автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Разработка методов экологической реабилитации земель, нарушенных горными работами

АООТ «Высокогорский горно-обогатительный комбинат»

-Г /

/ '

/ На правах рукописи

УДК 622.882

Осламенко Виктор Васильевич

Разработка методов экологической реабилитации земель, нарушенных горными работами

05.15,03 - Открытая разработка месторождений полезных ископаемых 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов ,

^Диссертация в виде научного доклада на соисхаиие ученой степени кандидата технических наук

Нижний Тагил - 1999 г.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Ю.И. Туринцев Доктор технических наук Ю.С. Рыбаков

Ведущая организация - ОАО «Институт Уралгипроруда»

Защита состоится 30 июня 1999 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета К.200.51.01 Института горного дела УрО РАН по адресу: 629219, г. Екатеринбург, ГСП-936, ул. М.-Снбиряка, 58.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке УрО РАН.

Диссертация в виде научного доклада разослана » V 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

о 6751- 9-9

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. За почти 300-летний период развития горнометаллургической промышленности в Уральском регионе на земной поверхности были заскладированы десятки миллиардов тонн отходов в виде отвалов вскрышных пород, некондиционных руд, шлаков, шламо- и хвостохранилищ. В этих отходах содержится миллиарды тонн минералов, в составе которых присутствуют почти все элементы таблицы Менделеева. Эти образования представляют из себя часть минерально-сырьевых ресурсов. В отличие от природных ресурсов происходит ежегодное пополнение этих образований в объеме сотен миллионов тонн.

Техногенные образования привлекают в последнее время серьезное внимание, определяемое: во-первых, возможностью использования их в качестве минерально-сырьевых ресурсов; во-вторых, экологической опасностью, создаваемой за счет вредного воздействия на окружающую среду. Как продукт человеческой деятельности техногенные месторождения концентрируются в районах городов, других населенных пунктов, создавая в них повышенную опасность для жизнедеятельности.

В составе минералов, образующих техногенные образования, содержатся такие токсичные элементы, как бериллий, таллий, ртуть, мышьяк, кадмий, селен, теллур, медь, цинк, сера, фтор, хлор и другие.

По мере промывки этих отходов, размещенных на нескольких тысячах квадратных километрах, минералы, содержащие токсичные элементы, окисляются, превращаясь в растворимые гидроокислы и соли.

.^"Последние, в свою очередь, выносятся инфильтрующимися осадками в поверхностные и подземные воды, за счет чего происходит резкое ухудшение качества воды во всех реках и водоемах Уральского региона. Водные объекты региона испытывают высокую антропогенную нагрузку, вследствие чего требуют незамедлительного осуществления водоохранных и водохозяйственных мероприятий: прекращения сброса сточных вод без очистки, реконструкции и расширения очистных сооружений, строительства сооружений по доочистке сточных вод, перевод предприятий на бессточные системы водоснабжения.

Вместе с тем вблизи большинства техногенных объектов-загрязнителей имеются многочисленные выемки в виде отработанных карьеров и недействующих зон обрушения, объем которых аналогичен суммарному объему близрасположенных отвалов и хвостохранилищ. Наглядным примером такой ситуации являются окрестности г.Н-Тагила, территория которого по экологической ситуации отнесена к категории чрезвычайной.

В связи с тем, что именно в этом городе впервые начата реализация Федеральной и Областной программ по переработке техногенных образований, когда яыход вторичных отходов достигает 95% и для их складирования требуется создание левых накопителей при отсутствии свободных площадей, проблема изыскания новых ..шдиционных решений по экологически безопасному складированию вторичных . . .адов без отвода для их размещения новых земельных участков особенно актуальна.

Цель работы - разработка методов и средств экологической реабилитации земель, нарушенных горными работами за счет использования вторичных отходов при переработке техногенных образований.

Основная идея работы заключается в том, что технический этап рекультивации нарушенных горными работами земель следует осуществлять за счет их повторного использования в качестве полигонов для размещения вторичных отходов, восстановления ранее нарушенных ландшафтов и ликвидации техногенных очагов загрязнения окружающей среды.

Научные положения, защищаемые автором:

!. Методика оценки возможности использования отработанных карьеров для размещения и захоронения отходов горно-металлургического производства.

2. Технология складирования отходов обогатительных фабрик в выработанное пространство карьеров, обеспечивающая восстановление естественного рельефа и геодинамического равновесия литосферы.

3. Комплекс мероприятий по предотвращению загрязнения гидросферы и атмосферы токсичными веществами при складировании вторичных отходов, используемых для реабилитации нарушенных земель.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована анализом горнотехнических условий складирования отходов (скальные, полускальные породы, дресвяно-торфяные образования и хвосты обогатительных фабрик) в выработанное пространство Ивановского, Черемшанского, Каменского и Горбуновского карьеров и их успешной реализацией. Кроме того, с использованием разработанных методик в настоящее время успешно реализуется рекультивация наиболее крупных карьерных выемок (Северо-Лебяжинский, Западный и Главный карьеры) за счет их заполнения хвостами мокрой магнитной сепарации и шламами флотации.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика оценки возможности складирования отходов разной степени токсичности, плотности и гранулометрического состава в карьерные выемки на основе анализа горнотехнических и гидрогеологических условий объекта, исключающая возможность отрицательного воздействия на окружающую среду.

2. Разработана технология складирования отходов горного производства в карьерные выемки, исключающая возможность загрязнения атмосферы и почвы окружающей территории пылевыми выбросами.

3. Разработан метод управления фильтрационными потерями при заполнении шламами карьерной выемки, борта и дно которой сложены закарстованными породами.

4. Разработан метод консервации техногенных образований после заполнения карьерной выемки, исключающий возможн'ость проникновения в захоронение атмосферных осадков и вынос из него токсикантов.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана и внедрена технология складирования в карьеры техногенных отходов разной плотности и крупности путем их отсыпки непосредственно с верхней -бровки без предварительного осушения выемки.

2. Доказана и реализована возможность отработки рудных тел подземным способом, расположенных под действующими и законсервированными хвостохранилйщами.

3. Проверена в промышленных условиях возможность подавления фильтрационных потерь из Главного карьера путем формирования промежуточного экрана за счет сброса в хвостохранилище глинистой пульпы и включения в цикл замкнутого водооборота.

Личный вклад автора состоит:

в анализе горнотехнической и гидрогеологической информации по каждому карьеру, с последующим обоснованием оптимального решения по способу складирования в него отходов;

корректировке проектных решений и разработке дополнительных мероприятий по обеспечению безопасности складирования отходов при выявлении осложняющих факторов в процессе заполнения Каменского и Северо-Лебяжинского карьеров хвостами МОФ и Горбуновского карьера торфо-грунтовой вскрышей;

разработке метода управления фильтрационными потерями из Главного и Каменского карьеров при заполнении их шламами и выборе системы оборотного водоснабжения.

Методы исследований:

анализ литературных источников, инженерно-геологические и гидрогеологические расчеты, натурные эксперименты и анализ данных мониторинга за потерями фильтрата из карьеров и загрязнения подземных вод по системе оборотного водоснабжения: фабрика - сливной лоток - чаша Главного карьера - водоотлив шахты "Магнетитовая".

Реализация работы- Результаты работы были использованы при осуществлении технического этапа рекультивации выемок Ивановского, Черемшанского, Каменского и Горбуновского карьеров за счет их заполнения породами вскрыши и шламами. В настоящее время эти результаты используются при заполнении выемок Северо-Лебяжинского, Западного и Главного карьеров Высокогорского ГОКа хвостами МОФ и шламами флотации.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции "Сохранение индустриального наследия: мировой опыт и Российские проблемы" (Н-Тагил - Екатеринбург, 1993), научно-практическом семинаре Международной выставки "Уралэкология" (Екатеринбург, 1996, 1997, 1998), Международном симпозиуме "Экологические технологии - для оздоровления мира" (США, Лас-Вегас, 1997), X Международном координационном совещании по проблемам геодинамической безопасности (Екатеринбург, 1997), научно-практическом семинаре и Международной выставке "Техноген - 97" и "Техноген - 98".

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 16 статьях.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СКЛАДИРОВАНИЯ ОТХОДОВ ГОРНО - МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО

ПРОИЗВОДСТВА

Подавляющую часть потребностей в минеральном сырье человечество удовлетворяет за счет разработки месторождений полезных ископаемых. В свою очередь добыча и переработка минерального сырья приводит к крупномасштабному, отрицательному многоаспектному воздействию на .окружающую среду и, как следствие, к значительным социальным и экономическим потерям.

Урал является типичным старопромышленным регионом. Наличие богатых сырьевых ресурсов определило создание здесь ещё в восемнадцатом веке горнозаводской промышленности. Последствия долговременного развития промышленности на Урале привели к тому, что регион можно без преувеличения назвать зоной экологического бедствия [5, 7].

Негативные экологические последствия горных работ выражаются в изъятии и нарушении тысяч гектаров земель, загрязнении подземных и поверхностных вод, почвы, атмосферы, уничтожении растительности, изменении сложившегося гидробаланса на обширных территориях.

Наиболее ощутимый ущерб состоянию земной поверхности наносят открытые горные работы. Только предприятиями черной металлургии занято под карьерами и отвалами пустых пород более 280 тыс.га земель, около 85% которых ранее использовались в сельском и лесном хозяйствах и лишь 16% занимали неудобья и малопродуктивные земли. Непосредственно для ведения горных работ используется около 70% выделенных земель.

В пределах бывшего СССР ежегодно складировалось в отвалы около 5 млрд. т вскрышных пород, 700 млн. т хвостов обогащения и 150 млн.т золы, из них угилизировалось в целом не более 2-4%. При современной технологии выплавка 1 т чугуна сопровождается образованием в среднем 1.2 т отходов обогащения и 0.9 т золы, 1 т меди - соответственно 4.2 и 30 т, получение 1 т золота связано с переработкой приблизительно 23 млн.т горной массы.

По приближенным подсчетам общая площадь земель, нарушенных в стране при добыче твердого минерального сырья, составляет более 850 тыс. га, в том числе при добыче угля и сланцев - около 190, руд черных и цветных металлов - более 350, строительных горных пород и горно-химического сырья - более 290 тыс.га.

Уральский регион и в настоящее время является одним из ведущих горнопромышленных регионов России. Более чем на 80 предприятиях ведется открытая и подземная разработка месторождений железных, медных, хромитовых, золотосодержащих руд, бокситов, асбеста, магнезита, минеральных солей, строительных материалов, угля и торфа.

Из показателей добычи минерального сырья, приведенных в таблице 1 видно, что основной объем из добываемых полезных ископаемых приходиться на железную руду, уголь и асбест, разрабатываемых наиболее экологически ущербным открытым способом.

Таблица 1

ОБЪЕМ ДОБЫЧИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ НА УРАЛЕ, ТЫС.Т

Вид сырья, 1997г. способ разработки 1990г. 1994г. 1995г. 1996г.

Железная руда (сырая) 70970 53589 55096 52499 46800

Открытый 57812 44885 47697 45866 40700

Подземный 13158 8704 7399 6633 6100

Уголь 23909 16150 ¡1807 11696 10221

Открытый 12511 9479 7237 7107 6322

Подземный 11398 6671 4570 4589 3899

Соль

Подземный 29367 19534 21514 20039 24002

Асбест

Открытый 39215 16335 18593 18495 23706

Магнезит

Открытый 4800 3020 3680 3230 2980

Бокситы

Подземный 4583 3025 3057 2915 н.д.

Хромовая руда

Подземный 181 140 168 89 88

Открытый 3.5 11.4 13.7 6.6 2.3

Флюсы

Открытый 20459 13448 18241 17697 15372

Несмотря на то, что себестоимость добычи минерального сырья открытым способом ниже в 2.3-2.6 раза по сравнению с подземным способом разработки, ущерб, наносимый экологической среде от образования огромных карьерных выемок и отвалов насыпных грунтов, значительно превышает уровень вредного воздействия на окружающую среду подземными горными работами [8]. При этом следует отметить, что на долю открытого способа разработки минерального сырья в России приходится более 90% от общего объема добычи, в Уральском регионе 72.9% [10].

Объем вскрышных пород, вывезенных в отвалы только на Уральских карьерах за 1997 год, составил 71,2 млн.м3 пополнив колоссальные запасы техногенных образований, накопленных за длительный период эксплуатации месторождений.

По состоянию на 1997 год на территории Свердловской области в результате деятельности более 140 предприятий по добыче и переработке сырья образовано 315 различных техногенно-минеральных объектов, в том числе: 39 отвалов пустых пород и забалансовых руд с объемом 32.5 млрд. т, 28 отвалов отходов обогащения с объемом 1.5млрд.т, 10 шламохранилищ с объемом 115.5 млн. т, 5 шлаковых отвалов (доменных, мартеновских и др.) с объемом 30.5 млн. т, 41 склад пылей газоочистки с объемом 3.8 млн. т. 15 золошлаковых и золоотвалов с объемом 190 млн. т, 54 отвала отходов химпроизводства с объемом 332.2 млн.т, 86 - прочие отходы с объемом 14.1 млн. т [10, ¡2].

Наличие такого объема техногенных образований на земной поверхности стало предпосылкой формирования катастрофической ситуации регионального масштаба. Это обусловлено следующим [2, 12]:

I. Если в естественных условиях фоновая минерализация грунтовых и поверхностных вод формируется за счет растворения горных пород, слагающих

растворимостью уже исчезла, то с техногенными образованиями ситуация совершенно иная.

2. При разработке месторождений полезных ископаемых на земную поверхность извлекаются породы с глубин, превышающих мощность гидравлически активной зоны, вследствие чего в руде и вскрышных породах присутствуют как нерастворимые, так и легкорастворимые минералы, в том числе содержащие высокие концентрации таких токсичных металлов, как медь, цинк, свинец, марганец, кадмий, а иногда и особо токсичные: бериллий, таллий, ртуть, мышьяк и т.п. Эти породы (за исключением кондиционной руды) складируются в отвалы, но при этом активная поверхность на единицу объема у них увеличивается по сравнению с природной в 3-10 раз, коэффициент фильтрации по сравнению с массивом - в 102 -10'' раза.

3. Кондиционные руды после интенсивного дробления в процессе обогащения разделяются на рудный концентрат и отходы производства, складируемые в хвосто - и шламохранилищах. При этом по сравнению с исходным состоянием содержание полезных компонентов в них понижается до 10-20%, но одновременно удельная активная поверхность увеличивается в 104-103 раз, коэффициент фильтрации возрастает в десять - сто раз, что создает более благоприятные условия для их интенсивного выщелачивания при фильтрации воды, чем у породных отвалов.

4. Так как техногенные отходы складируются на земной поверхности, то есть выше уровня грунтовых вод, то градиенты фильтрации в них существенно выше (от 1.0 в отвалах до 2-30 в хвостохранилищах), чем в естественных условиях, т.е. <0.1. Поскольку атмосферные осадки и, особенно жидкая фаза пульпы хвостохранилищ, содержат значительно большее количество свободного кислорода и углекислого газа, чем грунтовые воды, то суммарное воздействие вышеперечисленных факторов предопределяет превышение концентрации солей тяжелых металлов в прошедшем через них фильтрате в сотни и тысячи разг концентраций, характерных для состояния грунтовых и поверхностных вод, формирующихся на естественных ландшафтах.

5. Если скорость (интенсивность) выщелачивания солей тяжелых металлов из отвалов ограничивается количеством инфильтрующихся через них атмосферных осадков, то с хвосто-, шламохранилищами и золоотвалами. ситуация иная. Непрерывный сброс аэрированной пульпы в течение всего периода работы обога�