Горное производство, как и любое другое не бывает безотходным, однако до середины ХХ века горнодобывающая промышленность не рассматривала образующиеся отходы как серьезную проблему. Темпы добычи и переработки полезных ископаемых увеличивались вместе с количеством образующихся отходов на предприятиях. Причем в последнее время показатель роста объемов производственных отходов стал существенно превышать выход выпускаемой продукции. Руды стали беднее (падает содержание извлекаемого ценного компонента), условия разработки месторождений усложнились, а образующиеся отходы в виде вскрышных, отвальных и пустых пород, а также хвостов технологического цикла неизбежно возрастают.
По статистике под породные отвалы выделяется 0,1 Га земельной площади. В реальности же отвалы занимают площади гораздо обширнее, около 100 млн. гектар, причем земля, находящаяся под этими отвалами может быть вполне плодородной. Рекреационная способность природы уже не справляется с возрастающим количеством образующихся отходов, что приводит к необратимым последствиям загрязнения окружающей среды.
С другой стороны, отходы горнорудной промышленности при этом имеют некоторый ресурсный потенциал, отвалы служат источником дополнительного производства, из некогда заброшенных забалансовых и беднобалансовых отвалов активно извлекается уран, золото, редкие и редкоземельные металлы. Наряду с этим отходы горных производств используются в качестве строительных материалов, а также для закладки выработанного пространства шахт и карьеров.
Переработка отходов горных производств, как правило, связана с потребностями смежных отраслей в сырье. Технологические исследования по утилизации показали возможность комплексной переработки многих полезных ископаемых с полным или частичным переходом на производство различных видов продукции из образующихся отходов.
Складирование отходов горнодобывающей отрасли требует анализа и сопоставления экономических затрат и возможных доходов от их утилизации. Следует учитывать, что хранение отходов в качестве минерально-сырьевых источников для последующей переработки несет в себе определенные затраты на их содержание (тарифы за поверхностное хранение, организация защитных мероприятий от вымывания, окисления, выветривания и т.п.).
Переработка накопившихся горнорудных отходов способствует экономии минерального сырья, позволяет высвобождать огромные площади плодородных земель, значительно снижает негативные последствия загрязнения окружающей среды, сокращает затраты на геологоразведочные мероприятия и разработку новых минеральных и сырьевых месторождений.
Радиоактивные отходы
... образованием радиоактивных отходов 8) Взаимозависимости образования радиоактивных отходов и обращения с ними 9) Безопасность установок 3.1. Основные стадии обращения с радиоактивными отходами При хранении радиоактивных отходов их ... их распада и последующего сброса в санкционированных пределах или хранение радиоактивных отходов высокого уровня активности до их захоронения в геологических формациях ...
Конечно, было бы гораздо эффективнее, если разработать такие производственные и технологические процессы, при которых отходов не было бы совсем, но, к сожалению, для горнодобывающей отрасли, впрочем, как и для многих других, это практически трудноразрешимая задача.
2. Безотходное производство — основное направление использования природных ресурсов
Горное производство образует твердые, жидкие и газообразные отходы (таблица 1).
Масса готовой продукции составляет лишь около 1% от общей массы используемых веществ. Сокращение потерь природных ресурсов в народном хозяйстве страны только на 1% по оценкам специалистов равноценно экономии 25 млрд. руб. в год.
Работа промышленных предприятий, научно-исследовательских и проектных институтов необходимо оценивать не только по показателям себестоимости продукции и производительности труда, но также и по коэффициенту полезного использования сырья и коэффициенту загрязнения природной среды.
Таблица 1. Виды отходов горного производства
|
№ п/п |
Характеристика отходов |
Способ добычи |
Обогащение |
|||
|
Открытый |
Подземный |
Геотехнологический |
||||
|
1 |
Твердые |
Вскрышные породы, часть балансовых запасов полезных ископаемых, бедные и забалансовые руды |
Вмещающие породы, часть балансовых запасов полезных ископаемых, бедные и забалансовые руды |
Часть балансовых запасов полезных ископаемых, бедные и забалансовые руды |
Хвосты обогащения |
|
|
2 |
Жидкие |
Карьерные воды |
Шахтные воды |
Рабочие агенты (теплоноситель, растворитель, окислитель и др.) |
Технологические стоки |
|
|
3 |
Газообразные |
Продукты массовых взрывов |
Рудничный воздух |
Продукты физических и химических реакций |
Продукты сгорания топлива, отходящие газы, продукты измельчения сушки, обжига и других технологичес-ких процессов |
|
Большое количество отходов является наиболее объективным показателем несовершенства проектируемой или применяемой технологической схемы, поэтому необходимо обеспечить создание и широкое применение технических средств и технологии для комплексного и более полного извлечения полезных компонентов из руд, а также использование малооперационных, малоотходных и безотходных технологических процессов.
Создание технологических процессов, в которых не образуются отходы, и на этой основе высокоэкологичных предприятий и территориально-производственных комплексов — одна из важнейших проблем современного общества. Понятие «безотходная технология» было впервые предложено академиком Н.Н. Семеновым и И.В. Петряновым-Соколовым в 70-х гг. До настоящего времени содержание этого понятия окончательно не определено.
В решении Европейской Экономической Комиссии (ЕЭК) ООН и Декларации о малоотходной и безотходной технологии и использовании отходов, принятом в 1979 г. в Женеве, указывается, что безотходная технология есть практическое применение знаний, методов и средств с тем, чтобы в рамках потребностей человека обеспечить наиболее рациональное использование природных ресурсов и энергии и защитить окружающую среду. Это определение, является общим и не раскрывает существо безотходной технологии.
Существует понятие «безотходное производство». Под ним понимается совокупность технологических процессов по извлечению полезных компонентов из природных ресурсов для удовлетворения материальных и духовных потребностей человеческого общества, в которых обеспечивается полное использование вещества (твердого, жидкого и газообразного) и энергии либо в рамках производственной деятельности человека, либо путем их включения в природный геобиохимический процесс. Это позволяет определить содержание понятия «безотходное горное производство» как комплекс мероприятий научно-технического и организационно-экономического характера, проводимых на всех стадиях добычи и переработки полезных ископаемых и обеспечивающих полное использование минеральных ресурсов и энергии либо непосредственно в самом горном производстве, либо путем их включения в природные геобиохимические процессы. Анализ показывает, что успешное решение этой проблемы позволит: получить дополнительные (и весьма значительные) объемы сырья; снизить и перенести на более отдаленные периоды расходы на освоение новых сырьевых районов; стабилизировать цены на минеральное сырье; существенно уменьшить масштабы воздействия горного производства на окружающую среду и тем самым создать условия для эффективного преодоления негативных тенденций развития минерально-сырьевой базы и горнодобывающей промышленности.
Принципиальное различие между обычной и безотходной технологиями показано на рисунке 1.
Обычная технологическая схема
Безотходная технологическая схема
Рис. 1. Обычная и безотходная технологические схемы освоения недр
Отмечено, что загрязнение окружающей среды отходами происходит из-за их неполного обезвреживания вследствие несовершенства технологического процесса или присутствия значительного количества примесей в исходном сырье. Загрязнитель после выброса в любую часть биосферы будет растворяться в ней и одновременно проникать в другие части биосферы, взаимодействовать с ними.
Идея создания безотходного горного производства заключается в разработке и реализации методов, средств и организационно экономического обеспечения, позволяющих вписать современное горное производство — как геохимически открытую систему с крайне низким коэффициентом выхода готовой продукции на единицу используемых природных ресурсов, в природный геохимический круговорот, превратив его тем самым в геохимически замкнутую производственную систему.
Замкнутое безотходное горное производство основывается на следующих принципах:
- минимум потерь вещества и энергии на стадиях их изъятия из природной (экологической) системы и последующего использования в горном производстве;
- максимум применения отходов горного производства (вещества энергии) в других хозяйственных системах и для восстановления нарушенного экологического равновесия природной системы.
Будучи выведенными из промышленного производства в окружающую среду, отходы со временем теряют свои полезные свойства. Поэтому, как отмечает академик Б.И. Ласкорин, очень важно перерабатывать отходы непосредственно в месте их образования и в момент возникновения. Чем дальше удаляются отходы от места их образования, тем больше усложняется задача и на определенном этапе становится практически неосуществимой. Необходимо указать, что проблема безотходного горного производства во многих аспектах совпадает с проблемой рационального использования минеральных ресурсов. Не случайно к числу важнейших направлений реализации основных принципов горного производства относятся:
- совершенствование существующих и разработка новых технологических схем добычи минерального сырья с целью повышении уровня извлечения из недр и вовлечения в эксплуатацию запасов полезных ископаемых, ранее отнесенных к забалансовым (горнотехническое направление проблемы рационального использовании минеральных ресурсов);
- совершенствование существующих и разработка новых технологических процессов переработки минерального сырья с целью сокращения потерь полезных ископаемых и отходов производства (технологическое направление, проблемы рационального использования минеральных ресурсов);
- возвращение в выработанное пространство вмещающих пород и отходов переработки полезных ископаемых с целью снижении уровня загрязнения природного ландшафта;
- использование вскрышных пород и отходов производства для повышения продуктивности, восстанавливаемых (рекультивируемых) земель, нарушенных в процессах горного производства;
- комплексное использование минерального сырья и отходов его переработки.
3. Комплексное использование минерального сырья и отходов его переработки
Это направление является самым важным в решении проблемы безотходного горного производства, так как почти все месторождения полезных ископаемых являются комплексными, т. е. содержат не один, а несколько полезных компонентов. Например, для горно-химической отрасли, комплексное использование минеральных ресурсов сопровождается с одной стороны максимальным извлечением полезных компонентов, содержащихся в рудах, утилизацией вмещающих пород и отходов производства для удовлетворения потребностей других отраслей народного хозяйства и улучшением технико-экономических показателей отрасли, а с другой — пополнением минерально-сырьевой базы отрасли за счет попутного извлечения фосфатов, серы и др. полезных компонентов при комплексной переработке руд черных и цветных металлов, природного газа и т. д.
В отечественной горнодобывающей промышленности накоплен большой опыт комплексного использования минеральных ресурсов. Предприятия цветной металлургии обладают значительным опытом комплексного использования сырья. Из 70 химических элементов, получаемых на предприятиях цветной металлургии, почти половину извлекают попутно: серебро, висмут, платину, золото, серу, цинк, свинец, медь и т. п., что составляет почти треть общей стоимости получаемой продукции. Общий экономический эффект комплексной переработки минерального сырья оценивается в несколько десятков миллиардов рублей. По расчетам специалистов, мобилизация имеющихся резервов при сравнительно небольших трудовых и капитальных затратах позволит более чем на 25 % увеличить потенциал добывающих отраслей.
Проблема комплексного использования сырья имеет большое значение как с экологической, так и с экономической точек зрения. Во многих отраслях промышленности до 60-70 % себестоимости продукции приходится на долю сырья. Рациональное использование сырья и вовлечение в производство вторичных ресурсов является важнейшей народнохозяйственной задачей и возведено в ранг государственной политики.
При разработке месторождений полезных ископаемых большие объемы вскрышных пород направляют в отвалы, которые занимают значительные площади. Вместе с тем, отвалы горных производств представляют собой дешевое и ценное сырье, которое может найти применение в строительстве, землепользовании и других отраслях промышленности.
Актуальной проблемой является комплексное использование сырья с переводом всех компонентов в промышленные продукты.
В схеме рационального комплексного использования минерального сырья выделяют следующие самостоятельные направления: геолого-минералогическое, горнодобывающее, обогатительное, химико-металлургическое, экономическое и экологическое.
Геолого-минералогическое направление включает следующие разделы: комплексное изучение горнорудных районов и месторождений; закономерности размещения оруденения, минералов и углей; вещественный состав руд и углей; выделение технологических типов руд, технологическое картирование месторождений; бедные и забалансовые руды; геолого-минералогическое изучение техногенного сырья; изучение вскрышных и вмещающих пород; технологическая геохимия и минералогия.
Горнодобывающее направление включает следующие разделы: разработка и внедрение оптимальных систем добычи полезных ископаемых; вторичная отработка месторождений; рациональное использование минерального сырья с организацией селективной добычи; подземное выщелачивание металлов; создание службы управления качеством добываемого сырья.
Правильный выбор системы разработки обеспечивает производительную, экономически выгодную и безопасную эксплуатацию месторождения при рациональном использовании запасов полезных ископаемых.
Основными составляющими обогатительного направления являются: внедрение технологических схем обогащения руд, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели и повышение извлечения металлов; обогащение труднообогатимых и забалансовых руд; разработка схем доизвлечения металлов из техногенных продуктов.
Основными разделами химико-металлургического направления являются: внедрение оптимальных схем химико-металлургического передела; извлечение элементов-примесей; применение гидрометаллургии для необогатимых руд; использование технологических пылей и газов; кучное выщелачивание металлов.
Важнейшим вопросом, связанным с проблемой рационального использования минерального сырья, является вовлечение вторичного сырья в цикл металлургического производства. Это позволяет экономнее расходовать природные рудные ресурсы, получать металлы более простыми и дешевыми металлургическими приемами, дополнительно увеличить выпуск металлической продукции. В перспективе вторичное сырье должно стать основным источником получения некоторых металлов.
Организация производства и экономика. Это направление включает следующие разделы: разработка методики определения социально-экономической эффективности минерального сырья; организация малоотходной добычи и переработки руд; разработка хозяйственного механизма эффективного использования полезных ископаемых.
Экономика минерального сырья и его оценка являются важнейшими комплексными вопросами, охватывающими масштабы запасов и промышленно-геологические условия месторождений полезных ископаемых, анализ их освоения, добычи и переработки.
Геолого-экономическая оценка проводится на всех стадиях изучения месторождений. На стадии поисков она позволяет отбраковать непромышленные рудопроявления и месторождения, а из остальных выбрать наиболее перспективные для предварительной разведки.
Геолого-экономическая оценка включает следующие операции: обоснование кондиций, оконтуривание в соответствии с ними месторождения.
Экономическая оценка месторождений полезных ископаемых определяет народнохозяйственный эффект от использования их запасов с учетом фактора времени. Основной ее показатель определяется в виде разности между ценностью конечной продукции и затратами на ее получение.
Важнейшими показателями экономической оценки месторождений при их разработке являются потери и разубоживание руды; комплексное использование рудного сырья; обоснование кондиций на минеральное сырье; организация службы управлением качеством добываемого сырья.
Проблема рационального комплексного использования минерального сырья, наряду с его направлениями, должна рассматриваться с учетом экологических условий. Поэтому вопросы охраны окружающей среды, разработка месторождений, технологическая переработка полезных ископаемых должны рассматриваться в едином комплексе.
Научно-технический прогресс предусматривает разработку важнейших проблем по основным направлениям обогащения полезных ископаемых, ведущим к совершенству технологических процессов, улучшению качественных показателей и снижению себестоимости получаемой продукции. Рациональное использование полезных ископаемых на стадиях их добычи и обогащения представляет собой единую неделимую проблему, главной задачей которой является наиболее полное использование основных и редких рассеянных металлов. Решение этой задачи к пересмотру и снижению минимального промышленного содержания полезных компонентов в руде и, следовательно, вовлечению в добычу и переработку более бедных руд.
Для подготовки руды к обогащению предусматривается разработка и внедрение эффективных способов управления ее качеством на основе ядерно-геофизических методов. Они, в частности, включают геолого-технологическое картирование оруденения месторождения путем геофизического каротажа скважин, радиометрическую сортировку руд с целью удаления разубоживающих безрудных пород.
Процессы рудоподготовки могут быть наиболее эффективны, если они комплексируются в геологической, горной и обогатительной части на основе изучения геофизических и геохимических полей руд и вмещающих пород и их технологических свойств. Новые подходы к решению вопроса управления качеством руды позволяют повысить комплексное использование сырья и извлечение металлов на 5-10%, а производительность труда — на 15 %.
В зависимости от промышленно-генетического типа месторождения, петрографического состава рудовмещающих пород, принятого способа его разработки определяется состав перемещенных в горные отвалы вскрышных и вмещающих пород в соответствии с принятой классификацией.
Попутно извлекаемые вмещающие породы при разработке месторождений полезных ископаемых находят широкое применение в народном хозяйстве. Они используются в стройиндустрии, металлургии, легкой и пищевой промышленности, как химическое, керамическое и агрономическое сырье, а также как возможный источник для извлечения металлов, минералов и других полезных компонентов. Особенно разнообразное применение они находят в производстве различных строительных материалов.
Вскрышные и вмещающие горные породы по своим геологическим особенностям и использованию в народном хозяйстве делятся на следующие пять групп: скальные, обломочные, глинистые, карбонатные и полевошпатовые.
Песчано-гравийные породы с включением галечного и валунного широко распространены и занимают наибольшие объемы в отвалах вскрышных пород, образованных при разработке рудных, неметаллических, угольных и особенно россыпных месторождений. В основу их классификации положен гранулометрический состав, в соответствии с ко торым по мере увеличения размера фракций от 0,05 до 700 мм и более, выделяются следующие типы пород: пески, гравий, галька , валуны. Они состоят из обломков различных горных пород или минералов и заполняющего более тонкозернистого вещества (разнозернистые, равномернозернистые), минеральным составом, а также прочностью и степенью окатанности. Среди них распространены породы переходного типа: песчано-гравийные, песчано-гравийно-гравелистые, гравийно-гравелистые.
Гравий используется как в естественном виде, так и после дробления фракций и применяется в виде крупного заполнителя бетона и при строительстве железных и автомобильных дорог.
Пески применяются при строительстве железных и автомобильных дорог, в качестве мелкого заполнителя при производстве бетона, для изготовления строительных растворов, в производстве силикатных строительных материалов, отощения глин при изготовлении грубой керамики, получения кровельных рулонных материалов, закладки подземных горных выработок, рекультивации земель при открытой разработке полезных ископаемых. Также пески используются как стекольное сырье, формовочный материал в литейном производстве, абразивный материал, для производства огнеупорного кирпича (динаса), получения тонкой керамики, фильтрации воды, в металлургической промышленности.
Карбонатные породы, представленные известняками, мелом, доломитами, магнезитами, сидеритами, родохрозитами и некоторыми другими, имеют в природе довольно широкое распространение и составляют от объема всех осадочных пород земной коры около 20 %. Главнейшими их разновидностями являются известняки, мл доломиты и магнезиты
В зависимости от физико-механических свойств карбонатные породы используются в строительстве в качестве стеновых, бутовых и облицовочных камней, брусчатки, шашки, щебня. Они применяются в металлургической, цементной, химической, пищевой, целлюлозно-бумажной, стекольной, электротехнической, парфюмерной промышленности, а также в сельском хозяйстве для известкования кислых почв и добавки к корму скота и птиц.
Для производства цемента используются известняки и мел, состоящие из кальцита — главного компонента сырьевой шихты. Карбонатное сырье, применяемое для стекольного производства — известняки, мел и доломиты. Наиболее чистым видом кальциевого сырья является мел, который используется при варке лучших сортов стекла. Известняки и доломитовые известняки используются для получения извести, являющейся основной составной частью строительных растворов, а также в химической промышленности в производстве соды, карбида кальция, хлорной извести, едкого калия и натрия, кальцинированной соды.
В металлургической промышленности карбонатные породы широко применяются для получения огнеупоров и используются в качестве флюсов. Известняк используют при переработке нефелиновых пород на глинозем, причем для получения 1 т глинозема необходимо 5-7 т известняка. Известняк служит в качестве флюсов в цветной металлургии: для выплавки меди, сурьмы и олова, а также при переработке оксидно-силикатных никелевых руд.
К настоящему времени накоплены огромные объемы техногенных отходов при добыче и переработке полезных ископаемых, использование которых в народном хозяйстве может дать большой экономический эффект и имеет важное значение для решения экологических вопросов. Среди них выделяются вскрышные и вмещающие породы; отвальные хвосты и шламы обогатительных фабрик; шлаки, пыли и газы металлургических заводов; золо-шлаковые отходы от сжигания углей.
Классифицируя отходы горно-технологической промышленности по эффективности и направлениям их использования, степени изученности и другим признакам (рисунок 2).
Рисунок 2. Классификация горно-технологических отходов и техногенных месторождений
Можно сделать вывод о том, что только определенная их часть представляет собой ценное сырье, которое может быть вовлечено во вторичную переработку при существующем уровне развития техники и технологии. Поэтому вполне целесообразно среди горно-технологических отходов выделить первоочередные объекты, которые по аналогии с природными месторождениями могут быть названы техногенными месторождениями. Они представляют собой скопления отходов добычи и переработки минерального сырья с запасами от первых десятков тысяч до сотен миллионов тонн, при использовании которых можно получать дополнительные объемы товарной продукции с большим экономическим эффектом.
Некоторые авторы предлагают горно-технологические отходы разделить на две группы: балансовые — это отходы производства и потребления, использование которых экономически целесообразно при существующем уровне развития техники и технологии их переработки; забалансовые — отходы производства и потребления, использование которых экономически нецелесообразно, но в будущем они могут быть вовлечены в производственный процесс.
Утилизация минерального сырья техногенных месторождений эффективна. Однако при этом требуется глубокое изучение качества отходов, его соответствия государственным отраслевым стандартам и техническим условиям. Необходимы новые технологии дообогащения отходов и производства изделий из них. При реализации проектов использования отходов затраты обычно скупаются за 1,5-2 года.
Определение степени пригодности промышленных отходов предприятий и производств в качестве вторичных минеральных ресурсов, возможно, установить в результате их изучения геологическими методами, в том числе геохимическими, минералогическими, петрографическими, структурными, литологическими и другими. Эти методы должны комплексироваться с гидрогеологическим, инженерно-геологическим, физико-механическим изучением отходов. Промышленные отходы необходимо изучать с широким привлечением современного комплекса технологических испытаний по обогащению, пирометаллургическому и гидрометаллургическому переделам.
В целях полной характеристики отходов необходимо знать не только качественные параметры, но и иметь количественную оценку, что может быть достигнуто путем проведения на отвалах и хвостохранилищах комплекса геологоразведочных работ.
Итогом всех проведенных геолого0технологических исследований с экономической оценки полученного материала является определение эффективности использования отходов в промышленных масштабах.
Технико-экономические вопросы. Эти вопросы являются самыми главными при планировании освоения техногенных месторождениях. Они могут успешно решаться при таких минимальных промышленных содержаниях, которые обеспечивают рентабельную переработку техногенных отходов. Экономическая выгода от разработки их может быть обеспечена в двух случаях: резкий рост стоимости извлекаемых компонентов и применение принципиально новой высокоэффективной технологии переработки техногенного сырья.
Важнейшим фактором повышения рентабельности при освоении техногенных месторождений является комплексное использование минерального сырья с извлечением основных и попутных металлов, а также получение важнейших материалов для использования в промышленности и строительстве.
Техногенные отходы часто представляют собой сильно перемешанные породы глинисто-песчано-крупнообломочного состава, которые невозможно непосредственно применять для изготовления важных материалов для промышленности. Учитывая огромные запасы не фракционированного материала, слабую проработку вопросов их технологической проработки, необходима постановка специальных исследований для поисков заменителей традиционных материалов и получения, новых их видов, которые могут найти широкое применение в народном хозяйстве.
Отходы обогатительных фабрик, представляющие мелкозернистый однородный материал, из которого возможно доизвлечь разные металлы, а также получить кварцевые, кварц-полевощпатовые, полевошпатовые, слюдяные, глиноземистые и другие концентраты. Еще более ценны для использования в промышленности отходы химико-металлургического производства и тепловых электростанций.
