Техногенные месторождения

Разработка месторождений  первого типа обеспечивает освобождение площадей земли от техногенных отходов  с последующей их рекультивацией, второго типа - позволяет осуществить доизвлечение металла, но не решает проблемы освобождения территории отвалов от отходов, так как вторичная переработка отвалов, учитывая низкое содержание в них полезных компонент, практически даёт то же самое количество отходов.

Третий тип техногенных  месторождений позволяет осуществлять и рекультивацию земель и доизвлечение металла.

По экологическому воздействию среди техногенных месторождений выделяют:

1. Неопасные, представленные  горными породами и глыбовощебенистыми  и щебенистыми шлаками цветной и чёрной металлургии, слабо разрушающимися в течение хранения.

2. Поражающие атмосферу  и гидросферу, если они сложены  окисляющимися или глинизирующимися  породами, окисляющимися шлаками  и шламами, пылящими шламами  и высохшей пульпой хвостохранилищ.

В настоящее время  терминология, классификация ТМ, критерии принадлежности их к тому или иному  типу меняются и дополняются по мере углубления исследований и практических работ в области разработки техногенных месторождений.

Наиболее удобной представляется классификация ТМ, в основу которой положены условия их формирования, так как они определяют обычно и морфологию, и вещественный состав, и возможные области использования, и экологическое воздействие на ОС (рис.1).

Пользуясь классификацией, представленной на рис.1, можно оценить основные характеристики любого типа месторождений. Например, ТМ горнодобывающих предприятий, возникающие при обогащении руд и представляющие собой хвостохранилища, относятся к месторождениям

• наливного типа (морфологический признак);
• по составу – породные;
• по возможным областям использования – смешанного типа, т.е. пригодные для доизвлечения металла и получения стройматериалов;
• по экологическому воздействию на окружающую среду – поражающие атмосферу (пыль) и гидросферу (фильтрация вод хвостохранилищ через защитные дамбы).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Классификация техногенных  месторождений.

 

3. Состав и строение ТМ

 

Состав и строение ТМ определяются целым рядом факторов, важнейшими среди которых являются:

1. условия образования (добыча и обогащение руд и угля, переработка концентратов руд, сжигание угля и т.д.);
2. состав исходного сырья (месторождения цветных и редких металлов, полиметаллические, железорудные и другие типы коренных месторождений);
3. физико-химические и механические процессы климатического воздействия и выветривания отвалов. Они интенсивно окисляются, выщелачиваются и разрушаются, что приводит к изменению минералогического и вещественного состава техногенных отложений, выносу элементов и образованию ореолов рассеяния вокруг отвалов. Особенно это проявляется для отходов добычи и обогащения сульфидных руд, так как они при окислении и выветривании быстро разрушаются и переходят в окисленные минеральные формы, требующие при утилизации особых технологий извлечения полезных компонент

В приповерхностной зоне техногенных отложений под воздействием кислорода, воды, фильтрационных электрических  полей и других факторов происходят интенсивное растворение и миграция металлов и их соединений. При этом могут образовываться обеднённые и обогащённые металлом участки с восстановленными и окисленными формами его нахождения. Например, в участках хвостохранилищ с восстановленными сульфидами нередко наблюдаются повышенные содержания золота, а в зонах окисления возможно накопление серебра.

В настоящее время  опыт разведки техногенных месторождений  невелик. Наиболее тщательно такие  исследования выполнены на Урале, поэтому  ниже приводятся особенности состава  и строения ТМ в основном Урала, используя в некоторых случаях так же обобщённые данные по месторождениям бывшего СССР.

3.1 ТМ топливно-энергетического  комплекса

 

Одной из важных проблем  исследования шлакозольных отвалов  теплоэлектростанций (ТЭС) является изучение их состава и количества микропримесей, возможно, представляющих ценность как сырьё для извлечения этих микропримесей.

Рассмотрим результаты исследований минерального состава  и элементов примесей для зол  Рефтинской ГРЭС, работающей с 1970 г  и обеспечивающей тепловой и электрической энергией значительную часть Свердловской области. Золы транспортируются по системе гидрозолоудаления и складируются в золоотвал, который занимает площадь 1500 га и содержит 120 млн.т золы при ежегодном складировании золошлаковых отходов около 3,1 млн.т.

Золоотвал Рефтинской ГРЭС вытянут с севера на юг. Его длина более 1000 м, ширина от 100 до 300 м и высота 10-15 м. Опробование поверхности отвала показало, что он имеет неоднородное строение, определяющееся чередованием зол различных по гранулометрическому составу (см. таблицу 1).

 

Таблица 1.

Гранулометрический состав (%) зол Рефтинской ГРЭС.

Тип золы	Размеры зёрен, мм
	> 0,63	0,2 – 0,63	<0,2
Тонкозернистые золы с обломками шлака	22,8	28,4	48,8
Тонкозернистые золы	1,4	7,6	91
Пылеватые золы	0,4	1,7	97,9

 

Выделенные разновидности золы отражают её гранулометрическую сортировку при гидровыносе.

Тонкозернистые золы с обломками шлака распространены в северной части отвала. Тонкозернистые золы составляют основную массу тела золоотвала. Пылеватые золы распространены в виде субширотных полос шириной от 10 до 50 м по всей территории отвала.

Содержания микроэлементов в исходном угле и в золе в целом  представлены в таблице 2.

 

Таблица 2.

Среднее содержание и  коэффициент концентрации (КК) микроэлементов в сжигаемых углях и золах Рефтинской ГРЭС.

	Содержание микроэлементов, n·10-3%/KK
	Cu	Zn	Pb	Be	Cr	Co	Ba	Ti	V	Mn	Sc	P	Zr
Уголь	0,3	0,6	0,5	0,2	0,3	3	42	40	1,3	44	0,7	44	10,2
Золы в целом	1,4 4,67	2,083,47	1,382,76	0,2 1	0,1 0,33	2,9 0,97	20 0,48	800 20	2 1,54	70,11,59	1 1,43	1002,27	20 1,96

 

Из таблицы следует, что концентрация в золах большинства  элементов возрастает (КК>1), для  некоторых весьма значительно (КК_Ti=20, КК_Cu=4,67, КК_Zn=3,47, КК_Pb=2,76) и только для трёх элементов уменьшается (КК_Cr=0,33, КК_Co=0,97, КК_Ba=0,48).

Наблюдаются определённые различия в содержании отдельных  микроэлементов для указанных выше разновидностей зол. Так например, в  тонкозернистых золах повышены содержания меди (КК_Cu=5,17) и хрома (КК_Cr=3,3), пылеватые золы характеризуются понижением содержания меди (КК_Cu=2,97) и цинка (КК_Zn=3,0) и повышением содержания почти всех остальных элементов (КК_Be=1,55, КК_Ba=0,7 и др.). В золах, содержащих обломки шлаков повышены содержания хрома (КК_Cr=3,0) и марганца (КК_Mn=1,82).

Главным минералом, выявленным рентгеноструктурным анализом, является муллит {Al₄[Al₄(Si₃Al)O₁₉(F_0,5O,OH)]} - высокотемпературная фаза с неупорядоченной структурой, а так же тридимит (SiO₂) – минерал метастабильной фазы, характерный для молодых образований, в том числе для зол и шлаков.

Муллит, содержащий 71,83% Al₂O₃ и 28,17% SiO₂ образуется при термическом перерождении ряда глинистых минералов (каолинит - Al₄[Si₄O₁₀][OH]₈, галлуазит, пирофиллит и др.), мусковита, гидрослюды и других природных алюмосиликатов. По экономическому значению и объёмам производства муллит входит в число важнейших искусственных минералов.

Содержание глинозёма (Al₂O₃) в золах сопоставимо с его содержанием в бокситах (С³45%), поэтому золы Рефтинской ГРЭС могут служить сырьём для производства алюминия. Попутно с глинозёмом возможно извлечение фосфора.

Среди элементов примесей особое внимание привлекают редкие элементы Sc, Zr, Ti и B. Необходимы дальнейшие исследования с целью их количественной оценки.

Складирование золошлаковых отходов сопряжено с широкомасштабным их воздействием на окружающую среду (ОС), выражающееся в отчуждении земель и загрязнении атмосферы, подземных и поверхностных вод. Однако, проблема использования шлакозольных отвалов до настоящего времени не решена. Ежегодно утилизируется в основном в производстве стройматериалов менее 1% от образующегося за тот же период времени количества золы.

О воздействии золоотвалов  на ОС можно судить по результатам  обследования золоотвалов АО «Свердловэнерго», входящего в состав РАО «ЕЭС».

Воздействие на водные ресурсы.

На всех электростанциях  АО «Свердловэнерго» организовано оборотное  водоснабжение. Однако, несмотря на наличие замкнутого цикла водоснабжения, в действительности существует сброс загрязнённых вод с золоотвалов в поверхностные и подземные водные системы. Основной причиной сброса являются фильтрационные потери оборотной воды из гидрозолоотвалов через ограждающие дамбы и их основания.

Химический состав оборотной  воды электростанций АО «Свердловаэнерго»  характеризует таблица 3.

 

Таблица 3

Химический состав оборотной воды электростанций АО «Свердловэнерго».

Элемент	Содержание, мг/л*	ПДК элементов в воде водоёмов различного назначения			Кратность превышения ПДК**
		Хозяйственно бытового назначения, мг/л	Рыбохозяйственного пользования, мг/л
Al	0,61 – 2,73	0,5		-		-
V	0,0046 – 0,23	-		0,001		4,6 – 230
Fe	0,14 –0,39	0,3		0,1		1,4 – 3,9
Si	6,1 – 16,4	10,0		-		-
Mn	0,024 – 0,087	-		0,01		2,4 – 8,7
Cu	0,002 – 0,014	1,0		0,001 медь-ион		2 – 14
Mo	0,0009 – 0,067	0,25		0,0004 по Мо +6		2,3 – 170
As	0,2 – 0,9	-		0,05		4 – 18
Ni	0,0049 – 0,031	0,1		0,01 по иону		0 – 3,1
Ti	0,042 – 0,28	0,1		-		-
F	0,2 – 10	0,7		0,05		4 – 200
Cr	0,0026 – 0,051	0,5		0,005		0 – 10,2

* Изменение содержания  каждого из элементов обусловлено  сжиганием углей разных типов  и зольности (Экибастузский –  до 43%, Волчанский – 20-37%, Буланашский – 20-37%, Кузнецкий – до 22%).