Вопросы геологического обеспечения разработки хвостохранилищ

В.В.Мосейкин,  проф., д.г-м.н. МГГУ, Е.П.Щербакова, доц., к.т.н., МГГУ


Горно-обогатительные комбинаты в своем большинстве характеризуются наличием очень больших по объемам и занимаемым площадям хвостохранилищ, являющихся техногенными образованиями, в которых сосредоточены значительные скопления полезных компонентов. Оставаясь непригодными для последующего использования нередко в течение десятилетий, хвостохранилища, по мере совершенствования технологии обогащения и применяемого для этих целей оборудования, уже имеют или могут в будущем приобрести большое промышленное значение. Учитывая при этом имеющее место негативное воздействие хвостохранилищ на экологическую обстановку горнопромышленных регионов и отсутствие в большинстве случаев свободных территорий и средств для строительства новых хвостохранилищ, решение вопросов по их разработке становится особенно актуальным. Однако отсутствие обоснованных кондиций на отвальные хвосты и продукцию из них с учетом затрат на переработку создают значительные трудности в выявлении технологически значимых параметров объектов и требуют разработки методов их ресурсной оценки и технологических решений по отработке. При этом особенно важным при разработке хвостохранилищ как техногенных месторождений является геологическое обеспечение, к основным задачам которого относятся:

•    установление ресурсной ценности горнопромышленных отходов в качестве источника вторичного минерального сырья на основе изучения пространственно-качественной структуры объекта;

•    определение инженерно-геологических характеристик состава и свойств отходов для мониторинга устойчивости откосных сооружений и несущей способности внутренних зон;

•    изучение технологических свойств отходов как минерального сырья;

•    компьютерное моделирование геолого-технологических зон для их последующей отработки.

Хвостохранилища, как известно, сложены преимущественно водонасыщенными раздельнозернистыми и глинистыми отходами рудообогащения. Поэтому существенная роль в формировании и последующей разработке хвостохранилищ как техногенных месторождений принадлежит гидромеханизированным технологиям. Возможности их освоения гидромеханизированным способом могут быть проиллюстрированы на примерах хвостохранилищ Оленегорского и Ковдорского ГОКов, для условий которых, при участии авторов настоящей статьи, были выполнены работы по их геологическому обеспечению.

Геологическое обеспечение гидромеханизированной разработки этих объектов включало в себя:

•    геолого-технологическую диагностику отходов рудообогащения;

•    геолого-технологическое картирование объектов с выделением статистически однородных участков распределения полезных компонентов;

•    оценку возможности применения земснарядов или гидромониторно-землесосных комплексов;

•    оконтуривание технологических границ хвостохранилищ для отработки гидромеханизированным способом;

•    выделение геолого-технологических зон с учетом целевой направленности переработки и экологически безопасного складирования отходов рудообогащения.

Аварийное хвостохранилище Оленегорского ГОКа, являющееся техногенным месторождением, расположено в южной губе оз.Колозера. Его площадь составляет 320.4 га (собственно хвостохранилище – 253 га; аккумуляционный бассейн-прудок – 60.2 га; дамба – 7.2 га). Хвосты техногенной залежи представлены магнетит-гематитовыми песками. Плотность минерального скелета хвостов – 3.4 г/см3, естественная плотность (при влажности 8%) – 1.8 г/см3. Содержание железа в хвостах: общего Feобщ 17.5–20.5%; магнетитового Femg 7.0–7.8%; гематитового Fegem 6.8–9.8%. Средняя мощность залежи – 4.3 м.

Для обоснования технологических границ отработки аварийного хвостохранилища были сформированы два вида графических моделей изменчивости технологических параметров: геостатистические, которые учитывали только случайную изменчивость параметров и использовались для выделения блоков однородного строения, и топографические, моделирующие изменчивость технологических параметров, когда случайной составляющей можно пренебречь. В результате были выделены технологические границы отработки хвостохранилища земснарядом 200-50БК в 2000–2001гг. и на перспективу (рис. 1).

В настоящее время разработка хвостов земснарядом на обводненных участках хвостохранилища производится в карьере, который представляет замкнутую акваторию, что полностью исключает возможность попадания взвешенных частиц в Колозеро.

Рабочим проектом в соответствии с техническими показателями ДОФ Оленегорского ГОКа в качестве основного оборудования принят земснаряд 200-50 БК с производительностью по воде 1500 м3/ч и напором 73 м. Работа земснаряда производится на водообороте. Для восполнения потерь предусматривается использование естественных и промышленных стоков.

Продуктивная толща мощностью 1.0–6.9 м залегает на наклонном основании. Условием полной отработки залежи является выемка хвостов в пределах всей разведанной площади аварийного хвостохранилища, при этом глубина водоема должна быть не менее 1.5 м – минимальной глубины разработки земснарядом 200-50 БК. В качестве начального участка работ принята ближайшая к ДОФ зона хвостохранилища, где создан пионерный котлован земснаряда.

Обоснование и технология гидромеханизированной разработки аварийного хвостохранилища детально рассмотрены в работах [1,2].

Разработка техногенного месторождения этим способом при небольших затратах обеспечивает дополнительное получение свыше 500 тыс.т техногенного минерального сырья в год с минимальным ущербом для окружающей среды.

Хвостохранилище Ковдорского ГОКа, являющееся также техногенным месторождением, расположено в южной части отвода, и его площадь составляет около 3 км2 (длина – 4 км, ширина варьирует от 100 до 1000 м). Выделяются два разделенных водной акваторией блока: юго-восточный, содержащий свыше 80% запасов отходов обогащения, и северо-западный. Мощность отложений блоков составляет, соответственно, 38–40 м и 14 м. Залежь сформирована в результате многолетнего намыва отходов магнитного, а с 1976 г. и флотационного обогащения апатит-магнетитовых руд.

Геолого-технологической диагностикой отходов рудообогащения установлено, что лежалые хвосты могут быть использованы:

-    для извлечения Р2О5 и получения высококачественного апатитового концентрата;

-    для извлечения Р2О5 и MgO и получения плавленых фосфорно-магниевых удобрений, а также производства кормового трикальцийфосфата, поскольку массовое отношение СаО к P2O5 находится в пределах 1.35–1.38;

-    для получения бадделеитового концентрата.

Установлена нецелесообразность использования лежалых хвостов как строительного материала, ввиду их радиоактивности (40–50 мкР/ч).

Количественная оценка характера и интенсивности пространственной изменчивости показателей качества хвостов с помощью экспериментальных вариограмм показала, что изменчивость аппроксимируется сферическими и линейными моделями изменчивости с эффектами самородков. Установлено, что для основных компонентов (Р2О5 и ZrO2) и структурных показателей (выход фракций различного класса крупности) наибольшая изменчивость проявляется в направлении намыва хвостов.

На основе нахождения оптимальной системы классификационных признаков, с помощью метода главных компонентов выделены геолого-технологические зоны I и II. Для зоны I характерен высокий выход фракции (48%) класса +3.0 –0.14 мм, содержание ZrO2 – 0.34%, радиоактивность – 50 мкР/ч; для зоны II – выход фракции –0.074 мм (44%), фракции +3.0 –0.14 мм (18%), содержание ZrO2 – 0.24% и радиоактивность 18 мкР/ч [3].

Геолого-технологическое картирование хвостохранилища позволило в условиях действующего ГОКа рекомендовать комплексную систему управления качеством руды. Она предусматривает вовлечение в переработку складированных отходов рудообогащения в режиме усреднения (состав шихты – 80% руды из карьера и 20% хвостов) с подачей отходов на апатит-бадделеитовую фабрику, выделением части бадделеита и совместным обогащением материала с хвостами магнитной обогатительной фабрики по флотационно-гравитационной схеме.

Технология опытно-промышленных работ по добыче и обогащению хвостов ММС с применением карьерной техники – экскаваторов ЭКГ-8И и автосамосвалов грузоподъемностью 110 и 120 т рассмотрена в работе [4]. Промышленный участок расположен в наименее обводненной части залежи. Вскрытие 10-метрового слоя хвостов осуществлено экскаваторами со стороны северного борта наклонными и разрезными траншеями. Несущая способность хвостов, за исключением некоторых участков, оказалась достаточной как для работы экскаваторов, так и для движения груженых автосамосвалов по дорогам без щебеночного покрытия.

Вместе с тем, сильная обводненность массива хвостов в связи с наличием в центре залежи прудка, запасы воды которого (10 млн. м3) использовались в системе водооборота ОФ, и весьма низкий коэффициент фильтрации тонко измельченных хвостов осложнили производство добычных работ в настоящее время. На первом этапе разработки с целью осушения карьерного поля организована откачка воды из прудка и ее подача в систему водооборота. В дальнейшем предлагалось понизить уровень воды в прудке на 12–15 м и поддерживать его на минимально возможных отметках, что представляется, по нашему мнению, небесспорным.

Опыт гидромеханизированной разработки аварийного хвостохранилища Оленегорского ГОКа как обводненного техногенного месторождения, вполне применим к условиям ведения добычных работ в обводненной части хвостохранилища Ковдорского ГОКа.

Ведущими процессами формирования хвостохранилищ как техногенных месторождений являются технологические, например, раскладка отходов рудообогащения по крупности и плотности частиц. Так как процессы складирования отходов рудообогащения управляемы, то при соблюдении определенных условий они могут выполнять и рудоформирующие функции.

На основе комплексного изучения отходов рудообогащения Оленегорского и Ковдорского ГОКов, компьютерного моделирования геолого-технологических зон хвостохранилищ разработан ряд вопросов геологического обеспечения их разработки как техногенных месторождений, в т.ч. Северо-Запада России.

Журнал "Горная Промышленность" №1 2004