Классификация хвостов обогащения по категории опасности

Ч.Б. Конгар-Сюрюн¹ , М.А. Черевко², А.В. Деньгаев³, С.В. Мустафаев^4
1 Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
² ООО «Нефтесервисные решения», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
³ Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, Москва, Российская Федерация
⁴ Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №3 / 2025 стр. 80-84

Резюме: Хранение хвостов обогащения создает опасность деградационного воздействия на экосистему. Изучение минералогии хвостов обогащения и их геотехнических параметров позволит дать оценку их экологической характеристике. В статье представлено исследование по изучению минералогической характеристики хвостов обогащения хвостохранилища с целью оценки влияния на окружающую среду. Для исследования были отобраны пробы с трёх хвостохранилищ обогатительных фабрик холдинга «Уральская горно-металлургическая компания» (УГМК): Гайская; Бурибаевская; Учалинская. Пробы исследовались методом рентгенографии в лаборатории Южно-Российского государственного политехнического университета имени М.И. Платова. В результате исследований установлено, что хвосты обогащения содержат потенциально токсичные элементы, оказывающие негативное воздействие на почвенный слой в радиусе минимум 200 м. Доказано наличие в хвостах обогащения вторичных минералов, образующихся в результате окисления сульфидов. Представлена классификация хвостов обогащения по степени потенциальной опасности.

Ключевые слова: хвосты обогащения, хвостохранилище, техногенные отходы, экосистема, окружающая среда, минералогический состав

Для цитирования: Конгар-Сюрюн Ч.Б., Черевко М.А., Деньгаев А.В., Мустафаев С.В. Классификация хвостов обогащения по категории опасности. Горная промышленность. 2025;(3):80–84. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-3-80-84

Информация о статье

Поступила в редакцию: 18.02.2025

Поступила после рецензирования: 11.04.2025

Принята к публикации: 11.04.2025

Информация об авторах

Конгар-Сюрюн Чейнеш Буяновна – аспирант, кафедра разработки месторождений полезных ископаемых, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-6097-905X; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Черевко Михаил Александрович – кандидат технических наук, генеральный директор ООО «Нефтесервисные решения», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; е-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Деньгаев Алексей Викторович – кандидат технических наук, доцент, Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, г. Москва, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-3378-6754; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Мустафаев Сардор Вафокул угли – студент магистратуры, Горный институт, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

Техногенные отходы (ТО) образуются в результате освоения месторождений полезных ископаемых [1]. Все ТО оказывают деградационное давление на окружающую экосистему и приводят к негативным социально-экономическим последствиям для общества [2].

Ввиду высокой активности ТО, скопившихся на поверхности, необходимо изучение их поведения с целью снижения вплоть до предотвращения влияния на окружающую среду. Это требует знания геохимических процессов, протекающих в техногенных массивах, и выявления различных факторов, влияющих на трансформационные изменения ТО [3; 4].

Контакт условно стабильных ТО с воздухом или водой запускает реакцию окисления, что увеличивает растворимость потенциально токсичных элементов [5]. Это приводит к увеличению подвижности ТО в составе кислотно-дренажных вод и их проникновению в почву, поверхностные и подземные воды, что отрицательно влияет на биоразнообразие флоры и фауны, а также здоровье человека [6; 7].

Особую опасность для окружающей среды представляют хвосты обогащения (ХО), являющиеся продуктом флотационного передела, где кроме неизвлечённых минералов содержатся различные химические реагенты.

ХО складируются в хвостохранилищах, где подвергаются различного вида трансформационным изменениям: окислительно-восстановительные реакции; осаждение; растворение; сорбция или адсорбция и др., которые приводят к образованию вторичных минералов, кислотных жидкостей и др. [8; 9].

Изучение минералогической характеристики ХО хвостохранилища с целью оценки влияния на окружающую среду является весьма актуальной проблемой.

Методы и материалы

Объект исследования. Для исследования были отобраны пробы с трёх хвостохранилищ обогатительных фабрик холдинга «Уральская горно-металлургическая компания» (УГМК): Гайская; Бурибаевская; Учалинская.

Отбор проб. Пробы для исследования отбирались с хвостохранилищ по методике и при помощи оборудования, описанных в работе [10], здесь не повторяем.

Исследование отобранных проб. Пробы исследовались методом рентгенографии в лаборатории Южно-Российского государственного политехнического университета имени М.И. Платова, описанным в работе [11], здесь не повторяем.

Результаты

Физические свойства хвостов обогащения. Гранулометрический состав и суммарное распределение частиц в общем объёме изображено на рис. 1 и 2. График распределения суммарного распределения частиц имеет вид полулогарифмической кривой (см. рис. 1). Геотехнические параметры ХО (табл. 1).

Рис. 1 Суммарное распределение частиц в общем объёме хвостохранилища
Fig. 1 Cumulative particle size distribution in the total volume of the tailings dump

Минералогический состав. Результаты микроструктурного исследования минералогии ХО указывают на присутствие во всех хвостохранилищах сульфидных минералов, таких как пирит, халькопирит и арсенопирит (рис. 2).

Рис. 2 Рудные минералы в образцах хвостов обогащения обогатительных фабрик: (a) Учалинская; (б) Гайская; (в) Бурибаевская (Asp – арсенопирит; Po – пирротин; Cpy – халькопирит; Gangue – пустая порода; Mag – магнетит; Hem – гематит)
Fig. 2 Ore minerals in the samples of the processing plants tailings: (a) Uchalinskaya; (b) Gayskaya; (c) Burbayevskaya (Asp – arsenopyrite; Po – pyrrhotite; Cpy – chalcopyrite; Gangue – gangue; Mag – magnetite; Hem – hematite)

Химический состав хвостов обогащения. Концентрации оксидов и отдельных химических элементов во всех образцах ХО на более высоком уровне в сравнении с верхним почвенным покровом на расстоянии 5000 м (см. рис. 2). Концентрация вредных веществ, входящих в состав обогащения, в верхнем почвенном покрове (до 0,2 м) на расстоянии 100 и 200 м от хвостохранилищ практически идентична характеристикам ХО.

Щёлочность среды ХО для Учалинского, Гайского и Бурибаевского хвостохранилищ составляет 7,77, 7,92 и 8,25 соответственно. Это свидетельствует о том, что в составе ХО присутствуют материалы, не выделяющие кислот.

Таблица 1 Геотехнические параметры хвостов обогащения обогатительных фабрик
Table 1 Geotechnical parameters of tailings from processing plants

Рис. 3 Концентрация химических элементов в исследуемых образцах
Fig. 3 Concentration of chemical elements in the tested samples

Рис. 4 Классификация хвостохранилищ по степени потенциальной опасности
Fig. 4 Classification of tailing dumps by the degree of potential hazard

Обсуждение

Градацию гранулометрического состава характеризуют показатели однородности и кривизны [12]. Исходя из результатов (см. табл. 1) все исследуемые хвостохранилища можно классифицировать как грунты с хорошим структурированием и сортировкой, так как значения однородности превышают 5, а значения кривизны в диапазоне 1–3. Низкое содержание пылеватых минералов в составе ХО подтверждается значением удельной площади поверхности частиц (см. табл. 1), одинаковой для всех хвостохранилищ. Диапазон кислотности ХО от нейтрального до слабощелочного свидетельствует о наличии в суспензии нейтрализующих минералов (силикаты или карбонаты).

Процесс закисления в хвостохранилищах оценивается значением pH-фактора среды [13]. Метод [14] позволяет определить нейтрализующий потенциал (NP) при помощи статического теста кислотно-щелочного учета. Потенциал нейтрализации (NP), который определяет количество карбоната в тонне ХО (CaCO₃/т), определяли по методике [15]. При определении потенциала возможного закисления среды (AP – кислотный потенциал) определяли, руководствуясь методикой [16]. Далее был рассчитан чистый потенциал нейтрализации (NNP = NP–AP) и отношение потенциала нейтрализации к кислотному потенциалу (NP/AP), которые характеризуют активность среды хвостохранилища и её возможное влияние на экосистему.

Графическое объединение критериев статистических тестов NNP и соотношения NP/AP позволят определить зоны образования и потребления кислоты и интерпретировать хвостохранилища с точки зрения их воздействия на окружающую среду (рис. 4). Критерии NP/AP и NNP, рассчитанные по методике [17], доказывают, что для Учалинского хвостохранилища суспензия ХО имеет щелочную среду, а для Гайского и Бурибаевского – нейтральную (рис. 4).

Кремниево-карбонатная матрица состава хвостов обогащения определяет нейтральность pH-фактора. Содержание микроэлементов, характерных для ХО, в поверхностном почвенном слое на расстоянии до 200 м и превышающее их значение в сравнении с почвами на расстоянии 5000 м свидетельствует об отрицательном влиянии хвостохранилища на окружающую среду (рис. 3).

Полученные данные позволяют оценить влияние ХО на окружающую среду и разработать методы, оптимизирующие управление хвостовым хозяйством, что снизит (вплоть до исключения) влияние ТО на экологическую обстановку.

Заключение

В результате проведённого исследования:

– установлено, что хвосты обогащения содержат потенциально токсичные элементы, которые оказывают негативное воздействие на почвенный слой в радиусе минимум 200 м;

– доказано наличие в хвостах обогащения вторичных минералов, образующихся в результате окисления сульфидов;

– предложена классификация хвостов обогащения по степени потенциальной опасности.

Список литературы

1. Тюляева Ю.С., Хайрутдинов А.М., Горелкина Е.И. Классификация георесурсов в парадигме их комплексного освоения. Горная промышленность. 2024;(6):140–143. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-6-140-143 Tyulyaeva Y.S., Khayrutdinov A.M., Gorelkina E.I. Increasing Classification of georesources in the paradigm of their integrated development. Russian Mining Industry. 2024;(6):140–143. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-6-140-143

2. Максаров В.В., Минин А.О., Васильков Д.В. Применение высокочастотного волнового воздействия для технологического обеспечения качества расточных поверхностей изделий из коррозионностойких алюминиевых сплавов. Цветные металлы. 2025;(1):76–83. https://doi.org/10.17580/tsm.2025.01.11 Maksarov V.V., Minin А.О., Vasilkov D.V. The use of high-frequency wave action for technological quality assurance of boring surfaces of products made of corrosion-resistant aluminum alloys. Tsvetnye Metally. 2025;(1):76–83. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/tsm.2025.01.11

3. Никитин В.И., Нечаева О.А., Живаева В.В. Программа для расчета объема фильтрата бурового раствора, проникающего в пласт при первичном вскрытии. Нефтяное хозяйство. 2022; (8):126–128. https://doi.org/10.24887/0028-2448-2022-8-126-128 Nikitin V.I., Nechaeva O.A., Zhivaeva V.V. Software for calculating the volume of drilling fluid filtrate penetrating into the reservoir during well completion. Neftyanoe Khozyaystvo. 2022; (8):126–128. (In Russ.) https://doi.org/10.24887/0028-2448-2022-8-126-128

4. Голик В.И., Гашимова З.А., Лискова М.Ю., Конгар-Сюрюн Ч.Б. К Проблеме минимизации объемов мобильной пыли при разработке карьеров. Безопасность труда в промышленности. 2021;(11):28–33. https://doi.org/10.24000/0409-2961-2021-11-28-33 Golik V.I., Gashimova Z.A., Liskova M.Yu., Kongar-Syuryun Ch.B. To the problem of minimizing the volume of mobile dust in the development of pits. Occupational Safety in Industry. 2021;(11):28–33. (In Russ.) https://doi.org/10.24000/0409-2961-2021-11-28-33

5. Соловьев С.В., Кузиев Д.А. Исследование жесткостных параметров привода тягового механизма драглайна ЭШ-10/70. Уголь. 2017;(1):37–38. Soloviev S.V., Kuziev D.A. Dragline ESH-10/70 linkage stiffness parameters study. Ugol’. 2017;(1):37–38. (In Russ.)

6. Ковальский Е.Р., Конгар-Сюрюн Ч.Б., Сиренко Ю.Г., Миронов Н.А. Моделирование реологических процессов деформирования несущих элементов камерной системы разработки для условий верхнекамского месторождения калийных солей. Устойчивое развитие горных территорий. 2024;16(3):1017–1030. https://doi.org/10.21177/1998-4502-2024-16-3-1017-1030 Kovalkiy E.R., Kongar-Syuryun Ch.B., Sirenko Yu.G., Mironov N.A. Modeling of rheological deformation processes for room and pillar mining at the Verkhnekamsk potash salt deposit. Sustainable Development of Mountain Territories. 2024;16(3):1017–1030. (In Russ.). https://doi.org/10.21177/1998-4502-2024-16-3-1017-1030

7. Тюляева Ю.С., Хайрутдинов А.М. Создание закладочного композита на основе отходов угольной промышленности. Уголь. 2024;(10):24–27. Режим доступа: https://ugolinfo.ru/artpdf/RU2410024.pdf (дата обращения: 25.02.2025). Tyulyaeva Yu.S.1, Khayrutdinov A.M. Creation of a backfill composite based on coal industry waste. Ugol’. 2024;(10):24–27. (In Russ.) Available at: https://ugolinfo.ru/artpdf/RU2410024.pdf (accessed: 25.02.2025).

8. Nikitin V.I. Nechaeva O.A., Mozgovoi G.S. Analysis of the results of the experiment to determine the saturation of the filtrate of drilling fluid of the core sample. AIP Conference Proceedings. 2021;2410:020014. https://doi.org/10.1063/5.0067566

9. Клементьева И.Н., Кузиев Д.А. Выемочно-погрузочный драглайн с ковшом инновационной конструкции. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019;(7):149–157. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2019/7/149_157_7_2019.pdf (дата обращения: 13.02.2025). Klementyeva I.N., Kuziev D.A. Extracting-and-loading dragline with innovative design bucket. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2019;(7):149–157. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2019/7/149_157_7_2019.pdf (accessed: 13.02.2025).

10. Pshenin V.V. Determination of parameters of rational placement of oil and petroleum product vapor recovery unit. International Journal of Engineering. 2025;38(2):362–367. https://doi.org/10.5829/ije.2025.38.02b.10

11. Jastrzębska M., Kazimierowicz-Frankowska K., Chiaro G., Rybak J. New frontiers in sustainable geotechnics. Applied Sciences. 202;13(1):562. https://doi.org/10.3390/app13010562

12. Конгар-Сюрюн Ч.Б. Влияние шахтной воды на прочностные характеристики искусственного массива, созданного на основе техногенных отходов. Уголь. 2024;(12):75–78. Режим доступа: https://ugolinfo.ru/artpdf/RU2412075.pdf (дата обращения: 13.02.2025). Kongar-Syuryun Ch.B. Influence of mine water on the strength of artificial mass based on industrial waste. Ugol’. 2024;(12):75–78. (In Russ.) Available at: https://ugolinfo.ru/artpdf/RU2412075.pdf (accessed: 13.02.2025).

13. Nikitin V.I., Agrelkina M.M. Justification for the selection of a relative permeability model in the task of predicting drilling fluid filtrate invasion into the formation. International Journal of Engineering. 2025;38(10):2312–2320. https://doi.org/10.5829/ije.2025.38.10a.08

14. Алиева Л., Жуков И.А. Повышение эффективности ударно-поворотного бурения горных пород высокой крепости совершенствованием структуры породоразрушающего безлезвийного инструмента. Устойчивое развитие горных территорий. 2024;16(4):1681–1694. https://doi.org/10.21177/1998-4502-2024-16-4-1681-1694 Alieva L., Zhukov I.A. Upgrading rotary-percussion drilling of high - strength rocks by improving the structure of a rockcrushing blade-free tool. Sustainable Development of Mountain Territories. 2024;16(4):1681–1694. (In Russ.) https://doi.org/10.21177/1998-4502-2024-16-4-1681-1694

15. Nikitin V.I., Zhivaeva V.V., Mozgovoy G.S. Calculation of saturation and depth of filtrate penetration in the primary opening. In: Ashmarina S.I., Mantulenko V.V. (eds) Proceedings of the International Conference Engineering Innovations and Sustainable Development. Vol. 210. Cham: Springer; 2022, pp. 271–275. https://doi.org/10.1007/978-3-030-90843-0_30

16. Коршак А.А., Пшенин В.В. Моделирование выноса водных скоплений из нефтепроводов методами вычислительной гидродинамики. Нефтяное хозяйство. 2023;(10):117–122. https://doi.org/10.24887/0028-2448-2023-10-117-122 Korshak A.A., Pshenin V.V. Modeling of water slug removal from oil pipelines by methods of computational fluid dynamics. Neftyanoe Khozyaystvo. 2023;(10):117–122. (In Russ.) https://doi.org/10.24887/0028-2448-2023-10-117-122

17. Kravcov A., Dudchenko O.L., Svoboda P., Ivanov P.N., Sizikov M.V., Belov O.D., Gapeev A.A. Broadband ultrasonic pulse-echo method for estimation of local density of tungsten samples. Journal of Physics: Conference Series. 2019;1172:012064. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1172/1/012064