Геоэкологические проблемы безопасности, глубокой безотходной переработки техногенных месторождений КМА и пути их решения (В.Н. Анисимов, И.С. Булгаков, Г.К. Гасиев, "Охрана труда и техника безопасности на промышленных предприятиях", N 6, июнь 2012 г.)

Геоэкологические проблемы безопасности, глубокой безотходной переработки техногенных месторождений КМА и пути их решения

Дан анализ состояния техногенных месторождений, образовавшихся в результате переработки железистых кварцитов горно-обогатительными комбинатами (ГОК) Курской магнитной аномалии (КМА), их вещественного состава и отрицательного воздействия на окружающую среду. НПЦ "Экоресурсы" предложено оборудование и технологии переработки, извлечение полезных компонентов (немагнитное железо-гематит, золото и др.) и удаление вредных примесей (тяжелых металлов, радионуклидов и др.), обеспечение рентабельного и экологически чистого безотходного производства.

В настоящее время регион Курской магнитной аномалии (КМА) можно рассматривать как фундамент 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 [1, 3, 6, 7].

Вопросы геоэкологической безопасности горного производства приобретают с увеличением объемов добычи и переработки первостепенное значение [1, 4, 8].

Увеличение запасов минерального сырья возможно не только в результате интенсификации существующих и поиска новых месторождений, но и в результате освоения техногенных месторождений (хвостохранилищ), образовавшихся в результате переработки, в частности, железистых кварцитов КМА. Общее количество накопленных хвостов на ГОКах КМА превышает 320 млн. т. Вместе с немагнитными фракциями (гематитом, пиритом и т.д.) в шламохранилища сбрасываются 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. В целом прогнозные ресурсы попутно извлекаемого золота в текущих отходах четырех ГОКов составляет 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 "Комбината КМА руда" в отобранных из устья пульпопроводах установлено наличие золота в количестве от 0,2 до 9,0 г/т.

Количество металла (железа) в образовавшихся техногенных месторождениях ГОКов КМА колеблется в пределах 32-62 млн. т. Вовлечение в хозяйственный оборот производственных отходов горнорудной промышленности является крупной народнохозяйственной задачей, актуальность которой неизбежно возрастает в настоящий период (постановление Правительства РФ N 755 от 11.12.2006 г., приказ N 1538 Федерального агентства по недропользованию от 31.10.2007 г.) [8].

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

1. Разработка принципиально новых технологических схем и методов безопасного промышленного производства, исключающих выброс отходов в окружающую среду.

2. Создание замкнутых технологических схем с многократным использованием воды и технологических газов.

3. Создание систем переработки отходов производства, которые рассматриваются как вторичные материальные ресурсы с организацией крупных региональных территориально-промышленных комплексов замкнутой структурой потоков сырья для глубокой переработки.

Экономичная переработка труднообогатимых и техногенных руд, рациональное использование ресурсов минерального сырья невозможны без комплексной их переработки. Отсутствие схем комплексной переработки руды во многих случаях тормозит промышленное освоение многих месторождений. Технологические схемы многих обогатительных фабрик не обеспечивают извлечение всех ценных металлов, а также нерудных ископаемых, которые безвозвратно теряются в отвалах. В связи с резким обострением экологических проблем существенным требованием технологии переработки полезного ископаемого является охрана окружающей среды.

Задачи охраны окружающей среды должны решаться на стадии проектирования горнорудных предприятий, а технологические схемы переработки должны включать операции, обеспечивающие комплексное извлечение всех полезных минералов, имеющих народнохозяйственное значение. 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".

Уже сейчас необходимо приступать к реконструкции действующих ГОКов с целью радикального улучшения использования природных ресурсов, сырья и материалов, топлива и энергии на всех стадиях - от добычи и переработки сырья до выпуска готовой продукции.

Разработка эффективной и экономичной схемы обогащения является сложной задачей 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, имеющие 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, 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, предварительный обоснованный выбор их является важной составной частью исследования.

Поэтому на первом этапе решения экологических задач необходимо на предприятиях, производящих переработку полезных ископаемых, создать лаборатории, осуществляющие исследования на обогатимость руд в зависимости от генезиса месторождения, и укомплектовать их современным оборудованием и, в значительной степени, соответствующими кадрами.

Создание новых, более совершенных и экономически эффективных технических средств и технологий может превратить ранее не пригодные для промышленного использования источники сырья (естественные и техногенные) в эффективные.

В процессе оценки геоэкологического состояния Оскольского рудного района КМА был изучен химический состав хвостов обогащения железистых кварцитов Коробковского месторождения. Экологогеохимическая характеристика хвостов, при сопоставлении со средними содержаниями химических элементов в литосфере, показывает, что в хвостах происходит избирательная концентрация металлов. Подобное избирательное накопление достигает опасного экологического уровня концентрации, превышающей ПДК в разы, 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 обогащения полезных компонентов и удаления вредных примесей (токсикантов) с последующим их безопасным захоронением. Технология глубокой переработки техногенных месторождений разработана НПЦ "Экоресурсы" в региональном отделении КМА Академии горных наук. На сегодняшний день разработаны и испытаны узлы и оборудование, которые в комплексе способны решать вышеуказанные проблемы. Мобильные технологические комплексы способны одновременно решить задачи комплексного использования сырья как в геоэкологическом, так и экономическом плане [2, 3, 4, 5]. Предлагаемая техника и технология окупаются менее чем за один год.

Так, например, только на ДОФ ОАО "Комбинат КМА руда" за 9 мес. 2011 г. выпущено хвостов обогащения 1932 тыс. т с массовой долей железа 9,0%. Количество металла, возвращенного обратно в шахту на закладку отработанных камер, составило 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 количество сверхпланового концентрата в объеме 290 тыс. т. В экономическом плане за счет сверхпланового объема концентрата только "Комбинат КМА руда" мог получить денежные средства в сумме 797,5 млн. руб.! Суммарные объемы глубокой переработки отходов по КМА и полученная прибыль могли бы позволить решить и геоэкологические проблемы региона КМА.

Таким образом, глубокая переработка техногенных месторождений КМА является 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 окружающую природную среду создает условия, опасные для существования растительного, животного мира и человека. Это обстоятельство вынуждает решать вопросы защиты окружающей среды (среды обитания человека) от вредных факторов, существенно влияющих на здоровье.

Необходимость в обеспечении такой защиты давно назрела в Губкинско-Старооскольском 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 1990 г. 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, помимо региона КМА, как отмечалось выше, также сложилась на Подмосковном, Кузнецком и Ростовском угольных бассейнах, а также на Дальнем Востоке и в Якутии. Не лучше дела обстоят и в других регионах Западной Сибири и Урала.

В горнопромышленных районах Урала (Челябинской обл. и др.) эксплуатация золоторудных месторождений началась более двух веков назад с применением вредоносной ртути. Например, сегодня г. Карабаш (это район глобальной геоэкологической катастрофы по шкале МЧС) считается 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 - проникновения техногенных загрязнений в водоносные горизонты и их дальнейшей миграции на сотни километров.

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

Использование отечественных разработок в области геоэкологической безопасности, начатых еще в СССР и доведенных до практического 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 и технологических газов.

Современная методика проектирования позволяет адаптировать эти технологии к условиям практически любого известного техногенного месторождения и региона, включая их глубокую переработку, в том числе угольных шламохранилищ, для производства как тонкодисперсного водоугольного, так и брикетированного топлива, строительных материалов, удобрений и проч.

Для решения сложнейшей проблемы очистки территории от техногенных загрязнений и попутного извлечения полезных и токсичных компонентов НПЦ "Экоресурсы" предлагает прошедшую апробацию и готовую к применению инновационную технологию и оборудование безотходных и малоотходных производств, минимизирующие энергетические затраты на глубокую переработку минерального сырья и отрицательные воздействия на окружающую среду.

Мобильный технологический комплекс включает три основных аппарата: гидродинамическую мельницу, полочный многопродуктовый гидроклассификатор и центробежный конусный концентратор (рис. 1).

Гидродинамическая мельница (ГДМ) предназначена для тонкого доизмельчения хвостов обогащения любой прочности и образивности до крупности 0,1 мкм, что позволяет эффективно извлекать как полезные компоненты (немагнитное железо гематит, золото, платина, палладий, серебро и др.), так и удалять вредные примеси (тяжелые металлы, радионуклиды и др.).

Технико-экономическая оценка свидетельствует, что по сравнению с серийно выпускаемыми отечественными и зарубежными виброшаровыми мельницами удельный расход энергии у ГДМ (при одной и той же степени измельчения) снижен почти в пять раз. Ее масса в 30-90 раз, а размеры в 7-10 раз меньше, чем у лучших виброшаровых мельниц. Кроме того, новая мельница легко вписывается в технологическую линию переработки зернистых материалов, так как может всасывать и нагнетать исходную гидросмесь на высоту до 20 м и более.

Многопродуктовый полочный гидроклассификатор (МПГ) позволяет эффективно разделять зернистые, в том числе и мелкодисперсные материалы, по любому размеру и плотности. Некоторые модификации МПГ прошли стендовые испытания по разделению хвостов обогащения ряда ГОКов КМА, а также внедрены для обогащения и гидроклассификации песков попутной вскрыши Воронежского и Лебединского рудоуправлений.

В результате изучения процесса осаждения взвешенных зерен минералов в ламинарных потоках выявлена возможность разделять мелкозернистые материалы размером до 1 мкм, а также осветлять загрязненные воды. Установлено качественно-количественное распределение по зонам МПГ различных компонентов гидросмеси (рис. 2).

По сравнению с другими конструкциями полочных сгустителей-гидроклассификаторов (институтов Уралмеханобр и Гидромеханики, фирмы Denver Sala), предложенный классификатор при одинаковой производительности по исходной пульпе (165 /ч) имеет меньшую высоту (в 2-3 раза), массу (в 2 раза) и стоимость изготовления (в 2-4 раза). Простота конструкции МПГ позволяет изготавливать его в условиях в небольших мастерских. В отличие от противоточных сгустителей, жидкая фаза пульпы межламельном пространстве МПГ перемещается перпендикулярно к направлению движения осадка. Это позволяет повысить производительность сгустителя и установить большее число пластин при одинаковых габаритных размеров.

Центробежный конусный концентратор (ЦКК) выделяет тяжелые компоненты, в том числе железо, золото и платиноиды. Предложенная конструкция ЦКК по эффективности работы превосходит такие концентраторы, как "Орокон", "Нельсон", концентратор ТОО "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 (свыше 10) авторскими свидетельствами на изобретение и патентами.

Технологический комплекс работает следующим образом. Отходы обогащения (хвосты) подаются в виде гидросмеси на виброгрохот, надрешетный продукт виброгрохота подается ленточным конвейером на склад, а подрешетный продукт из зумпа в виде гидросмеси направляется в ГДМ, а затем в МПГ. В первом отсеке гидроклассификатора выделяется крупная фракция 0,4 мм, которая по трубопроводу возвращается в мельницу для доизмельчения. В последующих секциях выделяются минералы, содержащие тяжелые металлы (Fe, Cu, Zn, Pb и др.) и вредные компоненты. В нижних накопительных камерах гидроклассификатора накапливаются драгоценные металлы (степень концентрации - до 10 и более). Большая часть пульпы (до 80%) с растворенными токсинами, радионуклидами и другими тонкодисперсными вредными компонентами направляется в тонкослойный отстойник.

Из нижних камер гидроклассификатора обогащенная гидросмесь направляется в ЦКК, в котором содержание золота возрастает до 2-3 кг/т. Обогащенные продукты (концентрат и промпродукт) поступают в емкости. Сгущенная тонкодисперсная суспензия хвостов поступает в отвал. Осветленную воду перекачивают в узел выделения радионуклидов и токсинов, из которого последние направляют в могильник.

Очищенная от тонкодисперсных частиц и вредных примесей техническая вода из карты складирования поступает в прудок-отстойник, откуда через сбросной колодец насосом оборотного водоснабжения по водоводам возвращается в аппараты комплекса.

В технологической схеме предусмотрена возможность выемки материалов хвостохранилища земснарядом с доставкой гидротранспортом по пульповоду непосредственно на гидрогрохот.

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 /ч);

- установочная мощность электродвигателей - 150-200 кВт;

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

Предложенный технологический комплекс со входящим в него оборудованием имеет значительные технологические преимущества по сравнению с модульными фабриками, разработанными в МГГУ и ЧитГТУ. В предлагаемом технологическом комплексе капитальные затраты окупаются менее чем за год. После окончания отработки локального участка хвостохранилища проектом предусматривается осуществить рекультивацию этой площади.

Технология основана на новой концепции разработки техногенных и природно-техногенных месторождений с помощью автономных мобильных технологических комплексов, которые включают оригинальные технические решения.

Технологический комплекс предназначен для глубокой переработки, извлечения полезных компонентов (золото, платина, палладий, серебро, немагнитные железо-гематит др.) и удаления вредных примесей (ртутьсодержащих и тяжелых металлов, радионуклидов) из техногенных отходов обогатительных фабрик цветной и черной металлургии. Все эти компоненты и обезметаленные отходы (хвосты) рассматриваемого производства представляют собой достаточно ценную продукцию для металлургической, строительной, частично ювелирной и других отраслей промышленности и народного хозяйства.

Технологический комплекс сегодня включает проверенное на практике не имеющее мировых аналогов оборудование.

Таким образом, предлагаемая технология переработки техногенных отходов (хвостов обогащения, эфелей) позволяет обеспечить выделение и последующее захоронение вредных примесей, в том числе и в подземные выработанные пространства при предварительном их сгущении, что также обеспечивается техническими средствами, входящими в состав комплекса. Эта технология обеспечивает рентабельное и практически экологически чистое безотходное производство, существенно снижая при этом себестоимость производства действующих горно-обогатительных предприятий цветной и черной металлургии России.

Возможность реализации этого резерва, снижение себестоимости с одновременным устранением и обезвреживанием вредных примесей из хвостов обогащения (эфелей) связана с использованием важнейшего принципа построения экотехнологии горного производства - замкнутого цикла обращения вещества - исключающего негативное влияние на гидросферу и экосистему любого промышленного региона в целом. Но решение всех перечисленных проблем лежит в плоскости политической воли и принятия на законодательном и правительственном уровне ряда жестких решений, обязывающих крупный капитал вкладывать (инвестировать) средства на решение уже глобальных (пока) геоэкологических проблем регионов, чтобы не пришлось вкладывать более значительные средства в ликвидацию уже грядущих крупномасштабных геоэкологических катастроф.

Исходя из сложившейся геоэкологической ситуации, в частности, в регионе КМА, дальнейшее развитие бассейна должно идти в следующих тактических направлениях:

1. Действующие ГОК и КМА должны приступить к разработке и внедрению технологических схем, обеспечивающих комплексную глубокую безотходную переработку сопутствующего минерального и основного железорудного сырья.

2. Предприятиям горно-металлургического комплекса, осуществляющим разработку месторождений полезных ископаемых и переработку железорудного сырья, необходимо предусматривать средства для проектных и экспериментальных работ по глубокой безотходной переработке существующих техногенных месторождений (в частности, хвостохранилищ) как новых, так и созданных в процессе эксплуатации за исторически длительный промежуток времени.

3. Геоэкологические проблемы безопасности, глубокой безотходной переработки техногенных месторождений КМА и пути их решения стратегически должны быть составной и неотъемлемой частью при создании многофункциональной комплексной системы защиты и безопасности особо опасных объектов от природно-техногенных воздействий.

Библиографический список

1. Котенко Е.А., Морозов В.Н., Кушнеренко В.К., Анисимов В.Н. Геоэкологические проблемы КМА и пути их решения // Горная промышленность. - 2003. - N 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. - N 6. - С. 18-22.

3. Анисимов В.Н. Глубокая безотходная переработка природно-техногенных месторождений автономными мобильными технологическими комплексами // Полиуретановые технологии. - 2009. - N 2. - С. 22-28.

4. Анисимов В.Н. Безотходная переработка природно-техногенных месторождений мобильными технологическими комплексами // Горная промышленность. - 2009. - N 4 (86). - С. 42-49.

5. Анисимов В.Н. Глубокая безотходная переработка природно-техногенных месторождений автономными мобильными технологическими комплексами // ТЭК и ресурсы Кузбасса. - 2009. - N 2(55). - С. 36-43.

6. Каплунов Д.Р. (УРАН Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук), Лейзерович С.Г. (ОАО "НИИКМА") и др. О дальнейшем развитии горных работ в бассейне КМА // Горный журнал. - 2011. - N 10. - С. 44-49.

7. Правила рациональной комплексной переработки минерального сырья (твердые полезные ископаемые) ПБ 03-234-96. - М.: Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (ИПКОН РАН), 1996. - С. 17-24.

8. Утверждены основы государственной политики в области экологического развития России на период до 2030 года / Официальный сайт Президента РФ [электронный ресурс] URL: президент.рф/документы/15177. Дата обращения 04.05.2012.

В.Н. Анисимов,

канд. техн. наук, президент НПЦ "Экоресурсы" академик АГН, чл.-корр.

Международной академии наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ)

НПЦ "Экоресурсы"

И.С. Булгаков,

канд. техн. наук,

Г.К. Гасиев,

горный инженер-технолог

"Охрана труда и техника безопасности на промышленных предприятиях", N 6, июнь 2012 г.