Обоснование параметров технологических схем размещения промышленных отходов в отвалах и выработанном пространстве карьеров

Актуальность работы. В результате интенсивного развития горнодобывающей промышленности в ряде регионов России сформировано значительное количество техногенных образований, таких, как отработанные карьеры, склады некондиционных руд, отвалы минерализованных пород, шлаков и отходов перерабатывающих производств. В Уральском регионе накоплено свыше 8 млрд т различных промышленных отходов (ПО), занимающих площадь более 20 тыс. га земель различного назначения. Накопление отходов горнометаллургического производства осуществляется непрерывно, при этом ежегодно утилизируется не более 20% образующихся отходов. Воздействие солнечной радиации, воды, кислорода, бактериальных организмов приводит к процессам окисления и возгорания промышленных отходов с последующим выделением в окружающую среду вредных продуктов метаморфизма.

Сформированные карьеры и отвалы в процессе разработки месторождения представляют значительный интерес для промышленных предприятий в качестве емкостей для размещения их отходов. Горнодобывающее производство способно поставлять на рынок не только полезные ископаемые, но г сформированные в процессе ведения горных работ техногенные георесурсы.

На сегодняшний день карьеры и отвалы используются только для складирования отходов горно-перерабатывающего комплекса в соответствии с традиционной технологией внутреннего отвалообразования. Отсутствуют технологические схемы, позволяющие формировать горнотехнические сооружения и размещать в них промышленные отходы различного агрегатного состояния II-V классов опасности. Задача комплексного освоения и сохранения недр Земли может быть решена за счет формирования и использования карьеров и отвалов в качестве приемных емкостей для размещения различных промышленных отходов. Увеличение приемной способности горнотехнических сооружений и расширение номенклатуры размещаемых промышленных отходов может быть достигнуто в результате обоснования технологических схем их размещения, в которых учтены средства механизации работ, объемы и свойства как отходов, так и вскрышных пород.

Поэтому выбор и обоснование параметров технологических схем размещения промышленных отходов различных классов опасности, агрегатного состояния и возгораемости в выработанном пространстве карьеров и в отвалах вскрышных пород является актуальной научно-практической задачей.

Цель работы. Обоснование параметров технологических схем размещения промышленных отходов в выработанном пространстве карьеров и отвалах вскрышных пород, позволяющих повысить экономические показатели открытых горных работ в период строительства, эксплуатации и рекультивации карьера.

Идея работы. Выбор и обоснование параметров технологических схем размещения промышленных отходов с учетом класса опасности, агрегатного состояния и этапа функционирования карьера позволяет повысить приемную способность горнотехнических сооружений, формируемых в процессе открытой разработки месторождений полезных ископаемых.

Предмет исследования. Параметры технологических схем размещения.

ПО.

Основные задачи исследования:

— анализ существующих тенденций использования техногенных объектов для размещения промышленных отходов;

— исследование способов валового и селективного размещения промышленных отходов в выработанном пространстве карьеров и в отвалах с соблюдением технологических и экологических требований;

— оценка возможности использования горных пород, добываемых на разных стадиях функционирования карьера, для размещения промышленных отходов;

— обобщение требований и условий размещения различных промышленных отходов, разработка и классификация технологических схем размещения отходов;

— выбор и обоснование параметров технологических схем размещения промышленных отходов различного агрегатного состояния и класса опасности с учетом применяемых средств механизацииразработка алгоритма выбора технологических схем с учетом свойств размещаемых отходов и режима горных работ;

— экономическая оценка предлагаемых технологических решений.

Методы исследования. Использован комплексный подход, включающий анализ и обобщение достижений науки, техники и практики размещения промышленных отходов, опыт отечественных и зарубежных исследованийматематическое моделирование создания и заполнения приемных емкостей, с обработкой результатов исследований на ЭВМметод обобщения и систематизации результатов промышленной апробации рекомендаций.

Научные положения, представленные к защите:

1. Параметры технологических схем размещения промышленных отходов определяют приемную способность горнотехнических сооружений, формируемых в процессе открытой разработки месторождения. Повышение приемной способности карьеров и отвалов на разных этапах функционирования карьера достигается рациональным выбором технологических схем размещения отходов различного класса опасности и агрегатного состояния в соответствии с объемом и свойствами извлекаемых горных пород.

2. Технологические схемы размещения промышленных отходов, дифференцированные по агрегатному состоянию, классу опасности, объекту размещения и средствам механизации работ, обеспечивают формирование горнотехнических сооружений в виде приемных емкостей и размещение в них отходов в соответствии с экологическими требованиями.

3. Опережающее извлечение рыхлых вскрышных пород на этапе строительства карьера позволяет использовать их для создания за контуром карьера емкостей для размещения промышленных отходов П-Ш классов опасности. Использование вскрышных пород и выработанного пространства карьера для создания приемной емкости на этапах эксплуатации и рекультивации обеспечивается размещением промышленных отходов Ш-У классов опасности.

Научную новизну работы составляют:

1. Классификация технологических схем по способу формирования и заполнения емкостей промышленными отходами в горнотехнических сооружениях, использование которой позволяет на разных этапах функционирования карьера выбрать технологические схемы и их сочетание в зависимости от экологических требований к размещению отходов различного класса опасности и агрегатного состояния.

2. Зависимости параметров технологических схем размещения промышленных отходов от средств механизации, агрегатного состояния, класса опасности отходов, используемые для расчета приемной емкости формируемых горнотехнических сооружений.

3. Методика обоснования параметров технологических схем размещения промышленных отходов, учитывающая средства механизации, стадию функционирования горнодобывающего предприятия, извлекаемые горные породы, агрегатное состояние и класс опасности размещаемых отходов.

Достоверность положений, выводов и рекомендаций подтверждается представительностью и надежностью исходных данныхсопоставимостью результатов математического моделирования, аналитических расчетовположительными результатами апробации рекомендаций в промышленных условиях.

Личный вклад автора состоит в разработке технологических схем размещения промышленных отходов и методики определения их основных параметровразработке классификации технологических схем по способу формирования и заполнения емкостей для размещения промышленных отходовсоздании алгоритма выбора технологических схем размещения промышленных отходов в выработанном пространстве карьера и отвалах вскрышных пород.

Практическая значимость работы состоит в разработанных технологических схемах размещения ПО в выработанном пространстве карьеров и в отвалах вскрышных породклассификации и алгоритме выбора технологических схем, обеспечивающего повышение приемной способности горнотехнических сооруженийметоде определения ценности карьера и отвала учитывающем собственников отходов и горнотехнических сооружений.

Реализация рекомендаций. Результаты исследований использованы при разработке рекомендаций по складированию промышленных отходов в карьере «Западный» ГОП ОАО «ММК».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на международной научно-технической конференции молодых специалистов (г. Магнитогорск, 2005 г.) — IV международной конференции «Комбинированная геотехнология: развитие физико-химических способов добычи» (г. Сибай, 2007 г.) — на международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2008 г.) — 67-й научно-технической конференции ГОУ ВПО «МГТУ» (г. Магнитогорск, 2009) — V, VI международных конференциях «Комбинированная геотехнология: комплексное освоение и сохранение недр Земли» (г. Екатеринбург, 2009 г.- г. Магнитогорск, 2011 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах. Из них 4 в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 148 страницах текста, содержит 40 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 97 пунктов и 2 приложений.

ВЫВОДЫ.

1. В работе обоснована целесообразность применения технологических схем емкостного, периферийного и комбинированного типов для размещения промышленных отходов различного агрегатного состояния и класса опасности. Установлено, что на увеличение дополнительных затрат влияют такие факторы, как объем и качество вскрышных пород, расстояние транспортирования, материалы используемые для изоляции.

2. Проведенные исследования показали, что выработанное карьерное пространство и отвалы вскрышных пород месторождения «Подотвальное» возможно использовать для размещения промышленных отходов общим объемом 48,6 млн м". Экономический эффект от реализации рекомендаций составит 23,302 млн руб. в год.

3. В работе экономически обоснована целесообразность размещения промышленных отходов II, III, IV и V классов опасности в выработанном пространстве карьеров и в отвалах вскрышных пород, произведена экономическая оценка технологических схем размещения промышленных отходов. Повышение экономических показателей достигается увеличением объемов вскрышных работ в период строительства карьера, что обеспечивает необходимое количество рыхлых вскрышных пород для создания емкостей с целью размещения в них промышленных отходов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, являющейся законченной научно-квалификационной работой, дано новое решение актуальной научно-практической задачи повышения эффективности горнодобывающего предприятия за счет обоснования параметров технологических схем размещения промышленных отходов в выработанном пространстве карьера и отвалах с учетом средств механизации работ, класса опасности, агрегатного состояния размещаемых отходов. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. В результате анализа отечественной практики размещения промышленных отходов IV-V классов опасности с использованием горнотехнических сооружений установлено, что отвалы вскрышных пород не используются для данной цели, а размещение в выработанном пространстве карьеров ведется бессистемно и только на отработанных необводненных месторождениях.

2. Введено понятие и предложены технологические схемы размещения промышленных отходов, классифицированные по способу формирования и заполнения емкостей в отвалах и в выработанном пространстве карьеров, использование которых обеспечивает повышение приемной способности горнотехнических сооружений и размещение на ограниченной территории отходов различного класса опасности и агрегатного состояния с соблюдением экологических требований.

3. Предложены сочетания технологических схем размещения промышленных отходов различного класса опасности и агрегатного состояния, позволяющие использовать выработанное пространство обводненных карьеров на этапе рекультивации. Технологические схемы периферийного типа обеспечивают заполнение обводненной части карьера промышленными отходами.

V класса опасности, а емкостного типа — необводненной части карьера промышленными отходами II-III классов опасности.

4. Разработана методика определения основных параметров технологических схем размещения промышленных отходов на отвалах и в выработанном пространстве карьеров, учитывающая средства механизации, стадию функционирования горнодобывающего предприятия, извлекаемые породы, агрегатное состояние и класс опасности размещаемых отходов.

5. Рассмотрены этапы функционирования горнодобывающих предприятий с точки зрения извлекаемых пород и их объемов при разработке железорудных месторождений, пригодных для размещения ПО. На этапе строительства целесообразно использовать инертные рыхлые породы для формирования карт и размещения в них отходов И-Ш классов опасности в соответствии с технологическими схемами емкостного типа. На этапе эксплуатации — размещать в отвалах скальных пород отходы IV-V классов опасности в соответствии с технологическими схемами емкостного и периферийного типов. На этапе рекультивации — размещать различные промышленные отходы в соответствии с технологическими схемами комбинированного типа.

6. Установлены зависимости приращения объемов вскрышных пород, необходимых для формирования отвалов в виде емкостей, от объемов пастообразных ПО по сравнению с твердыми и жидкими отходами, с учетом параметров технологических схем их размещения. В среднем прирост объемов вскрыши, при размещении пастообразных отходов объемом до 5 млн т, составляет от 29 до 44%, в зависимости от средств механизации работ.

7. Разработаны рекомендации и алгоритм выбора технологических схем размещения промышленных отходов разных классов опасности и агрегатного состояния в зависимости от этапа разработки железорудного месторождения. Использование технологических схем размещения емкостного типа позволяет повысить эффективность функционирования горнодобывающего предприятия на этапе строительства — до 11%- емкостного и периферийного типов — на этапе эксплуатации — до 6%- комбинированного типа — на этапе рекультивации — до.

1 ЛЛ /.

1УУо.

8. В работе обоснована целесообразность использования выработанного пространства карьера «Малый Куйбас» для размещения отходов металлургического производства П-У классов опасности различного агрегатного состояния, обеспечивающих рекультивацию карьера. Расчетный экономический эффект для металлургического предприятия составит 312,1 млн руб. В работе также обоснована эффективность использования технологических схем формирования приемных емкостей из материалов вскрышных пород на поверхности отвала для размещения промышленных отходов высокого класса опасности. Расчетный экономический эффект для месторождения «Малый Куй-бас» составит 39,14 млн руб.