Реферат: Техногенные месторождения

ТЕХНОГЕННЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ

(конспект лекций)

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Понятие техногенное месторождение (ТМ), особенности и перспективы разработки

2. Способы образования и классификация ТМ

3. Состав и строение ТМ

3.1. ТМ топливно-энергетического комплекса

3.2. ТМ угольной подотрасли

3.3. ТМ цветных и редких металлов

3.4. ТМ черных металлов

4. Методика и техника геолого-экономической оценки ТМ

4.1. Основные этапы исследования ТМ

4.2. Аппаратурно-методическое обеспечение аналитических исследований ТМ

4.3. Метрологическое обеспечение качества полевых и лабораторных анализов состава отложений ТМ

5. Формирование банка данных (БД) и мониторинг ТМ

5.1. Технология формирования банка данных по техногенным месторождениям (БД ТМ)

5.2. Мониторинг ТМ

6. Геоэкологическое картирование и составление эколого-геологических карт (ЭГК) по техногенным месторождениям

Использованная литература

Перечень вопросов к зачету по всему курсу

Практические работы

Работа 1

Работа 3

1. Понятие техногенное месторождение (ТМ), особенности и перспективы разработки

Техногенные месторождения представляют собой класс месторождений, сформировавшихся в последние столетия в районах горнорудной промышленности (Северо-запад и Юго-восток европейской части Росси, Урал, Юго-восток и Восток азиатской части, Центр Сибири). Эти месторождения обычно обладают своеобразным минеральным составом и являются потенциальным источником разнообразных полезных ископаемых, в частности цветных, редких и благородных металлов, а также строительных материалов (щебень, песок, гравий и т.д.).

Техногенные месторождения – техногенные образования (отвалы горнодобывающих предприятий, хвостохранилища обогатительных фабрик, шлакозольные отвалы топливно-энергетического комплекса, шлаки и шламы металлургического производства, шламо-, шлако- и т.д. отвалы химической отрасли) на поверхности Земли по количеству и качеству содержащегося в них минерального сырья пригодные для промышленного использования в настоящее время или в будущем по мери развития науки и техники.

Особенностями техногенных месторождений являются:

1) географически расположены только в промышленно развитых районах;

2) находятся на поверхности Земли и горная масса в них преимущественно дезинтегрирована;

3) значительно большее количество минералов (более 30 000), чем в обычных месторождениях (около 3 000).

Последняя особенность определяет сложность переработки техногенных руд, так как из-за многообразия минеральных форм, требуются иные технологии, чем для обычных руд, основанные на последних достижениях науки и техники.

Отвалы горнодобывающих и металлургических предприятий как перспективные источники сырья для различных областей индустрии издавна привлекали внимание. Так ещё в 30-е годы прошлого столетия проводились исследования по оценке медьсодержащих отходов на большинстве медных предприятий Урала. С 50-х годов отходы медного производства оценивались не только на основные, но и на полезные попутные компоненты. Исследованиями последних лет установлено, что в России к настоящему времени накоплено свыше 50 миллиардов тонн техногенных отходов, содержание металлов в которых нередко превышает их содержание в рудах, извлекаемых из недр и поступающих на обогащение. Особенно это относится к старым отвалам и хвостохранилищам, которые формировались в 40-50-е годы прошлого столетия, когда не уделялось должного внимания комплексному изучению минерального сырья, а кондиции добычи и переработки были значительно выше современных.

Известны примеры успешного вовлечения техногенных месторождений в эксплуатацию. Так ещё в 70-80-е годы прошлого столетия Хрустальненский Солнечный, Алмалыкский и Зыряновский комбинаты приступили к ревизии отвалов прошлых лет, добыче и использованию некондиционных руд для получения дополнительной продукции (олова, свинца, цинка и др.). Однако, до настоящего времени техногенные месторождения используются в незначительных масштабах. Основной причиной этого является то, что для широкого вовлечения их в переработку требуется строительство практически новых производств, реализующих новые технологические принципы и решения, которые разработаны, как правило, на уровне научных открытий, лабораторных или полупромышленных исследований и редко доведены до промышленного производства. Отсюда высокая капиталоёмкость нового строительства и реконструкции с последовательной заменой действующих технологических линий на новые производства.

Несмотря на указанные трудности, перспективность использования техногенных месторождений очевидна, так как их использование позволяет одновременно решать целый ряд экономических, социальных и экологических проблем.

Экономические проблемы:

1. Постоянное удорожание сырья, извлекаемого из недр, в связи с разработкой месторождений на всё более значительных глубинах, часто с закономерным понижением содержания ценных компонент. В последние 30 лет стоимость сырья неуклонно растёт на 5-10% в год, несмотря на внедрение новой техники и даже автоматизацию некоторых производств.

2. Истощение запасов полезных ископаемых в недрах Земли. Например, при современном уровне добычи и обогащения, запасов цинка осталось на 25-30 лет, а свинца на 50-60 лет.

3. Снижение производительности труда и уменьшение темпов добычи полезных ископаемых в связи с постоянным ухудшением горно-геологических условий добычи (большие глубины, бедные руды).

Социальные проблемы:

1. Осложнение ситуации с использованием рабочей силы во многих рудных районах вследствие уменьшения объёма работ, вызванного истощением запасов полезных ископаемых.

2. Ухудшение условий труда при эксплуатации глубокозалегающих месторождений.

Экологические проблемы:

1. Исключение из хозяйственного оборота больших площадей земель, занятых отходами производства. Так, например, площадь золоотвалов топливно-энергетического комплекса Урала составляет около 3 000 га, а площадь нарушенных земель в медной подотрасли превышает 60 000 га.

2. Уничтожение или снижение качества земель из-за пылевых заносов с отвалов и хвостохранилищ. Например, с 1 га отвалов КМА ежегодно сносится до 500 тонн пыли.

3. Загрязнение окружающей среды (почв, поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха) тяжёлыми металлам и солями в концентрациях, нередко превышающих допустимые нормы. Так ориентировочный суммарный объём сброса загрязнённой оборотной воды с золоотвалов АО «Свердловэнерго» составляет не менее 7,6 млн.м³ /год. Содержание в сбрасываемой воде таких элементов как F, V и Mn превышает ПДК в десятки и сотни раз. С отвалов Садонских месторождений ежегодно выносится в р. Терек до 3 000 тонн цинка.

Вовлечение в переработку техногенного сырья обеспечивает:

1. Сокращение расходов на поиски новых и разведку эксплуатируемых месторождений.

2. Сохранение истощающихся минеральных ресурсов в недрах, так как запасов полезных компонент, накопившихся в отходах ГОК’ов, достаточно чтобы удовлетворить потребности на многие десятилетия вперёд.

3. Повышение производительности труда за счёт рентабельной переработки уже добытого сырья, являющегося, по существу, готовым полупродуктом и находящегося вблизи действующих предприятий, что особенно важно для тех из них, для которых вследствие истощения сырьевой базы оказываются незагруженными производственные мощности, и высвобождается рабочая сила.

4. Улучшение условий труда, так как техногенные месторождения расположены на поверхности Земли в отличие от всё более глубокозалегающих обычных месторождений полезных ископаемых.

5. Производство дешёвых стройматериалов (песок, щебень, гравий, цемент, абразивы, материал для отсыпки дорожного полотна, строительства плотин, дамб, и т.д.), а из шлаков - шлаковаты, шлакового литья (брусчатка, тюбинги, плитки, бордюрный камень и т.д.), литого шлакового щебня, стеклокерамических изделий, вяжущих добавок в цемент, минеральных добавок для улучшения почв, удобрений для сельского хозяйства и др.

6. Освобождение занимаемых им земель и их рекультивацию и ликвидацию источников загрязнения окружающей среды (ОС), улучшая тем самым экологическую обстановку вокруг действующих предприятий. Это относится к тем ТМ, освоение которых сопровождается производством стройматериалов. Если же осуществляется только добыча металлов (цветных, редких и благородных), то из-за низкого их содержания количество техногенных отходов практически не уменьшается.

Таким образом, всё вышеизложенное указывает на актуальность и народно-хозяйственную важность проблемы переработки и полной утилизации отходов горнорудной, металлургической, топливно-энергетической и химической отраслей промышленности. Уже существующие и перспективные технологические разработки позволяют оптимистически оценивать прибыльность переработки ТМ и возможность перехода к безотходным технологиям для их полной ликвидации.

Большинство развитых зарубежных стран осуществляют политику сбережения своих ресурсов, интенсивно вовлекая в переработку ТМ, утилизируя отходы производства, разрабатывая технологии переработки этих отходов. Например, в США ещё в 1993 году доля вторичного сырья в производстве цветных металлов составляла:

по меди – 55%, вольфраму – 28%, никелю – 25%.

Подобная тенденция использования вторичных ресурсов наблюдается в Канаде, Великобритании, ЮАР Испании и других странах. Вот несколько примеров:

· В Канаде из отходов меднорудных предприятий, содержащих 0,45% Cu достигается извлечение 40% меди благодаря новым способам обогащения (кучного кислотного выщелачивания, кучного пиритного и бактериального выщелачивания).

· В штате Монтана (США) из отвалов рудника Мандиски получают ежегодно 2т Au и 4т Ag при содержании в отвалах золота – 0,84г/т и серебра – 2,8г/т.

· В штате Мичиган (США) из хвостов обогащения, содержащих 0,3% Cu, достигнуто извлечение 60% меди.

· В Болгарии из отходов, содержащих 0,1-0,15%Cu, получают медный концентрат, себестоимость которого в 3 раза ниже, чем при получении его из природного сырья.

· В ЮАР из отвалов золотоизвлекательных фабрик при содержании золота – 0,53г/т и урана – 40г/т получают 3,5т золота и 696т урана в год при производительности 50000т/сутки.

Однако, необходимость существенного объёма технологической перестройки производства и разработки целого ряда методических и технологических вопросов изучения ТМ не позволяет рассчитывать на скорый повсеместный переход к безотходным технологиям.

2. Способы образования и классификация ТМ

Множественность показателей, характеризующих ТМ, к которым относятся

· условия образования,

· объёмы,

· вещественный состав,

· характер процессов, преобразующих первичное вещество,

· неоднородность влияния отдельных показателей на принятие технологических решений и экономических оценок и некоторые другие

предопределяют сложность их классификации и типизации.

По морфологическим признакам ТМ можно разделить на 2 типа:

1.Месторождения насыпные, представляющие собой холмы и терриконы. К этому типу относятся:

· терриконы угольных шахт и разрезов;

· отвалы рудников и карьеров руд цветных, чёрных и редких металлов, сложенные дезинтегрированными вскрышными и вмещающими породами, а так же убогими забалансовыми рудами;

· техногенные россыпи, образующиеся при разработке россыпных месторождений и из отходов золоторудных фабрик;

· шлакоотвалы цветной и чёрной металлургии.

2. Месторождения наливные, образующиеся при заполнении впадин земной поверхности. Представителями этого типа ТМ являются:

· отходы обогащения руд (шламо- и хвостохранилища горнообогатительных фабрик);

· шламоотвалы цветной и чёрной металлургии;

· золо- и шлакоотвалы энергетического комплекса, возникающие при гидравлическом удалении золы и шлаков с теплоэлектростанций;

· шламоотвалы химических производств.

По составу техногенные месторождения подразделяются на 4 типа:

1. Породные ТМ, состоящие из природных горных пород и представленные глыбово-щебенистым материалом и шламо- и хвостохранилищами обогатительных фабрик.

2. ТМ пирометаллургических процессов цветной и чёрной металлургии, сложенные шламами и шлаками.

3. ТМ теплоэлектростанций, сложенные золой и шлаками ТЭС.

4. ТМ химического производства (шламы).

По возможным областям использования ТМ подразделяются на 3 типа:

1. ТМ строительного сырья.

2. ТМ (по извлекаемому металлу) – медные, цинковые и т.д.

3. ТМ смешанного типа, т.е. пригодные для получения стройматериалов и металла.

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.

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.

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 (Si₃ Al)O₁₉ (F_0,5 O,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% Al₂ O₃ и 28,17% SiO₂ образуется при термическом перерождении ряда глинистых минералов (каолинит - Al₄ [Si₄ O₁₀ ][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 (Al₂ O₃ ) 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».

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

**Использованы значения рыбохозяйственных ПДК.

Из таблицы 3 следует, что в оборотных водах всех золоотвалов имеет место превышение ПДК для всех элементов, а для V, Мо и F - до 170-230 раз. Объём сброса оборотной воды с золоотвалов АО «Свердловэнерго» составляет не менее 7,6 млн³ /год в поверхностные водоёмы (реки, ручьи) и более 50 млн³ /год в горизонты подземных вод посредством фильтрации через основания дамб.

Воздействие на земельные ресурсы.

Площади, занимаемые каждым золоотвалом, измеряются сотнями гектаров, составляя в целом для АО «Свердловэнерго» не менее 3100 га, а с учётом площади санитарно-защитных зон (около 1700 га) из землепользования исключается 4800 га только для одной Свердловской области.

Воздействие на атмосферу.

Основными источниками загрязнения атмосферы являются пылящие поверхности золоотвалов. Их негативное воздействие заключается в загрязнении воздушного бассейна неорганической пылью в результате ветровой эрозии сухой части поверхности отвалов. Результаты расчётов показали, что для золоотвалов АО «Свердловэнерго» площадь пылящих поверхностей составляет около 600 га, т.е. около 20% общей площади золоотвалов, а суммарный объём пылевыделения превышает 1700 т/год.

Риск экологических последствий аварийных ситуаций.

Экологический риск, т.е. вероятность возникновения неблагоприятных для ОС и человека последствий складирования золошлаковых отходов на золоотвалах обуславливается возможностью прорыва ограждающих дамб, что в действительности хотя и не часто, но имеет место.

Таким образом, в свете рассмотренного воздействия золоотвалов на ОС, совершенно очевидна необходимость проведения исследований по утилизации техногенных отходов, накапливающихся в золоотвалах топливно-энергетического комплекса России. В решении этой проблемы заинтересован и топливно-энергетический комплекс, выплачивающий многие сотни миллионов рублей в год за загрязнение ОС, складирование отходов, изъятия земель.

3.2 ТМ угольной подотрасли

При добыче и обработке ископаемых углей возникает большое количество отходов, содержащих кроме пустой породы значительное количество угля.

Первую группу этих отходов составляют углесодержащие вскрышные (при открытой добыче угля) и шахтные породы, т.е. ТМ горнодобывающей промышленности, возникающие при добыче полезных ископаемых (см. классификацию ТМ). К настоящему времени нет достаточных сведений о ежегодных масштабах образования и складирования в отвалах подобных отходов. Наиболее изучены они в Кузнецком бассейне, где, по ориентировочным расчётам, ежегодно получают 12-15 млн.т вскрышных пород со средней зольностью 72-86%.

Вторую группу представляют отходы углеобогатительных фабрик, где они составляют 5-40% от перерабатываемой массы добытого сырья и превышают 1 млн.т/год на каждой фабрике. В зависимости от способов обогащения угля образуются кусковые и мелкодисперсные отходы соответственно при гравитационном и флотационном методах обогащения. Выход кусковых углеотходов обогатительных фабрик Кузнецкого бассейна составил в 1987 году около 11,5 млн.т, а Уральских – 4,8 млн.т.

Крупность зёрен при флотационном обогащении менее 1 мм. Представление о крупности кусковых отходов даёт таблица 4.

Таблица 4.

Гранулометрический состав отходов гравитационного обогащения.

Содержание мелкой фракции (<13 мм) не превышает 6,5%, а зольность почти не зависит от размера кускового материала.

Представление о химическом составе отходов обогатительных фабрик можно получить, проанализировав данные таблицы 5.

Таблица 5

Характеристика углеотходов.

Преобладающей горной породой в углеотходах уральских месторождений является аргиллит, в небольших количествах присутствуют алевролиты, песчаники, карбонаты и сульфиды.

Основные минералы представлены каолинитом (20-40%), гидрослюдами (5-25%) и кварцем (30-40%). Кизеловские отходы имеют повышенное содержание сульфидов железа, следствием чего является более высокое содержание в них серы.

Содержание углерода зависит от качества обогащения.

Углеотходы представляют интерес для цементной промышленности, которая может утилизировать значительный их объём. Например, в Польше ежегодно используют 40 000 т отходов углеобогащения, применяя их в качестве компонента исходного сырья цемента в количестве 8-18%. На Днепродзержинском цементном заводе в сырьевую смесь вводят 8-9% углеотходов. На Одесском цементном заводе используют углемоечные отходы коксохимического производства для частичной замены глины и снижения расходов топлива на обжиг клинкера (около 11%).

Воздействие отходов обогащения углей на ОС аналогично, по-видимому, воздействию золоотвалов ТЭС, рассмотренному выше.

3.3 ТМ цветных и редких металлов

ТМ этой группы объединяют ТМ, возникающие при добыче, обогащении и переработке продуктов обогащения руд цветных (Cu, Zn, Pb, Al и Mg) и редких (Ni, Sn, Mo, W, Bi, V, Co, As, Sb и Hg) металлов. Как правило, ТМ этой группы относятся к месторождениям смешанного типа, т.е. пригодны как для доизвлечения металла, так и получения стройматериалов.

ТМ, сложенные вскрышными и вмещающими породами и некондиционными рудами, представлены рыхлыми, полускальными и скальными горными породами и рудами различного вещественного состава, слагающими коренные месторождения. В этом типе месторождений обычно не наблюдается закономерностей в распределении наиболее богатых металлом участков.

ТМ, возникающие при обогащении руд, представлены хвостохранилищами, сложенными измельчённым материалом с водонасыщением до 20-50%, плотностью от 1,5 до 2,5 т/м³ и содержанием глинистых частиц до 50%.

При флотационном обогащении основная масса хвостохранилищ представлена пылевидным материалом, а при гравитационном – мелкозернистым. В пылевидном материале частиц с диаметром менее 0,1 мм свыше 25%, а в мелкозернистом – частиц с диаметром меньше 0,1 мм менее 25%.

Полезные компоненты распределены в хвостохранилищах неравномерно. Возникновение участков с повышенной концентрацией металла зависит не только от изменения показателей технологии обогащения, но и от ряда других факторов, таких как

- временной режим и место сброса пульпы, которые не являются постоянными;

- рельеф дна хвостохранилища;

- окислительные и восстановительные процессы в приповерхностной зоне (см. выше).

Металлоносные участки представлены системой разобщённых пластообразных, линзообразных, изометрических и неправильной формы тел.

В хвостохранилищах помимо цветных и редких металлов наблюдаются повышенные содержания благородных металлов (Ag, Au, Pt) и редкоземельных и рассеянных металлов (Ge, Se, Te и др.).

Шлаки металлургического производства имеют две разновидности:

- литые, поступающие в шлакоотвалы в горячем состоянии;

- гранулированные – исходные шлаки после предварительной грануляции.

Распределение полезных компонент в шлаках зависит от изменения состава исходного сырья и показателей извлечения различных компонент, входящих в состав перерабатываемых концентратов, а так же от интенсивности процессов вторичного перераспределения металлов в них, которые для литых шлаков проявляются лишь в приповерхностной части, а для гранулированных – на большую глубину и более интенсивно.

Особенно велики потери металлов при добыче и обогащении руд, а, следовательно, весьма значительны их запасы в ТМ горнодобывающей промышленности. Оценим эти запасы на примере крупнейшего комбината нашей страны – Тырныаузского (Предкавказье), осуществляющего добычу и переработку вольфрамовых руд.

Кондиционными считаются руды с содержанием триоксида вольфрама C_WO3 >0,1%. В хвостах флотации содержание C_WO3 <0,04%. В процессе подготовительных горных работ эксплуатационный блок расчленяется на кондиционные и некондиционные руды, выемка которых из недр осуществляется раздельно: кондиционные руды отгружаются на обогатительную фабрику, а некондиционные направляются в отвал.

Технологическая схема и показатели добычи и переработки руд показаны на рис. 2, из которого следует, что на долю кондиционных руд приходится всего 13,5% от всей добытой горной массы. В этих рудах содержится лишь 34,6% полезного компонента. Некондиционные руды, составляющие 86,5% добытой горной массы, уходят в отвал, унося с собой 65,4% металла, содержащегося в эксплуатационном блоке. Таким образом, уже первая стадия добычи коренных руд связана с огромными потерями полезного компонента, причём это потери не в недрах, а в отвалах.

Рис. 2. Схема отработки и обогащения руд Тырныаузского месторождения с технологичес-кими показателями по отдельным этапам.

a, b, q - содержание C_{WO 3} в исходной горной массе, обогащённом и отвальном продуктах соответственно, %;

g - выход продуктов переработки и обогащения руд, %;

e - извлечение триоксида вольфрама в соответствующий продукт, %.

На об огатительной фабрике руда подвергается дроблению, измельчению и флотации. В хвосты флотации уходит 13,48% рудной массы, вместе с которой уносится ещё 11,4% полезного компонента. В итоге из всей массы металла, содержащегося в эксплуатационном блоке, в товарный концентрат извлекается всего 23,2%, а 76,8% теряется в отвалах некондиционной руды и хвостохранилищах.

Изучение технологической пробы некондиционной руды Тырныаузского месторождения показало, что отвалы некондиционной руды это полноценное техногенное месторождение, пригодное для переработки, причём со значительно меньшими затратами, чем месторождения коренных руд.

Распределение содержания триоксида вольфрама в порциях этой пробы приведено в таблице 6.

Таблица 6.

Распределение триоксида вольфрама в порциях технологической пробы некондиционной руды Тырныаузского месторождения.

*Среднее содержание WO₃ по всем вышестоящим порциям, включая данную (С_n’ ), ко торое рассчитывается по формуле Сп’=(miCi)/(mi)

n’ n’

i=1 i=1

где m_i и C_i – масса и содержание WO₃ в i–й порции технологической пробы;

n’ – количество порций, для которых рассчитывается С_n’ .

**Относительная масса (М_i , %) WO₃ в i-й порции технологической пробы, которая оп-

n

ределяется равенством М_i = [m_i C_i / (åm_i C_i )]·100, %,

i=1

где n – суммарное количество порций в технологической пробе, в данном случае – 20.

***Суммарная относительная масса WO₃ (М_n’ ) для всех вышестоящих порций, включая

n’ n

данную, равная М_n’ = [(С_n’ åm_i )/(С_n åm_i )]·100, %.

i=1 i=1

Проба состояла из кусков крупностью 25-50 мм. Среднее содержание C_WO3 =0,057%, т.е. в целом она относится к категории забалансовых руд, так как минимальное промышленное содержание в руде C_WO3 =0,1%. После взвешивания и анализа каждого куска и ранжирования кусков по содержанию C_WO3 вся проба была разделена на 20 отдельных порций примерно равных по массе. Затем эти порции были объединены в три группы. В группу I вошли 5 порций с самыми высокими значениями C_WO3 , для каждой из которых содержание C_WO3 оказалось выше, чем в хвостах флотации, т.е. C_WO3 >0,04%. В группу II попали 5 порций, у которых среднее накопленное содержание металла оказалось выше, чем минимальное промышленное на месторождении, т.е. C_WO3 >0,1%, но в самих порциях содержание металла ниже, чем в хвостах флотации, т.е. C_WO3 <0,04%. В группу III попали оставшиеся 10 порций, у которых оба показателя ниже установленных пределов.

Данные таблицы 6 показывают, что распределение вольфрама в кусках и порциях некондиционной руды очень неравномерно. Действительно, некондиционная в целом горная масса технологической пробы, оказывается, наполовину (10 из 20 порций) представлена вполне кондиционной рудой, в которой сосредоточено 92,8% всего металла, а его средняя концентрация C_WO3 =0,106% (групповые порции I и II вместе). Более того, кондиционная рудная часть пробы также наполовину сложена некондиционной рудой со средним содержанием C_WO3 =0,026% и запасом металла в 11,4% (групповая порция II). Следовательно, в данном случае отвал некондиционных руд на 50% представлен вполне кондиционными рудами, в которых сосредоточено 92,8% металла со средним содержанием C_WO3 =0,106%. Такой отвал нельзя считать бросовым, он должен рассматриваться как ТМ, вполне пригодное для разработки, причём, с гораздо меньшими затратами, чем коренное, так как горная масса в нём уже добыта и складирована.

Аналогичные результаты анализа состава отвалов некондиционных руд получаются и для многих других типов рудных месторождений. В настоящее время уже имеется опыт переработки отвалов некондиционных руд при использовании крупнопорционной сортировки горной массы и покусковой и мелкопорционной сепарации некондиционных руд с помощью ядернофизических методов. Например, извлечение Pb и Zn из некондиционных полиметаллических руд Алмалыкского ГОК’а (Узбекистан) составляет около 50% от массы полученного комбинатом металла.

ТМ цветных и редких металлов помимо доизвлечения основных полезных компонент и получения стройматериалов (щебень, песок, гравий, закладочный материал и т.д.) могут являться ценным источником попутных элементов, которые в начальный период добычи руд по тем или иным причинам не извлекались. Так, например, отвалы и хвосты медно-никелевых руд Норильска содержат промышленные с точки зрения современных технологий их переработки концентрации платиноидов, золота и серебра, которые ранее извлекались лишь частично. Практически все полиметаллические и медно-цинковые месторождения содержат Ag, Cd редкие и рассеянные элементы, потребность в которых резко возросла в последнее время, и промышленные кондиции на них в связи с этим существенно понизились.

ТМ цветных и редких металлов имеют огромные запасы полезных компонент. В качестве примера рассмотрим суммарные характеристики ТМ медной подотрасли Урала, в которой сосредоточена основная их доля России и для которой известны наиболее полные данные (таблица 7).

Таблица 7.

Характеристика ТМ медной подотрасли Урала.

Из таблицы 7 следует, что основная доля (87,4–96,8%) запасов полезных компонент сосредоточена в ТМ, возникающих при добыче руды коренных месторождений. В целом для медной подотрасли Урала этот показатель даже превосходит соответствующие потери при добыче вольфрамовых руд [85%=65,4/(65,4+11,4) – см. рис. 2] несмотря на то, что медные и медно-цинковые кондиционные руды имеют более высокие содержания Cu (0,35-0,5%) и Zn (1,5%) и как следствие этого должны быть более однородны.

Из этой же таблицы также видно, что даже средние содержания Cu (0,34-0,37%) близки к кондиционным (0,35%-0,5%), поэтому учитывая неравномерность распределения меди в техногенных рудах (от 0,08 до 1,88%), очевидно, что они вполне конкурентоспособны с коренными рудами.

В медных рудах Урала помимо меди содержится ёще 15 других ценных компонент (Zn, Pb, S, Au, Ag, Bi, Cd, Ge, Re, Sn, Te, Ni, In, Sb). Кроме того, в шлаках содержится до 30% и более железа (C_{Fe ,кондиц.} ³16%), которое из них не извлекается.

Наибольшую ценность в хвостах обогащения Уральских руд представляет сера. Её стоимость составляет 30-50% от общей стоимости хвостов. Второе место принадлежит сумме драгоценных металлов (25-45%). Далее идут Cu – 10-20% и Zn – 10-15%.

Каждое ТМ обладает своими особенностями, обусловленными составом исходного сырья для них, технологией добычи, обогащения или переработки и целым рядом других факторов. Поэтому необходима объективная оценка и детальная разведка каждого перспективного для вторичной переработки ТМ. Оценочные работы проведены пока на немногих месторождениях. Рассмотрим для примера результаты таких работ на двух месторождениях: ТМ Бурибаевской обогатительной фабрики и ТМ медиплавильного комбината АООТ «СУМЗ» (Среднеуральский металлургический (медиплавильный) завод).

ТМ Бурибаевской обогатительной фабрики начало формироваться с 1937 г. Площадь хвостохранилища составляет около 18 га. Высота колеблется от 0,5 до 18 м. Хвосты представляют собой обезвоженную пульпу с размером частиц от 0,02 до 0,07 мм.

По результатам опробования шлама содержание С_S =10-42%, С_Cu =0,12-1,64%, С_Zn £1%. Эти шламы могут быть использованы как сырьё для получения медного и пиритового концентратов.

Хвостохранилище разведано колонковыми скважинами по сети 50´50 м. Анализ размещения меди и серы в шламе хвостохранилища показал, что наибольшее их содержание отмечается в местах слива шлама из трубопровода. По мере удаления от него содержание меди и серы уменьшается. По содержанию этих элементов выделяют три участка:

I участок – С_Cu >0,5%, С_S >34%.

II участок - С_Cu >0,5%, С_S <34%.

III участок - С_Cu <0,5%, С_S <34%

Запасы хвостохранилища составляют 3,96 млн.т при среднем содержании С_Cu =0,54%, С_Zn =0,17%, С_S =28,18%. Кроме Cu, Zn и S хвосты содержат:

Au – 1,2 г/т (0,00012), Se – 41 г/т (0,0041%), Ge – 1,6 г/т (0,00016%,

Ag – 10,3 г/т (0.00103%), Te – 28 г/т (0,0028%).

Пользуясь этими данными нетрудно подсчитать запасы перечисленных выше металлов в хвостохранилище Бурибаевской обогатительной фабрики (сделать самостоятельно)

Cu – 21384 т, Au – 4,752 т, Te – 110,88 т,

Zn – 6732 т, Ag – 40,788 т, Ge – 6,33 т,

S – 1,116 млн.т, Se – 162,35 т.

ТМ медеплавильного комбината АООТ “СУМЗ” представляет собой шлакоотвал, содержащий несколько десятков млн.т шлаков.

Минеральный состав шлаков:

Магнетит (FeFe₂ O₄ ), пирротин (Fe_{1- x} S), фаялит {Fe₂ [SiO₄ ]}, шпинель (MgAl₂ O₄ ), виллемит {Zn₂ [SiO₄ ]}, куприт (Cu₂ O), волластонит {Ca₃ [Si₃ O₉ ]}, кварц (SiO₂ ) и некоторые другие рудные и нерудные минералы.

В химическом составе преобладают

Fe – (34-42)%, SiO₂ – (32-38)%, Al₂ O₃ – (4,6-7,5)%,

Zn – (2-5)%, S – (0,9-1,2)%, Cu – (0,6-0,7)%.

В ходе отработки шлакоотвала, дробления и флотационного обогащения шлаков на обогатительной фабрике получают медно-цинковый концентрат и магнетит, содержащий песок.

3.4 ТМ черных металлов

ТМ этой группы, как и ТМ цветных и редких металлов формируются при добыче, обогащении и переработке продуктов обогащения коренных руд чёрных металлов (Fe, Ti, Mn, Cr). Они так же, как правило, относятся к месторождениям смешенного типа, т.е. пригодны для доизвлечения различных металлов и для получения стройматериалов.

Для месторождений Урала этой группы наблюдается аналогичное соотношение запасов для разных их типов:

· ТМ вскрышных и скальных пород и некондиционных руд - >5 000млн. т;

· ТМ хвостов обогащения - ~900 млн. т;

· ТМ шлаков металлургических комбинатов - ~200 млн. т.

Наибольший интерес среди ТМ чёрных металлов вызывают в последнее время хвосты мокрой магнитной сепарации титаномагнетитовых руд Качканарского ГОК’а (Урал). Хвостохранилище занимает площадь 2000´200 м=40 га. В среднем в него ежегодно поступает около 34 млн.т хвостов. Материал их достаточно однороден, с преобладающим фракционным составом 1-4 мм. Распределение металла по поверхности хвостохранилища равномерное. Как следствие однородности состава шламов в них отмечаются стабильные содержания одного из редких металлов–скандия (C_Sc »130 г/т), представляющего промышленный интерес.

ТМ металлургических предприятий представляют довольно сложные объекты. Строение подобных ТМ рассмотрим на примере ТМ Челябинского электрометаллургического комбината (АО «ЧЭМК»).

Шлаковые отвалы ЧЭМК формируются с начала ферросплавного производства в 1931г. и продолжают функционировать по настоящее время. Они имеют в плане близкую к изометрической форму плоского типа (соотношение площади верхней поверхности и нижнего основания меньше двух). Площадь отвала около 38 га. Мощность тела отвала 16-31 м, средняя её величина – 22,55 м. Плотность материала – 2,5 т/м³ .

Вывалка шлаков и отходов различного состава производилась хаотически, без соблюдения системы складирования, поэтому строение отвала сложное. Большая часть его поверхности покрыта пылями различных производств и саморассыпающихся шлаков, которые впоследствии проходят процесс литификации (слёживания), превращаясь в сцементированные тонкообломочные породы.

В отвале содержится около 653 тыс.т марганца. Основное перспективное направление переработки – использование в качестве строительного материала с предварительным извлечением металлических фаз. Характерными стройматериалами, которые могут быть получены из шлаков чёрной металлургии, являются:

· гранулированные шлаки;

· шлаковая пемза как заполнитель бетона;

· шлаковата;

· литой шлаковый щебень;

· шлаковое литьё (брусчатка, плитки, бордюрный камень и пр.);

· стеклокерамические изделия;

· вяжущие добавки в цемент;

· минеральные добавки для улучшения почв.

4. Методика и техника геолого-экономической оценки ТМ

4.1 Основные этапы исследования ТМ

Исследования ТМ и вовлечение их в эксплуатацию представляет собой комплексную проблему, которая может быть решена только совместными усилиями геологов, геофизиков, горняков, обогатителей и экологов. Методика исследований ТМ включает ряд этапов:

1. Рекогносцировочное геолого-геофизическое обследование ТМ. Оно выполняется путём изучения горно-геологической документации отработки коренных месторождений, осмотра техногенных образований на местах и составления схемы их залегания. На основании выполнения этих работ оценивается:

· минералогический и петрофизический состав залежей ТМ и их физические свойства (плотность, электропроводность и т.д.);

· ожидаемое содержание полезных и попутных компонент;

· гранулометрический состав;

· площадь и мощность залежей ТМ, их состояние, сроки складирования и т.д.

Первый этап работ заканчивается заключением о целесообразности дальнейшего изучения ТМ с целью вовлечения его в переработку, если существует потребность в том или ином продукте, полученном из техногенного сырья.

При этом оценка ТМ должна быть технолого-эколого-экономической, так как экологический аспект их разработки, наряду с сырьевым, является важнейшим.

Совокупность таких заключений может служить основой для составления централизованной картотеки, кадастра или банка данных по ТМ России.

2. Геолого-геофизическая съёмка поверхности отложений ТМ. Информация о ТМ, полученная на первом этапе исследований, требует уточнения. Многие ТМ существуют от нескольких десятков до 100 и более лет. В течение этого времени интенсивно шли процессы выветривания, окисления и выщелачивания, в результате которых произошло перераспределение элементов, изменение минералогического и вещественного состава техногенных отложений, вынос элементов и образование ореолов рассеяния. Эти изменения наиболее существенны для отходов добычи и обогащения сульфидных руд, которые при окислении и выщелачивании быстро разрушаются и переходят в окисленные минералогические формы, требующие при утилизации создания особых технологий извлечения полезных компонент.

Основным средством исследования ТМ на втором этапе являются ядерногеофизические методы, такие как рентгенофлуоресцентный (РФМ), нейтронноактивационный (НАМ), гамма-гамма (ГГМ) и др., обеспечивающие геолого-технологическое картирование и выявление наиболее перспективных для разработки участков.

Второй этап исследований ТМ начинается рентгенорадиометрической съёмкой, когда это возможно, или отбором проб с поверхности отложений по разведочным линиям с максимальным расстоянием между ними для однородных отвалов 100 м, а между пунктами опробования по линии – 10-20 м. Отбор проб по поверхности рыхлых отложений проводится горстьевым способом или способом вычерпывания. Крупные глыбы шлаков, горных пород, некондиционных руд и других образований опробуются штуфным способом. Проба представляет собой образец (штуф) или сколки, отобранные равномерно с опробуемой поверхности. В случае неоднородности строения объекта исследований проводится опробование каждой разновидности.

Отобранные пробы подвергаются сначала полуколичественному спектральному анализу с целью выявления широкого круга элементов в исследуемом материале. Количественный анализ осуществляется рентгенорадиометрическим или нейтронно-активационным методом в зависимости от минимальных содержаний (C_min ) и типа (порядкового атомного номера Z) определяемых элементов, представляющих практический интерес. Для РФМ - С_min ³(10^-3 -10^-2 )%, Z>20; а для НАМ - С_min ³5·10^-5 %; Z – практически любой.

При исследовании многих типов ТМ возможна рентгенофлуоресцентная съёмка (РФС) по поверхности отложений без отбора проб. Например, РФС с успехом применяется для картирования поверхности хвостохранилищ оловорудных, полиметаллических и некоторых других типов месторождений.

В процессе съёмки определяется содержания основных полезных компонент – Cu, Zn, Pb, Sn и др., сопутствующих– Fe, As и др., редких и рассеянных элементов – Ag, Cd, Re, Ga и др., которые имеют промышленное значение и могут быть извлечены при переработке техногенных руд, а также Sr, Ba, Sb, Zr, Rb, Ca, S, P, которые определяют технологический тип руды и влияют на извлечение полезных компонент. Такая многоэлементная съёмка может быть выполнена в настоящее время ретгенофлуоресцентным методом с портативной или переносной аппаратурой на пропорциональных, полупроводниковых или кристалл-дифракционных детекторах (АР-104, Дукат, Спетроскан и др.). По результатам съёмки выделяются перспективные для отработки участки ТМ.

Второй этап исследований включает также изучение физических свойств и минералогическое и петрофизическое изучение материалов проб и образцов. Результаты определения вещественного состава, минералого-петрографической и петрофизической характеристик техногенных отложений оформляются в виде геолого-технологической карты или плана.

3. Разбуривание перспективных участков. Основная его задача – заверка результатов поверхностной съёмки и получение данных о пространственном распределении оруденения в техногенных отложениях. На основе этих сведений осуществляется прогнозный подсчёт запасов полезных компонент, разработка плана отработки ТМ с учётом технологических типов оруденения и составление геологической карты и разрезов.

Разбуривание перспективных участков осуществляется по густой, разведочной сети – 10´10 м, а для неперспективных участков по более редкой, поисковой, сети – 50´50 м с экспресс-анализом шламовых проб рентгенофлуоресцентным методом, на тот же круг элементов, что и при съёмке.

Результаты исследований по этапам 1-3 уже достаточны для того чтобы начать разработку ТМ. Однако, для более эффективного использования техногенного сырья целесообразно проведение дополнительных исследований для уточнения технологии его переработки. С этой целью осуществляются исследования 4-го этапа.

4. Изучение малой технологической пробы. Оно направлено на решение технологических вопросов и составление технико-экономического обоснования (ТЭО) промышленного освоения ТМ с разработкой кондиций.

Малая технологическая проба массой от 50 до 100 т отбирается с перспективных участков. Изучение такой пробы позволяет:

-оценить обогатимость руд, используя полученные данные по её гранулометрическому составу, распределению полезных компонент по классам крупности, контрастности оруденения, определённой химическим или радиометрическим методом, по вещественному и минералогическому составу, по степени окисленности рудных минералов и опытной флотации или гравитации;

-оценить возможность и перспективы радиометрической порционной сортировки транспортных емкостей (вагонеток, самосвалов, транспортёров и т.д.) и покусковой сепарации при отработке техногенных отложений;

-разработать рациональную технологическую схему извлечения полезных компонент для данного ТМ с экономическим обоснованием и проектом технологической линии для отработки ТМ.

Общая структурная схема переработки руд с применением радиометрической сортировки и сепарации руд показана на рис.3, но для каждого конкретного месторождения она должна быть уточнена и конкретизирована.

Рис.3. Общая принципиальная схема технологии переработки коренных и техногенных руд с применением предварительной концентрации на основе радиометрической сортировки и сепарации.

4.2 Аппаратурно-методическое обеспечение аналитических исследований ТМ

Успех изучения и комплексного использования ТМ в значительной степени зависит от уровня аналитического обеспечения. Очевидно, что от качества определения химического состава многокомпонентных веществ зависит достоверность выводов о полезности и перспективности использования отходов промышленного производства. Многие традиционные аналитические методы далеко не всегда удовлетворяют требованиям практики из-за их трудоёмкости, недостаточной точности и чувствительности. Поэтому закономерен интерес к использованию инструментальных методов анализа, которые позволяют выполнить количественные определения широкого круга элементов в приемлемые сроки в автоматическом или полуавтоматическом режиме с выводом информации на диспетчерский пульт для оперативного управления процессом производства, в память компьютера или непосредственно в соответствующую базу данных.

Особое место при решении перечисленных задач принадлежит ядернофизическим методам:

- рентгенофлуоресцентному,

- нейтронно-активационному,

- гамма-спектрометрическому,

- эманационному,

- радиометрическому.

Комплекс этих методов позволяет определять содержания практически всех элементов, представляющих интерес, и исследовать практически все объекты ОС, в том числе воздух, воду, почвы, горные породы, руды, продукты и отходы их переработки и т.д. При этом обеспечивается не только количественная характеристика элементного состава объекта по стабильным изотопам, но и радиационная оценка по активности естественных и искусственных радионуклидов.

Ядернофизические методы и аппаратура для элементного анализа вещества получили в последние 2-3 десятилетия интенсивное развитие и широкое применение. Используя достижения атомной и ядерной физики, полупроводниковой и электронной вычислительной техники, создан к настоящему времени целый ряд анализирующих приборов и разработаны методические основы применения этих методов для решения разнообразных задач геологии, экологии, металлургии, строительства, медицины, пищевой, химической, горнодобывающей и горноперерабатывающей отраслей промышленности и др.

При исследовании таких сложных объектов как ТМ ядернофизические методы обладают целым рядом достоинств по сравнению с традиционными методами анализа вещества:

1. Возможность анализа техногенных отложений в естественном залегании, т.е. без отбора проб, а также в полевых условиях с помощью передвижных полевых лабораторий.

2. Высокая экспрессность анализа, длительность которого обычно составляет не более нескольких десятков секунд и редко превышает 10-15 мин, что обеспечивает, с одной стороны, высокую производительность, достигающую десятков и даже сотен тысяч элементоопределений в год, а с другой стороны, решение принципиально новых задач, недоступных традиционным методам анализа. Например, это достоинство в сочетании с первым позволяет осуществить сортировку руд по качеству в транспортных емкостях, корректировку технологического процесса обогащения при анализе пульпы в потоке и т.д.

3. Высокая экономическая эффективность.

4. Высокие точность и чувствительность, низкий предел обнаружения, который, например, при НАА достигает для некоторых элементов 10^-8 -10^-10 %. Погрешность определений обычно не превышает 10-20% отн. даже при выполнении анализа без отбора проб.

5. Возможность одновременного многокомпонентного анализа и получение результатов в реальном масштабе времени. При РФА число одновременно определяемых элементов обычно не менее трёх-четырёх, например, Ni, Cu, Zn, Pb, Fe, а при НАА может достигать 30-40 и более.

6. Анализ является неразрушающим, материал образца полностью сохраняется после завершения измерений.

7. Низкая трудоёмкость, обусловленная высокой экспрессностью и простотой пробоподготовки или даже полным отсутствием какой-либо подготовки, так как можно анализировать образцы различного размера, формы и вида (штуф, порошок, жидкость, газ) или осуществлять анализ без отбора проб отложений, в естественном их залегании.

8. Анализ выполняется, как правило, в широком диапазоне концентраций от 10^-4 -10^-8 до 100% при этом без существенного изменения методики и легко поддаётся автоматизации.

9. Результаты определения содержания элементов в веществе не зависят от типа их химических соединений.

Из перечисленных достоинств ЯФМ следует, что они могут с успехом применяться на всех этапах изучения и утилизации ТМ, начиная от геолого-геофизической съёмки поверхности отложений ТМ, разбуривания перспективных участков и изучения технологических проб и кончая опробованием продуктов обогащения и их переработки, включая автоматические системы управления (АСУ) этими процессами. Эффективное решение этих задач в настоящее время обеспечено соответствующими аппаратурными и методическими разработками (аппаратура типа «Спектроскан», «АР-104», носимые спектрометры типа «Поиск», рентгенорадиометрическая каротажная аппаратура и т.д.; методики многокомпонентного анализа со сцинтилляционными, пропорциональными, полупроводниковыми и кристалл-дифракционными детекторами).

4.3 Метрологическое обеспечение качества полевых и лабораторных анализов состава отложений ТМ

Контроль качества должен осуществляться на всех этапах и при всех видах полевых и лабораторных работ. Аналитические исследования должны проводиться в лабораториях, прошедших аккредитацию в установленном порядке. Контроль качества аналитических работ осуществляется в форме:

1. Внутреннего (внутрилабораторного);

2. Внешнего (главным образом в виде межлабораторного);

3. Геологического контроля.

1. Внутрилабораторный контроль правильности результатов анализа выполняется систематически и обязателен для рядовых анализов, при этом он

- включает контроль правильности и оценку точности результатов определений с помощью стандартных образцов (СО) и контрольных проб (КП), контроль систематических расхождений результатов, получаемых принципиально различными методами;

- организуется руководителем аналитического подразделения и выполняется группой контроля;

- его данные обрабатываются раздельно по методам анализа.

Для контроля правильности и точности анализов используются результаты измерений навесок государственных (ГСО) и отраслевых (ОСО) стандартных образцов, контрольных проб (КП), изготовленных на основе ГСО и ОСО, стандартных образцов предприятия (СОП). Набор стандартных образцов и контрольных проб должен охватывать весь диапазон содержаний определяемого компонента в анализируемых пробах. Навески СО и КП включаются в зашифрованном виде в каждую партию рядовых проб.

2. Внешний межлабораторный контроль осуществляется лабораториями, объединёнными этой процедурой. Они проводят анализ ОСО, СОП и КП по единой методике с последующей обработкой результатов измерений метрологической службой головной организации, которая разрабатывает рекомендации по улучшению качества работ. Внутри и межлабораторный контроль рекомендуется проводить на одних и тех же СО.

3. Геологический контроль предусматривает повторное опробование в количестве 3% от общего объёма отобранных проб.

При необходимости допускается создание и использование контрольных проб по всем опробуемым объектам из типичных для района материалов. Такие пробы готовятся в объёмах, достаточных для обеспечения навесками всех партий проб на весь период работ с обязательным описанием и утверждением методик их изучения.

Исследования, направленные на всестороннее изучение ТМ, выяснения их экономической ценности и экологической безопасности при дальнейшем использовании неразрывно связаны с сертификацией отходов производства. Для этого создаются специальные лаборатории и институты испытаний и сертификации минерального сырья, в том числе и техногенного. Например, институт испытаний и сертификации при Уральской государственной горно-геологической академии (УГГА), выполняющий большой объём работ по оценке качества минерального сырья и метрологическому обеспечению научно-технических исследований и разработок.

5. Формирование банка данных (БД) и мониторинг ТМ

Решение задач, возникающих при переработке ТМ, требует их мониторинга, который является необходимой частью единой технологической цепочки при формировании банка данных по ТМ (БД ТМ).

Целью создания БД является:

1. Представление информации о ТМ в виде, позволяющем

· отслеживать запасы ценных компонент, содержащихся в этих месторождениях, и

· управлять опасными отходами на всех этапах обращения с ними, а именно, при их

- образовании,

- накоплении

- транспортировке,

- переработке,

- обезвреживании,

- захоронении;

2. Обеспечение областных, муниципальных и районных органов управления, специалистов, предпринимателей и общественность информацией о ТМ, в том числе,

- об опасных отходах, их перемещении, причинах не использования;

- о прогнозируемых процессах, вызванных их наличием;

- об оценках риска для здоровья человека и возможных путях его снижения;

- о технологиях переработки, а так же

- о затратах, связанных с реализацией мероприятий по их утилизации;

3. Дать ответ на два основные вопроса, обусловленных существованием ТМ:

- какова эколого-экономическая целесообразность использования ресурсов ТМ в данном районе?

- каков риск сохранения того или иного ТМ, т.е. как влияет его сохранение на качество других ресурсов (водных, сельскохозяйственных и т.д.)?

В процессе формирования БД ТМ решаются следующие задачи:

1. Аудит объекта на основе применения оптимального комплекса измерительного оборудования и аппаратуры;

2. Формирование обновляющихся характеристик ТМ, в том числе по результатам опробования;

3. Мониторинг ТМ, в том числе слежение за запасами полезных компонент в них;

4. Повышение достоверности информации о ТМ за счёт комплексирования данных, поступающих из разных источников;

5. Паспортизация и сертификация ТМ;

6. Экспертиза способов переработки ТМ и оценка их экономической целесообразности, т.е. поиск рациональных технологий переработки ТМ и выдача рекомендаций по способам использования ТМ;

7. Оценка существующих и прогнозируемых ущербов, связанных с наличием ТМ;

8. Поиск потенциальных потребителей продуктов переработки ТМ;

9. Поиск ТМ, удовлетворяющих определённым требованиям потенциальных потребителей;

10. Выявление приоритетных проектов переработки ТМ;

11. Учёт земель, отчуждённых под ТМ;

12. Формирование учётных документов;

13. Формирование карт ТМ:

14. Поддержка БД налогов и штрафных санкций за нарушение экологии и норм природопользования. Например, при формировании БД ТМ топливно-энергетического комплекса Урала было установлено, что для золоотвалов АО «Свердловэнерго» отсутствуют санитарно-защитные зоны. Это приводит к занижению суммарной площади земельных отводов и суммы соответствующего земельного налога на 58%. Золоотвалы двух электростанций АО «Свердловэнерго» расположены в водоохранных зонах водных объектов, вследствие чего, согласно действующим нормативным документам, платежи за размещение отходов на них должны быть увеличены в 5 раз. Кроме того, не учитывается объём пылевыделения с золоотвалов и отсутствует учёт сброса из золоотвалов оборотных вод с многократным превышением ПДК по таким элементам как Mn, V, F, As, Cu и др. Это, помимо экологических последствий, приводит к занижению соответствующих платежей на сумму не менее 270 млн.руб. в год (в ценах 1997 г.). В целом было установлено, что суммарное занижение платежей за загрязнение ОС, складирование отходов и изъятие земель составило по АО «Свердловэнерго» в 1996 г. 2,33 млрд. рублей.

5.1 Технология формирования банка данных по техногенным месторождениям (БД ТМ)

Технология построения БД ТМ основана на объединении:

- информационной базы и

- математических моделей распространения загрязнений в ОС (воздушном и водном бассейнах, почвах, донных отложениях и т.д.) и оценки связанных с этим рисков, которые строятся на основе информационной базы (см. рис.4).

Рис.4. Структурная схема формирования банка данных по техногенным месторождениям (БД ТМ).

Создание информационной базы является достаточно сложным процессом, требующим огромного объёма информации, основными источниками которой являются:

· база знаний , содержащая информацию специалистов по изучению и использованию ТМ;

· база данных о вещественном составе и физическим свойствам отложений ТМ;

· нормативно-правовая база , предоставляющая информацию, которая следует из нормативно-правовых документов.

База знаний включает данные по перераспределению полезных компонент в техногенных отложениях под влиянием разнообразных природных факторов таких как, окислительно-восстановительные процессы, выщелачивание, фильтрационные электрические поля, плоскостной смыв и других физико-химических и механических процессах климатического воздействия и выветривания. Здесь же содержатся данные экспертизы по рациональным технологиям переработки ТМ, рекомендации по способам использования тех или иных типов ТМ, оценка прогнозируемых ущербов и рисков, связанных с наличием ТМ и т.д.

База данных состоит из 3-х крупных блоков:

- фондовая информация характеризует состав и свойства исходного сырья горнодобывающих, горноперерабатывающих, металлургических и других типов предприятий (горные породы, руда, концентраты, угли для ТЭЦ и т.д.) и отходов промышленных производств (шламы, шлаки, золы и т.д.) по данным фондовых материалов.

- результаты опробования ТМ необходимы в связи с тем, что фондовая информация, выявляя общие закономерности, позволяет лишь оценить состав и строение техногенных отложений, так как из-за физико-химических и механических процессов климатического воздействия и выветривания отходы производства в техногенных отложениях отличаются от отходов рудников, обогатительных фабрик, ТЭЦ и т.д. Кроме того, дифференциация отходов при складировании, нарушение системы складирования, а часто и полное её отсутствие, требуют уточнения строения техногенных отложений по данным бурения.

Этот блок данных так же содержит радиационную оценку ТМ, обычно отсутствующую в фондовых материалах. ТМ нередко имеют повышенную радиоактивность по сравнению с исходным сырьём. Например, золошлаковые отходы ТЭЦ могут содержать повышенные концентрации естественных радионуклидов (U, Th и K) особенно при сжигании углей Подмосковного, Донецкого и некоторых других бассейнов и месторождений, обладающих повышенной радиоактивностью.

Важным источником информации о составе, свойствах и строении техногенных отложений являются наряду с традиционными методами анализа ядерногеофизические методы (рентгенофлуоресцентный, нейтронно-активационный, гамма-гамма метод и др.)

- мониторинг является источником информации о закономерностях изменения во времени химико-минералогического и петрографического составов и физических свойств, как самих техногенных отложений, так и объектов ОС вблизи ТМ (почв, донных отложений, подземных и грунтовых вод, воздушного бассейна). Данные этого блока являются основой для прогноза изменения экологической ситуации исследуемой территории и выработки рекомендаций и управляющих решений.

Нормативно-правовая база содержит информацию о предельно-допустимых концентрациях (ПДК), выбросах (ПДВ) и сливах (ПДС) загрязняющих веществ, нормативно-правовые и нормативно-методические документы по охране окружающей среды, природопользованию и обеспечению экологической безопасности.

На основе информационной базы создаются математические модели взаимодействия ТМ с ОС, которые связывают все имеющиеся виды информации и обеспечивают построение модели ТМ, поэлементных, геологических и экологических карт, петрофизических разрезов и т.д., т.е. создание графических библиотек. Математические модели с использованием данных информационной базы позволяют сделать оценку прогнозных ресурсов, содержащихся в ТМ полезных компонент и выработать систему поддержки принятия решений

Рассмотренная технология формирования БД ТМ обеспечивает:

1) ввод в локальную базу данных всевозможных типов, включая графическую информацию с бумажных носителей;

2) масштабные и функциональные преобразования данных в различных системах координат;

3) построение плоских и объёмных картографических изображений;

4) решение экспертных, классификационных и других задач распознания объектов различного характера по множеству информационных слоёв;

5) экспорт-импорт информационных слоёв с внешними базами данных с целью эффективного использования пакета информации и коррекции БД за счёт дополнительной информации.

Техническая база БД ТМ включает:

1) компьютерную сеть со специализированной периферией;

2) современные компьютерные технологии, включая такие широко известные ГИС как ARC/INFO, ER MAPPER 5.0 и др.

3) системы подготовки и выпуска геоинформационных пакетов (ГИП), которые имеют три модификации:

· региональные ГИП в масштабах 1:200 000 – 1:1 000 000, которые содержат объёмную характеристику ТМ, их место в структуре промышленности региона, экономические характеристики, проблемы, перспективы;

· территориальные ГИП в масштабах 1:50 000 – 1:100 000 для районов;

· локальные ГИП отдельных месторождений в масштабе 1:25 000.

Вся информация в БД ТМ структурирована по уровням. Первый уровень даёт обобщённую информацию о техногенном месторождении (его географическое положение, общая характеристика, реквизиты собственника и т.д.). Каждый из последующих уровней раскрывает характеристики месторождения и делает доступным выход на комплекс решаемых задач.

Информация на каждом уровне включает в себя карту определённого масштаба и комплекс характеристик техногенного месторождения.

5.2 Мониторинг ТМ

Мониторинг ТМ обеспечивает периодическое обновление геоинформационных пакетов (ГИП). Источником информации служит пакет данных представленный в таблице 8.

ГИП обычно состоит из следующих информационных слоёв:

1) образ земной поверхности – цифровая модель по космо- и аэросъёмке в оптическом диапазоне с разрешением от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров;

2) инфраструктура – цифровая топооснова коммуникаций, застройки, сетей и т.д.;

3) рельеф – цифровая модель рельефа с морфологическими объектами и физическими параметрами радарного сканирования;

4) ландшафт – модель градации растительности и гидросферного покрова по оптическому и радарному сканированию;

5) геохимия – элементный состав, радиоактивность, сорбированные газы, нефтепродукты и другие физико-химические параметры грунтового покрова;

6) геофизика – аномальные геофизические естественные и искусственные поля, интегральные и дифференциальные параметры на различных глубинных срезах, начиная от дневной поверхности;

7) геология – геологические объекты, элементы и параметры покровного и глубинного строения земной коры;

8) гидросфера – карты открытых и подземных гидросистем, фильтрационных потоков и водно-физических параметров;

9) геодинамика – блоковая структура земной коры;

10) экология – экологический паспорт, объекты мониторинга, реперная система и банк контрольных параметров территории;

11) ресурсы – прогнозные карты ресурсов минеральных, углеводородных, строительных, техногенных, лесных, сельскохозяйственных и др.;

12) эталонная коллекция образцов, включающая систематизацию, минералогическое и петрографическое описание, определение петрофизических и технологических свойств и элементного состава, паспорт коллекции.

Таблица 8.

Источники информации для формирования геоинформационных пакетов (ГИП).

Постоянное загрязнение окружающей среды требует оптимальной организации процесса мониторинга. Разработаны многоуровневые системы сбора, обработки, хранения и анализа информации, позволяющие чётко разделить функции различных подразделений, оптимально использовать технические средства и оперативно получать необходимую информацию. Двухуровневая система мониторинга представлена на рис. 5.

Рис. 5. Информационная система экологического мониторинга объектов окружающей среды

Система мониторинга первого уровня предназначена для измерения, регистрации и первичного накопления данных по объекту в автоматическом режиме. Эти функции выполняются рабочими станциями (РС-1), которые представляют собой аппаратурно-программные комплексы на базе персональных компьютеров и измерительной аппаратуры различного назначения:

- измерение химических загрязнений (содержание тяжёлых металлов и т.д.);

- измерение органических загрязнений (содержание пестицидов, бензапирена и т.д.);

- измерение ионизирующих a-, b- и g-излучений.

Второй, более высокий, уровень системы мониторинга – это программные комплексы на центральной ЭВМ, назначение которых:

- сбор оперативной информации по мониторингу с РС-1 и передача этих данных в соответствующую БД в автоматическом режиме;

- диалоговый режим ввода и ведения баз данных по всем видам загрязнений ОС;

- диалоговый режим ввода и редактирования данных по любой БД;

- проверка достоверности хранящейся информации;

- интеграция всех данных на региональном уровне и их обработка, анализ и обобщение имеющейся информации, визуализация и печать выходных документов в табличной форме, а так же построение 2-х и 3-х мерных графиков.

Первые два уровня решают технические задачи по созданию баз данных по различным видам загрязнений ОС – атмосферы, территории, воды, почвы, строительных материалов и изделий из них и т.д.

На более высоком уровне эти данные служат базой для комплексной оценки состояния ОС, здоровья населения, системного анализа состояния экосистемы, для выработки подходов реабилитации, экспертного анализа экологической ситуации и её прогнозирования.

Система метрологического обеспечения мониторинга должна предусматривать необходимую точность измерений, которая гарантируется различными видами испытаний (внутрилабораторный и межлабораторный контроль, геологический контроль) и периодической поверкой средств измерений.

6. Геоэкологическое картирование и составление эколого-геологических карт (ЭГК) по техногенным месторождениям

Одним из необходимых видов исследований ТМ является оценка их влияния на загрязнение ОС и прогноз экологического состояния прилегающих территорий, что определяет необходимость составления экогеологических карт.

Экогеологическая карта представляет собой картографическое отображение геологической среды (ГС) и происходящих в ней процессов, которые оказывают влияние на экосистемы, среду обитания и здоровье человека.

Основное отличие ЭГК от других карт геологического содержания является экологическая оценка геологических показателей и процессов в естественных и нарушенных условиях. Нормативными документами для оценки экологического состояния ГС являются:

1. «Критерии оценки экологической обстановки территории для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия», утверждённые министром охраны ОС и природных ресурсов РФ В.И.Даниловым-Данильяном 30.11.1992 г, а так же

2. «Порядок определения размеров ущерба от загрязнения земель химическими веществами», утверждённый им же и председателем комитета РФ по земельным ресурсам и землеустройству Н.В.Комовым 10.11.1993 г.

Принципы решения и подходы к геоэкологическому картированию были сформулированы в работе:

3. Галицин М.С., Островский Б.Н., Островский Л.А. Требования к геоэкологическим исследованиям и картографированию. Масштаб 1:500 000, 1:200 000, 1:50 000,1:25 000. – М.: ВСЕГИНГЕО, 1990. – 127 с.

Методика геоэкологического картирования изложена в работе:

4. Вострокнутов Г.А. Временное руководство на проведение геохимических исследований при геоэкологических работах. – Екатеринбург, 1991. – 137 с.

В соответствии с перечисленными нормативно-методическими документами результаты геоэкологического картирования должны быть представлены 2-х листным вариантом карты:

- фактологическая геоэкологическая карта и

- карта оценки экологического состояния ГС.

Первый лист включает:

а) карту ландшафтов местности, прилегающей к ТМ, которая служит основой для интерпретации эколого-геохимических карт. Эта карта строится с использованием

- топографических карт,

- материалов аэродешифрирования,

- ряда специализированных карт (геологической, геоморфологической, тектонической, металлогенической, растительности, почвенной, гидрогеологической, хозяйственного использования земель и др.)

.Она отражает пространственное расположение и взаимоотношения различных ландшафтов, их компонент (почв, растительности, водотоков и водоёмов, литогенной основы), природных и техногенных факторов, в совокупности определяющих уровень содержания химических элементов в почвогрунтах, в поверхностных и подземных водах, донных осадках и т.д., направления, пути, формы и интенсивность их миграции и вторичной аккумуляции.

При ландшафтно-геохимическом районировании местности, прилегающей к ТМ, типичными являются следующие разновидности ландшафтов:

· элювиальные (водораздельные);

· трансэлювиальные (склоновые);

· транссуперэлювиальные (участки пойм и комплекса низких террас);

· аквальные (ландшафты проточных и непроточных озёр, рек, водоёмов);

· супераквальные (ландшафты озёрно-болотных впадин и котловин);

· техногенно образованные ландшафты (шламохранилища, отстойники, свалки).

б) эколого-геохимические карты , представляющие собой поэлементные карты полей Pb, Cu, Zn, Hg и других элементов, загрязняющих ОС, а так же карту комплексного загрязнения аномалиеобразующими элементами. На подобных картах выделяются области загрязнения отдельными аномалиеобразующими элементами или области загрязнения, обусловленные их суммарным воздействием.

Для построения поэлементных карт вычисляются абсолютные (С_а , мг/кг) и относительные содержания элементов для каждой градации поля. Последние получили название «кларки концентраций» (КК) и представляют собой абсолютное содержание, выраженное в единицах кларкового содержания для каждого из элементов

Комплексный показатель геохимического загрязнения аномалиеобразующими элементами (Z_C ) рассчитывается по формуле

где m – число аномалиеобразующих элементов с КК³1 в i-й пробе.

Легенда к поэлементным картам выглядит примерно так

В легендах к картам комплексного геохимического загрязнения указывается только значение Z_C

Картографирование геохимических показателей (КК и Z_C ) производится по отдельным блокам ГС:

- почвы,

- поверхностные и подземные воды,

- донные осадки и т.д.

Примером таких карт для почвогрунтов может служить рис. 6.

в) карты радиоактивного, нефтяного, бензапиренового (от автотранспорта) и других загрязнений строятся в некоторых экогеологических ситуациях, требующих знания этих видов загрязнения.

Рис. 6. Карты полей распределения цинка (а ) и суммарного загрязнения элементами Cu, Zn, Pb, Ag, Hg, As, Cd, Bi, Sn, Cr, Ni, Co, W, Mn, Ti и Mo. (б ) почвогрунтов

Для оценки геоэкологической обстановки в зимний период проводится снеговая съёмка. Пробы снега отбираются из шурфов, вскрывающих снеговой покров на всю мощность, однако, исключается нижний слой толщиной около 10 см, чтобы устранить попадание в пробу почвенного материала и влияние обменных реакций на границе двух сред: снег – почва. Снеговая съёмка является эффективным средством оценки пылевого загрязнения территории, а так же загрязнения металлами, переносимыми этой пылью, и установления основных источников пылеобразования и области их действия.

Полевые работы, проводящиеся для получения исходных данных, необходимых для решения задач экогеологического картирования, совмещаются с оценкой техногенных месторождений и сопровождаются площадным опробованием. Сеть и методы пробоотбора регламентируются нормативно-инструктивными материалами геохимических поисков, при этом пункты пробоотбора должны быть расположены на наиболее типичных ландшафтах. Например, при картировании в масштабе 1:50 000 и 1:25 000 обычно пробы отбираются по сети 250´250 метров в пределах населённых пунктов и до 500´500 метров на остальной территории. Пробы отбираются из верхнего (0 – 10 см) почвенного горизонта методом «конверта» со сторонами 10-50 метров и анализируются на 2-3 десятка элементов. В связи с этим важным элементом геоэкологического картирования является аналитическое обеспечение. Предпочтение отдаётся многоэлементным инструментальным методам. На первом этапе исследований для определения круга аномалиеобразующих элементов используется полуколичественный спектральный анализ на 20-30 элементов. Количественный анализ проводится атомно-абсорбционным, рентгенофлуоресцентным, нейтронно-активационным и другими методами, которые выбираются в зависимости от определяемого круга элементов и требуемых пределов обнаружения.

Таким образом, составление первого листа ЭГК, состоящего, как правило, не менее чем из одного-двух десятков информационных слоёв (разнообразных карт), представляющего собой картографическую модель геологической среды (ГС) и происходящих в ней процессов, требует достаточно большого объёма временных и материальных затрат.

На втором листе ЭГК (карта экологической оценки состояния ГС) приводится экспертная оценка воздействия ГС на здоровье человека и условия его обитания.

При составлении оценочной карты разрабатываются критерии оценки экологического состояния ГС в целом и отдельных её компонент. Количество факторов, по которым осуществляется оценка, зависит в каждом конкретном случае от особенностей объекта картирования. Рассмотрим принципы оценки на примере геоэкологического картирования г.Каменска-Уральского и его окрестностей в масштабе 1:25 000. На площади 155 км² было отобрано и проанализировано 1118 литохимических проб почвогрунтов, 350 проб снега, опробованы колодцы и скважины (45 проб). Выполнено ландшафтно-индикационное дешифрирование аэрофотоснимков масштаба 1:10 000, что явилось основой построения ландшафтной карты и карты техногенного зонирования. Проведена аэрогаммаспектрометрическая съёмка, так как г.Каменск-Уральский входит в зону Восточно-Уральского радиоактивного следа.

В результате выполненного геоэкологического картирования и обработки полученных данных был составлен комплект экологогеохимических карт масштаба 1:25 000, а так же оценочная карта (2-й лист ЭГК).

Оценка была произведена по шести факторам:

1. Почвогрунты;

2. Радиоактивность пород;

3. Экзогенные процессы:

4. Техногенная нагрузка;

5. Загрязнение подземных вод особо токсичными веществами: бензапирен, фтор, нефтепродукты;

6. Показатель защищённости подземных вод от поверхностного загрязнения.

Для каждого фактора был выбран свой показатель, рассчитаны его значения и определен вес этих значений.

Для почвогрунтов в качестве показателя было выбрано суммарное (комплексное) загрязнение Z_C и определён условный его вес (0, 1, 3):

· Z_C =(0¸16) имеет условный вес равный 0,

· Z_C =(16¸32) имеет условный вес равный 1,

· Z_C ³32 имеет условный вес равный 3.

При определении радиоактивности пород показателем служила их гамма-активность (мкр/час):

· (0¸10) соответствует весу 0,

· (10¸20) соответствует весу 1,

· >20 соответствует весу 3.

Из экзогенных процессов рассмотрены следующие:

- карст,

- боковая эрозия,

- оврагообразование,

- подтопление,

- заболачивание.

Веса показателей этого фактора, т.е. экзогенных процессов, выбраны следующим образом:

· отсутствие перечисленных процессов – 0,

· наличие одного или двух из этих процессов – 1,

· появление трёх и более из этих процессов – 3.

Для веса показателя “техногенная нагрузка” использованы результаты дешиф-рирования аэрофотоснимков:

· неизменённые и слабоизменённые ландшафты (лес, луга, болота и т.д.)… – 0,

· изменённые ландшафты (селитебные зоны, промышленные застройки)…. – 1,

· образованные ландшафты (шламоотстойники, отвалы, свалки)…………… - 3.

Оценка загрязнения подземных вод первого от поверхности водоносного горизонта была основана на сравнении их загрязнённости наиболее токсичными веществами (бензапирен, нефтепродукты, фтор) относительно ПДК (суммарный показатель):

· чистые (до 1ПДК)……………… – 0,

· слабозагрязнённые [(3¸9)ПДК]. – 1,

· сильнозагрязнённые (>9ПДК)… - 3.

Показатель фактора «защищённость подземных вод» оценивался для первого от поверхности водоносного горизонта. Была рассчитана сумма балов категории защищённости в зависимости от литологического и гранулометрического состава и уровня залегания грунтовых вод. Для определения веса показателя этого фактора была принята следующая градация:

· хорошо защищённые подземные воды (>15 баллов). – 0,

· слабозащищённые [(5¸15)баллов]…………………… – 1,

· незащищённые (<5 баллов)…………………………… - 3.

Фактор, его показатель и условный вес величины этого показателя получили название «критерий оценки». Рассмотренные критерии оценки экологического состояния геологической среды представлены в таблице 9.

Таблица 9.

Критерии оценки экологического состояния ГС.

Оценка экологического состояния ГС производится по сумме баллов, учитывающей вес показателя каждого фактора. Обычно выделяют три градации экологического состояния ГС (см. таблицу 10):

- относительно благоприятные условия характеризуются суммой весовых баллов. - 0¸2,

- неблагоприятные………………………………………… - 3¸4,

- весьма неблагоприятные……………………………………….³5.

Таблица 10

Оценка экологического состояния геологической среды

*Критерий: благоприятный………… – 0 баллов по оценке критерия;

неблагоприятный……… – 1 балл;

весьма неблагоприятный – 3 балла (см. таблицу 9)

В качестве легенды для карты оценки экологического состояния ГС используются таблицы типа таблиц 9 и 10 и шкала экологического состояния ГС вида

Неблагоприятные (вес показателя – 1 балл) и весьма неблагоприятные (вес показателя – 3 балла) значения факторов 1-6 (см. таблицу 9) отображаются на карте цифрами 1 – 6. Например, экологическое состояние ГС – весьма неблагоприятное. Это состояние обусловлено загрязнением почвогрунтов (фактор 1, вес показателя – 3), повышенной радиоактивностью пород (фактор 2, вес показателя – 1) и загрязнением подземных вод (фактор 5, вес показателя – 1). В этом случае внутри контура такого участка будут указаны цифры 1, 2 и 5).

Карта оценки экологического состояния ГС представлена на рис. 7. Анализ результатов экогеологического картирования позволяет установить основные закономерности изменения картируемой территории и оценить не только качественно, но и количественно эти изменения. Так, например, анализ 2-го листа показал, что на исследуемой территории площади с относительно благоприятными условиями составляют всего 13.7%, площади с неблагоприятными условиями – 37%, а с весьма неблагоприятными условиями – 49,3%. Среди участков с весьма неблагоприятными условиями селитебные зоны, т.е. зоны жилищной застройки, составляют 25,8%, промышленные – 11,5%, шламоотстойники – 5,5%. Сильное загрязнение наблюдается в долинах рек района (Исеть, Каменка, Исток и др.)

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о напряжённой экологической обстановке в городе и его окрестностях. По этим результатам г.Каменск-Уральский был отнесён к городам с чрезвычайной экологической ситуацией.

По первому листу экогеологической карты выделены аномалии природного и техногенного загрязнения почвогрунтов тяжёлыми элементами, аномалии в поверхностных и подземных водах, донных осадках и др., установлены источники загрязнения. Так, например, на территории города и его окрестностей выявлены обширные аномалии загрязнения почв бензапиреном (до 30 ПДК), фтором (до 20 ПДК), тяжёлыми металлами (Pb, Hg, Mo, Ni, Co, Cr и др.). По суммарному показателю загрязнения почв (по 21 элементу) согласно существующим критериям более 30% исследуемой территории отнесены к зоне чрезвычайной экологической ситуации (Z_C =32¸128). Более 60% площади имеет умеренно опасный уровень загрязнения (Z_C =16¸32). Участки экологического бедствия (Z_C >128) составляют 1-1,5% территории.

По результатам снеговой съёмки было установлено, что средняя суточная пылевая нагрузка на единицу площади составляет около 247 кг/(км² ×сут) и что основным источником минеральной пыли являются наиболее крупные предприятия города: УАЗ, СТЗ (Синарский трубный завод), Красногорская ТЭЦ и др. Площади с высоким уровнем пылевой нагрузки (450-800 кг/(км² ×сут) и выше) наблюдаются в промышленной и селитебной зонах города, т.е. в непосредственной близости от источников загрязнения.

Установлено наличие тесной связи рассеяния металлов с рассеянием минеральной пыли. Максимальная интенсивность выпадения металлов приурочена к промышленным зонам, но площадь аномалий в 5-10 раз превышает площадь промышленных зон, наступая на жилые массивы, сельскохозяйственные угодья и лесные природные ландшафты. Всего выделено более 100 техногенных аномалий.

Перечень выявленных закономерностей можно было бы значительно расширить. Однако, даже упомянутых вполне достаточно, что бы оценить важность той информации, которую даёт экогеологическое картирование ТМ и прилегающих к ним территорий.

Комплексные экогеологические исследования могут служить в последующем основой для экологического аудита действующих предприятий, что в настоящее время, например, осуществлено в Павлодар-Экибастузском промышленном районе.

Заканчивая курс лекций «Техногенные месторождения» необходимо подчеркнуть, что изучение этих сложных по минералогическому и химическому составу техногенных образований, их влияния на ОС и возможности использования требует комплексного подхода и привлечения специалистов различных областей науки и техники – геологов, геофизиков, технологов, экологов и др.

Использованная литература

1. Беляев В.Н. Проблемы освоения техногенных образований// Изв. Вузов. Горный журнал. 1998. №7-8. С. 202-213.

2. Вострокнутов Г.А. Временное руководство на проведение геохимических исследований при геоэкологических работах. – Екатеринбург, 1991. – 137 с.

3. Вострокнутов Г.А. и др. Типизация, методика и опыт составления геохимических карт (на примерах картирования территорий Среднего и Южного Урала) // Изв. вузов. Горный журнал. 1998. №7-8. С. 107-113.

4. Галицин М.С., Островский Б.Н., Островский Л.А. Требования к геоэкологическим исследованиям и картографированию. Масштаб 1:500 000, 1:200 000, 1:50 000,1:25 000. – М.: ВСЕГИНГЕО, 1990. – 127 с.

5. Глазырина Н.С., Ефанов П.П. Опыт геоэкологического картирования в горнодобывающей зоне Урала // Изв. Вузов. Горный журнал. 1998. №7-8. С. 107-113.

6. Макаров А.Б., Талалай.А.Г. Техногенно-минеральные месторождения Урала (особенности состава и методологии исследования) // Техногенез и экология: Информационно-тематический сборник / Отв. ред. А.Г.Талалай. – Екатеринбург: Уральская государственная горно-геологическая академия. – 1999. С.4-41.

7. Новиков В.В., Леман Е.П., Жагуло В.В. Нетрадиционная технология отработки рудных месторождений // Обогащение руд. 1992. №3-4. С. 4-12.

8. Подготовка минерального сырья к обогащению и переработке. / Под ред. В.И.Ревнивцева. – М.: Недра, 1987. С. 128-218, 287-303.

9. Радиоэкология. Курс лекций / Под ред. д.г.-м.н. Талалая А.Г. – Екатеринбург: УГГГА, 2000. 351 с.

10. Хохряков А.В., Сапрыкин М.А. Об экологических аспектах складирования энергетических отходов на территории Свердловской области // Изв. вузов. Горный журнал. 1998. №7-8. С. 194-202.

Перечень вопросов к зачету по всему курсу

1. Понятие «техногенные месторождения», их особенности и перспективы разработки.

2. Принципы классификации ТМ.

3. Классификация ТМ по условиям их формирования.

4. Основные проблемы, решаемые при разработке ТМ (экономические, социальные, экологические).

5. Факторы, определяющие состав и строение ТМ.

6. Особенности состава и строения ТМ топливно-энергетического комплекса.

7. Особенности состава и строения ТМ угольной промышленности.

8. Особенности состава и строения ТМ цветных и редких металлов.

9. Методика оценки запасов ТМ горнодобывающей промышленности.

10. Методика оценки пригодности некондиционных руд для доизвлечения металла.

11. Особенности состава и строения ТМ чёрных металлов.

12. Основные этапы исследований ТМ.

13. Общая принципиальная схема технологии переработки коренных и техногенных руд с применением предварительной концентрации на основе радиометрической сортировки и сепарации.

14. Основные достоинства и преимущества ядернофизических методов по сравнению с традиционными методами анализа состава отложений ТМ.

15. Основные виды продукции при утилизации ТМ.

16. Экологическое воздействие ТМ на ОС.

17. Принципы метрологического обеспечения качества полевых и лабораторных анализов состава отложений ТМ.

18. Основные цели и задачи создания БД по ТМ.

19. Этапы формирования БД по ТМ.

20. Структурная схема формирования БД по ТМ.

21. Источники информации для формирования геоинформационных пакетов (ГИП).

22. Информационные слои ГИП.

23. Структура информационной системы экологического мониторинга ТМ.

24. Содержания и назначения различных уровней мониторинга ТМ.

25. Информационные слои фактологической карты (первый лист результатов геоэкологического картирования ТМ).

26. Содержание эколого-геохимических карт по ТМ.

27. Сеть, методы пробоотбора и анализа загрязнений при геоэкологическом картировании ТМ.

28. Содержание и методика составления карты экологической оценки состояния геологической среды (второй лист результатов геоэкологического картирования ТМ).

29. Основные критерии, по которым оценивается загрязнение ОС техногенными месторождениями.

30. Содержание легенды к карте оценки экологического состояния ГС.

Практические работы

Работа 1

Рассчитать извлекаемое в концентрат и потерянное в отвалах некондиционных руд и хвостохранилищах количество олова если

1) для горной массы, добытой при селективной её выемке a=0,04%,

g=100%,

2) для кондиционной руды, идущей на обогащение b=0,1%,

g=15%;

3) для концентрата b=50%,

g=0,02%,

где a и b - содержание олова (C_Sn ) в исходной горной массе и обогащённом продукте соответственно;

g - выход продуктов переработки и обогащения руд;

Расчет:

1. Поскольку при селективной выемке горной массы выход её равен 100% (g=100%), очевидно, что извлечение олова из этой горной массы так же будет равно 100% (e=100%).

2. Содержание C_Sn в отвале () легко определить из следующего очевидного равенства

,

где m – масса горных пород, добытых при селективной выемке. Используя это равенство находим

1. .

3. Выход продуктов переработки в отвалы

.

4. Извлечение олова в кондиционные руды и отвалы соответственно равно

или

5. Содержание олова в хвостохранилище () рассчитывается аналогично расчёту значения

6. Выход продуктов флотации в хвостохранилище

7. Извлечение олова в концентрат и в хвосты флотации равно соответственно

Схема отработки и обогащения оловянных руд с рассчитанными технологическими показателями по отдельным этапам представлена на рисунке, из которого следует, что из всей массы металла, содержащегося в эксплуатационном блоке, в товарный концентрат извлекается всего 25,6%, а 74,4% теряется в отвалах некондиционной руды и хвостохранилище.

Схема отработки и обогащения оловянных руд с технологическими показателями по отдельным этапам.

a, b, q - содержание C_Sn в исходной горной массе, обогащённом и отвальном продуктах соответственно, %;

g - выход продуктов переработки и обогащения руд, %;

e - извлечение олова в соответствующий продукт, %.

Работа 3

Определить основные технологические показатели обогащения железной руды, содержащей 31% железа (a=31%), при котором получен концентрат с содержанием железа 67,5% (b=67,5%) и хвосты с содержанием железа 9,6% (q=9,6%).

Основными показателями, характеризующими результаты обогащения, являются:

1. Содержание компонента – показатель, который характеризует долю того или иного компонента в единице массы исходной руды или полученных продуктах её переработки. Содержание различных компонент в исходной горной массе, концентрате и в отвале, а так же хвостах обычно обозначаются буквами a , b и Q соответственно и вычисляются в процентах.

2. Выход продукта ( g ) – показатель, характеризующий, какую часть массы исходной руды составляет тот или иной продукт её переработки или обогащения. Выход любого продукта обычно выражают в процентах. Суммарный выход всех продуктов переработки и обогащения должен соответствовать выходу исходной руды, принимаемому за 100%. При разделении исходной руды на два конечных продукта – концентрат с выходом g_к и хвосты с выходом g_хв – это условие записывается в виде равенства, выражающего баланс выхода продуктов обогащения:

Суммарное количество любого компонента, содержащегося в конечных продуктах обогащения, должно соответствовать количеству этого компонента в исходной руде. Например, если при обогащении руды получены два конечных продукта – концентрат и хвосты, то это условие выражается равенством вида

При наличии n продуктов переработки и обогащения исходной горной массы

Равенства (1), (2) и (2а) называются уравнениями баланса продуктов переработки и обогащения руды. С их помощью, зная содержание полезного компонента в исходной горной массе и в полученных продуктах её переработки и обогащения, можно вычислить выход продуктов переработки и обогащения. Так, например, в случае обогащения руды, при котором образуется концентрат и хвосты, выходы этих продуктов обогащения легко определяются решением системы уравнений (1) и (2)

3. Извлечение ( e ) – показатель, определяющий, какая часть полезного компонента, содержащегося в исходной горной массе, перешла в тот или иной продукт переработки или обогащения. Извлечение обычно выражается в процентах и вычисляется как отношение массы компонента в данном продукте к его массе в исходной горной массе или руде

Если выходы продуктов неизвестны, но имеются данные о составе, например, исходной руды, концентрата и хвостов, то, используя выражения (3) и (5) или (4) и (5), легко получить выражения для расчёта величины извлечения интересующего компонента руды соответственно в концентрат и в хвосты

Суммарное извлечение данного компонента во все полученные продукты переработки и обогащения руды составляет 100%:

.

4. Степень сокращения ( R ) – величина, указывающая, во сколько раз выход полученного концентрата g_к меньше количества переработанной руды, т.е. определяющая число тонн руды которое нужно переработать, чтобы получить 1 т концентрата

5. Степень концентрации или степень обогащения (К) – показатель, указывающий, во сколько раз увеличилось содержание компонента в концентрате по сравнению с его содержанием в исходной руде:

Расчёт:

Используя приведенные соотношения, имеем для указанной выше железной руды:

Выход концентрата

Выход хвостов

Проверка: g_к +g_хв =37+63=100%.

Извлечение железа в концентрат

Извлечение железа в хвосты

Проверка: e_К +e_ХВ =80,5+19,5=100%.

Степень сокращения

Степень обогащения

Следовательно, в данном случае в результате обогащения руды содержание железа в концентрате увеличилось по сравнению с его содержанием в руде 2,2 раза, а для получения 1т концентрата необходимо переработать 2,7 т руды.

Схема и обогащения железных руд с технологическими показателями.

a, b, Q - содержание C_Fe в исходной руде, концентрате и в хвостах, %;

g - выход продуктов обогащения руд, %;

e - извлечение железа в соответствующий продукт обогащения, %.