение расстояния транспортирования пород в отвал, уменьшение экологических платежей, предотвращение оползневых явлений.
Практическая значимость работы:
1. Разработан алгоритм выбора ресурсосберегающего способа складирования пород отвалов в зависимости от категорий вскрышных пород, классифицированных по технологии и экономической целесообразности их переработки.
2. Построены графики изменения приращения объема и высоты отвала складируемых пород от ширины вынимаемого слоя мягких пород верхних горизонтов карьера, позволяющие обосновать параметры формируемых отвалов.
3. Построена номограмма для определения экономической целесообразности использования карьерного пространства в качестве емкости для складирования промышленных отходов 4-го класса опасности.
Достоверность положений, выводов и рекомендаций подтверждается представительностью и надежностью исходных данных; сопоставимостью результатов, полученных различными методами исследований; положительными результатами применения методических положений диссертации на карьере «Малый Куйбас» ГОП ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
Методы исследований: методы обработки результатов исследований с использованием элементов математической статистики, экономико-математическое моделирование, методы системного, структурно-функционального и технико-экономического анализа.
8
Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке рекомендаций по обеспечению необходимой производительности по руде на карьере «Малый Куйбас» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
Апробация диссертации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры открытой разработки месторождений полезных ископаемых Магнитогорского государственного технического университета, на научно-технических семинарах факультета горных технологий и транспорта Магнитогорского государственного технического университета, на научных семинарах НТЦ-НИИОГР (г. Челябинск), на международных симпозиумах: «Неделя горняка» (Москва, 2003, 2004 гг.), на Всероссийской конференции «Проблемы повышения экологической и промышленной безопасности производственно-технических комплексов промышленных регионов» (г. Магнитогорск).
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ и Правительства Челябинской области (ГРНТИ № ГБ 3-05 ВНП).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в' 6 печатных работах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков, 31 таблицу, список литературы из 102 наименований и 2 приложения.
1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Анализ показателей работы карьеров, динамики объемов отходов горного производства и их воздействие на окружающую среду
Открытый способ разработки как генеральное направление развития горнодобывающих отраслей промышленности России сохраняется для обеспечения топливом и минеральным сырьем потребностей энергетики, черной и цветной металлургии, химической индустрии, строительства, машиностроения, вычислительной техники, коммунально-бытового и сельского хозяйств и др.
Развитие железорудной базы черной металлургии бывшего СССР за период с 1981 по 1991 гг. характеризовалось стабилизацией высокого (86-88 %) уровня удельного веса открытого способа добычи руд черных металлов, возросшей долей крупномасштабных карьеров, увеличением глубины разработок, усложнением в целом горно-геологических и горнотехнических условий добычи руд.
Открытый способ разработки получил широкое применение в цветной металлургии. К 1991 г. этим способом разрабатывают 60 месторождений цветных и редких металлов и 7 месторождений — комбинированным открыто-подземным способом. Открытым способом добывается 62 % руд этой базовой отрасли народного хозяйства, которая производит все цветные и редкие металлы, прокат, сплавы, фольгу, полупроводниковые материалы, углеграфитовую продукцию, баритовые и пиритные концентраты, серную кислоту, минеральные удобрения, соду, поташ, цемент и другие виды товарной продукции.
Разработка месторождений горно-химического сырья к 1991 г. осуществлялась 35 карьерами и 20 рудниками, удельный вес открытого способа превышал 55 %.
Открытым способом также разрабатываются все уникальные месторождения алмазов (5 карьеров) и добывается около 20 % урана.
10
Около 99 % сырья в промышленности строительных материалов в странах СНГ добывалось открытым способом. При этом годовой объем открытых горных работ достиг в период с 1981 по 1991 гг. почти 2 млрд. м3 [79].
Объемы добычи основных твердых полезных ископаемых открытым способом в период с 1985 по 1991 гг. представлены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Объемы добычи основных твердых полезных ископаемых открытым способом в бывшем СССР
Полезное ископаемое Добыча по годам, млн. т
1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991
Уголь 301,9 318,2 327,2 338,4 332,6 322 316,8
Железная руда 455,4 464,6 470,7 473,5 4666,7 463,3 402,7
Марганцевая руда 12,6 12,7 12,8 12,8 12,9 13 12,7
Флюсы 101,3 101,2 100,9 104,1 105,4 108,3 101,2
Фосфатная руда 63,2 63,5 64 64,5 65 66 56
Цементное сырье 180 183 187 190,5 200 209,6 178
Асбестовая руда 47,4 48,8 48,6 50,4 49 48,2 46
К 1999 г. в горнорудной промышленности металлургии разрабатывается 26 месторождений железных руд, 160 месторождений цветных металлов, одно месторождение хромовых руд, десятки месторождений нерудного металлургического сырья. России принадлежит ведущее место по добыче бокситов (62,7 % от общей добычи во всех странах СНГ), меди (52,8 %), никеля (91,4 %), кобальта (79,6 %), олова (98,8 %) и плавикового шпата (87,4 %) [55,100].
В 2001 г. предприятиями горнорудной подотрасли добыто 215, 4 млн. т сырой железной руды, более 45 млн. т руд цветных металлов [54].
Согласно Государственному балансу запасов, на 01.01.2002 г. Россия располагает 172 месторождениями железных руд с разведанными запасами 56,6 млрд. т со средним содержанием железа 35,87 %. Большая часть этих запасов (87 %) сосредоточены в 35 крупных месторождениях, 16 из которых разрабатываются, а 19 составляют государственный резерв. Из освоенных крупных месторождений 10 разрабатывается открытым способом.
11
Крупнейшими в России горно-обогатительными комбинатами с открытым способом разработки Лебединским, Михайловским, Стойленским в 2002 г. добыто 44,2; 38,5 и 24,2 млн. т сырой руды соответственно [80].
Последние годы характеризуются постепенным ростом объемов производства железорудного сырья в России (табл. 1.2).
При этом основная нагрузка при снабжении железорудным сырьем приходится на предприятия с открытым способом разработки: в 2002 г. ими добыто 92 % всей руды [80].
Таблица 1.2 Динамика производства товарной железной руды в России, млн. т
Федеральный округ Годы
1990 1995 2001 2002
Северо-западный 21,0 13,0 14,4 14,99
Центральный 47,6 37,9 45,1 47,92
Уральский 20,6 14,7 12,8 12,58
Сибирский 17,5 12,6 10,3 8,75
Всего по России 106,7 78,3 82,6 84,24
Однако с каждым годом горно-геологические и горнотехнические условия разработки открытым способом усложняются.
Средневзвешенная глубина по замкнутому контуру крупных карьеров: Оленегорского, Ковдорского, Костомукшского, Михайловского, Лебединского, Стойленского, Качканарского и Коршуновского ГОКов, на которых добывается 87,5 % от общего объема железной руды в России, составила в 1990 г. - 178 м, 1995 г. - 197 м, 2001 г. - 259 м, т.е. за 11 лет увеличилась на 81 м. В то же время глубина отдельных карьеров достигла: Оленегорского - 290 м, Ковдорского -280 м, Стойленского — 284 м и Лебединского - 330 м.
Крупным железорудным карьерам предстоит работать до глубины 500-800 м [43,80]. С углублением карьеров возрастает общий объем складируемых на поверхности земли вскрышных пород. Объемы отвалов, а также занимаемая горными выработками и отвалами площадь, некоторых карьеров страны представлены в табл. 1.3.
12
Таблица 1.3 Характеристика некоторых карьеров и отвалов страны [19]
Предприятие, карьер Типы пород Объем вскрыши карьера, млн. м3 Площадь отвода, га Характеристика отвала
Vnr Vck Vnc Sk Se VI V2 Но
Черемшанский карьер (Уфалейский никелевый комбинат) - 40,7 58,85 - 207,9 35,2 - 99,6 60-90
Липовский карьер (Режский никелевый комбинат) - 55,6 6,15 - 222,8 202,9 16,8 40,3 40
Учалинский карьер (Учалинский ГОК) 10,0 150 40 ¦ - 500 - 230 45
Карьер «Объединенный» (Учалинский ГОК) глины, порфи-риты, диабазы, туфы 2,26 49,9 - 97,1 150 38 10,2 30
Карьер «Молодежный» (Учалинский ГОК) глины, вывет-релые липари-товые порфиры, известняки 28 12 16 79,8 85 40,5 15,5 20
Сибайский карьер (БМСК) спилиты, аль-битофиры - - - - - - - 25-70
Карьер Ак-Довуракский (комбинат «Туваасбест» серпентиниты, змеевики, пор-фириты, кварциты, базальты - 162,0 13,5. - 200 - 32,0 70
Сорский карьер (Сорский ГОК) - 174,6 - 490 850 - 209,5 50-120
Кия-Шалтыр-ский карьер (Ачинский ГЗК) суглинки, дресва, скарны, габбро, известняки, роговики 55,6 224 - 222 918 - 333 90-120
Vnr, Vck, Vnc - соответственно объемы песчано-глинистых, скальных и полускальных
пород (млн. м3); Sk, Se - соответственно площади земельного отвода карьера и отвалов
(га); VI, V2 — соответственно объемы внутренних и внешних.отвалов (млн. м3);
Но - максимальная высота откоса отвала (м)
В результате добычи и переработки полезных ископаемых, в особенности при открытых горных работах, предприятиями цветной и черной металлургии, химической и угольной промышленности сотни тысяч гектаров водосборных территорий засыпаются отвалами различных техногенных образований.
К техногенным образованиям горнодобывающей и металлургической промышленности относятся отвалы и терриконы забалансовых руд, минерализованных пород, шлако- и золоотвалы, горные выработки, действующие и законсервированные шламо- и хвостохранилища станций нейтрализации, обогатительных фабрик и другие образования [94]. В табл. 1.4 представлены твердые виды отходов, составляющие некоторые отвалы и хвостохранилища.
Таблица 1.4 Виды отходов в горно-металлургическом цикле
Добыча Обогащение Металлургический передел
фазовая характеристика отходов открытая подземная гравитационное флотационное гидрометаллургия пирометаллургия
твердые вскрышные породы шахтная порода хвосты хвосты ¦ осадки шлаки
Отходы горного производства — неиспользуемые продукты добычи и переработки минерального сырья, выделяемые из массы добытого полезного ископаемого (горной массы) в процессах разработки месторождения, обогащения и химико-металлургической переработки [21].
Расширение добычи полезных ископаемых открытым способом, сопровождающееся увеличением параметров карьеров, ростом вскрышных пород, приводит к соответствующему увеличению площадей, занимаемых горными выработками и отвалами. Основная доля нарушаемых горными работами земель составляет до 90 % при разработке крутых и наклонных залежей и 55-70% — при разработке горизонтальных и пологих месторождений с внутренним отва-лообразованием [5]. Динамику изменения занимаемых горными работами площадей можно проследить на примере Ковдорского и Костомукшского ГОКов (табл. 1.5).
14
Таблица 1.5
Динамика изменения площадей техногенных объектов на Ковдорском / Костомукшском ГОКах
Тип участка Площадь, км2 Изменение площади, км2
1980 г. 2000 г.
Карьер 2,1/- 3,5/6,0 1,4/-
Отвалы 8,7/- 14,3 / 12,7 5,6/-
Хвостохранилища 5,0 / 9,65 10,4/35,7 5,4/26,1
Промплощадки 0,5/- ¦ 0,9/2,8 0,4
Территория, занятая объектами ГОКа 16,2/- 29,1 / 50,0 12,9/10,2
Территория города 1,2/- 1,7/2,2 0,5/-
Отвалы вскрышных пород и другие техногенные образования горно-металлургической промышленности являются источниками загрязнения поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха [73].
Проблема влияния горнорудного производства на земельные ресурсы является одной из труднорешаемых при попытке минимизации воздействия горных работ на окружающую природную среду.
Анализ состояния природной среды в зоне деятельности крупных горно-обогатительных комбинатов (ГОКов) европейской части России указывает на значительные нарушения равновесия поверхностных и водных экосистем. В табл.1.6 представлены параметры объектов, производственные показатели и другие данные, отражающие фактическую нагрузку на природную среду [37].
Промышленная зона Урала также относится к районам с очень острой экологической ситуацией, а Уральский экономический регион в целом характеризуется очень высоким загрязнением воздуха и водной среды. Немалую роль в этом играет минерально-сырьевой комплекс Урала и связанные с ним отрасли, которые составляют, основу промышленного и экономического потенциала региона. Здесь сосредоточены ведущие горные предприятия России. Трехвековая эксплуатация уральских недр явилась одной из главных причин серьезных нарушений окружающей среды в большинстве горнодобывающих регионов Урала.
15
Таблица 1.6
Сравнительная характеристика горнопромышленных предприятий
(по данным за 2000-2001 гг.)
Объект (ГОК) Площадь карьера, км2 Производительность карьера Хвостохрани-лище Отвалы, млн. м3 Выбросы, тыс. т/год
РУДа, млн. т/год вскры ша, млн. м3/год площадь, км2 размещено хвостов, млн. т всего твер дые вещества so2
Оленегорский 3,0 11,3 9,8 13,5 337 314,0 13,2 3,7 6,8
Ковдорский 3,49 15,7 12,0 9,4 160 299,0 7,1 1,3 3,5
Костомукшский 6,0 24,0 15,1 34,2 145 221,1 55,6 6,2 47,4
Лебединский 19,0 45,3 32,2 20,0 - 250 13,0 9,4 1,9
Михайловский 16,2 17,5 12,0 9,6 386 408,6 5,66 3,4 0,2
Общую картину экологического воздействия уральских горных предприятий минерально-сырьевого комплекса на экологическую среду можно представить на примере Свердловской области.
К 1999 г. в области нарушено всеми видами промышленной деятельности 72 тыс. га земель, из них примерно 57 % приходилось на добычу, переработку и разведку полезных ископаемых. Из всех земель, нарушенных предприятиями минерально-сырьевого комплекса, около 24 % (9,8 тыс. га) приходится на отвалы вскрышных пород, хвостов обогащения и других отходов горного производства [11].
Отходы производства являются для Урала одной из главных экологических проблем. В настоящее время в Свердловской области накоплено более 7,9 млрд. т различных промышленных отходов, занимающих площадь более 20 тыс. га [30] и являющихся источниками негативного воздействия на окружающую среду. Наибольшее количество отходов приходится на горную промышленность (табл. 1.7, 1.8), хотя абсолютное количество образующихся ежегодно отходов снижается (с 310 млн. т - 1990 г. до 152 млн. т - 1998 г.), проблема не становится от этого менее серьезной, в том числе для горной про-
16
мышленности, отходы которой по различным оценкам составляют до 88 % всех промышленных отходов, ежегодно образующихся в области. В 1990 г. количество уложенных в отвалы вскрышных и вмещающих пород отходов обогащения составило 220 млн. т, в 1996 - 118 млн. т, в 1998 - 134 млн. т [11].
Таблица 1.7
Образование и накопление промышленных отходов . в Свердловской области в 1998 г.
Виды отходов Объем образования тыс. т/год Количество отходов, млн. т
Вскрышные и вмещающие породы Пыль и шлам газоочистки Отходы обогащения Шлаки ТЭЦ и котельных Металлургические шлаки Сельскохозяйственные отходы Прочие виды отходов 68232 2476 65829 5252 3170 1442 5438 5738,3 0,031 1627,5 217,6 117,7 0,515 227,9
Таблица 1.8
Суммарное количество отходов производства меди, накопленных
в Свердловской области
Виды отходов Количество отходов, млн. т
Отвалы вскрышных пород Отвалы некондиционных руд Шлакоотвалы Отходы обогащения Прочие виды отходов 25,0 1,7 51,0 208,0 21,0
Особое место в ряду техногенных объектов на Урале занимают шлаковые отвалы. Отходы пирометаллургического производства черновой меди — гранулированных шлаков — накоплены на Среднеуральском медеплавильном заводе в количестве 17,3 млн. т, АО «Святогор» - 13,2 млн. т, на Кировоградском металлургическом комбинате — около 12 млн. т (табл. 1.9).
17
Таблица 1.9
Количество шлаков в отвалах медеплавильных заводов Урала и усредненное содержание в них основных компонентов [70]
Предприятие Количество шлаков в отвалах тыс. т Содержание полезных компонентов
медь сера цинк железо
% тыс. т % тыс. т % тыс. т % тыс. т
Среднеуральский медеплавильный комбинат 17279 0,47 80,8 1,36 235,8 3,2 549,3 32,6 5626
Карабашский медеплавильный комбинат 17363 0,34 53,9 1,25 217,2 2,27 393,6 30,1 4875
АО «Святогор» 13186 0,47 61,7 0,97 127,7 3,97 522,9 29,4 38843
Кировоградский медеплавильный комбинат 12110 0,4 76,2 0,12 23,0 2,4 459,1 24,5 4694,9
Медногорский мед-но-серный комбинат 26179 0,27 70,7 1,17 3,057 0,8 210,0 29,5 7711,1
Баймакский медеплавильный завод 1353 0,28 3,79 2,15 3,021 1,85 25,04 38,6 522,5
Итого 93119 0,37 343,3 0,98 909,4 2,29 2135 28,7 26792
Уральские города окружены огромными свалками промышленных отходов, превративших Урал в зону экологического бедствия — г. Карабаш назван «черной дырой планеты» [95]. Для Южно-Уральского региона потенциальными сырьевыми ресурсами являются отвалы Карабашского комбината и Баймакско-го медеплавильного завода. ЗАО «Карабашмедь» перерабатывают медные концентраты поступающих с обогатительных фабрик Южного Урала. Запасы гранулированного шлака на предприятии оцениваются в 18 млн. т со средним содержанием меди 0,34 %, цинка 2,27 %, железа 30 %. Шлак частично используется в строительстве без доизвлечения ценных компонентов.
Мировое потребление минерального сырья непрерывно возрастает на 5-20 % в год при одновременном снижении качества добываемых полезных ископаемых. В частности, содержание железа в рудах за последние 35 лет снизи- |
