CC BY
87
© М.К. Тотиев, В.И. Голик,
А.Е. Воробьев, А.В. Джанянц, А.А. Сыса, 2002
УДК 622.8.004.8
М.К. Тотиев, В.И. Голик, А.Е. Воробьев,
А.В. Джанянц, А.А. Сыса
ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩИЙ СРЕДЫ ОТ ОТХОДОВ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Одной из актуальных проблем экологии является ограничение влияния горных технологий на окружающую природную среду. Технологии добычи и обогащения минерального сырья характеризуются большим объемом отходов-источником загрязнения и разрушения среды. В условиях гористого рельефа проблема обостряется из-за ограниченности и замкнутости пространства. Обеспечение деятельности горных предприятий в условиях высокогорья, в зоне близкого расположения снегов является сложной задачей. Факторы, влияющие на состояние окружающей среды, в отличие от обычных равнинных условий, носят перманентный характер из-за особых признаков.. включая ландшафтные, территориальные и географические.
В решении проблемы приоритетное значение отводится охране экологических систем горных регионов с ослабленным эколого-ресурсным потенциалом. где техногенное воздействие приобретает масштабный характер. Экологическая емкость биосферы горных систем по сравнению с равнинными территориями ограничена. В условиях высокогорных территорий Северного Кавказа (Садонский свинцово-цинковый комбинат, рудники «Молибден» Тырныаузского ВМК. Уруп-ский и Квайсинский), проблема обостряется сильной расчлененностью высокогорного рельефа и естественной изоляцией. Хвосты складируются на участках ущелий рядом с горными реками и вымываются водными потоками. Так. Унальское хвостохранили-
ше удалено от Мизурской фабрики на 12 км. а для второй очереди длина транспортирования увеличивается до 20 км.
На поверхности отходы подвергаются выщелачиванию атмосферными осадками с извлечением в раствор ингредиентов, в том числе тяжелых металлов. Вред, наносимый хранением отходов, пока еще не поддается оценке. Косвенным свидетельством является, например., деградация садовых культур в с. Дзинцар на р. Ар-лон и с. Былым на р. Баксап. расположенных рядом с хвостохранилиша-ми.
Хвосты представляют собой измельченную горную массу, но гранулометрическому составу близкую к мелкозернистым пылеватым пескам. В сухом состоянии пески раздуваются ветром, образуя облака пыли. Естественное уплотнение и упрочнение горной массы с течением времени происходит слабыми темпами. травяной покров на ее поверхности развивается медленно, а песчаные бури угнетают растительность окрестностей. Разносу горной массы способствуют ветры, скорости которых достигают 50 м/с.
В связи с этим существует проблема закрепления хвостохранилиш для устранения выдувания и развевания горной массы. Масса, образующаяся в результате переделов руды. представляет собой материал особого рода. не идентичный природным песчаным грунтам, поскольку, кроме зерен раздробленной горной породы, она содержит различные реагенты и новообразования солей.
В хвостохпанилищах (Задонс-кого
СЦК (Унальское и Фиагдонское) складируются пески, содержащие % цинка - 0.08, свинца - 0.16, серы - 2, кремнезема - 64 и другие минералы. Площадь Унальского хвостохрани-лиш.а составляет 61 га, количество песков - 2593 тыс. т. Площадь Фиа-гдонского хво-стохранилища составляет 56 га, количество отходов - 2313 тыс. т. Отвалы Садопского СЦК объемом 230 тыс. м3 участвуют в развитии оползней, оврагов и размывов субальпийских лугов и горных почв и грунтов. Хвосто-хранилища занимают поименные земли и представляют угрозу окружающей среде, т.к. в технологии обогащения применяются цианиды и свободная кремнекислота. Тонко размолотая в процессе обогащения руд кварцевая составляющая загрязняет атмосферу.
Хвостохранилише Салонского СЦК в пойме р. Ардон, вблизи с. Нижний Уналдействует с 1984 г. До 50% его поверхности покрыто слоем воды, сухая же часть является источником запыления окружающей среды, которое при скорости ветра 5-7 м/с, составляет от 10 до 18 мг/м3. Под влиянием хвостохранилища на территории поселка Упал содержание элементов в почвах достигает: свинца -0,15%, цинка - 0,4, меди - 0,1, серебра -3х10'4. Металлы приурочены к гумусовому горизонту почвы. Выявлены содержания свинца и цинка в овощах и в плодах многолетних плодовых культур (таблица).
Хвостохранилище Фиагдонской обогагигельной фабрики расположено в ущелье р. Ханикомдон в его устьевой части, в 800 м от с. Дзуа-рикау. Гранулометрический состав хвостов по фракциям: больше 0.15 мм 15%, 0,15-0,074 мм - 25%, меньше 0,074 мм - 60%. Удельный нес обезноженных хвостов - 2,8 т/м3. Со держание свинца в хвостах 0,16%, цинка 0.36%, в том числе растворимых солей этих металлов соответственно 0, 016 и 0, 04 %.
Основную массу хвостов составляют породы свинцово-цин-ковых руд Какадур-Ханикомс-кого и Ка-
ПЛОЩАДЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ РУДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ, МГ/КГ
Элемент Среднее содержание ПДКп Распределение, % Количептво В ПДК Максимальное В ПДК
РЬ 47,5 200 45 460 2,3 1500 7,5
Zn 100 400 50 1200 3,0 2000 5,0
Си 27 100 Точечное 100 1,0 100 1.0
Ag 0,05 5 Точечное 2 I/O 7 I/O
дат-Хампаладагского месторождений, представленных глинистыми сланцами с прожилками кварца и вкраплениями кальцита. Хвосты транспортировали в виде пульпы с отношением твердого к жидкому 1:4. С пульпой в хвосты уходили остатки реагентов, мг/дм3: медный и цинковый купоросы 3.8, известь -6.1, цианистый натрий - следы, ксантогенат - следы. Площадь хво-стохранилища 65 тыс. м2. Объем хвостов - 1500 тыс. м2.
С заводом "Электроцинк" (г. Владикавказ) связано ухудшение экологической ситуации в атмосфере за счет выброса загрязняющих веществ Отвалы шлаков достигают 2.65 млн т при площади 16 га и имеют возраст около 100 лет. Они содержат в себе многие полезные компоненты, которые раньше полностью не извлекались (цинк - до 1%, медь - до 0,7 %, золото - до 1,55 г/т, серебро - до З00 г/т и др.). Из концентратов, кроме свинца и пинка, извлекают серебро, золото, висмут, кадмий и серу. В шлаках остается значительное содержание серебра, золота. меди, цинка, кадмия и других металлов.
В пени "геологоразведочные работы - добыча - обогащение - металлургический передел" степень загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами на каждом этапе возрастает примерно на порядок. Так. загрязнение тяжелыми металлами в процессе металлургического передела примерно в 1000 раз значительнее. чем при геологоразведочных работах.
Старое хвостохранилише Тыр-ныаузского ВМК расположено вблизи обогатительной фабрики в прирусловой части реки После попыток уменьшить разве-вание путем засыпки поверхности строительным мусором, шебнем и т.д. хвостохранилище было размыто. Пески слабо сцементированы, вследствие чего останцы иногда имеют крутые склоны, однако,, цементация настолько слаба, что при легком прикосновении разрушатся. Небольшие куски отделяются от
Рис. 1. Вертикальное взаимодействие уровней геохимической системы
Рис. 2.Схема связей системы
массива и превращаются в сыпучую подвижную массу. Нижняя часть останцев покрыта шлейфами, состоящими из рыхлою песка, и первоначальная структура намыва видна только в верхней части останцев. Несмотря на длительное существование хранилища, пески не отличаются плотностью.
Новое хвостохранилише расположено в 5 км от города, вниз по течению реки Баксан. Площадь хво-стохранилиша - несколько десятков гектаров. Хвосты поступают в виде пульпы с содержанием около 1520% твердого вещества. В хранилище пульпа растекается в соответствии с уклоном поверхности. Часть хвостов осаждается вблизи выхода из пульпопровода. Часть же устремляется к центральной части хранилища в пониженные места. Хвостохранилище представляет собой террасовидную площадку, сопрягающуюся с коренным склоном долины, имея со стороны реки дугообразный в плане откос, крутизной 1:2, разделенный бермой.
Наиболее уязвимы в отношении развевания откосные части и повышенная поверхность площадки. Для г. Тырныауз неблагоприятны северные ветры, поскольку в этом случае развеваемая песчаная масса направляется в сторону города.
Анализом опыта разработки месторождений региона определены основные направления регулирования использования ресурсов региона. Работами В.Л. Шестакова обоснованы эколого-экономические варианты освоения отходов. В работах В.И. Голика доказано, что заполнение пустот переработанными хвостами снижает потери и разубо-живание, А.Т. Киргуевым доказано. что утилизация хвостов обогащения с извлечением металлов и серы ликвидирует необходимость создания хвостохранилиш А.Ю. Гутиевым определено, что эффективность использования доломитов и хвостов горного производства должна оцениваться с учетом не только ценности дополнительно получаемых металлов и повышения эффективности подземной добычи руд при закладке пустот на основе утилизированных доломитов и хвостов, но и снижения стоимости основного продукта за счет выпуска новых товаров.
С этих позиций простая рекультивация металлосодержащих хвостов экологически некорректна. Оптимальное закрепление хранилища от разрушения с пылевым эффектом обеспечивается битумизацией эмульсией путем смешения с добавками негашеной извести с поливом поверхности битумной эмульсией. При сотрясениях, вызванных сейсмическими явлениями, или в результате гидродинамического давления при насыщении водой возможны деформации массива хво-стохранилиша. которые упрочнение не предотвращает. В ходе закрепления отвального массива создается реактор для протекания физикохимических процессов внутри хво-стохранилища. Упрочнение является средством интенсификации этих процессов. Закономерности упрочнения отвалов заключаются в следующем.
Биологическое закрепление. Песчаная горная масса является неблагоприятной средой для образования травяного покрова. Хотя посевы в чистую горную массу обеспечивают всходы, сохранение и выращивание травяного покрова требует периодической подкормки. Это возможно без ветрового воздействия, что не обеспечивается. Перспективно создание травяного покрова при добавке суглинковые созданием после посева на поверхности битумной пленки, обеспечивающей защиту растений от ветра. Горная масса в смеси с суглинком при внесении удобрений создает благоприятные условия для произрастания трав. Битумная пленка обеспечивает лучшее сохранение влаги в поверхностном слое. Положительное влияние на образование травяного покрова оказывают поли-аминовая пленка и добавки извести. Создание травяного покрова с образованием обеспечивает защиту горной массы от ветровой эрозии.
Глинизация не обеспечивает необходимой прочности закрепленного слоя при увлажнении. Способ глинизации пригоден для закрепления горизонтальной площадки, поскольку здесь потеря прочности слоя не вызовет его разрушения. Содержащийся в суглинках крупнообломочный материал не препятствует устройству покрытия. Глини-
Рис. 3. Влияние жрана и антифильтрапионных слоев на активное ть загрязнения окружающей срепы: 1 - 6ез экрана; 2 - с экраном; А,В - антифильтрационные слои
зация с использованием более 50% глинистых грунтов обеспечивает прочность массива.
Цементация обеспечивает закрепление горной массы при достаточных дозах вяжущего. Соотношение основного реагента и добавок, процент: цемента 2-3, негашеной извести 0,5, суглинка - 10. Расход реагентов и добавок на 1 га площади, т: цемента - 36-54, извести - 8-9, суглинка - 100 м3. Применение способа целесообразно на откосных частях и на других ответственных небольших по площади участках. Цементация без добавок перспективна при расходе цемента не менее 5 %.
Силикатизация обеспечивает прочное и устойчивое против развевания закрепление. Она целесообразна на отдельных участках ограниченной площади.
Силикатизация обеспечивает прочность при расходе жидкого стекла 75-100 дм3 на 1 м и такого же количества раствора хлорида кальция с концентрацией 28-30%.
Битумизация с добавками полиакриламида в воздушно-сухом состоянии обеспечивает высокую прочность, но при насыщении водой прочность снижается. Потери в весе при испытании струей воздуха со скоростью 30-40 м/с - от 0 до 0,3%, что означает полное отсутствие развевания. Битумная пленка затрудняет насыщение водой нижележащего би-тумизированного слоя. что способствует сохранению его прочности при увлажнении. Полив горной массы битумной эмульсией создает на поверхности пленку, ослабляющую развевание. Применение способа возможно при горизонтальных площадках в сочетании с посевом трав.
Синергетика процессов в геохимических объектах может быть систематизирована с. позиций структурирования и самоорганизации систем. Для аналитического исследования процессов в хранилище после пригодна методика А.Е. Во-робСамюорганизация систем проявляется в процессах структурирования их первоначального состояния или перехода в новое состояние, обеспечивающие уменьшение энтропии. Отличительная черта неравновесных систем - стремление к равновесию по наиболее короткому
пути. характеризуемому минимумом свободной энергии. При существовании нескольких вариантов перехода реализуется наиболее устойчивое состояние при фиксированных физико-хими-ческих параметрах.
Распределение на уровни проводится в соответствии с ядерным уровнем - в физике, уровнем элементов, соединений и явлений - в естественных науках и социально-экономи-ческим - в общественноэкономических науках (рис. 1).
Инерционность системы заключается в том, что после завершения работ в окружающую среду из хранилищ загрязняющие элементы будут поступать еще длительное время. Потенциал системы связан с ее инерционностью: чем значительней были накопленные объемы техногенных минеральных объектов, тем длительнее период загрязнения окружающей среды (рис. 2).
Элементы перемешаются из одной части техногенного минерального объекта в другую, где происходит их избирательное фракционирование и осаждение.
Металлы перемешаются из участков хранилища с низким содержанием в участки с высоким содержанием, где происходит их избирательное осаждение. что обеспечивает целесообразность их промышленного освоения до рекультивации, Таким образом, после завершения процессов обогащения облегчаются процессы повторной обработки обогащенного массива, в частности, процессы дезинтеграции горной массы по полезным компонентам, которые находятся в различных минеральных агрегатах.
Под действием атмосферных осадков происходит выщелачивание металлов. препятствующее росту растений.
Интенсивное удаление мелкозема способствует формированию биомассы, экранизирующей поверхность и предохраняющей от размыва (рис. 3). Мелкодисперсные рудные частицы мигрируют вглубь отвального массива. На поверхности остаются более крупные и инертные породные куски с нейтральными свойствами.
В процессе хранения некондиционные, труднообогатимые руды, ме-талло-содержащие породы и материал хвостохранилищ подвергаются различ-
ным видам выветривания. Наряду с тяжелыми металлами в условиях, создаваемых разложением органического вещества, возможна концентрация и перераспределение металлов рассеянных в горной массе отвального массива. В результате происходящих реакций хвосты изменяют свои первоначальные свойства. Основной фактор поражающего воздействия хвостовых отвалов и хранилищ - миграция металлов отвальными водами в окружающую среду - может стать объектом управления с получением новой товарной продукции.
1 .Бубнов В.К., Голик В.И., Капканщиков АМ. и др. Актуальные вопросы добычи цветных, редких и благородных металлов. - Акмола. 1995, 601 с.
2. Воробьев А.Е., Голик В.И.. Лобанов Д.Г. Приоритетные пути развития горнодобываюшего и перерабатываюшего комплекса Севе-ро- Кавказского региона. - Владикавказ: Рухс, 1998. 358 с.
3. Голик В.И., Алборов И.Д. Охрана окружающей среды утилизацией отходов горного производства. - М.: Недра. 1995.
4. Голик В.И., Алборов И.Д. Экологические аспекты эксплуатации Садонского месторождения: Сб. Пути развития горного производства. - Владикавказ. 1993.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Голик В.И., Пагиев К.Х. Энергосберегающие технологии при добыче руд. Владикавказу Терек. 1995 г.. с. 372.
6. Голик В.И., Пагиев К.Х., Алборов И.Д. и др. Теория и практика добычи и переработки руд. - Владикавказ: Терск. 1997. 498 с.
7. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды и деятельности министерства охраны окружающей среды и природных ресурсов республики Северная Осетия Алания в 1995 г.» Владикавказ. 1998.
8. Котенко Г.А., Голик В.И., Хадонов 3М. Управление технологическими комплексами при разработке рудных месторождений -Владикавказ: Терек. 2000.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------------------------------------
Тотиев М.К. — инженер, Северо-Кавказский государственный технологический университет.
Голик В.И. — профессор, доктор технических наук, Северо-Кавказский государственный технологический университет. Воробьев А.Е.. — профессор, доктор технических наук, Российский университет дружбы народов.
Джанянц А.В. — кандидат технических наук, докторант, Российский университет дружбы народов.
Сыса А.А. — инженер, Северо-Кавказский государственный технологический университет.
