Техногенные месторождения

ТЕХНОГЕННЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ.

(конспект лекций).

• 1. Понятие техногенное месторождение (ТМ), особенности и перспективы разработки
• 2. Способы образования и классификация ТМ
• 3. Состав и строение ТМ
• 3.1. ТМ топливно-энергетического комплекса
• 3.2. ТМ угольной подотрасли
• 3.3. ТМ цветных и редких металлов
• 3.4. ТМ черных металлов
• 4. Методика и техника геолого-экономической оценки ТМ
• 4.1. Основные этапы исследования ТМ
• 4.2. Аппаратурно-методическое обеспечение аналитических исследований ТМ
• 4.3. Метрологическое обеспечение качества полевых и лабораторных анализов состава отложений ТМ
• 5. Формирование банка данных (БД) и мониторинг ТМ
• 5.1. Технология формирования банка данных по техногенным месторождениям (БД ТМ)
• 5.2. Мониторинг ТМ
• 6. Геоэкологическое картирование и составление эколого-геологических карт (ЭГК) по техногенным месторождениям
• Использованная литература
• Перечень вопросов к зачету по всему курсу
• Практические работы
• Работа 1
• Работа 3

1. Понятие техногенное месторождение (ТМ), особенности и перспективы разработки.

Техногенные месторождения представляют собой класс месторождений, сформировавшихся в последние столетия в районах горнорудной промышленности (Северо-запад и Юго-восток европейской части Росси, Урал, Юго-восток и Восток азиатской части, Центр Сибири). Эти месторождения обычно обладают своеобразным минеральным составом и являются потенциальным источником разнообразных полезных ископаемых, в частности цветных, редких и благородных металлов, а также строительных материалов (щебень, песок, гравий и т. д.).

Техногенные месторождения — техногенные образования (отвалы горнодобывающих предприятий, хвостохранилища обогатительных фабрик, шлакозольные отвалы топливно-энергетического комплекса, шлаки и шламы металлургического производства, шламо-, шлакои т.д. отвалы химической отрасли) на поверхности Земли по количеству и качеству содержащегося в них минерального сырья пригодные для промышленного использования в настоящее время или в будущем по мери развития науки и техники.

Особенностями техногенных месторождений являются:

географически расположены только в промышленно развитых районах;

находятся на поверхности Земли и горная масса в них преимущественно дезинтегрирована;

значительно большее количество минералов (более 30 000), чем в обычных месторождениях (около 3 000).

Последняя особенность определяет сложность переработки техногенных руд, так как из-за многообразия минеральных форм, требуются иные технологии, чем для обычных руд, основанные на последних достижениях науки и техники.

Отвалы горнодобывающих и металлургических предприятий как перспективные источники сырья для различных областей индустрии издавна привлекали внимание. Так ещё в 30-е годы прошлого столетия проводились исследования по оценке медьсодержащих отходов на большинстве медных предприятий Урала. С 50-х годов отходы медного производства оценивались не только на основные, но и на полезные попутные компоненты. Исследованиями последних лет установлено, что в России к настоящему времени накоплено свыше 50 миллиардов тонн техногенных отходов, содержание металлов в которых нередко превышает их содержание в рудах, извлекаемых из недр и поступающих на обогащение. Особенно это относится к старым отвалам и хвостохранилищам, которые формировались в 40−50-е годы прошлого столетия, когда не уделялось должного внимания комплексному изучению минерального сырья, а кондиции добычи и переработки были значительно выше современных.

Известны примеры успешного вовлечения техногенных месторождений в эксплуатацию. Так ещё в 70−80-е годы прошлого столетия Хрустальненский Солнечный, Алмалыкский и Зыряновский комбинаты приступили к ревизии отвалов прошлых лет, добыче и использованию некондиционных руд для получения дополнительной продукции (олова, свинца, цинка и др.). Однако, до настоящего времени техногенные месторождения используются в незначительных масштабах. Основной причиной этого является то, что для широкого вовлечения их в переработку требуется строительство практически новых производств, реализующих новые технологические принципы и решения, которые разработаны, как правило, на уровне научных открытий, лабораторных или полупромышленных исследований и редко доведены до промышленного производства. Отсюда высокая капиталоёмкость нового строительства и реконструкции с последовательной заменой действующих технологических линий на новые производства.

Несмотря на указанные трудности, перспективность использования техногенных месторождений очевидна, так как их использование позволяет одновременно решать целый ряд экономических, социальных и экологических проблем..

Экономические проблемы:.

1. Постоянное удорожание сырья, извлекаемого из недр, в связи с разработкой месторождений на всё более значительных глубинах, часто с закономерным понижением содержания ценных компонент. В последние 30 лет стоимость сырья неуклонно растёт на 5−10% в год, несмотря на внедрение новой техники и даже автоматизацию некоторых производств.

2. Истощение запасов полезных ископаемых в недрах Земли. Например, при современном уровне добычи и обогащения, запасов цинка осталось на 25−30 лет, а свинца на 50−60 лет.

3. Снижение производительности труда и уменьшение темпов добычи полезных ископаемых в связи с постоянным ухудшением горно-геологических условий добычи (большие глубины, бедные руды).

Социальные проблемы:.

1. Осложнение ситуации с использованием рабочей силы во многих рудных районах вследствие уменьшения объёма работ, вызванного истощением запасов полезных ископаемых.

2. Ухудшение условий труда при эксплуатации глубокозалегающих месторождений.

Экологические проблемы:.

1. Исключение из хозяйственного оборота больших площадей земель, занятых отходами производства. Так, например, площадь золоотвалов топливно-энергетического комплекса Урала составляет около 3 000 га, а площадь нарушенных земель в медной подотрасли превышает 60 000 га.

2. Уничтожение или снижение качества земель из-за пылевых заносов с отвалов и хвостохранилищ. Например, с 1 га отвалов КМА ежегодно сносится до 500 тонн пыли.

3. Загрязнение окружающей среды (почв, поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха) тяжёлыми металлам и солями в концентрациях, нередко превышающих допустимые нормы. Так ориентировочный суммарный объём сброса загрязнённой оборотной воды с золоотвалов АО «Свердловэнерго» составляет не менее 7,6 млн. м³/год. Содержание в сбрасываемой воде таких элементов как F, V и Mn превышает ПДК в десятки и сотни раз. С отвалов Садонских месторождений ежегодно выносится в р. Терек до 3 000 тонн цинка.

Вовлечение в переработку техногенного сырья обеспечивает:

1. Сокращение расходов на поиски новых и разведку эксплуатируемых месторождений.

2. Сохранение истощающихся минеральных ресурсов в недрах, так как запасов полезных компонент, накопившихся в отходах ГОК’ов, достаточно чтобы удовлетворить потребности на многие десятилетия вперёд.

3. Повышение производительности труда за счёт рентабельной переработки уже добытого сырья, являющегося, по существу, готовым полупродуктом и находящегося вблизи действующих предприятий, что особенно важно для тех из них, для которых вследствие истощения сырьевой базы оказываются незагруженными производственные мощности, и высвобождается рабочая сила.

4. Улучшение условий труда, так как техногенные месторождения расположены на поверхности Земли в отличие от всё более глубокозалегающих обычных месторождений полезных ископаемых.

5. Производство дешёвых стройматериалов (песок, щебень, гравий, цемент, абразивы, материал для отсыпки дорожного полотна, строительства плотин, дамб, и т. д.), а из шлаков — шлаковаты, шлакового литья (брусчатка, тюбинги, плитки, бордюрный камень и т. д.), литого шлакового щебня, стеклокерамических изделий, вяжущих добавок в цемент, минеральных добавок для улучшения почв, удобрений для сельского хозяйства и др.

6. Освобождение занимаемых им земель и их рекультивацию и ликвидацию источников загрязнения окружающей среды (ОС), улучшая тем самым экологическую обстановку вокруг действующих предприятий. Это относится к тем ТМ, освоение которых сопровождается производством стройматериалов. Если же осуществляется только добыча металлов (цветных, редких и благородных), то из-за низкого их содержания количество техногенных отходов практически не уменьшается.

Таким образом, всё вышеизложенное указывает на актуальность и народно-хозяйственную важность проблемы переработки и полной утилизации отходов горнорудной, металлургической, топливно-энергетической и химической отраслей промышленности. Уже существующие и перспективные технологические разработки позволяют оптимистически оценивать прибыльность переработки ТМ и возможность перехода к безотходным технологиям для их полной ликвидации.

Большинство развитых зарубежных стран осуществляют политику сбережения своих ресурсов, интенсивно вовлекая в переработку ТМ, утилизируя отходы производства, разрабатывая технологии переработки этих отходов. Например, в США ещё в 1993 году доля вторичного сырья в производстве цветных металлов составляла:

по меди — 55%, вольфраму — 28%, никелю — 25%.

Подобная тенденция использования вторичных ресурсов наблюдается в Канаде, Великобритании, ЮАР Испании и других странах. Вот несколько примеров:

В Канаде из отходов меднорудных предприятий, содержащих 0,45% Cu достигается извлечение 40% меди благодаря новым способам обогащения (кучного кислотного выщелачивания, кучного пиритного и бактериального выщелачивания).

В штате Монтана (США) из отвалов рудника Мандиски получают ежегодно 2 т Au и 4 т Ag при содержании в отвалах золота — 0,84г/т и серебра — 2,8г/т.

В штате Мичиган (США) из хвостов обогащения, содержащих 0,3% Cu, достигнуто извлечение 60% меди.

В Болгарии из отходов, содержащих 0,1−0,15%Cu, получают медный концентрат, себестоимость которого в 3 раза ниже, чем при получении его из природного сырья.

В ЮАР из отвалов золотоизвлекательных фабрик при содержании золота — 0,53г/т и урана — 40г/т получают 3,5 т золота и 696 т урана в год при производительности 50 000т/сутки.

Однако, необходимость существенного объёма технологической перестройки производства и разработки целого ряда методических и технологических вопросов изучения ТМ не позволяет рассчитывать на скорый повсеместный переход к безотходным технологиям.

2. Способы образования и классификация ТМ.

Множественность показателей, характеризующих ТМ, к которым относятся.

условия образования,.

объёмы,.

вещественный состав,.

характер процессов, преобразующих первичное вещество,.

неоднородность влияния отдельных показателей на принятие технологических решений и экономических оценок и некоторые другие.

предопределяют сложность их классификации и типизации.

По морфологическим признакам ТМ можно разделить на 2 типа:

1.Месторождения насыпные, представляющие собой холмы и терриконы. К этому типу относятся:

терриконы угольных шахт и разрезов;

отвалы рудников и карьеров руд цветных, чёрных и редких металлов, сложенные дезинтегрированными вскрышными и вмещающими породами, а так же убогими забалансовыми рудами;

техногенные россыпи, образующиеся при разработке россыпных месторождений и из отходов золоторудных фабрик;

шлакоотвалы цветной и чёрной металлургии.

2. Месторождения наливные, образующиеся при заполнении впадин земной поверхности. Представителями этого типа ТМ являются:

отходы обогащения руд (шламои хвостохранилища горнообогатительных фабрик);

шламоотвалы цветной и чёрной металлургии;

золои шлакоотвалы энергетического комплекса, возникающие при гидравлическом удалении золы и шлаков с теплоэлектростанций;

шламоотвалы химических производств.

По составу техногенные месторождения подразделяются на 4 типа:

1. Породные ТМ, состоящие из природных горных пород и представленные глыбово-щебенистым материалом и шламои хвостохранилищами обогатительных фабрик.

2. ТМ пирометаллургических процессов цветной и чёрной металлургии, сложенные шламами и шлаками.

3. ТМ теплоэлектростанций, сложенные золой и шлаками ТЭС.

4. ТМ химического производства (шламы).

По возможным областям использования ТМ подразделяются на 3 типа:

1. ТМ строительного сырья.

2. ТМ (по извлекаемому металлу) — медные, цинковые и т. д.

3. ТМ смешанного типа, т. е. пригодные для получения стройматериалов и металла.

Разработка месторождений первого типа обеспечивает освобождение площадей земли от техногенных отходов с последующей их рекультивацией, второго типа — позволяет осуществить доизвлечение металла, но не решает проблемы освобождения территории отвалов от отходов, так как вторичная переработка отвалов, учитывая низкое содержание в них полезных компонент, практически даёт то же самое количество отходов.

Третий тип техногенных месторождений позволяет осуществлять и рекультивацию земель и доизвлечение металла.

По экологическому воздействию среди техногенных месторождений выделяют:

1. Неопасные, представленные горными породами и глыбовощебенистыми и щебенистыми шлаками цветной и чёрной металлургии, слабо разрушающимися в течение хранения.

2. Поражающие атмосферу и гидросферу, если они сложены окисляющимися или глинизирующимися породами, окисляющимися шлаками и шламами, пылящими шламами и высохшей пульпой хвостохранилищ.

В настоящее время терминология, классификация ТМ, критерии принадлежности их к тому или иному типу меняются и дополняются по мере углубления исследований и практических работ в области разработки техногенных месторождений.

Наиболее удобной представляется классификация ТМ, в основу которой положены условия их формирования, так как они определяют обычно и морфологию, и вещественный состав, и возможные области использования, и экологическое воздействие на ОС (рис.1).

Пользуясь классификацией, представленной на рис. 1, можно оценить основные характеристики любого типа месторождений. Например, ТМ горнодобывающих предприятий, возникающие при обогащении руд и представляющие собой хвостохранилища, относятся к месторождениям наливного типа (морфологический признак);

по составу — породные;

по возможным областям использования — смешанного типа, т. е. пригодные для доизвлечения металла и получения стройматериалов;

по экологическому воздействию на окружающую среду — поражающие атмосферу (пыль) и гидросферу (фильтрация вод хвостохранилищ через защитные дамбы).

Рис. 1 Классификация техногенных месторождений.

3. Состав и строение ТМ.

Состав и строение ТМ определяются целым рядом факторов, важнейшими среди которых являются:

условия образования (добыча и обогащение руд и угля, переработка концентратов руд, сжигание угля и т. д.);

состав исходного сырья (месторождения цветных и редких металлов, полиметаллические, железорудные и другие типы коренных месторождений);

физико-химические и механические процессы климатического воздействия и выветривания отвалов. Они интенсивно окисляются, выщелачиваются и разрушаются, что приводит к изменению минералогического и вещественного состава техногенных отложений, выносу элементов и образованию ореолов рассеяния вокруг отвалов. Особенно это проявляется для отходов добычи и обогащения сульфидных руд, так как они при окислении и выветривании быстро разрушаются и переходят в окисленные минеральные формы, требующие при утилизации особых технологий извлечения полезных компонент В приповерхностной зоне техногенных отложений под воздействием кислорода, воды, фильтрационных электрических полей и других факторов происходят интенсивное растворение и миграция металлов и их соединений. При этом могут образовываться обеднённые и обогащённые металлом участки с восстановленными и окисленными формами его нахождения. Например, в участках хвостохранилищ с восстановленными сульфидами нередко наблюдаются повышенные содержания золота, а в зонах окисления возможно накопление серебра.

В настоящее время опыт разведки техногенных месторождений невелик. Наиболее тщательно такие исследования выполнены на Урале, поэтому ниже приводятся особенности состава и строения ТМ в основном Урала, используя в некоторых случаях так же обобщённые данные по месторождениям бывшего СССР.

3.1 ТМ топливно-энергетического комплекса.

Одной из важных проблем исследования шлакозольных отвалов теплоэлектростанций (ТЭС) является изучение их состава и количества микропримесей, возможно, представляющих ценность как сырьё для извлечения этих микропримесей.

Рассмотрим результаты исследований минерального состава и элементов примесей для зол Рефтинской ГРЭС, работающей с 1970 г и обеспечивающей тепловой и электрической энергией значительную часть Свердловской области. Золы транспортируются по системе гидрозолоудаления и складируются в золоотвал, который занимает площадь 1500 га и содержит 120 млн. т золы при ежегодном складировании золошлаковых отходов около 3,1 млн.т.

Золоотвал Рефтинской ГРЭС вытянут с севера на юг. Его длина более 1000 м, ширина от 100 до 300 м и высота 10−15 м. Опробование поверхности отвала показало, что он имеет неоднородное строение, определяющееся чередованием зол различных по гранулометрическому составу (см. таблицу 1).

Таблица 1.

Гранулометрический состав (%) зол Рефтинской ГРЭС.

Выделенные разновидности золы отражают её гранулометрическую сортировку при гидровыносе.

Тонкозернистые золы с обломками шлака распространены в северной части отвала. Тонкозернистые золы составляют основную массу тела золоотвала. Пылеватые золы распространены в виде субширотных полос шириной от 10 до 50 м по всей территории отвала.

Содержания микроэлементов в исходном угле и в золе в целом представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Среднее содержание и коэффициент концентрации (КК) микроэлементов в сжигаемых углях и золах Рефтинской ГРЭС.

Из таблицы следует, что концентрация в золах большинства элементов возрастает (КК>1), для некоторых весьма значительно (КК_Ti=20, КК_Cu=4,67, КК_Zn=3,47, КК_Pb=2,76) и только для трёх элементов уменьшается (КК_Cr=0,33, КК_Co=0,97, КК_Ba=0,48).

Наблюдаются определённые различия в содержании отдельных микроэлементов для указанных выше разновидностей зол. Так например, в тонкозернистых золах повышены содержания меди (КК_Cu=5,17) и хрома (КК_Cr=3,3), пылеватые золы характеризуются понижением содержания меди (КК_Cu=2,97) и цинка (КК_Zn=3,0) и повышением содержания почти всех остальных элементов (КК_Be=1,55, КК_Ba=0,7 и др.). В золах, содержащих обломки шлаков повышены содержания хрома (КК_Cr=3,0) и марганца (КК_Mn=1,82).

Главным минералом, выявленным рентгеноструктурным анализом, является муллит {Al₄[Al₄(Si₃Al)O₁₉(F_0,5O, OH)]} - высокотемпературная фаза с неупорядоченной структурой, а так же тридимит (SiO₂) — минерал метастабильной фазы, характерный для молодых образований, в том числе для зол и шлаков.

Муллит, содержащий 71,83% Al₂O₃ и 28,17% SiO₂ образуется при термическом перерождении ряда глинистых минералов (каолинит — Al₄[Si₄O₁₀][OH]₈, галлуазит, пирофиллит и др.), мусковита, гидрослюды и других природных алюмосиликатов. По экономическому значению и объёмам производства муллит входит в число важнейших искусственных минералов.

Содержание глинозёма (Al₂O₃) в золах сопоставимо с его содержанием в бокситах (С45%), поэтому золы Рефтинской ГРЭС могут служить сырьём для производства алюминия. Попутно с глинозёмом возможно извлечение фосфора.

Среди элементов примесей особое внимание привлекают редкие элементы Sc, Zr, Ti и B. Необходимы дальнейшие исследования с целью их количественной оценки.

Складирование золошлаковых отходов сопряжено с широкомасштабным их воздействием на окружающую среду (ОС), выражающееся в отчуждении земель и загрязнении атмосферы, подземных и поверхностных вод. Однако, проблема использования шлакозольных отвалов до настоящего времени не решена. Ежегодно утилизируется в основном в производстве стройматериалов менее 1% от образующегося за тот же период времени количества золы.

О воздействии золоотвалов на ОС можно судить по результатам обследования золоотвалов АО «Свердловэнерго», входящего в состав РАО «ЕЭС».

Воздействие на водные ресурсы.

На всех электростанциях АО «Свердловэнерго» организовано оборотное водоснабжение. Однако, несмотря на наличие замкнутого цикла водоснабжения, в действительности существует сброс загрязнённых вод с золоотвалов в поверхностные и подземные водные системы. Основной причиной сброса являются фильтрационные потери оборотной воды из гидрозолоотвалов через ограждающие дамбы и их основания.

Химический состав оборотной воды электростанций АО «Свердловаэнерго» характеризует таблица 3.

Таблица 3.

Химический состав оборотной воды электростанций АО «Свердловэнерго».

* Изменение содержания каждого из элементов обусловлено сжиганием углей разных типов и зольности (Экибастузский — до 43%, Волчанский — 20−37%, Буланашский — 20−37%, Кузнецкий — до 22%).

**Использованы значения рыбохозяйственных ПДК.

Из таблицы 3 следует, что в оборотных водах всех золоотвалов имеет место превышение ПДК для всех элементов, а для V, Мо и F — до 170−230 раз. Объём сброса оборотной воды с золоотвалов АО «Свердловэнерго» составляет не менее 7,6 млн³/год в поверхностные водоёмы (реки, ручьи) и более 50 млн³/год в горизонты подземных вод посредством фильтрации через основания дамб.

Воздействие на земельные ресурсы.

Площади, занимаемые каждым золоотвалом, измеряются сотнями гектаров, составляя в целом для АО «Свердловэнерго» не менее 3100 га, а с учётом площади санитарно-защитных зон (около 1700 га) из землепользования исключается 4800 га только для одной Свердловской области.

Воздействие на атмосферу.

Основными источниками загрязнения атмосферы являются пылящие поверхности золоотвалов. Их негативное воздействие заключается в загрязнении воздушного бассейна неорганической пылью в результате ветровой эрозии сухой части поверхности отвалов. Результаты расчётов показали, что для золоотвалов АО «Свердловэнерго» площадь пылящих поверхностей составляет около 600 га, т. е. около 20% общей площади золоотвалов, а суммарный объём пылевыделения превышает 1700 т/год.

Риск экологических последствий аварийных ситуаций.

Экологический риск, т. е. вероятность возникновения неблагоприятных для ОС и человека последствий складирования золошлаковых отходов на золоотвалах обуславливается возможностью прорыва ограждающих дамб, что в действительности хотя и не часто, но имеет место.

Таким образом, в свете рассмотренного воздействия золоотвалов на ОС, совершенно очевидна необходимость проведения исследований по утилизации техногенных отходов, накапливающихся в золоотвалах топливно-энергетического комплекса России. В решении этой проблемы заинтересован и топливно-энергетический комплекс, выплачивающий многие сотни миллионов рублей в год за загрязнение ОС, складирование отходов, изъятия земель.

3.2 ТМ угольной подотрасли.

При добыче и обработке ископаемых углей возникает большое количество отходов, содержащих кроме пустой породы значительное количество угля.

Первую группу этих отходов составляют углесодержащие вскрышные (при открытой добыче угля) и шахтные породы, т. е. ТМ горнодобывающей промышленности, возникающие при добыче полезных ископаемых (см. классификацию ТМ). К настоящему времени нет достаточных сведений о ежегодных масштабах образования и складирования в отвалах подобных отходов. Наиболее изучены они в Кузнецком бассейне, где, по ориентировочным расчётам, ежегодно получают 12−15 млн. т вскрышных пород со средней зольностью 72−86%.

Вторую группу представляют отходы углеобогатительных фабрик, где они составляют 5−40% от перерабатываемой массы добытого сырья и превышают 1 млн. т/год на каждой фабрике. В зависимости от способов обогащения угля образуются кусковые и мелкодисперсные отходы соответственно при гравитационном и флотационном методах обогащения. Выход кусковых углеотходов обогатительных фабрик Кузнецкого бассейна составил в 1987 году около 11,5 млн. т, а Уральских — 4,8 млн.т.

Крупность зёрен при флотационном обогащении менее 1 мм. Представление о крупности кусковых отходов даёт таблица 4.

Таблица 4.

Гранулометрический состав отходов гравитационного обогащения.

Содержание мелкой фракции (<13 мм) не превышает 6,5%, а зольность почти не зависит от размера кускового материала.

Представление о химическом составе отходов обогатительных фабрик можно получить, проанализировав данные таблицы 5.

Таблица 5.

Характеристика углеотходов.

Преобладающей горной породой в углеотходах уральских месторождений является аргиллит, в небольших количествах присутствуют алевролиты, песчаники, карбонаты и сульфиды.

Основные минералы представлены каолинитом (20−40%), гидрослюдами (5−25%) и кварцем (30−40%). Кизеловские отходы имеют повышенное содержание сульфидов железа, следствием чего является более высокое содержание в них серы.

Содержание углерода зависит от качества обогащения.

Углеотходы представляют интерес для цементной промышленности, которая может утилизировать значительный их объём. Например, в Польше ежегодно используют 40 000 т отходов углеобогащения, применяя их в качестве компонента исходного сырья цемента в количестве 8−18%. На Днепродзержинском цементном заводе в сырьевую смесь вводят 8−9% углеотходов. На Одесском цементном заводе используют углемоечные отходы коксохимического производства для частичной замены глины и снижения расходов топлива на обжиг клинкера (около 11%).

Воздействие отходов обогащения углей на ОС аналогично, по-видимому, воздействию золоотвалов ТЭС, рассмотренному выше.

3.3 ТМ цветных и редких металлов.

ТМ этой группы объединяют ТМ, возникающие при добыче, обогащении и переработке продуктов обогащения руд цветных (Cu, Zn, Pb, Al и Mg) и редких (Ni, Sn, Mo, W, Bi, V, Co, As, Sb и Hg) металлов. Как правило, ТМ этой группы относятся к месторождениям смешанного типа, т. е. пригодны как для доизвлечения металла, так и получения стройматериалов.

ТМ, сложенные вскрышными и вмещающими породами и некондиционными рудами, представлены рыхлыми, полускальными и скальными горными породами и рудами различного вещественного состава, слагающими коренные месторождения. В этом типе месторождений обычно не наблюдается закономерностей в распределении наиболее богатых металлом участков.

ТМ, возникающие при обогащении руд, представлены хвостохранилищами, сложенными измельчённым материалом с водонасыщением до 20−50%, плотностью от 1,5 до 2,5 т/м³ и содержанием глинистых частиц до 50%.

При флотационном обогащении основная масса хвостохранилищ представлена пылевидным материалом, а при гравитационном — мелкозернистым. В пылевидном материале частиц с диаметром менее 0,1 мм свыше 25%, а в мелкозернистом — частиц с диаметром меньше 0,1 мм менее 25%.

Полезные компоненты распределены в хвостохранилищах неравномерно. Возникновение участков с повышенной концентрацией металла зависит не только от изменения показателей технологии обогащения, но и от ряда других факторов, таких как временной режим и место сброса пульпы, которые не являются постоянными;

рельеф дна хвостохранилища;

окислительные и восстановительные процессы в приповерхностной зоне (см. выше).

Металлоносные участки представлены системой разобщённых пластообразных, линзообразных, изометрических и неправильной формы тел.

В хвостохранилищах помимо цветных и редких металлов наблюдаются повышенные содержания благородных металлов (Ag, Au, Pt) и редкоземельных и рассеянных металлов (Ge, Se, Te и др.).

Шлаки металлургического производства имеют две разновидности:

литые, поступающие в шлакоотвалы в горячем состоянии;

гранулированные — исходные шлаки после предварительной грануляции.

Распределение полезных компонент в шлаках зависит от изменения состава исходного сырья и показателей извлечения различных компонент, входящих в состав перерабатываемых концентратов, а так же от интенсивности процессов вторичного перераспределения металлов в них, которые для литых шлаков проявляются лишь в приповерхностной части, а для гранулированных — на большую глубину и более интенсивно.

Особенно велики потери металлов при добыче и обогащении руд, а, следовательно, весьма значительны их запасы в ТМ горнодобывающей промышленности. Оценим эти запасы на примере крупнейшего комбината нашей страны — Тырныаузского (Предкавказье), осуществляющего добычу и переработку вольфрамовых руд.

Кондиционными считаются руды с содержанием триоксида вольфрама C_WO3 >0,1%. В хвостах флотации содержание C_WO3 <0,04%. В процессе подготовительных горных работ эксплуатационный блок расчленяется на кондиционные и некондиционные руды, выемка которых из недр осуществляется раздельно: кондиционные руды отгружаются на обогатительную фабрику, а некондиционные направляются в отвал.

Технологическая схема и показатели добычи и переработки руд показаны на рис. 2, из которого следует, что на долю кондиционных руд приходится всего 13,5% от всей добытой горной массы. В этих рудах содержится лишь 34,6% полезного компонента. Некондиционные руды, составляющие 86,5% добытой горной массы, уходят в отвал, унося с собой 65,4% металла, содержащегося в эксплуатационном блоке. Таким образом, уже первая стадия добычи коренных руд связана с огромными потерями полезного компонента, причём это потери не в недрах, а в отвалах.

Рис. 2. Схема отработки и обогащения руд Тырныаузского месторождения с технологичес-кими показателями по отдельным этапам.

, — содержание C_WO3 в исходной горной массе, обогащённом и отвальном продуктах соответственно, %;

— выход продуктов переработки и обогащения руд, %;

— извлечение триоксида вольфрама в соответствующий продукт, %.

На обогатительной фабрике руда подвергается дроблению, измельчению и флотации. В хвосты флотации уходит 13,48% рудной массы, вместе с которой уносится ещё 11,4% полезного компонента. В итоге из всей массы металла, содержащегося в эксплуатационном блоке, в товарный концентрат извлекается всего 23,2%, а 76,8% теряется в отвалах некондиционной руды и хвостохранилищах.

Изучение технологической пробы некондиционной руды Тырныаузского месторождения показало, что отвалы некондиционной руды это полноценное техногенное месторождение, пригодное для переработки, причём со значительно меньшими затратами, чем месторождения коренных руд.

Распределение содержания триоксида вольфрама в порциях этой пробы приведено в таблице 6.

Таблица 6.

Распределение триоксида вольфрама в порциях технологической пробы некондиционной руды Тырныаузского месторождения.

*Среднее содержание WO₃ по всем вышестоящим порциям, включая данную (С_n'), ко торое рассчитывается по формуле Сп'=(?miCi)/(?mi).

n' n'.

i=1 i=1.

где m_i и C_i — масса и содержание WO₃ в i-й порции технологической пробы;

n' - количество порций, для которых рассчитывается С_n'.

?**Относительная масса (М_i, %) WO₃ в i-й порции технологической пробы, которая оп;

n.

ределяется равенством М_i= m_iC_i/ (m_iC_i)100, %,.

i=1.

где n — суммарное количество порций в технологической пробе, в данном случае — 20.

***Суммарная относительная масса WO₃ (М_n') для всех вышестоящих порций, включая.

n' n.

данную, равная М_n'= (С_n'm_i)/(С_nm_i)100, %.

i=1 i=1.

Проба состояла из кусков крупностью 25−50 мм. Среднее содержание C_WO3=0,057%, т. е. в целом она относится к категории забалансовых руд, так как минимальное промышленное содержание в руде C_WO3=0,1%. После взвешивания и анализа каждого куска и ранжирования кусков по содержанию C_WO3 вся проба была разделена на 20 отдельных порций примерно равных по массе. Затем эти порции были объединены в три группы. В группу I вошли 5 порций с самыми высокими значениями C_WO3, для каждой из которых содержание C_WO3 оказалось выше, чем в хвостах флотации, т. е. C_WO3>0,04%. В группу II попали 5 порций, у которых среднее накопленное содержание металла оказалось выше, чем минимальное промышленное на месторождении, т. е. C_WO3>0,1%, но в самих порциях содержание металла ниже, чем в хвостах флотации, т. е. C_WO3 <0,04%. В группу III попали оставшиеся 10 порций, у которых оба показателя ниже установленных пределов.

Данные таблицы 6 показывают, что распределение вольфрама в кусках и порциях некондиционной руды очень неравномерно. Действительно, некондиционная в целом горная масса технологической пробы, оказывается, наполовину (10 из 20 порций) представлена вполне кондиционной рудой, в которой сосредоточено 92,8% всего металла, а его средняя концентрация C_WO3=0,106% (групповые порции I и II вместе). Более того, кондиционная рудная часть пробы также наполовину сложена некондиционной рудой со средним содержанием C_WO3=0,026% и запасом металла в 11,4% (групповая порция II). Следовательно, в данном случае отвал некондиционных руд на 50% представлен вполне кондиционными рудами, в которых сосредоточено 92,8% металла со средним содержанием C_WO3=0,106%. Такой отвал нельзя считать бросовым, он должен рассматриваться как ТМ, вполне пригодное для разработки, причём, с гораздо меньшими затратами, чем коренное, так как горная масса в нём уже добыта и складирована.

Аналогичные результаты анализа состава отвалов некондиционных руд получаются и для многих других типов рудных месторождений. В настоящее время уже имеется опыт переработки отвалов некондиционных руд при использовании крупнопорционной сортировки горной массы и покусковой и мелкопорционной сепарации некондиционных руд с помощью ядернофизических методов. Например, извлечение Pb и Zn из некондиционных полиметаллических руд Алмалыкского ГОК’а (Узбекистан) составляет около 50% от массы полученного комбинатом металла.

ТМ цветных и редких металлов помимо доизвлечения основных полезных компонент и получения стройматериалов (щебень, песок, гравий, закладочный материал и т. д.) могут являться ценным источником попутных элементов, которые в начальный период добычи руд по тем или иным причинам не извлекались. Так, например, отвалы и хвосты медно-никелевых руд Норильска содержат промышленные с точки зрения современных технологий их переработки концентрации платиноидов, золота и серебра, которые ранее извлекались лишь частично. Практически все полиметаллические и медно-цинковые месторождения содержат Ag, Cd редкие и рассеянные элементы, потребность в которых резко возросла в последнее время, и промышленные кондиции на них в связи с этим существенно понизились.

ТМ цветных и редких металлов имеют огромные запасы полезных компонент. В качестве примера рассмотрим суммарные характеристики ТМ медной подотрасли Урала, в которой сосредоточена основная их доля России и для которой известны наиболее полные данные (таблица 7).

Таблица 7.

Характеристика ТМ медной подотрасли Урала.

Из таблицы 7 следует, что основная доля (87,4−96,8%) запасов полезных компонент сосредоточена в ТМ, возникающих при добыче руды коренных месторождений. В целом для медной подотрасли Урала этот показатель даже превосходит соответствующие потери при добыче вольфрамовых руд [85%=65,4/(65,4+11,4) — см. рис. 2] несмотря на то, что медные и медно-цинковые кондиционные руды имеют более высокие содержания Cu (0,35−0,5%) и Zn (1,5%) и как следствие этого должны быть более однородны.

Из этой же таблицы также видно, что даже средние содержания Cu (0,34−0,37%) близки к кондиционным (0,35%-0,5%), поэтому учитывая неравномерность распределения меди в техногенных рудах (от 0,08 до 1,88%), очевидно, что они вполне конкурентоспособны с коренными рудами.

В медных рудах Урала помимо меди содержится ёще 15 других ценных компонент (Zn, Pb, S, Au, Ag, Bi, Cd, Ge, Re, Sn, Te, Ni, In, Sb). Кроме того, в шлаках содержится до 30% и более железа (C_{Fe, кондиц.}16%), которое из них не извлекается.

Наибольшую ценность в хвостах обогащения Уральских руд представляет сера. Её стоимость составляет 30−50% от общей стоимости хвостов. Второе место принадлежит сумме драгоценных металлов (25−45%). Далее идут Cu — 10−20% и Zn — 10−15%.

Каждое ТМ обладает своими особенностями, обусловленными составом исходного сырья для них, технологией добычи, обогащения или переработки и целым рядом других факторов. Поэтому необходима объективная оценка и детальная разведка каждого перспективного для вторичной переработки ТМ. Оценочные работы проведены пока на немногих месторождениях. Рассмотрим для примера результаты таких работ на двух месторождениях: ТМ Бурибаевской обогатительной фабрики и ТМ медиплавильного комбината АООТ «СУМЗ» (Среднеуральский металлургический (медиплавильный) завод).

ТМ Бурибаевской обогатительной фабрики начало формироваться с 1937 г. Площадь хвостохранилища составляет около 18 га. Высота колеблется от 0,5 до 18 м. Хвосты представляют собой обезвоженную пульпу с размером частиц от 0,02 до 0,07 мм.

По результатам опробования шлама содержание С_S=10−42%, С_Cu=0,12−1,64%, С_Zn1%. Эти шламы могут быть использованы как сырьё для получения медного и пиритового концентратов.

Хвостохранилище разведано колонковыми скважинами по сети 5050 м. Анализ размещения меди и серы в шламе хвостохранилища показал, что наибольшее их содержание отмечается в местах слива шлама из трубопровода. По мере удаления от него содержание меди и серы уменьшается. По содержанию этих элементов выделяют три участка:

I участок — С_Cu>0,5%, С_S>34%.

II участок — С_Cu>0,5%, С_S<34%.

III участок — С_Cu<0,5%, С_S<34%.

Запасы хвостохранилища составляют 3,96 млн. т при среднем содержании С_Cu=0,54%, С_Zn=0,17%, С_S=28,18%. Кроме Cu, Zn и S хвосты содержат:

Au — 1,2 г/т (0,12), Se — 41 г/т (0,0041%), Ge — 1,6 г/т (0,16%,.

Ag — 10,3 г/т (0.103%), Te — 28 г/т (0,0028%).

Пользуясь этими данными нетрудно подсчитать запасы перечисленных выше металлов в хвостохранилище Бурибаевской обогатительной фабрики (сделать самостоятельно).

Cu — 21 384 т, Au — 4,752 т, Te — 110,88 т,.

Zn — 6732 т, Ag — 40,788 т, Ge — 6,33 т,.

S — 1,116 млн. т, Se — 162,35 т.

ТМ медеплавильного комбината АООТ «СУМЗ» представляет собой шлакоотвал, содержащий несколько десятков млн. т шлаков.

Минеральный состав шлаков:

Магнетит (FeFe₂O₄), пирротин (Fe_1-xS), фаялит {Fe₂[SiO₄]}, шпинель (MgAl₂O₄), виллемит {Zn₂[SiO₄]}, куприт (Cu₂O), волластонит {Ca₃[Si₃O₉]}, кварц (SiO₂) и некоторые другие рудные и нерудные минералы.

В химическом составе преобладают.

Fe — (34−42)%, SiO₂ — (32−38)%, Al₂O₃ — (4,6−7,5)%,.

Zn — (2−5)%, S — (0,9−1,2)%, Cu — (0,6−0,7)%.

В ходе отработки шлакоотвала, дробления и флотационного обогащения шлаков на обогатительной фабрике получают медно-цинковый концентрат и магнетит, содержащий песок.

3.4 ТМ черных металлов.

ТМ этой группы, как и ТМ цветных и редких металлов формируются при добыче, обогащении и переработке продуктов обогащения коренных руд чёрных металлов (Fe, Ti, Mn, Cr). Они так же, как правило, относятся к месторождениям смешенного типа, т. е. пригодны для доизвлечения различных металлов и для получения стройматериалов.

Для месторождений Урала этой группы наблюдается аналогичное соотношение запасов для разных их типов:

ТМ вскрышных и скальных пород и некондиционных руд — >5 000млн. т;

ТМ хвостов обогащения — 900 млн. т;

ТМ шлаков металлургических комбинатов — 200 млн. т.

Наибольший интерес среди ТМ чёрных металлов вызывают в последнее время хвосты мокрой магнитной сепарации титаномагнетитовых руд Качканарского ГОК’а (Урал). Хвостохранилище занимает площадь 2 000 200 м=40 га. В среднем в него ежегодно поступает около 34 млн. т хвостов. Материал их достаточно однороден, с преобладающим фракционным составом 1−4 мм. Распределение металла по поверхности хвостохранилища равномерное. Как следствие однородности состава шламов в них отмечаются стабильные содержания одного из редких металлов-скандия (C_Sc130 г/т), представляющего промышленный интерес.

ТМ металлургических предприятий представляют довольно сложные объекты. Строение подобных ТМ рассмотрим на примере ТМ Челябинского электрометаллургического комбината (АО «ЧЭМК»).

Шлаковые отвалы ЧЭМК формируются с начала ферросплавного производства в 1931 г. и продолжают функционировать по настоящее время. Они имеют в плане близкую к изометрической форму плоского типа (соотношение площади верхней поверхности и нижнего основания меньше двух). Площадь отвала около 38 га. Мощность тела отвала 16−31 м, средняя её величина — 22,55 м. Плотность материала — 2,5 т/м³.

Вывалка шлаков и отходов различного состава производилась хаотически, без соблюдения системы складирования, поэтому строение отвала сложное. Большая часть его поверхности покрыта пылями различных производств и саморассыпающихся шлаков, которые впоследствии проходят процесс литификации (слёживания), превращаясь в сцементированные тонкообломочные породы.

В отвале содержится около 653 тыс. т марганца. Основное перспективное направление переработки — использование в качестве строительного материала с предварительным извлечением металлических фаз. Характерными стройматериалами, которые могут быть получены из шлаков чёрной металлургии, являются:

гранулированные шлаки;

шлаковая пемза как заполнитель бетона;

шлаковата;

литой шлаковый щебень;

шлаковое литьё (брусчатка, плитки, бордюрный камень и пр.);

стеклокерамические изделия;

вяжущие добавки в цемент;

минеральные добавки для улучшения почв.

4. Методика и техника геолого-экономической оценки ТМ.

4.1 Основные этапы исследования ТМ.

Исследования ТМ и вовлечение их в эксплуатацию представляет собой комплексную проблему, которая может быть решена только совместными усилиями геологов, геофизиков, горняков, обогатителей и экологов. Методика исследований ТМ включает ряд этапов:

Рекогносцировочное геолого-геофизическое обследование ТМ. Оно выполняется путём изучения горно-геологической документации отработки коренных месторождений, осмотра техногенных образований на местах и составления схемы их залегания. На основании выполнения этих работ оценивается:

минералогический и петрофизический состав залежей ТМ и их физические свойства (плотность, электропроводность и т. д.);

ожидаемое содержание полезных и попутных компонент;

гранулометрический состав;

площадь и мощность залежей ТМ, их состояние, сроки складирования и т. д.

Первый этап работ заканчивается заключением о целесообразности дальнейшего изучения ТМ с целью вовлечения его в переработку, если существует потребность в том или ином продукте, полученном из техногенного сырья.

При этом оценка ТМ должна быть технолого-эколого-экономической, так как экологический аспект их разработки, наряду с сырьевым, является важнейшим.

Совокупность таких заключений может служить основой для составления централизованной картотеки, кадастра или банка данных по ТМ России.

Геолого-геофизическая съёмка поверхности отложений ТМ. Информация о ТМ, полученная на первом этапе исследований, требует уточнения. Многие ТМ существуют от нескольких десятков до 100 и более лет. В течение этого времени интенсивно шли процессы выветривания, окисления и выщелачивания, в результате которых произошло перераспределение элементов, изменение минералогического и вещественного состава техногенных отложений, вынос элементов и образование ореолов рассеяния. Эти изменения наиболее существенны для отходов добычи и обогащения сульфидных руд, которые при окислении и выщелачивании быстро разрушаются и переходят в окисленные минералогические формы, требующие при утилизации создания особых технологий извлечения полезных компонент.

Основным средством исследования ТМ на втором этапе являются ядерногеофизические методы, такие как рентгенофлуоресцентный (РФМ), нейтронноактивационный (НАМ), гамма-гамма (ГГМ) и др., обеспечивающие геолого-технологическое картирование и выявление наиболее перспективных для разработки участков.

Второй этап исследований ТМ начинается рентгенорадиометрической съёмкой, когда это возможно, или отбором проб с поверхности отложений по разведочным линиям с максимальным расстоянием между ними для однородных отвалов 100 м, а между пунктами опробования по линии — 10−20 м. Отбор проб по поверхности рыхлых отложений проводится горстьевым способом или способом вычерпывания. Крупные глыбы шлаков, горных пород, некондиционных руд и других образований опробуются штуфным способом. Проба представляет собой образец (штуф) или сколки, отобранные равномерно с опробуемой поверхности. В случае неоднородности строения объекта исследований проводится опробование каждой разновидности.

Отобранные пробы подвергаются сначала полуколичественному спектральному анализу с целью выявления широкого круга элементов в исследуемом материале. Количественный анализ осуществляется рентгенорадиометрическим или нейтронно-активационным методом в зависимости от минимальных содержаний (C_min) и типа (порядкового атомного номера Z) определяемых элементов, представляющих практический интерес. Для РФМ — С_min(10^-3-10^-2)%, Z>20; а для НАМ — С_min510^-5%; Z — практически любой.

При исследовании многих типов ТМ возможна рентгенофлуоресцентная съёмка (РФС) по поверхности отложений без отбора проб. Например, РФС с успехом применяется для картирования поверхности хвостохранилищ оловорудных, полиметаллических и некоторых других типов месторождений.

В процессе съёмки определяется содержания основных полезных компонент — Cu, Zn, Pb, Sn и др., сопутствующихFe, As и др., редких и рассеянных элементов — Ag, Cd, Re, Ga и др., которые имеют промышленное значение и могут быть извлечены при переработке техногенных руд, а также Sr, Ba, Sb, Zr, Rb, Ca, S, P, которые определяют технологический тип руды и влияют на извлечение полезных компонент. Такая многоэлементная съёмка может быть выполнена в настоящее время ретгенофлуоресцентным методом с портативной или переносной аппаратурой на пропорциональных, полупроводниковых или кристалл-дифракционных детекторах (АР-104, Дукат, Спетроскан и др.). По результатам съёмки выделяются перспективные для отработки участки ТМ.

Второй этап исследований включает также изучение физических свойств и минералогическое и петрофизическое изучение материалов проб и образцов. Результаты определения вещественного состава, минералого-петрографической и петрофизической характеристик техногенных отложений оформляются в виде геолого-технологической карты или плана.

Разбуривание перспективных участков. Основная его задача — заверка результатов поверхностной съёмки и получение данных о пространственном распределении оруденения в техногенных отложениях. На основе этих сведений осуществляется прогнозный подсчёт запасов полезных компонент, разработка плана отработки ТМ с учётом технологических типов оруденения и составление геологической карты и разрезов.

Разбуривание перспективных участков осуществляется по густой, разведочной сети — 1010 м, а для неперспективных участков по более редкой, поисковой, сети — 5050 м с экспресс-анализом шламовых проб рентгенофлуоресцентным методом, на тот же круг элементов, что и при съёмке.

Результаты исследований по этапам 1−3 уже достаточны для того чтобы начать разработку ТМ. Однако, для более эффективного использования техногенного сырья целесообразно проведение дополнительных исследований для уточнения технологии его переработки. С этой целью осуществляются исследования 4-го этапа.

Изучение малой технологической пробы. Оно направлено на решение технологических вопросов и составление технико-экономического обоснования (ТЭО) промышленного освоения ТМ с разработкой кондиций.

Малая технологическая проба массой от 50 до 100 т отбирается с перспективных участков. Изучение такой пробы позволяет:

оценить обогатимость руд, используя полученные данные по её гранулометрическому составу, распределению полезных компонент по классам крупности, контрастности оруденения, определённой химическим или радиометрическим методом, по вещественному и минералогическому составу, по степени окисленности рудных минералов и опытной флотации или гравитации;