Исследование влияния вскрышных пород на техносферную безопасность при добыче полезных ископаемых



Вскрышные породы при добыче полезных ископаемых могут содержать разнообразные компоненты пригодные для применения в строительной промышленности, однако количество отходов из материалов вскрышных и вмещающих пород с каждым годом возрастает. В процессе деятельности горнодобывающих предприятий деформируется ландшафт земной поверхности. За всем этим стоит вопрос о правильной утилизации промышленных отходов.Встатье приведены результаты исследования глинистого сырья, получаемого при добыче и переработке ильменит-цирконовых песков

Ключевые слова: вскрышные породы, экология, отходы, утилизация, глинистое сырьё, ильменит-цирконовые пески, оксид железа, оксид кремния, оксид алюминия.

Overburden in mining may contain a variety of components suitable for use in the construction industry, but the amount of waste from overburden and host rock materials is increasing every year. In the course of activity of the mining enterprises the landscape of a terrestrial surface is deformed. Behind all this is the question of proper disposal of industrial waste. The article presents the results of the study of clay raw materials obtained during the extraction and processing of ilmenite-zircon sands.

Keywords: overburden, ecology, waste, utilization, clay raw materials, ilmenite-zircon sands, iron oxide, silicon oxide, aluminum oxide.

Вскрышные породы покрывают полезные ископаемые сверху. При толщине слоя не более нескольких десятков метров они удаляются с поверхности, открывая непосредственный доступ к месторождению.

Следует отметить, что вскрышные породы при добыче полезных ископаемых могут содержать разнообразные компоненты пригодные для применения в строительной промышленности, однако количество отходов из материалов вскрышных и вмещающих пород с каждым годом возрастает. В процессе деятельности горнодобывающих предприятий деформируется ландшафт земной поверхности. За всем этим стоит вопрос о правильной утилизации промышленных отходов. Вскрышные породы относятся к отходам V класса опасности, т. е. в большинстве своем не наносят ущерба окружающей среде, однако их нерациональное использование может спровоцировать многие техносферные происшествия, будь то риск обвала или загрязнения русла реки при длительном складировании пород на берегу. Складируемые и не переработанные вскрышные породы оказывают вредное воздействие на окружающую среду, нарушая экологическое равновесие биогеоценозов. Техногенные образования (отвалы вскрышных пород) занимают значительные площади земельных ресурсов, при работе транспорта происходит пыление в пределах зоны отвалов, а в период снеготаяния вынос песчаных частиц. Атмосфера загрязняется пылью при буровзрывных, вскрышных, транспортно-погрузочных работах, от ветровой эрозии отвалов горной породы. При этом из открытых и разведанных в России месторождений полезных ископаемых не каждое введено в промышленное освоение. Полное использование всех добываемых природных компонентов, а также созданных и накопленных человеком, в том числе на основе малоотходных технологий, становится всё более актуальным.

Работы по нейтрализации вредного воздействия вскрышных пород на окружающую среду подразумевают:

– применение вышеупомянутых пород для заполнения выработанного пространства, при рекультивации земель;

– практически пригодны все виды вскрышных пород, чем и пользуются некоторые горнодобывающие компании;

– поиски технологий вскрышных работ, снижающих земельные отводы под внешние отвалы. Это позволило бы не только снизить удельную землеемкость, но и увеличить объемы рекультивации;

– на нетоксичных вскрышных породах в густонаселенных районах практикуется сельскохозяйственная рекультивация.

Существенным недостатком разработки месторождений полезных ископаемых является негативное влияние на окружающую среду, выраженное в воздействии на атмосферный воздух, на поверхностные и подземные воды, на земельные ресурсы и др.

В связи с принадлежностью к различным географическим ландшафтным зонам, дифференциацией по физико-механическим свойствам и условиям залегания общераспространенных полезных ископаемых имеют место определенные особенности воздействия открытой разработки на окружающую среду и здоровье занятых в производстве людей.

В настоящее время одной из основных задач является выявление зависимостей добычи минерального сырья от инженерно-геологических, гидрологических и экологических особенностей различных ландшафтных районов, геоэкологическая оценка глубины и масштабов воздействия на окружающую среду, разработка эффективных предложений по снижению негативного воздействия и рациональному использованию природных ресурсов, а также предложения по минимизации этих воздействий на окружающую среду.

Основными видами воздействия на среду при разработке карьеров являются:

– изъятие природных ресурсов (земельных, водных);

– загрязнение воздушного бассейна выбросами газообразных и взвешенных веществ;

– шумовое воздействие;

– изменение рельефа территории, гидрогеологических условий площадки строительства и прилегающей территории;

– загрязнение территории землеотвода образующимися отходами и сточными водами;

– изменение социальных условий жизни населения.

Принципы оценки негативного воздействия на состояние экосистемы заключаются в выборе максимальной нагрузки технологического процесса на каждый из компонентов окружающей среды с учетом потребления энергоресурсов при штатной и неблагоприятной по метеоусловиям ситуации, сравнении с установленными нормативами предельно допустимых концентраций воздействия на здоровье людей, объекты животного мира и растительность, а также рекреационные территории. При анализе этих воздействий разрабатываются оптимальные схемы, модели и методы уменьшения негативного антропогенного воздействия на экосистемы.

Разработка месторождения полезных ископаемых открытым способом оказывает негативное влияние на атмосферный воздух в результате пыле- и газообразования. Основными источниками воздействия являются выемочно-погрузочные и вскрышные работы, работы по отвалообразованию, внутренние и внешние отвалы, переэкскавация навалов породы, дорога, дробление сырья. Пыль в зависимости от добываемого сырья представляет собой пыль неорганическую с содержанием диоксида кремния ниже 20 % — при добыче суглинков, 20–70 % — при добыче глин и песка, свыше 70 % — при добыче опоки. Концентрация пыли при выемочно-погрузочных работах зависит от крепости и естественной влажности горной породы, объема одновременно разгружаемой породы, высоты разгрузки, угла поворота экскаватора. Завышение высоты разгрузки приводит зачастую к обрушению верхней части уступа и повышению запыленности в 1,5–5 раз.

Общим для всех способов отвалообразования является образование больших незакрепленных поверхностей (плоскостных источников), которые при неблагоприятных условиях приводят к интенсивному пылеобразованию, зависящему от вида материала, гранулометрического состава, метеорологических условий.

Проектирование отвалообразования необходимо осуществлять с учетом всех возможных факторов и особенностей вскрышного массива месторождения, состояния основания, которые могут оказать влияние на устойчивость отвала, степень его воздействия на окружающую среду. Перед началом вскрышных работ организуют отбор проб почвы и почвообразующих пород, выполняют их химический анализ и агрономические исследования, выбирая вид будущего освоения этих земель. Слой плодородной почвы, не смешивая его с породами вскрыши, снимают с площади, подготавливаемой к разработке, обеспечивая продвигание фронта работ не более чем на один год. Если снятую почву нельзя сразу же перенести на заранее выбранные участки, расположенные на ровных, возвышенных и сухих местах, укладывают там в бурты высотой 5–10 м и засевают одно- или многолетними травами во избежание эрозии.

Основными видами воздействия на окружающую среду при разработке карьеров являются:

– добыча природных ресурсов (земельных, водных);

– загрязнение атмосферного воздуха выбросами взвешенных и газообразных веществ;

– шумовое воздействие;

– изменение рельефа территории, гидрогеологических условий строительной площадки и прилегающей к ней территории;

– загрязнение приусадебной территории мусором и сточными водами;

– изменение социальных условий жизни населения.

Открытая разработка месторождения полезных ископаемых открытым способом оказывает негативное воздействие на атмосферу в результате пыле- и газообразования. Главными источниками воздействия являются землеройные и погрузочно-разборные работы, работы по отвалу, внутренние и внешние отвалы.

Единым для всех способов отвалообразования считается формирование крупных плоскостных источников, которые при неблагоприятных условиях приводят к бурному пылеобразованию, которое зависит от вида материала, метеорологических условий, гранулометрического состава.

Западная Сибирь богата природными ресурсами. Поэтому здесь наиболее актуальны: правильная оценка негативного воздействия добычи полезных ископаемых на состояние экосистемы, восстановление ландшафта, использование вскрышных пород и отходов переработки в промышленности.

Одним из крупнейших месторождений является Туганское месторождение ильменит-цирконовых песков, которое расположено в Томской области и на сегодняшний день является единственным в России разрабатываемым комплексным месторождением ильменит-цирконовых песков. Туганское месторождение, крупнейшее в России по запасам кварцевых песков, отличается большим промышленным содержанием титан — и цирконий-содержащих минералов (циркона, ильменита, лейкоксена и рутила). Балансовые запасы рудных песков месторождения составляют 131,6 млн куб. м. По количеству и содержанию диоксида циркония (7,65 кг/куб.м) и диоксида титана (19,37 кг/куб.м) в песках оно сравнимо с крупными зарубежными россыпными месторождениями и является крупнейшим в России потенциальным источником получения кварцевых песков для стекольной промышленности.

Совместно с учёными Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения академии наук (ИФПМ СО РАН) студенты Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники провели исследования глинистых шламов (каолиновой составляющей) Южно-Александровского участка Туганского месторождения. Исследования разбиты на четыре этапа:

1. Обзор и исследование вскрышных работ при добыче полезных ископаемых в России.
2. Проведение химического, минералогического и гранулометрического анализа глинистых шламов Южно-Александровского участка Туганского месторождения.
3. Определение физических характеристик глинистых шламов.
4. Ориентировочно оценить возможности использования в промышленности глинистых шламов (каолиновой составляющей) Южно-Александровского участка Туганского месторождения.

Результаты первых двух этапов представлены в данной статье. Для исследования использовали три пробы КТ-1, КТ-2, КТ-3.

М атериалы и методы эксперимента

Огнеупорность. Одним из главных параметров при производстве высокотемпературной керамики является огнеупорность. Огнеупорность глинистого сырья определялась согласно ГОСТ 21216.11–93. Сырье глинистое метод определения огнеупорности легкоплавких глин [1]. Метод основан на определении температуры падения пироскопов, изготовленных из испытуемого материала, в условиях нагрева. Факторами, влияющими на огнеупорность при выполнении определенных стандартных условий, являются: химический, минеральный и зерновой составы материала; размер частиц отдельных составляющих минералов; взаимное расположение кристаллических и стекловидных фаз, обуславливающих интенсивность их взаимодействия при нагревании. Наблюдение за падением пироскопа проводилось визуально. За огнеупорность принимают температуру, при которой вершина пироскопа касается подставки. Результаты исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты определения огнеупорности глинистого сырья

№ пробы	Показатель огнеупорности, о С	Классификация по огнеупорности
КТ-1	1350	тугоплавкая
КТ-2	1350	тугоплавкая
КТ-3	1360	тугоплавкая

Вывод. Согласно классификации, ГОСТ 9169–75 все пробы относятся к группе тугоплавкого сырья.

Химический состав глин лабораторно-технологических проб был проанализирован на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 и на АЭС-ИСП-спектрометре OPTIMA 2000DV (таблица 2).

Таблица 2

Химический состав исходных проб

	Содержание, масс. %
	SiO 2	ТiO 2	А1 2 О 3	Fe 2 O 3	MnO	MgO	CaO	Na 2 O	K 2 O	P 2 O 5	ZrO 2	SO 3	п.п.п.
КТ-1	66,38	1,85	19,36	1,48	0,02	0,56	0,45	0,17	0,96	0,04	0,05	0,02	8,62
КТ-2	66,30	1,94	18,46	1,52	0,04	0,37	0,55	0,17	0,55	0,02	1,14	0,03	8,89
КТ-3	64,44	2,4	18,57	2,48	0,02	0,56	0,65	0,09	1,32	0,04	0,10	0,02	9,16

Вывод. Содержание оксида алюминия в пробах варьирует от 18,36 % до 18,57 %. Содержание оксида железа меняется от 1,48 % до 2,48 %. Химический состав исследованных проб не соответствует требованиям, предъявляемым к обогащенным каолинам. Низкое содержание оксида алюминия и повышенное содержание оксидов железа. По содержанию TiO ₂ и Fe ₂ O ₃ пробы относятся к группе со средним содержанием красящих веществ (таблица 2) [3].

Минералогический анализ выполнен оптико-минералогическим и дифракционно-рентгеновским методами (ГОСТ 9169–75) (таблица 3) [4].

Таблица 3

Результаты дифракционного рентгеновского анализа

Наименование пробы	Минеральный состав
	Каолинит	Слюда	Кварц	Калиевый полевой шпат
КТ-1	38	7	55	<1

Выводы. Основными минералами, составляющими пробу КТ-1, являются каолинит (38 %) и кварц (55 %). В значительно меньших количествах определена слюда (7 %) и калиевые полевые шпаты (<1 %).

Таким образом можно сказать, что в зависимости от минерального состава глинистое сырье проб КТ-1, КТ-2 и КТ-4 относятся к гидрослюдисто-каолинитовой группе [2,3]. По содержанию свободного кварца глинистое сырьё пробы относятся к группе с высоким содержанием кремнезема.

Дисперсный состав глин. Физико-технические характеристики глины при спекании в основном определяются размерами частиц вещества (таблица 4). Дисперсный состав глин выполнен на ситах, соответствующих требованиям ГОСТ 21216.2–93 [5].

Таблица 4

Дисперсный состав глин

Проба	Выход фракции, %					Фр. < 0,01 мм	Группа по содержанию тонкодисперсных фракций
	>0,063	0,06–0,01	0,01–0,005	0,005–0,001	<0,001		< 0,01 мм	< 0,001 мм
КТ-1/5	9,02	25,04	10,19	17,15	38,60	65,94	Средне-дисперсное	Низко- дисперсное
КТ-1/12	0,07	21,13	11,18	28,48	39,14	78,80	Средне= дисперсное	Низко= дисперсное
КТ-1/13	3,27	15,77	16,07	37,09	27,80	80,96	Средне дисперсное	Низко= дисперсное

Вывод. В зависимости от содержания тонкодисперсной фракции (< 0,001 мм) пробы глинистого сырья относятся к среднедисперсной группе.

Заключение

Обобщая результаты исследований проб, можно ориентировочно оценить возможности их использования в промышленности (ГОСТ 9169–75).

Благодаря низкому содержанию оксида алюминия и повышенному содержанию оксидов железа; высокому содержанию красящих оксидов (TiO ₂ и Fe ₂ O ₃ ); низкому содержанию каолинита и высокому содержание оксидов кремния глинистое сырьё не соответствует требованиям, предъявляемым к обогащенным каолинам.

Глинистое сырьё Южно-Александровского участка Туганского месторождения можно использовать для производства:

– строительного кирпича;

– керамических плиток для внутренней облицовки стен;

– низкотемпературной керамики (майолики).

Для использования глинистого сырья в конкретных технологиях проводятся дальнейшие исследования физических характеристик (3 и 4 этапы).

Литература:

1. ГОСТ 21216.11–93. Сырье глинистое. Методы анализа. Метод определения огнеупорности легкоплавких глин [Текст]. — Взамен ГОСТ 21216.11–81; введ. 1995–01–01. — Минск: Изд-во стандартов, 1995.
2. ГОСТ 9169–75. Сырье глинистое для керамической промышленности. Классификация [Текст]. — Взамен ГОСТ 9169–59; введ. 1976–07–01. — М.: Изд-во стандартов, 1976.
3. ГОСТ 21216.2–93. Сырье глинистое. Методы анализа. Метод определения тонкодисперсных фракций [Текст]. — Взамен ГОСТ 21216.2–81; введ. 1995–01–01. — Минск: Изд-во стандартов, 1995.