Решение геоэкологических проблем безопасности и глубокой переработки природно-техногенных месторождений

В.Н. Анисимов, к.т.н., академик Академии горных наук (АГН), член-корр. Международной Академии наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ), президент НПЦ «Экоресурсы»

И.С. Булгаков, к.т.н., доцент, Губкинский институт (филиал) Московского государственного открытого университета им. В.С. Черномырдина (ГИ(ф) МГОУ);

Г.К. Гасиев, горный инженер-технолог, Почетный горняк, Региональное отделение КМА АГН, НПЦ «Экоресурсы»

Современный этап человеческой деятельности характеризуется усилением техногенного воздействия на окружающую среду. Особенно негативно влияют на биосферу те отрасли промышленности, которые в наибольшей степени загрязняют своими производственными отходами атмосферу, гидросферу, земную поверхность. К таким отраслям относится горнодобывающая и перерабатывающая отрасли промышленности. Охрана и безопасность труда, рациональное использование минерально-сырьевых, природных ресурсов – важнейшие проблемы современности, от решения которых зависит благосостояние нынешних и будущих поколений. В отдельных регионах России, особенно с мощными горнодобывающими и перерабатывающими комплексами, обозначились проблемы нарушения существующего в природе относительного равновесия, что в ближайшее время может привести к далеко идущим последствиям (расширение зон экологического бедствия и промышленных катастроф).

Ситуационный план техногенных месторождений на территории Белгородской области

Ситуационный план техногенных месторождений
на территории Белгородской области

Существующее законодательство предусматривает механизм рационального взаимодействия человеческого общества и окружающей природной среды, обеспечение сохранения и восстановления природных богатств, рациональное использование природных ресурсов, предупреждающее прямое и косвенное вредное влияние результатов деятельности общества на природу и здоровье человека.

Так, например, в настоящее время регион Курской магнитной аномалии (КМА) можно рассматривать как один из элементов фундамента минерально-сырьевой безопасности нашей страны. Можно с уверенностью утверждать что, объемы добычи и переработки минерального сырья на КМА в ближайшие годы будут только возрастать, что соответственно будет сопровождаться значительным возрастанием техногенной нагрузки на окружающую среду [1, 6, 7, 3].

Вопросы геоэкологической безопасности горного производства приобретают с увеличением объемов добычи и переработки минерально-сырьевых ресурсов первостепенное значение [1, 4, 5].

Увеличение извлекаемых запасов минерального сырья возможно не только в результате интенсификации существующих и поиска новых месторождений, но и в результате освоения техногенных месторождений (в частности хвостохранилищ), образовавшихся в результате переработки железистых кварцитов КМА.

Общее количество накопленных хвостов на ГОКах КМА превышает 320 млн т. Вместе с немагнитными фракциями (гематитом, пиритом и т.д.) в шламохранилищах обогатительных фабрик накапливаются золото, уран и редкоземельные элементы. По данным ГП «Невскгеология», в хвостохранилище только Михайловского ГОКа ежегодно в течение 30 лет выносится не менее 1,5 т золота и 2,0 т урана. Прогнозные ресурсы попутно не извлекаемого золота в текущих отходах четырех ГОКов КМА, составляют не менее 3,0 т. в год при валовом содержании 0,5–0,6 г/т. А по данным Тульского филиала ЦНИГРИ, на обогатительной фабрике ОАО «Комбинат КМАруда» в пробах хвостов, отобранных из устья пульпопроводов, установлено содержание золота в количестве от 0,2 до 9,0 г/т.

Количество металла (железа) в образовавшихся техногенных месторождениях ГОКов КМА колеблется в пределах от 32 до 62 млн т.

Вовлечение в хозяйственный оборот отходов горнорудной промышленности представляет собой крупную хозяйственную задачу общегосударственного значения, актуальность успешного решения которой возрастает (Постановление Правительства РФ №755 от 11.12.2006 г. и приказ №1538 Федерального агентства по недропользованию от 31.10.2007 г.).

В настоящее время определились три направления создания безотходных или малоотходных производств:

- разработка принципиально новых технологических схем и методов безопасного промышленного производства, исключающих выброс отходов в окружающую среду;

- создание замкнутых технологических схем с многократным использованием воды и технологических газов;

- создание систем переработки отходов производства, которые рассматриваются как вторичные материальные ресурсы, с организацией крупных региональных территориальнопромышленных комплексов с замкнутой структурой потоков сырья для глубокой его переработки.

Экономичная переработка труднообогатимых руд и техногенного сырья, рациональное использование ресурсов природного минерального сырья, – невозможны без комплексной их переработки. Отсутствие схем комплексной переработки руды часто препятствует промышленному освоению многих месторождений.

Технологические схемы многих обогатительных фабрик не обеспечивают извлечения всех ценных металлов (компонентов), в т.ч. нерудных ископаемых, которые безвозвратно теряются в отвалах и хвостохранилищах. Еще в 1932 г. академиком А.Е. Ферсманом была четко сформулирована идея комплексной переработки руд: «Комплексная идея – есть идея в корне экономическая, создающая максимальные ценности с наименьшей затратой средств и энергии, но эта идея не только сегодняшнего дня, это идея охраны наших природных богатств от их хищнического расточения, идея полного использования рудного сырья, идея возможного сохранения наших природных запасов на будущее», но необходима новая законодательная база и внесение дополнений в Закон о недрах.

Ситуационный план техногенных месторождений на территории Тульской области

Ситуационный план техногенных месторождений
на территории Тульской области

Еще не поздно уже сейчас приступать к реконструкции действующих ГОКов с целью радикального улучшения уровня использования природных ресурсов, сырья и материалов, топлива и энергии на всех стадиях – от добычи и переработки сырья до выпуска готовой продукции. Один из путей решения этой задачи – внедрение современных комбинированных методов обогащения. Разработка эффективной и экономичной схемы обогащения – сложная задача со многими неизвестными. Она требует внимательного сопоставления многих, часто противоречивых данных и экспериментального исследования. Трудность такого исследования связана с тем, что обогащению подвергается комплекс разнородных минералов, имеющих разновидности и различные составы даже в пределах одного (естественного или техногенного) месторождения. При этом необходимо учитывать комплексное обогащение с получением нескольких концентратов или получение концентрата различных по свойствам минералов, но содержащих один и тот же элемент.

Существующие методы обогащения позволяют использовать большое число вариантов схем, различающихся операциями и их последовательностью. Учитывая ограниченные возможности экспериментальной проверки схем, их предварительный и обоснованный выбор представляет собой важную составную часть исследований.

Поэтому на первом этапе решения геоэкологических задач на предприятиях, производящих переработку полезных ископаемых, необходимо создать лаборатории, осуществляющие исследования на обогатимость руд в зависимости от генезиса месторождения путем создания гибких комбинированных технологических схем, укомплектовать их современным оборудованием и соответствующими кадрами.

Создание новых, более совершенных и экономически эффективных технических средств и технологий может превратить ранее непригодные для промышленного использования источники сырья (как естественные, так и техногенные) в эффективные и высоко рентабельные.

В процессе оценки геоэкологического состояния Оскольского рудного района КМА был изучен химический состав хвостов обогащения железистых кварцитов Коробковского месторождения. Сопоставление эколого-геохимических характеристик хвостов со средними содержаниями химических элементов в литосфере показывает, что в хвостах происходит избирательная концентрация металлов: золота – 0,43 г/т, германия – 5,0 г/т, цинка – 200 г/т, магния – 4,0%, железа – 10%, лития – 50 г/т, серебра – 0,10 г/т, стронция – 400 г/т, кремния – 35,0%.

Подобное избирательное накопление достигает опасного экологического уровня, в несколько раз превышающего ПДК, в том числе элементов – токсикантов, способных проникать в водоносные горизонты и мигрировать на десятки километров. Поэтому для снижения техногенных воздействий на окружающую среду, возникающих в процессе переработки железистых кварцитов, необходима технология глубокого извлечения из хвостов ОФ полезных компонентов и удаления вредных примесей (токсикантов) с последующим их безопасным захоронением. Один из вариантов такой технологии, предложенный специалистами НПЦ «Экоресурсы» Регионального отделения КМА Академии горных наук, основан на создании мобильных технологических комплексов. На сегодняшний день разработаны и испытаны узлы и оборудование, которые способны решать вышеуказанные задачи. Мобильные технологические комплексы способны одновременно решить задачи комплексного использования сырья как в геоэкологическом, так и экономическом плане[2–5]. Предлагаемые техника и технология окупаются менее чем за один год.

Так, например, только на ДОФ ОАО «Комбинат КМА руда» за 9 месяцев 2011 г. выпущено 1932 тыс.т хвостов обогащения с массовой долей железа 9,0%. Объём металла, возвращённого обратно в шахту в виде закладки отработанных камер, составил порядка 174 тыс. т. Поскольку схема обогатительной фабрики не позволяет извлекать железо, связанное с гематитом, потери в экономическом плане очевидны. Если перевести количество металла в концентрат с массовой долей железа 66,0% и влажностью 9,7%, можно было бы получить дополнительный (сверхплановый) концентрат объёмом 290 тыс. тонн (!). За счёт этого концентрата только ОАО «Комбинат КМАруда» мог бы получить доход в сумме 797,5 млн рублей (!). Суммарные объемы глубокой переработки отходов по КМА и полученная прибыль позволили бы решить и геоэкологические проблемы региона КМА.

Таким образом, глубокая переработка техногенных месторождений КМА представляется задачей социально значимой, актуальной, крайне необходимой и обязательной, решать которую надо незамедлительно для обеспечения безопасной экологической обстановки как Губкинско-Старооскольского района, на который ложится все возрастающая техногенная нагрузка, так и в целом региона КМА – основного поставщика железорудного сырья в России на ближайшие десятилетия. Антропогенное воздействие на природную среду создаёт условия, опасные для существования человека. Это обстоятельство вынуждает решать вопросы защиты окружающей среды от вредных производственных факторов, существенно влияющих на здоровье.

Необходимость в обеспечении такой защиты давно назрела в Староскольско-Губкинском районе и в Белгородской области в целом. Об этом свидетельствует прежде всего состояние здоровья населения: по данным государственного комитета по ОС Белгородской области, за период 1991–1999 гг. хронические формы патологии увеличились в 2 раза; болезни крови и кроветворных органов – в 3,9 раза; новообразования – в 1,4 раза; болезни органов пищеварения – в 1,3 раза; болезни мочевой системы – в 1,7 раза; число врожденных аномалий увеличилось в 2,4 раза. Ухудшение медико-демографических показателей населения области отмечается с 1986 г. С 1990г. данное явление перешло в депопуляционный процесс, и в 1999 г. убыль населения достигла рекордной за последние 20 лет цифры в 11,2 тыс. человек в год.

Неблагоприятная экологическая обстановка, как отмечалось выше, также сложилась в Подмосковном бассейне, где накопилось большое количество угольных и золошлаковых отвалов, которые служат исходным сырьем для получения тонкодисперсного водноугольного топлива (ТДВУТ). Очередным потенциально крупным источником извлечения многочисленных редкоземельных металлов и ценных полезных ископаемых могут служить золошлаковые отвалы, сформированные за многолетнюю историю сжигания углей в ТЭС, и шламохранилища обогатительных фабрик. Проведенные в 1960–1975 годы Территориальным геологическим управлением Центральных районов России работы установили повышенное содержание в углях 17-ти элементов, а такие элементы, как германий и скандий, даже в повышенных концентрациях, в ряде случаев представляющих промышленный интерес. Сопоставив средние содержания малых элементов с их кларковыми значениями в бурых углях, можно утверждать, что угли Подмосковного бассейна отличаются повышенной металлоносностью. Количество металла (тыс.т) определяется следующим образом : алюминия – 195000, железа – 55000, титана – 3700, цинка – 425, хрома – 190, лития – 125, ванадия – 67, никеля– 6, висмута – 3, серебра – 3, золота – 0,3[9].

Наряду с оценкой ресурсного потенциала попутных полезных ископаемых, содержащихся в природных углях, заслуживает серьезного внимания оценка техногенных ресурсов ценных элементов – примесей в породах и золошламовых отвалах и шламах Подмосковного угольного бассейна. При добыче углей шахтами и карьерами вскрышными и вмещающими породами были заняты огромные территории земель.

Угольные электростанции, производящие большое количество шламов и золы, внесли свою лепту в техногенное нарушение земель. Многолетняя эксплуатация ТЭС привела к накоплению более 130 млн т золошлаковых отходов. Ежегодное поступление золошлаковой смеси в отвалы колеблется от 2 до 3 млн т. Существующие шлако- и золоотвалы стали источником постоянного загрязнения окружающей среды.

В золоотвалах ГРЭС и ТЭС Подмосковного бассейна зарегистрировано высокое содержание железа, алюминия, титана, цинка, висмута, хрома, лития, циркония, ванадия, свинца, никеля и других элементов. Потенциальные запасы металлов в них составляют (тыс. т): железа – 1280000, алюминия – 45000, титана – 450, цинка – 55, висмута – 30, хрома – 25, циркония – 18, лития – 17, ванадия – 13, никеля – 7, галлия – 6, скандия – 2, ниобия – 1, серебра – 0,3, молибдена – 0,1, золота – 0,1 [9].

Золоотвалы ТЭС и ГРЭС Тульской и Рязанской областей относятся к группе глиноземных и могут стать потенциальным сырьем для производства глинозема, коагулянта стройматериалов, бесхлорных удобрений. Зола углей Подмосковья отличается высоким содержанием глинозема, достигающим в среднем около 35%. По этому показателю глинозём практически сравнялся с бокситами, используемыми для производства аллюминия.

Наряду с этим следует отметить, что угли восточной части Подмосковья отличаются высокой сернистостью. Сера в углях представлена органическими соединениями и сульфидами, главным образом пиритом, а также халькопиритом и марказитом. Отвалы шахт Подмосковного угольного бассейна содержат огромное количество пирита в пустой породе, складируемой после обогащения углей. Практически эти накопления пирита можно считать перспективными техногенными месторождениями серного колчедана.

Промышленное освоение имеющихся на территории Подмосковного бассейна природных и техногенных месторождений позволит не только получить ряд ценных и редких элементов для последующего их использования в различных секторах экономики, но и существенно улучшить экологическую обстановку региона за счет утилизации большого числа накопленных за многие годы породных и золошлаковых отвалов, шламохранилищ и последующей рекультивации занимаемых ими территорий.

Не лучше дела обстоят в Кузнецком и Ростовском угольных бассейнах, а также на Дальнем Востоке, в Якутии, Западной Сибири и на Урале.

В горнопромышленной зоне Урала (Челябинская обл. и др.) эксплуатация золоторудных месторождений началась более двух веков назад с применением вредоносной ртути. В результате этого, например, современный г. Карабаш (по шкале МЧС отнесённый к категории района, претерпевшего геоэкологическую катастрофу), –признан одной из самых грязных техногенных зон на планете, влияющей на гидросферу целого региона.

Негативное влияние на окружающую среду в течение многих лет оказывает комплекс нефтедобычи и транспортировки нефти. Так, в районе Самотлора возникли очень большие территории (до десятков тысяч гектаров), загрязненные нефтепродуктами, которые требуют очистки и дальнейшей рекультивации для предотвращения глобальной геоэкологической катастрофы вследствие проникновения техногенных загрязнений в водоносные горизонты и их дальнейшей миграции на сотни километров.

Нарушения экологии в этих промышленных районах приводят к росту числа онкологических заболеваний, органов дыхания, кроветворных органов, системы кровообращения, костно-мышечной и мочеполовой систем, а также органов пищеварения, сокращают рождаемость и увеличивают смертность населения.

Использование отечественных разработок в области геоэкологической безопасности, начатых еще в СССР и доведённых до промышленного применения, сегодня позволяет проектировать крупные региональные территориально-промышленные комплексы с замкнутой структурой потоков сырья для глубокой переработки, предполагающие использование отходов в качестве вторичных материальных ресурсов.

Разработаны технологические схемы и методы переработки, исключающие выбросы в окружающую среду, а также замкнутые технологические циклы обогащения сырья с многократным использованием воды.

Для разрешения сложнейшей проблемы очистки территории от техногенных загрязнений и попутного извлечения полезных и токсичных компонентов НПЦ «Экоресурсы» предлагает прошедшие апробацию и готовые к применению инновационную технологию и оборудование для безотходных и малоотходных производств, способных минимизировать энергетические затраты на глубокую переработку минерального сырья и радикально ослабить отрицательные воздействия на окружающую среду. В частности, основой инновационной технологии служит мобильный комплекс, включающий три основных аппарата: гидродинамическую мельницу, полочный многопродуктовый гидроклассификатор и центробежный конусный концентратор [4].

Центробежный конусный концентратор (ЦКК) выделяет тяжелые компоненты, в том числе железо, золото и платиноиды. Предложенная конструкция ЦКК по эффективности работы превосходит концентраторы производства Knelson, «Орокон», шлюз-грохот для обогащения полезных ископаемых «Геоцентр Прогресс» и др. Извлечение тяжелых компонентов достигает 95–99%, попутно становится возможным использовать отходы процесса в качестве строительных материалов. Новизна технических решений защищена несколькими авторскими свидетельствами на изобретение и патентами [10–12].

В ходе опытно-промышленных испытаний комплекса (одного модуля), выполненных специалистами НПЦ «Экоресурсы», зафиксированы следующие показатели его работы:

- производительность по твердому – 35 т/ч (по гидросмеси – 165 м3/ч);

- установочная мощность электродвигателей – 150–200 кВт;

- объем переработанных хвостов при сезонном (7,5 месяцев в год) режиме работы в три смены – 112 тыс. т.

Предложенный технологический комплекс с входящим в него оборудованием имеет значительные технологические преимущества по сравнению с известными модульными фабриками. В этом комплексе капитальные затраты окупаются менее чем за один год.

Технологический комплекс предназначен для глубокой переработки отходов обогатительных фабрик цветной и черной металлургии с целью извлечения полезных компонентов (золота, платины, палладия, серебра, немагнитного железагематита др.), и удаления из них вредных примесей, в т.ч. радионуклидов. Все эти компоненты и обезметаленные отходы (хвосты) рассматриваемого производства представляют собой достаточно ценную продукцию для металлургической, строительной и других отраслей промышленности.

Предлагаемая технология переработки техногенных отходов (хвостов обогащения, эфелей) позволяет обеспечить выделение и последующее захоронение вредных примесей, в том числе и в подземные выработанные пространства, после предварительного их сгущения, что также обеспечивается техническими средствами, входящими в состав предлагаемого нами комплекса. Эта технология обеспечивает рентабельное и практически экологически чистое безотходное производство, способное к тому же существенно снизить себестоимость продукции действующих горно-обогатительных предприятий цветной и черной металлургии России.

Возможность реализации резерва по снижению себестоимости с одновременным устранением и обезвреживанием вредных примесей из хвостов обогащения (эфелей), связана с использованием важнейшего принципа построения экотехнологии горного производства, базирующегося на замкнутом цикле обращения вещества, исключающем негативное влияние на гидросферу и экосистему любого промышленного региона в целом. Но успешное решение всех перечисленных задач лежит в плоскости политической воли и принятия на законодательном и правительственном уровнях ряда жёстких решений, обязывающих крупных промышленников инвестировать средства на разрешение геоэкологических проблем регионального масштаба, чтобы потом не пришлось вкладывать более значительные средства в ликвидацию техногенных катастроф, грозящих принять глобальный характер (аналогичных Карабашу на Урале).

Глубокая переработка хвостов обогащения мобильными технологическими комплексами могла бы позволить увеличить прибыль на 20–40% каждого из горнорудных предприятий (только на КМА в Губкинском городском округе на 3–3,5 млрд руб.),что в свою очередь могло бы позволить выделить порядка 600–800 млн руб. в год на решение социально экономических вопросов и существующих геоэкологических проблем (при соответствующей законодательной инициативе населения и депутатов как на местном, так и федеральном уровне). На сегодняшний день, как на региональном, так и федеральном уровне отсутствует законодательная база, позволяющая в частности прибыль от глубокой переработки техногенных месторождений, образовавшихся за исторически длительный период времени от деятельности горнорудных предприятий, направлять на решение социально-экономических проблем конкретного района. Требуется внесение соответствующих поправок в Закон о недрах и в готовящийся закон о техногенных месторождениях по их глубокой переработке [11].

Исходя из сложившейся экологической ситуации в регионе КМА, Подмосковном бассейне и других горнопромышленных регионах страны, развитие горной отрасли могло бы идти в следующих направлениях:

- действующие предприятия горнорудной промышленности при соответствующей нормативной законодательной базе могут приступить к разработке и внедрению технологических схем, обеспечивающих комплексную глубокую переработку исходного техногенного сырья; предприятиям, осуществляющим разработку и переработку месторождений полезных ископаемых, необходимо предусматривать средства;

- на для проектные и экспериментальные работы по глубокой переработке техногенных месторождений (хвостохранилищ), созданных в процессе прошлой и текущей эксплуатации; на создание мобильных опытно-промышленных комплексов под конкретные виды перерабатываемого сырья и проведение опытно-промышленных работ с целью получения данных, необходимых для проектирования промышленных установок для конкретных условий.

В частности, для адаптации и применении технологии глубокой переработки техногенных и природно-техногенных месторождений угледобывающих и горно-металлургических предприятий требуются инвестиции в размере 370–400 млн руб. Данная технология позволяет решать накопившиеся геоэкологические задачи в целом ряде регионов, где расположены мощные горно-перерабатывающие и горно-металлургические комплексы, и назревшие социально-экономические вопросы [8].

Контактные телефоны авторов:

Анисимов Виктор Николаевич – 8(926)1407789;

Булгаков Иван Семенович – 8(980)3717550;

Гасиев Георгий Казакович – 8(915)5227729.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Котенко Е.А., Морозов В.Н., Кушнеренко В.К., Анисимов В.Н. Геоэкологические проблемы КМА и пути их решения. // Горная промышленность. " 2003. " №2." С .12–16..

2. Анисимов В.Н., Булгаков И.С., Кушнеренко В.К. Новый технологический комплекс по переработке отходов обогащения металлосодержащих руд. // Горный журнал. " 2007. " № 6." с.18–22.

3. Анисимов В.Н. Глубокая безотходная переработка природно"техногенных месторождений автономными мобильными технологическими комплексами. // Полиуретановые технологии. " 2009. " № 2. – С.22–28.

4. Анисимов В.Н. Безотходная переработка природно–техногенных месторождений мобильными технологическими комплексами. // Горная промышленность. 2009. " № 4(86) – С42–49.

5. Анисимов В.Н. Глубокая безотходная переработка природно"техногенных месторождений автономными мобильными технологическими комплексами // ТЭК и ресурсы Кузбасса. " 2009. " № 2 /55/. – С. 36–43

6. Каплунов Д.Р., Лейзерович С.Г. и др. О дальнейшем развитии горных работ в бассейне КМА. // Горный журнал. – 2011. " №10. " С.44–49.

7. ПРАВИЛА рациональной комплексной переработки минерального сырья (твердые полезные ископаемые) ПБ 03"234 "96 . Изд. ИПКОН РАН, 1996. – С. 17–24.

8. Основы государственной политики в области экологического развития России на период до 2030 года. Утвержденные президентом России Медведевым Д.А. 30.04.2012 г.

9. Потапенко В.А., Кузнецов Ю.Н., Гавришин С.С. Комплексная оценка природного и техногенного ресурсных потенциалов Подмосковного буроугольного бассейна. // Горная промышленность 2012 "№ 4."С"104–106

10. Анисимов В.Н., Булгаков И.С., Гасиев Г.К. Геоэкологические проблемы безопасности и глубокой безотходной переработки техногенных месторождений КМА. // Охрана труда и промышленная безопасность . 2012, № 6

11. Анисимов В.Н., Щербаков А.Ю. Обращение к кандидатам в губернаторы Белгородской области и кандидатам в депутаты Губкинского и Старо"Оскольского городских округов. От 5 октября 2012 года.

12. Анисимов В.Н., Булгаков И.С. Многопродуктовый акустический гидроклассификатор" сгуститель. Патент на полезную модель № 95559, 2010.

Журнал "Горная Промышленность" №6 2012, стр.64