Разработка и исследование параметров способа закрепления пылящи поверхностей хвостохранилищ

Актуальность работы. В современную эпоху необычайную сложность и важность приобрели вопросы взаимодействия человека с окружающей средой. Быстрый рост численности населения земного шара и индустриальное развитие стали причинами многократного увеличения потребления природных ресурсов и расширения масштабов воздействия человека на природу. Подобная ситуация характерна и для региона Курской магнитной аномалии, где действуют крупнейшие горнодобывающие предприятия — Лебединский и Стойленский горно-обогатительные комбинаты (ГОК), комбинат КМА-руда, а также строятся Яковлевский и Белгородский подземные рудники. Железорудная пыль резко ухудшает экологическое состояние воздушного бассейна и, как следствие, условия нормальной жизнедеятельности человека, организмов флоры и фауны региона и делает непригодными для сельскохозяйственных нужд территории вокруг хвостохранилищ. В почву в повышенных дозах попадают такие металлы, как цинк, медь, марганец, хром, свинец, железо.

Например, из карьера Лебединского горно-обогатительного комбината ежегодно добывают около 47 млн т железной руды. При этом количество отходов обогащения составляет около 27 млн т. Действующими хвостохра-нилищами занято порядка 1500 га. Эти территории за годы эксплуатации превратились в уникальный промышленный объект, и одним из важных и трудных вопросов стал вопрос защита воздушного бассейна от пылевыделения при дальнейшем наращивании хвостохранилища.

Согласно действующей классификации источников воздействия на окружающую среду, хранилища отходов обогащения относятся к неорганизованным источникам загрязнения, доля которых составляет 54% от общего количества выбросов. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха являются пылящие поверхности сухих пляжей намывных отсеков, откосы дамб и плотин. В результате стока и испарения воды, особенно в жаркий и сухой период, сцепление между частицами хвостов и пустой породой резко снижается, и уже при скорости ветра, равной 2−3 м/с, наблюдается пы-ление горизонтов хвостохранилища.

Ввиду значительной площади, занимаемой отходами обогащения, нагрузка на окружающую среду прилегающих территорий существенна. Аналогичная ситуация складывается практически на всех месторождениях твердых полезных ископаемых, разрабатываемых карьерным и шахтным способами и требующих обогащения. Существует целый ряд способов обеспыливания и закрепления пылящих поверхностей, заключающихся в их обработке различными вяжущими: цементом, известью, жидким стеклом, хлористым кальцием, битумной эмульсией, смолами, различными органическими полимерами. Также применяются растворы, содержащие ПАВ (пены), растворы полиэлектролитов и неорганических веществ. Однако, применение большинства из них связано с технологической сложностью их осуществления или значительными экономическими затратами. Кроме этого, применение многих реагентов (соли, битумы и т. д.) приводит к загрязнению грунтовых вод вредными компонентами. В этой связи разработка новых и усовершенствование существующих способов снижения пыления хвостохранилищ является актуальной задачей.

Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей пылеобразования на поверхности хвостохранилищ для разработки эффективного способа закрепления внешнего слоя пылящих поверхностей, обеспечивающего снижение выбросов пыли в атмосферу.

Идея работы заключается в том, что способ закрепления пылящих поверхностей хвостохранилищ, обеспечивающий экологическую безопасность хранения отходов обогащения железных руд, реализуется путем нанесения на поверхность техногенного грунта суспензии мела с последующей обработкой раствором серной кислоты в стехиометрическом соотношении к внесенному мелу, при этом для равномерного закрепления целесообразно использование пластифицирующей добавки.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Зависимость мощности выброса пыли с поверхности хвостохрани-лища Лебединского ГОКа от влажности, диаметра частиц техногенного грунта и скорости воздушного потока можно выразить в виде рациональной функции, разложенной в ряд Тейлора.

2. Нанесение на пылящую поверхность хвостохранилищ суспензии мела с последующей обработкой раствором серной кислоты в стехиометрическом отношении к внесенному мелу позволяет получить поверхностный слой прочностью 0,16−0,22 МПа и обеспечить отсутствие ветровой эрозии с обработанной поверхности на срок 8−12 месяцев.

3. Физически обоснованным и практически целесообразным является применение пластифицирующей добавки к меловой суспензии для изменения ее реологических свойств и агрегативной устойчивости в сторону повышения текучести раствора, уменьшения радиуса частиц дисперсной фазы и тем самым повышения эффективности закрепления.

Новизна основных научных и практических результатов.

1. Разработан способ закрепления пылящих поверхностей хранилищ отходов обогащения железных руд, включающий кислотную обработку и отличающийся тем, что предварительно осуществляется нанесение суспензии мела с концентрацией 5−15 мае. %, а для последующей обработки поверхности используется серная кислота в стехиометрическом соотношении к внесённому мелу в виде водного раствора с концентрацией от 5 до 15 мае. %.

2. Установлены эмпирические закономерности однопараметрических трендов мощности выброса техногенной пыли в атмосферу от влажности, размера частиц отходов обогащения и скорости воздушного потока.

3. Обоснована возможность использования пластифицирующей добавки при закреплении пылящих поверхностей предлагаемым способом и отмечены существенные изменения реологических свойств и агрегативной устойчивости меловой суспензии.

Методы исследования: аналитические, методы математической статистики. Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающих системный анализ проблемы, патентно-информационный анализ, лабораторные и натурные методы изучения условий формирования потоков пыли на пылящих поверхностяхмикроскопического, седиментаци-онного, ситового анализов дисперсности материалафизико-механической оценку свойств получаемого покрытия.

Фактический материал. В основу диссертации положены результаты экспериментов, проведенных автором на техногенных грунтах хвостохра-нилища Лебединского ГОКа в лабораторных условиях, а также результаты полевых испытаний.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

— корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием методов математической статистики, теории вероятностей и современных достижений вычислительной техники;

— достаточно большим объемом лабораторных и продолжительных полевых испытаний, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей, эффективности технических решений, обоснованности выводов и рекомендацийа также положительными решениями государственной патентной экспертизы.

Практическая значимость работы: разработан способ борьбы с пылью, сдуваемой с поверхности техногенных массивов (новизна подтверждена положительными результатами государственной патентной экспертизы), позволяющий значительно сократить выброс в атмосферу техногенной пыли и тем самым улучшить экологическую обстановку на объектах горной промышленности и прилегающих к ним территориях.

Реализация результатов исследований. Результаты данной работы могут быть использованы на участках действующих хранилищ отходов обогащения железных руд, подверженных ветровой эрозии.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научных конференциях и семинарах: на Всероссийской научно-технической Интернет-конференции «Рудничная аэрология и безопасность» (Тула, ТулГУ, 2005 г.) — на межрегиональной научно-практической конференции «География и регион: актуальные вопросы исследований» (Чебоксары, Чувашский государственный университет, 2005 г.) — на Всероссийской научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи — путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, МГСУ, 2006 г.) — на Международной научно-практической конференции (Тула,.

2006 г.) — на II Международной научной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в европейской России и сопредельных странах» (Белгород, БелГУ, 2006 г.) — на VIII Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, РГТРУ, 2007 г.) — на научном симпозиуме «Неделя горняка — 2007» (Москва, МГТУ, 2007 г.) — на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых (Белгород, БелГУ,.

2007 г.).

Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 9 статей в научных журналах, в том числе 5 тезисов докладов на научно-практических конференциях. Получен патент на изобретение № 2 303 700 «Способ закрепления пылящих поверхностей хранилищ отходов обогащения железных руд», приоритет изобретения 13.03.2006 г.

Благодарности.

Автор выражает свою искреннюю благодарность кандидату геолого-минералогических наук Е. В. Лычагину за большую научнометодологическую и практическую помощь, оказанную в течение всего времени работы над диссертацией, коллективу кафедры инженерной геологии и гидрогеологии Белгородского государственного университета за поддержку при выполнении исследований, консультации и практическую помощь в выполнении работы.

Выводы.

1. Отложения техногенных грунтов Лебединского ГОКа практически неустойчивы по отношению к ветровой эрозии, поэтому основной экологический эффект может быть достигнут только путем сокращения пыления поверхности хвостохранилища.

2. Кроме экологического вреда выбросы техногенной пыли наносят существенный ущерб экономике Лебединского ГОКа за счет отвлечения значительных денежных средств на мероприятия по пылеподавлению и сокращению площади пылящих поверхностей хвостохранилища.

3. Экономический эффект от внедрения предлагаемого способа закрепления пылящих поверхностей может составить 6,9 млн руб. в год. Применение предприятием собственных ресурсов мела позволит снизить затраты на реализацию предлагаемого способа пылеподавления и тем самым получить еще более значительный экономический эффект. При этом снижение нагрузки на окружающую среду в результате значительного сокращения выбросов пыли существенно. Аналогичная экономическая, а также экологическая эффективность от использования предлагаемой технологии может быть получена на других хвостохранилищах железорудных месторождений КМА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на базе выполненных теоретических обобщений, комплекса лабораторных, натурных и аналитических исследований определены закономерности процесса пыления частиц техногенного грунта, а также получено новое решение актуальной научной проблемы предотвращения пылеобразования с поверхностей техногенных массивов отходов обогащения железных руд, заключающееся в образовании на пылящей поверхности слоя гипса, что позволит существенно снизить выброс промышленной пыли в атмосферу и тем самым улучшить экологическое состояние воздушного бассейна и имеет существенное значение для снижения нагрузки горных предприятий на окружающую среду в промышленно развитых регионах России.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Пыление является одним из основных факторов загрязнения окружающей среды на обширных территориях, прилегающих к хвостохранили-щам. Существует целый ряд способов борьбы с пылением. Однако апробированные, достаточно эффективные и экономичные способы борьбы с пылением на хвостохранилищах и других накопителях промышленных отходов до настоящего времени не разработаны. На территории России практически нет отвалов дисперсных промышленных отходов, на которых были бы полностью решены проблемы пыления.

2. На основании определения гранулометрического состава, физико-механических свойств отходов обогащения железных руд с территории хвостохранилища Лебединского ГОКа, несвязные разновидности техногенного грунта классифицированы как пылеватые пески, связные — как техногенные суглинки или супеси. В целом отложения техногенных грунтов практически лишены позитивных качеств, что определяет неустойчивость техногенных грунтов по отношению к ветровой эрозии.

3. На основании теоретического анализа, лабораторных экспериментов, а также результатов полевых испытаний разработан новый способ закрепления пылящих поверхностей действующих хвостохранилищ, отличающийся тем, что закрепление поверхности обусловлено образованием гипса при взаимодействии мела с серной кислотой. Условиями образования гипса являются наличие серной кислоты в растворе с рН не более 6.

4. Степень воздействия реагентов на гидрохимическую обстановку практически несущественна, поскольку минерализация воды в хвостохранилищах достигает 15 000 мг/л и объём воды составляет несколько миллионов кубических метров. Вносимые реагенты неконтрастны по отношению к геохимическому фону и составляют десятые доли процента от общего количества растворенных хлоридов, сульфатов и др. компонентов. Указанное обстоятельство позволяет оценить разработанный метод как геохимически оптимальный.

5. Предложенный способ комбинированного закрепления техногенного грунта позволяет получить поверхностный слой прочностью 0- 16 — 0,22 МПа и обеспечить минимальную долговечность слоя на срок 8−12 месяцев. Это предопределяет использование разработанного способа пылеподавления для временного закрепления поверхности хвостохранилищ в период его эксплуатации.

6. Для технологической реализации предлагаемого способа в условиях эксплуатации хвостохранилища возможно применение передвижных, стационарных или плавучих мелководных оросительных установок.

7. Применение пластифицирующей добавки СБ-3 позволит существенно снизить необходимость постоянного непрерывного перемешивания суспензии мела в ё-мкости, тем самым значительно снизить энергозатраты. Значительное изменение реологических свойств меловой суспензии в сторону повышения текучести раствора, уменьшения радиуса частиц дисперсной фазы позволит снизить потребление воды, а также повысить проходимость частиц мела через трубы и отверстия распыляющих насадок оросительной установки.

8. Экономический эффект от внедрения предлагаемого способа закрепления пылящих поверхностей может составить 6,9 млн руб. в год. Применение предприятием собственных ресурсов мела позволит снизить затраты на реализацию предлагаемого способа пылеподавления и тем самым получить еще более значительный экономический эффект.