Оценка направлений использования техногенных ресурсов при отработке различных видов минерального сырья

А.В. Соколовский¹, Н.В. Гончар^2
1 ООО «Научно-технический центр – Геотехнология» («НТЦ-Геотехнология»), г. Челябинск, Российская Федерация
² АО «Русская медная компания», г. Екатеринбург, Российская Федерация
Горная Промышленность №5 / 2023 стр. 102-107

Резюме: Рассмотрены проблемы, связанные с остановкой деятельности угольного разреза «Коркинский» в Челябинской области. Представлены направления использования техногенных ресурсов, образованных при отработке угольного и вновь осваиваемого меднорудного месторождений, таких как карьерная выемка, вскрышные породы, хвосты обогащения. Приведена оценка возможных направлений использования техногенных ресурсов в аспекте ликвидации отработанной выработки Коркинского угольного разреза. Обосновано, что наиболее рациональным способом ликвидации отработанной выработки угольного разреза является заполнение ее закладочным материалом на основе хвостов обогащения медной руды. Описан процесс производства закладочного материала и его транспортирования до места выпуска. Заполнение Коркинского разреза закладочным материалом позволит решить эколого-социальные проблемы региона.

Ключевые слова: угольный разрез, техногенный ресурс, закладочный материал, пульпа, пульпопровод, экология, рекультивация

Для цитирования: Соколовский А.В., Гончар Н.В. Оценка направлений использования техногенных ресурсов при отработке различных видов минерального сырья. Горная промышленность. 2023;(5):102–107. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-5-102-107

Информация о статье

Поступила в редакцию: 15.09.2023

Поступила после рецензирования: 02.10.2023

Принята к публикации: 03.10.2023

Информация об авторах

Соколовский Александр Валентинович – доктор технических наук, генеральный директор, ООО «НТЦ-Геотехнология», г. Челябинск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Гончар Наталия Валерьевна – кандидат технических наук, заслуженный эколог Российской Федерации, вице-президент по экологической и промышленной безопасности, АО «Русская медная компания», г. Екатеринбург, Российская Федерация

Введение

На территории Челябинской области расположен один из самых глубоких угольных разрезов – «Коркинский». Глубина разреза на момент окончания горных работ составляла около 500 м. Отработка запасов производилась в период с 1934 по 2017 г. За это время было извлечено около 270 млн т угля и 1,3 млрд м³ горной породы. К концу отработки запасов образовался целый ряд проблем:

1. Экономические – добыча угля в разрезе «Коркинский» стала нерентабельной, себестоимость добычи превысила цену реализации.

2. Экологические – после остановки горных работ в прибортовой зоне активизировались эндогенные пожары. Это привело к тому, что по результатам инвентаризации, проведенной в декабре 2017 г., было выявлено 17 зон самонагревания общей площадью более 263 тыс. м² и 3 открытых эндогенных пожара. Выбросы в атмосферу превышали нормируемые значения. Другим отрицательным экологическим воздействием разреза на прилегающую территорию являлся сброс карьерных вод, откачиваемых из разреза, в реку Чумляк.

3. Геомеханические – в результате предшествующей хозяйственной деятельности в разрезе сформировались масштабные оползневые явления, угрожающие производственной и социальной инфраструктуре города Коркино и поселка Роза, расположенных вблизи разреза. За период с 2006 по 2017 г. зона опасных деформаций продвинулась по поверхности в сторону поселка Роза на 50 м, прибортовая полоса на длине 200–250 м оказалась в зоне накопления деформаций, превышающих предельно допустимые.

В 2013–2015 гг. на территории пос. Роза в границах зоны влияния разреза был произведён массовый снос и расселение жилых домов, оказавшихся к тому моменту в аварийном состоянии, оползневые процессы не прекратились и угрожали расположенным вблизи бортов разреза городу Коркино и поселку Роза. На конец отработки (2017 г.) наихудшей устойчивостью обладал восточный борт, который находился в аварийном состоянии. По состоянию на 2017 г. в центральной части восточного борта скорость смещения достигла 12 см/год. Появились трещины в зданиях станции Роза, котельной, ВГСЧ, ряда жилых домов, под железнодорожными путями и шоссейной автодорогой.

На рис. 1 и 2 представлены фотографии разреза на момент завершения его эксплуатации.

Рис. 1 Эндогенные пожары и задымление территории в период до 2017 г.

Fig. 1 Spontaneous fires and smoke pollution of the territory in the period up to 2017

Рис. 2 Оползни и разрушение уступов на момент завершения эксплуатации

Fig. 2 Landslides and bench failures at the time of mine closure

Прекращение работы Коркинского разреза само по себе всех проблем не решило. Эндогенные пожары в разрезе продолжались, выбросы в атмосферу превышали нормируемые значения, обострилась социальная обстановка, связанная с задымленностью территории. На рис. 3 приведены примеры загрязнения атмосферного воздуха вокруг карьера в результате эндогенных пожаров в период до 2018 гг. [1–2].

Рис. 3 Карта-схема распространения веществ, входящих в группу негативного воздействия в приземном слое атмосферы при эндогенных пожарах на территории угольного разреза «Коркинский» Источник: [1–2]

Fig. 3 A schematic distribution map of substances that belong to the negative impact group in the surface layer of the atmosphere during spontaneous fires in the territory of the Korkinsky coal strip mine Source: [1–2]

Методы

Для решения социально-экологических проблем, включающих ликвидацию пожаров и прекращение оползневых явлений, было принято решение по поиску направлений использования карьерной выемки угольного разреза, которые позволили бы использовать имеющийся техногенный ресурс данного объекта, а также получить социальноэкологический эффект. При этом рассматривалось несколько вариантов использования.

Одним из основных рассматривался вариант заполнения выработанного пространства разреза посредством переэкскавации и перемещения пород вскрыши из отвала вскрышных пород, расположенного на северо-западе от угольного разреза «Коркинский». Данное направление использования позволило бы сократить площади отвалов, восстановить земли под отвалами. Однако объем выработанного пространства угольного разреза «Коркинский» составляет 1,3 млрд м³. Затраты на реализацию этого варианта оцениваются в размере не менее 30 млрд рублей. Период проведения работ, как отмечено в научном докладе А.Ю. Даванкова [3], займет более 20 лет. Дополнительно для территории, заполненной породами вскрыши, потребуются работы по ее рекультивации, восстановлению плодородия почвы.

Кроме этого, на поверхности отвала Коркинского разреза происходит зарастание естественной травянисто-кустарниковой растительностью, что подтверждается результатами исследований современного состояния флоры и растительности отвалов вскрышных пород отработанного угольного разреза «Коркинский», выполненного ФГБОУ ВО «Челябинский государственный университет» [4].

Выемка пород из отвала с целью перемещения для закладки разреза повлечет нарушение растительного слоя, созданного на отвале, приведет к дополнительным выбросам пыли в результате выемочно-погрузочных работ, а также загрязнению атмосферного воздуха при транспортировании породы в разрез. Все это приведет к ухудшению экологического состояния территории.

Таким образом, вариант заполнения угольного разреза «Коркинский» породами вскрыши нецелесообразен по экономическим соображениям, а также не приводит к значительному улучшению экологической обстановки.

Другим вариантом дальнейшей судьбы разреза рассматривалась сухая консервации горных выработок разреза.

В этом варианте потребуется сохранение водоотлива и постоянных расходов на его эксплуатацию, а также непрерывное проведение противопожарных и противооползневых мероприятий. Результаты экономических, технологических и экологических оценок показали, что по этим факторам сухая консервация разреза нецелесообразна.

Использование отработанной выработки угольного разреза «Коркинский» для создания водного объекта путем естественного затопления был рассмотрен специалистами Института горного дела УрО РАН в 2014 г. [5]. 3D-моделирование заполнения выработанного пространства разреза «Коркинский» при глубине 493 м, объеме 1,3 млрд м³ и суммарном водопритоке 300 м³/ч показало, что полное затопление произойдет не ранее чем через 530 лет.

В докладе А.Ю. Даванкова [3], помимо уже рассмотренных выше вариантов, были также предложены санитарно-гигиеническая рекультивация и создание гидроаккумулирующей электростанции в отработанном разрезе.

В рамках санитарно-гигиенической рекультивации было предложено выполнить выполаживание верхних вскрышных уступов, изоляцию выходов угольных пластов с целью предотвращения самовозгорания угля, посадку древесно-кустарниковых насаждений и посев многолетних трав. Южный и восточный борта рекомендовалось осваивать под плантации облепихи, юго-восточный склон – под сооружения спортивной базы для зимних видов спорта.

Верхние уступы северного борта планировалось использовать под строительство гаражей, складов и пр. При этом в нижней части карьерной выемки, по предложению автора, должен быть создан водоем. Данный вариант не принят исходя из результатов оценки устойчивости бортов, которая не обеспечит требуемого уровня безопасности жизни и здоровья людей, находящихся на рекультивированной территории и проживающих вблизи с ней.

Вариант строительства гидроаккумулирующей электростанции (ГАЭС) предусматривал создание двух водоемов: нижнего – на дне разреза и верхнего аккумулирующего – на месте гидроотвалов и карьерной выемки разреза «Батуринский». Минимальный объем воды, который необходим для работы ГАЭС, составлял 30 млн м³. В нижнем водоеме такой объем воды планировалось получить за счет пластовых и грунтовых вод. В ночные часы, когда потребление электроэнергии существенно падает, вода из нижнего бассейна перекачивается по трубопроводу наверх – в аккумулирующий водоем. В дневные часы электроэнергия, вырабатываемая за счет воды, падающей из аккумулирующего водоема в нижний, идет на покрытие пиковых нагрузок.

Предложенный вариант создания гидроаккумулирующий электростанции не учитывал затраты на ликвидацию и профилактику пожаров, а также на обеспечение устойчивости бортов разреза.

В качестве альтернативы ликвидации была рассмотрена возможность доработки оставшихся запасов бурого угля. Анализ горнотехнологических, экономических и экологических условий показал, что дальнейшая отработка запасов не представляется возможной в связи с многочисленными ограничивающими факторами.

Таким образом, рассмотренные выше направления использования техногенного ресурса, образованного в результате отработки Коркинского угольного разреза, являются экономически, экологически или технологически неприемлемыми.

В 2016 г. по поручению Губернатора Челябинской области специалистами ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет» был проведен независимый экологический аудит проектной документации, связанной со строительством Томинского горно-обогатительного комбината, расположенного на расстоянии 14 км от разреза и входящего в состав АО «Русская медная компания». Одной из рекомендаций аудита было рассмотреть возможность совместного использования техногенных ресурсов при отработке Томинского и Коркинского месторождений [6].

Техническая возможность и экологическая безопасность проведения работ по использованию техногенных ресурсов угольного разреза «Коркинский» для складирования закладочного материала на основе хвостов обогатительной фабрики АО «Томинский ГОК» подтверждены ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет» [7].

В 2017 г. АО «Русская медная компания» приняла решение о разработке проекта ликвидации Коркинского разреза [8] с использованием закладочного материала на основе хвостов обогащения Томинского ГОКа. Были выполнены необходимые научно-исследовательские работы, изыскания и подготовлена проектная документация, в которой определены параметры производства и транспортирования закладочного материала, обоснован порядок работ по ликвидации горных выработок.

На указанные проекты получены необходимые заключения экспертиз и согласований, в том числе заключения Государственной экологической экспертизы Федеральной службы Росприроднадзора, подтверждающие допустимость их реализации с точки зрения безопасности для окружающей среды.

Проектной документацией предусматривалась следующая схема работ.

Хвосты обогащения по пульпопроводам из главного корпуса обогатительной фабрики Томинского ГОКа направляются в распределительную емкость (пульподелитель) участка сгущения цеха производства закладочного материала. Изготовление закладочного материала ведётся с помощью сгустителей диаметром 88 м. Материал, получаемый в результате сгущения хвостовой пульпы, обладает свойствами водонасыщенного суглинка, т.е. имеет низкий коэффициент фильтрации и малую водоотдачу.

Получаемый закладочный материал не является взрывои пожароопасным, не пылит, не выделяет летучих токсичных веществ, не образует токсичных соединений с другими веществами, не обладает кумулятивными свойствами. Химический состав жидкой фазы закладочного материала весьма благоприятный, что объясняется бедностью вкрапленных руд и практически полным быстрым извлечением сульфидных минералов в процессе флотации. Дополнительным требованием к производству закладочного материала является обеспечение возможности его транспортирования по трубопроводам до Коркинского разреза [8]. По результатам исследований1 [9] принято оптимальное соотношение твердой и жидкой фазы в транспортируемом материале по весовому составу: 54% – твердого и 46% – жидкого.

После процедуры сгущения закладочный материал магистральным трубопроводным транспортом подается к распределительным трубопроводам, уложенным на бортах Коркинского разреза. По трассе трубопровода предусмотрены необходимые мероприятия по обеспечению безопасной эксплуатации, в том числе аварийные емкости, предотвращающие попадание закладочного материала на прилегающую территорию в случае внештатных ситуаций.

Трубопроводы для подачи закладочного материала в выработанное пространство размещены по северному и южному бортам разреза. Подключение к магистральным нитям трубопровода осуществляется на западном борту разреза. Резервные трубопроводы, проложенные рядом с основными, используются в период проведения ремонтных работ или при устранении аварийных ситуаций.

Такое размещение трубопроводов обусловлено необходимостью первоочередной подачи закладочного материала для пригрузки восточного борта и повышения его устойчивости. После укрепления восточного борта выпуск закладочного материала будет перенесен ближе к западному борту.

Общий объем закладочного материала, который планируется разместить в разрезе за весь период работ составит более 1 млрд м³. Отметка зеркала воды на момент окончания заполнения, которое ожидается к 2050 г., составит +206 м.

После окончания заполнения карьерной выемки закладочным материалом предусматривается техническая и биологическая рекультивация оставшихся откосов уступов и прикарьерной территории [9].

На техническом этапе рекультивации будет выполнено выполаживание откосов уступов до углов, обеспечивающих их долговременную устойчивость, засыпка нагорных и водоотводных канав, демонтаж электрических сетей, трубопровода, площадки выпуска закладочного материала и других вспомогательных объектов, очистка территории рекультивации от производственных отходов в соответствии с требованиями санитарно-эпидемиологического и природоохранного законодательства. На заключительной стадии технического этапа предусмотрено нанесение плодородного слоя почвы.

На биологическом этапе рекультивации будут проведены работы по улучшению ландшафта, созданию условий для зарастания поверхности травами, кустарниковой и древесной растительностью. Будет произведен посев травосмеси на бермах и откосах выположенных уступов, а по периметру разреза будет высажена древесно-кустарниковая растительность. Посадка кустарниковой растительности является дополнительно противоэрозионным мероприятием.

Обсуждение результатов

Таким образом, по результатам использования техногенных ресурсов, образованных при отработке Коркинского и Томинского месторождений минерального сырья, удастся сократить техногенное воздействие и сформировать водоём с озеленёнными берегами.

В связи с высокой социально-экологической значимостью реализации данного проекта для координации работ и взаимодействия с органами власти распоряжениями Правительства Челябинской области сформированы рабочие группы под руководством Губернатора Челябинской области.

В состав рабочих групп включены специалисты Министерства энергетики РФ, ФГБУ по вопросам реорганизации и ликвидации нерентабельных шахт и разрезов «ГУРШ», Правительства Челябинской области, Управления Росприроднадзора по Челябинской области, Уральского управления Ростехнадзора, администраций Сосновского и Коркинского муниципальных районов, Федерального казенного учреждения «Управление федеральных автомобильных дорог «Южный Урал» Росавтодор, филиала ОАО «МРСК Урала» – «Челябэнерго», территориального управления Росимущества в Челябинской области, Главного управления лесами Челябинской области, ЮжноУральской железной дороги – филиала ОАО «РЖД», а также представители АО «Русская медная компания», АО «Томинский ГОК» и АО по добыче угля «Челябинская угольная компания».

В настоящее время все эндогенные пожары в разрезе локализованы, ведется подача закладочного материала, организован регулярный экологический, гидрогеологический и геомеханический мониторинг. По результатам мониторинга при необходимости выполняется корректировка проектных решений.

Фотографии текущего состояния разреза в процессе его заполнения представлены на рис. 4.

Рис. 4 Фотографии текущего состояния разреза «Коркинский»

Fig. 4 Photographic pictures of the current state of the Korkinsky coal strip mine

Заключение

С учетом вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. Совместное использование техногенных ресурсов при отработке различных видов минерального сырья, в частности, связанное с заполнением отработанного пространства угольного разреза «Коркинский» закладочным материалом на основе хвостов обогатительной фабрики АО «Томинский ГОК», является уникальным и крупнейшим экологическим проектом России по устранению накопленного ранее экологического вреда.

2. Принятым вариантом использования техногенных ресурсов предусматривается комплексное решение вопросов эксплуатации Томинского ГОКа в части обращения с отходами обогащения путем включения Коркинского разреза в технологическую цепочку, а также решение проблем Коркинского разреза с ландшафтом, тушением эндогенных пожаров и укреплением бортов.

3. Для реализации проекта проведены необходимые научно-исследовательские и проектно-изыскательские работы с привлечением ведущих научных и проектных институтов в области горного дела, геомеханики, гидрогеологии и экологии.

4. Постоянно выполняются исследования и мониторинг использования рассматриваемых техногенных объектов и при необходимости проводятся корректирующие мероприятия для повышения надежности и экологической безопасности.

Список литературы

1. Pashkevich M.A., Danilov A.S., Matveeva V.A. Remote sensing of chemical anomalies in the atmosphere in influence zone of Korkino open pit coal mine. Eurasian Mining. 2021;(1):79–83. https://doi.org/10.17580/em.2021.01.16

2. Данилов А.С. Разработка дистанционных методов оценки и прогноза состояния атмосферного воздуха на территориях горнопромышленных агломераций: автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб.; 2019. 23 с.

3. Даванков А.Ю. (ред.) Социально-экономические направления нейтрализации негативных последствий техногенеза. Екатеринбург: Институт экономики УрО РАН; 2017. 40 с.

4. Меркер В.В. Современное состояние флоры и растительности отвалов вскрышных пород отработанного угольного разреза «Коркинский». Челябинск: Челябинский государственный университет; 2017. 187 с.

5. Панжин А.А., Усанов С.В., Мельник В.В. и др. Исследование геомеханических и геодинамических условий в области влияния разреза «Коркинский» и разработка методических рекомендаций по возможным вариантам его ликвидации, организации и развертывании системы полномасштабного геофизического и гидро-геомеханического и научного мониторинга за состоянием прибортового массива, обеспечивающих безопасность окружающей социальной и промышленной инфраструктуры. Екатеринбург: Институт горного дела Уральского отделения РАН; 2014. 421 с.

6. Валиев Н.Г., Гуман О.М. Проведение экологического аудита документации, связанной со строительством Томинского горно-обогатительного комбината. Екатеринбург: УГГУ; 2016. 566 с.

7. Пашкевич М.А., Исаков А.Е., Кремчеев Э.А. и др. Анализ технической возможности и экологической безопасности проведения работ по ликвидации отработанной выработки угольного разреза «Коркинский» с использованием закладочного материала на основе хвостов обогатительной фабрики АО «Томинский ГОК» с выдачей рекомендаций для проектирования. СПб.: Санкт-Петербургский горный университет; 2016.

8. Алтушкин И.А., Левин В.В., Сизиков А.В., Король Ю.А. Опыт освоения месторождений медно-порфирового типа на Урале. Записки горного института. 2017;228:641–648. https://doi.org/10.25515/PMI.2017.6.641

9. Соколовский А.В., Лапаев В.Н., Темникова М.С., Гордеев А.И. Технологические особенности ликвидации разреза «Коркинский». Уголь. 2018;(3):91–95. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2018-3-91-95