Основные направления переработки отходов и очистки сточных вод горнодобывающих предприятий

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Бережное и рациональное использование природных ресурсов в настоящее время приобретает особое значение. Решение этой актуальной народнохозяйственной проблемы предполагает разработку эффективных безотходных технологий за счет комплексного использования сырья, что одновременно приводит и к ликвидации огромного экологического ущерба, оказываемого «кладбищами» отходов. Само понятие «отходы производства и потребления» для многих материальных продуктов становится условным. Они превращаются в ценное, порой даже дефицитное сырье.

В то же время многие отходы промышленности и городского хозяйства, представляющие большой практический интерес, остаются недостаточно востребованными по разным причинам. В этом плане популяризация возможных направлений применения отходов и достигаемого при этом эффекта имеет важное значение.

Глава 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ГОРНОДОБЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Основа технологической схемы горнодобывающего предприятия -- взаимосвязанное решение вопросов вскрытия, подготовки шахтного поля, системы разработки и механизации очистных работ, транспорта, подъёма, вентиляции, энергоснабжения, водоотлива. В связи с этим технологическая схема горнодобывающего предприятия реализуется в виде цепи последовательно осуществляемых процессов, которая включает ряд звеньев -- основных, непосредственно создающих поток полезных ископаемых, и вспомогательных, обеспечивающих его функционирование в заданном режиме. Процессы (и их составляющие), а также звенья для ряда технологических схем горнодобывающего предприятия могут быть одинаковыми (способ отбойки, доставки, транспорт, подъём, аккумулирующие и перепускные выработки, системы канализации энергии и др.). Реализация вспомогательных процессов (вентиляции, энергоснабжения и водоотлива) в значительной мере связана с теми же выработками, в которых осуществляются основные процессы. Главные факторы, определяющие формирование технологической схемы горнодобывающего предприятия: форма, размеры и глубина залегания полезных толщ, наличие полезных ископаемых различных видов и сортов, производственная мощность рудника (шахты), параметры выемочной единицы, тип применяемого оборудования, очерёдность разработки отдельных участков месторождения, особенности использования выработанного пространства. Остальные факторы влияют на формирование технологической схемы через основные. Например, крепость и устойчивость руды -- через тип применяемого оборудования и параметры выемочной единицы (комбайновая или взрывная отбойка, высота отбиваемого слоя и т.д.), запасы месторождения -- через производственную мощность горного предприятия и т.д.

На рудных шахтах горизонтальные маломощные залежи предопределяют площадное развитие горных работ (как бы в объёме одной ступени) с горизонтальными рудопотоками в пределах всей рабочей площади месторождения по извлечению и воспроизводству запасов выемочных единиц. С увеличением угла наклона либо мощности залежи в рудопотоках начинает расти вертикальная составляющая и они приобретают ступенчатую форму. Для крутых, а также для пологих мощных и особенно сверхмощных залежей рудопотоки становятся многоступенчатыми.

Вид рудопотоков, преобладающее направление их развития -- один из главных отличительных признаков (характеристик) технологической схемы рудной шахты. Другой важный признак -- способ отбойки полезных ископаемых, третий -- способ механизации основных производственных процессов эксплуатации месторождения. В связи с этим технологические схемы рудных шахт можно систематизировать по следующим признакам: генеральное направление развития рудопотоков -- одноступенчатые (горизонтальные) и многоступенчатые; способы отбойки и механизации основных производственных процессов -- с механической отбойкой и техникой непрерывного действия; с механической отбойкой и техникой цикличного действия; со взрывной отбойкой и техникой цикличного действия; со взрывной отбойкой, последующим механическим дроблением и конвейерной доставкой.

Кроме основных, могут быть выделены и дополнительные признаки: число рудопотоков и горизонтов для транспортирования руды, наличие закладочных работ, расположение мест производства буровых, поставочных работ по отношению к транспортному горизонту и т.п.

Одноступенчатые (горизонтальные) технологические схемы горнодобывающего предприятия (рис. 1, рис. 2, рис. 3) характерны для рудных шахт, разрабатывающих пластовые и пластообразные горизонтальные месторождения, а также пологие рудные залежи с небольшой глубиной распространения.

Главный отличительный признак этих схем -- продолжительный (на всё время отработки запасов месторождения или его части) срок службы главной транспортной и вентиляционной горизонтальных выработок, развитие фронта горных работ и преобладающее перемещение горной массы и грузов по горизонтали. В первую очередь, сюда относятся схемы разработки большинства месторождений калийных и марганцевых руд, отличающиеся большими площадями распространения, относительно выдержанными элементами залегания, значительными запасами полезных ископаемых в пределах одного горизонта.

Многоступенчатые схемы (рис. 4, рис. 5, рис. 6, рис. 7, рис. 8) характерны для рудных шахт, разрабатывающих крутопадающие, наклонные, а также пологие с большой глубиной распространения рудные тела.

Главный отличительный признак этих технологических схем горнодобывающего предприятия -- постоянное понижение уровня горных работ, относительно небольшие запасы полезных ископаемых в пределах одного горизонта. Очистная выемка, как правило, ведётся одновременно на 2-3 горизонтах и более.

Как при одноступенчатых, так и при многоступенчатых технологических схемах горнодобывающего предприятия может быть применена техника непрерывного и цикличного действия. Технологическая схема горнодобывающего предприятия с оборудованием непрерывного действия наиболее широко распространена при разработке горизонтальных месторождений руд небольшой крепости, в частности калийных и марганцевых. Вскрытие шахтных полей производится вертикальными и наклонными стволами или штольнями, а также их комбинацией. Подготовка к очистной выемке осуществляется проведением от главных штреков панельных откаточных и вентиляционных штреков, делящих шахтное поле на отдельные панели. Выемка руды в панелях производится камерами, лавами или заходками. Её непрерывность достигается использованием выемочных комбайнов в комплексе с телескопическими (или самоходными) ленточными конвейерами, а в лавах -- очистных комплексов, включающих очистной комбайн, забойный конвейер и механизированную крепь, в сочетании с конвейерным транспортом по остальным выработкам (включая наклонный ствол). Возможна комбинация техники непрерывного и цикличного действия: на калийных шахтах при комбайновой выемке камер доставка руды до панельного конвейера или рудоспуска осуществляется самоходными вагонами, а при буровзрывной выемке на погрузке и доставке руды используются погрузочно-доставочные машины, погрузочные машины с самоходными вагонами, скреперные установки в сочетании с скребковыми конвейерами.

При добыче крепких руд с буровзрывной отбойкой в большинстве случаев применяют технологическую схему горнодобывающего предприятия с использованием техники цикличного действия. На погрузке и доставке используются экскаваторы, вибропитатели, погрузочные машины, погрузочно-доставочные машины на пневмошинном ходу, автосамосвалы, скреперные установки, транспорт руды -- электровозный или автомобильный. Последний эффективен при глубине разработки не более 300 м, когда руда без перегрузок транспортируется непосредственно на поверхность.

Применение самоходного оборудования в технологической схеме горнодобывающего предприятия требует в первую очередь решения вопроса его доставки к очистным забоям. Наиболее целесообразный вариант -- сооружение в этих целях специального грузового ствола, который одновременно используется для спуска-подъёма крупногабаритного оборудования и в качестве основной воздухоподающей выработки или наклонного съезда, который обеспечивает сообщение между горизонтами и поверхностью, в т.ч. для выезда машины своим ходом на поверхность для периодического техобслуживания. Наклонный съезд может также использоваться для доставки людей, материалов, оборудования.

Как при одноступенчатых, так и многоступенчатых технологических схемах горнодобывающего предприятия очистная выемка может быть или сосредоточена на одном горизонте, или рассредоточена по вертикали. Погрузочно-доставочные выработки, предназначенные для перемещения полезных ископаемых в пределах выемочного участка, могут проводиться на одном уровне с транспортным горизонтом или выше его. В первом случае руда, поступающая из очистных забоев, напрямую грузится непосредственно на конвейер или в вагоны, во втором -- через систему рудоспусков. Наличие системы аккумулирующих рудоспусков сокращает простои оборудования из-за перерывов в работе соответственно очистного оборудования или транспорта. С этой целью в высокопроизводительных схемах с прямой погрузкой при разработке пластовых месторождений создают промежуточные участковые подземные склады, с которых руда перегружается на магистральный транспорт. При многоступенчатых технологических схемах горнодобывающего предприятия возможны варианты с совмещённым буро-погрузочно-транспортным, с совмещённым погрузочно-транспортным и с промежуточными буровыми и доставочными горизонтами.

При необходимости разделения рудопритоков по сортам и видам руд предусматриваются отдельные рудоспуски в районе рудных тел, раздельные транспорт и подъём.

В технологической схеме горнодобывающего предприятия с закладкой выработанного пространства и утилизацией отходов производства может быть применён механический ("машинный") или гидравлический способ транспорта закладки и отходов. Подачу сухой закладки или отходов с поверхности осуществляют или непосредственно в выработанное пространство по скважинам и восстающим, или по трубопроводу, проложенному в одном из стволов, с последующей доставкой сухой закладки (отходов) конвейерами или электровозным транспортом. Прокладку рабочего и резервного трубопроводов для подачи в шахту гидравлической или твердеющей закладки также осуществляют по скважинам или одному из стволов. В исключительных случаях проводится специальный закладочный ствол, который одновременно используют в целях вентиляции.

Технологическая схема горнодобывающего предприятия реализуется и оценивается исходя из условия обеспечения установленной производственной мощности предприятия на основе решений, применяемых по основным и вспомогательным производственным процессам. Её обоснование в целом производится исходя из обеспечения: равномерной выдачи продукции; разделения всего производственного процесса на отдельные рабочие процессы, выполняемые специализированными звеньями, совмещёнными в той или иной мере во времени; возможности резервирования; работы всей технологической схемы в соответствии с заданным темпом как единой производственной единицы; эффективного функционирования всей технологической схемы путём ликвидации "узких мест" (даже за счёт мероприятий, не экономичных для каждого звена в отдельности).

Построение и расчёты технологической схемы горнодобывающего предприятия базируются на результатах разносторонних исследований вопросов отбойки, выпуска и вторичного дробления руды, конструкций днищ блоков, схем вскрытия и подготовки, параметров применения циклично-поточной и поточной технологий с использованием самоходного оборудования, виброустановок и конвейерных систем. В основе расчёта технологических схем рудных шахт лежат зависимости занятости пунктов выпуска руды от соотношения затрат времени на погрузку транспортной единицы ко времени её движения и разгрузки, от соотношения вида, характеристики и числа транспортных средств к числу пунктов выпуска и кусковатости рудной массы, от соотношения простоев транспорта к числу очистных забоев и ёмкости аккумулирующих выработок. Для формирования и оценки технологической схемы горнодобывающего предприятия как системы рудопотоков определяют мощность технологических звеньев -- количество и производительность очистных и подготовительных забоев, число и ёмкость транспортных единиц, типоразмеры оборудования подземного дробильно-бункерного комплекса, производительность подъёма. При этом мощность каждого технологического звена понимается как наибольшая возможная его производительность при отсутствии помех со стороны других звеньев, а мощность действующей рудной шахты при данной технологической схеме горнодобывающего предприятия -- как максимальная добыча полезных ископаемых установленного качества в единицу времени при наиболее полном использовании средств и возможностей организации производства. Перспективы технологической схемы горнодобывающего предприятия в первую очередь связываются со схемами с вертикальными рудоподъёмными и вспомогательными стволами, расположенными в центре на общей площадке, и вентиляционными -- на флангах шахтного поля. При освоении месторождений, залегающих на глубине до 500-600 м, наиболее целесообразна схема с вертикальным рудоподъёмным стволом в сочетании с наклонным съездом для самоходного оборудования, а при больших глубинах -- в сочетании с грузовым вертикальным стволом, оборудованным кабель-краном для спуска самоходного и крупногабаритного стационарного оборудования без разборки. Эффективной может оказаться схема с конвейерным транспортом руды по наклонному стволу прямо на обогатительную фабрику. Одно из возможных направлений -- развитие технологической схемы горнодобывающего предприятия с выдачей горной массы на поверхность по наклонному стволу троллейвозами грузоподъёмностью 40-50 т, а также схем с предварительным обогащением рудной массы под землёй. Широкое распространение получает технологическая схема горнодобывающего предприятия с твердеющей и гидравлической закладкой выработанного пространства, в т.ч. отходами горного производства, обогатительного и металлургического переделов. Снижение стоимости закладки расширяет область эффективного применения этих схем на отработку рядовых по стоимости и бедных руд. В вертикальных технологических схемах складывается тенденция к переходу на плоские днища и торцевой выпуск. При комбинированной (открыто-подземной) отработке месторождений возможно использование единых технологических схем горнодобывающего предприятия. Для отбойки применяют карьерные буровые станки, на погрузке -- гидравлические экскаваторы, конвейерный подъём по общему стволу, заполнение пустот вскрышными породами.

На угольных шахтах технологическая схема горнодобывающего предприятия характеризуется высоким уровнем комплексной механизации очистных и подготовительных работ, широким применением конвейерного транспорта угля и производительных средств колёсного транспорта, эффективной вентиляцией выработок, использованием средств механизации и автоматизации на вспомогательных процессах и для обеспечения безопасных и комфортных условий труда. Доставка людей, материалов и оборудования к рабочим местам производится колёсным или монорельсовым транспортом.

В угольных шахтах СССР, КНР и стран Европы получили распространение технологические схемы горнодобывающего предприятия с длинными очистными забоями, оборудованными комбайнами флангового действия или стругами, механизированной или стоечной крепью, скребковыми конвейерами. Управление горным давлением осуществляется, как правило, полным обрушением пород кровли. Закладка выработанного пространства применяется при разработке мощных крутых пластов, представленных самовозгорающимися углями, и для охраны объектов на земной поверхности. Подготовка очистных забоев производится одиночными или спаренными выработками, погашаемыми вслед за очистным забоем или используемыми повторно при отработке соседней лавы. Горизонтальные магистральные выработки проводят также одиночными или спаренными, чаще полевыми, наклонные -- по 2-3 на выемочное поле (рис. 9).

В шахтах США, Канады и Австралии широко применяют технологическую схему горнодобывающего предприятия с короткими очистными забоями. При очистной выемке угля и при проведении выработок используется самоходное оборудование, телескопические ленточные конвейеры; очистные и подготовительные выработки крепят анкерами. Управление горным давлением осуществляется путём регулярного оставления целиков угля. Общешахтный транспорт конвейерный или колёсный. При подготовке к эксплуатации выемочные поля оконтуривают группами выработок (по 4-6 в группе), проводимых, как правило, без подрывки пород и используемых обособленно для технологических целей: вентиляции, транспорта угля, доставки материалов и оборудования, перемещения людей (рис. 10).

Технологические схемы горнодобывающего предприятия с короткими очистными забоями характеризуются высоким уровнем производительности труда и низким извлечением угля из недр. Область наиболее эффективного применения этих схем -- пологие и горизонтальные пласты средней мощности.

Помимо технологии очистных работ к наиболее характерным признакам технологических схем угольной шахты, определяющим конструктивное воплощение схемы и генеральное направление формирования углепотока, относятся схемы вскрытия и подготовки. По этим признакам выделяются технологические схемы горнодобывающего предприятия с разделением шахтного поля на блоки и без разделения, одногоризонтные (одноступенчатые) и многогоризонтные (многоступенчатые) в сочетании с этажной, панельной и погоризонтной подготовкой. При переменных углах падения пластов применяют комбинированную подготовку, например этажную в бремсберговой части поля и погоризонтную или панельную -- в уклонной.

Технологическая схема горнодобывающего предприятия с разделением шахтного поля на блоки используется при значительных размерах шахтного поля по простиранию (до 10-16 км). Размеры блоков по простиранию от 2,5-3 км при выемке пластов по простиранию и до 4-4,5 км при выемке по падению или восстанию. Оптимальное число блоков 4-6 при одном горизонте и 3-4 при разделении шахтного поля на два горизонта. Каждый блок вскрывается двумя стволами, предпочтительно центрально-сдвоенными. На откаточном горизонте блоки соединяют общей транспортной магистралью (как правило, полевым штреком) с главным стволом, пройденным в центре шахтного поля.

Технологическая схема горнодобывающего предприятия характеризуется независимой и, как правило, одновременной отработкой блоков, их обособленным проветриванием и объединённой транспортной системой. Применение технологических схем с разделением на блоки позволяет обеспечить интенсивную разработку запасов, хорошие технико-экономические показатели, повышение безопасности труда при значительных масштабах производства.

Одногоризонтные схемы характерны для шахт, разрабатывающих одиночные горизонтальные и пологие пласты угля и горючего сланца или свиты из 2-4 пластов при размерах шахтных полей по падению до 3 км. Основные транспортные и вентиляционные выработки имеют продолжительный срок службы (на всё время отработки запасов шахтного поля или на период отработки крупных его частей -- бремсберговой, уклонной или крыла поля). Углепотоки из всех участков шахтного поля сосредоточиваются на едином транспортном горизонте и направляются к главному стволу для выдачи на поверхность.

Шахтное поле вскрывается вертикальными стволами, а при малой глубине залегания пластов -- наклонными. Грузовой ствол размещается, как правило, в центре шахтного поля, вентиляционные стволы имеют центральное расположение, центрально-отнесённое или фланговое. Последние две схемы расположения вентиляционных стволов характерны для газообильных шахт и для случаев отработки протяжённых по простиранию шахтных полей. При разработке шахтой одного пласта основные вскрывающие выработки примыкают непосредственно к главным выработкам транспортного и вентиляционного горизонта (рис. 9). При одновременной отработке 2-4 пластов основные вскрывающие выработки могут примыкать и к квершлагам, вскрывающим пласты на транспортных и вентиляционных горизонтах (рис. 12). При одногоризонтных технологических схемах горнодобывающего предприятия наибольшее распространение получили панельная схема подготовки и система разработки длинными столбами по простиранию, а на пластах с углами падения до 10° -- погоризонтная схема подготовки и система длинных столбов по падению с выемкой угля по падению или восстанию. В очистных забоях выемка угля производится комбайнами или стругами, доставка угля -- скребковыми конвейерами. Широко применяются механизированные крепи. Управление горным давлением в большинстве случаев осуществляется путём полного обрушения пород кровли. Закладка выработанного пространства используется только для предотвращения опасных деформаций земной поверхности.

Многогоризонтные технологические схемы характерны для шахт, разрабатывающих свиты крутых и наклонных пластов (рис. 13), а также пологие пласты при размерах шахтных полей по падению свыше 2,5-3 км и при значительной мощности междупластья в случае залегания пластов, близких к горизонтальному.

Многогоризонтные технологические схемы горнодобывающего предприятия применяются также при разработке пологих одиночных или свиты пластов, разбитых в пределах шахтного поля крупными тектоническими нарушениями с амплитудами в десятки метров на блоки со значительными запасами угля. При многогоризонтных технологических схемах горнодобывающего предприятия разрабатываемые пласты вскрывают вертикальными стволами и капитальными квершлагами, разделяющими шахтное поле на этажи (при крутом падении пластов) или ступени (при пологом и наклонном залегании пластов). Вертикальные стволы проходят с поверхности, как правило, до первого рабочего горизонта, а затем по мере исчерпания запасов в этаже или ступени их углубляют до следующего рабочего горизонта. При пологом и наклонном залегании пластов нередко вместо углубки действующих стволов проходят с поверхности новые стволы, отнесённые вниз по падению пластов. На крутом падении применяют этажную схему подготовки с разделением свиты разрабатываемых пластов на группы и проведением групповых транспортных и вентиляционных штреков, как правило, по породам лежачего бока нижнего пласта в группе. Пласты в группе вскрывают промежуточными квершлагами, разбивающими этаж на выемочные участки, что позволяет не поддерживать пластовые выработки по всей длине этажа. В работе находятся одновременно 2-3 этажа, один из которых готовится к эксплуатации. Тонкие и средней мощности крутые пласты разрабатывают по системе "лава-этаж" или длинными столбами по простиранию с выемкой угля отбойными молотками в потолкоуступном забое (тонкие пласты), комбайнами в прямолинейном забое с магазинным уступом или реже без такового. Применяется также система разработки полосами по падению с выемкой угля агрегатами с гидрофицированной крепью. В пределах очистного забоя отбитый уголь транспортируется самотёком, по горизонтальным выработкам -- колёсным транспортом. Мощные крутые пласты разрабатывают как с разделением на слои (горизонтальные, наклонные и поперечно-наклонные) с применением стоечных, щитовых и гидрофицированных крепей, а также ограждающей сетки при системе разработки подэтажным обрушением, так и без разделения на слои с использованием щитовой крепи. Отбойка угля производится преимущественно буровзрывным способом, управление горным давлением -- полным обрушением пород кровли или закладкой выработанного пространства. От выемочного участка до ствола уголь доставляется колёсным транспортом. На пологих пластах при многогоризонтных технологических схемах горнодобывающего предприятия применяют панельную или погоризонтную подготовку и системы разработки преимущественно длинными столбами по простиранию или падению. Сплошная система и комбинированная имеют ограниченное распространение.

Важный параметр технологической схемы горнодобывающего предприятия -- порядок отработки пластов в свите, выемочных полей и участков в пределах пласта. Решающую роль в его выборе играет геомеханический фактор.

В большинстве технологических схем угольных шахт предусматривается нисходящий порядок отработки взаимозависимых пластов в свите, за исключением случаев опережающей в пределах этажа отработки защитных пластов, в т.ч. залегающих стратиграфически выше выбросоопасных или в середине группы одновременно разрабатываемых пластов.

На пологих пластах панели в бремсберговой части поля разрабатывают в направлении от ствола к границам шахтного поля, в уклонной -- от границ к стволу. В пределах панели ярусы отрабатывают в нисходящем порядке, последовательно или через один ярус с последующей выемкой промежуточных. На сильно обводнённых пластах практикуется предварительная отработка нижнего в панели яруса для частичного осушения вышележащих. На тонких крутых пластах выемочные участки в этаже отрабатывают в направлении от ствола (главного квершлага) к границам шахтного поля. На пластах средней мощности и мощных предпочтителен обратный порядок отработки выемочных участков, при котором в случае самовозгорания или опасного нагрева угля можно обеспечить более надёжную изоляцию выработанного пространства от сети действующих горных выработок.

Особое место в практике разработки угольных месторождений занимают технологические схемы с гидравлической добычей угля. При сходном в конструктивном отношении с обычными технологическими схемами горнодобывающего предприятия схемы гидрошахт отличаются расположением транспортных выработок относительно элементов залегания пласта, обеспечивающим самотёчное перемещение смеси "уголь -- вода" в пределах выемочного поля или всей шахты.

Существуют разновидности технологическая схем горнодобывающих предприятий гидрошахт: с короткими очистными забоями при разрушении и отбойке угля гидравлическими, механо-гидравлическими и взрывогидравлическими способами и с длинными очистными забоями, где отбойка угля производится механо-гидравлическим способом.

В очистных и подготовительных забоях применяют специальные комбайны типов К56МГ и "Урал-38". Общешахтный транспорт -- гидравлический самотёчный и напорный, а также конвейерный (обезвоженного угля). Для подъёма гидросмеси по стволу используют углесосы и эрлифты.

Глава 2. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ И ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

2.1 Технология очистки подотвальных сточных вод горнодобывающих предприятий

Деятельность предприятий горнопромышленного комплекса оказывает негативное воздействие на окружающую среду, которое проявляется в загрязнении атмосферного воздуха, почв, поверхностных и подземных вод, сокращении площадей земель, пригодных для сельскохозяйственного использования, снижении продуктивности земельных ресурсов, нарушении гидрологических и гидрогеологических режимов района, ухудшении ландшафта. Сточные воды предприятий горнопромышленного комплекса представляют наибольшую опасность для поверхностных и подземных вод.

На сегодняшний день не существует целостной технологической схемы очистки подотвальных сточных вод предприятий, добывающих полиметаллические руды. Трудности возникают из-за значительных материальных затрат на сооружение подобных установок, большого объема сточных вод, географического расположения данных объектов.

Отработанное месторождение Куль-Юрт-Тау в Зауралье в 5 км от г. Баймак Республики Башкортостан Российской Федерации -- действующий источник загрязнения окружающей среды. Из-за нарушения гидрогеологического режима данной местности и воздействия природных факторов на рудный материал наблюдается неконтролируемый сток в р. Таналык подотвальных вод, имеющих следующие показатели: рН 2,16; минерализация 70 г/дм3; концентрации тяжелых металлов (согласно атомно-адсорбционному анализу), мг/дм3: Fe -- 104; Сu -- 26,81; Мn -- 29,49; Zn -- 12,51; Со -- 12,04; Ni -- 1,31; V -- 1,22; Сг -- 0,12; Сd -- 0,06. Основные загрязняющие элементы -- железо и медь. Их концентрации больше ПДК в десятки тысяч раз; содержание других металлов также многократно превышает ПДК.

Создание рентабельной очистной установки на подобных объектах очень актуально. При построении технологической схемы очистки принято во внимание следующее:

-- промышленные сточные воды с высоким содержанием ионов металла, как правило, локализованы (отстойники, хвостохранилища, пруды-накопители, затопленные карьеры); при просачивании воды из карьера в карьер концентрация ионов тяжелых металлов снижается до величины, приемлемой для дальнейшей очистки воды;

-- применение физико-химических методов выделения металлов из разбавленных растворов весьма эффективно.

Разработанная технологическая схема представлена на рисунке.

Блок-схема очистки подотвальных сточных вод

В месте выхода подотвальных вод оборудуют гидроизолированный сборник в виде прямоугольного бассейна емкостью 200--500 м3. Из сборника кислые воды насосом подают в технологический модуль, где происходит их первичная очистка:

-- селективная сорбця ионов свинца, ртути, мышьяка, кадмия;

-- окисление фотоинициированным озоном с последующим выделением осадка (смеси окислов железа и марганца) на гидроциклоне и фильтре;

-- электроэкстракция меди и цинка.

После первичной очистки воду направляют на нейтрализацию в бетонные желоба, заполненные крошкой из мраморизированных известняков, где происходит нейтрализация серной кислоты и более полная очистка от ионов металлов за счет образования нерастворимых в воде карбонатов и гидрокарбонатов металлов, которые скапливаются в специально оборудованных приямках и откачиваются на фильтрование. После узла гидрокарбонатной очистки воду подают на биоплато, засаженное высшими водными растениями, где происходит доочистка, позволяющая производить сброс в открытые водоемы.

Разработке данной технологической схемы предшествовали лабораторные эксперименты по подбору методов очистки подотвальных вод.

На основании результатов химического анализа установлено, что применение традиционных сорбентов типа катионитов или анионитов нерентабельно вследствие их малой емкости и селективности. Лабораторные исследования сорбционной очистки проводили с применением сорбентов-комплексонов типа полиметилсульфида, полиэтиленсульфида, полипропиленсульфида и их производных. Особенность этих сорбентов -- высокая селективность по отношению к ионам ртути, кадмия, свинца, кобальта, селена, мышьяка в кислых растворах. Испытывали сорбенты Тр-1, Т-3, полимер-SM, СЭ, СП, КУ-2-8, угли БАУ и КАД. Результаты исследований показали, что материалы типа полимер-SM, (полиметилсульфиды) и типа Тр-1, Т-3 (серосодержащие гетероциклические соединения) обладают высокой сорбционной емкостью по отношению к ионам тяжелых металлов, что позволяет использовать эти сорбенты в фильтрах-накопителях для предварительной очистки подотвальных вод.

Нами проведены предварительные исследования электроэкстракции меди из подотвальных вод отработанного месторождения Куль-Юрт-Тау, в которых содержание меди колеблется от 5 до 500 мг/дм3. Исходный раствор с содержанием Cu2+ 80 мг/дм3 и суммарным содержание Fe2+ и Fe3+ 7-9 мг/дм3 подвергали электролизу при различных режимах по току и стабилизации напряжения на ячейке. При малых токах образуются наиболее качественные катодные осадки меди и практически отсутствует газовыделение. Согласно экспериментальным данным подбирают режим работы промышленной установки электроэкстракции в зависимости от химического состава и электропроводности очищаемой воды.

Очистку воды с помощью сильных окислителей широко используют для выделения железа и марганца, ионы которых в высшей степени окисления легко гидролизуются с образованием нерастворимых осадков. Самый привлекательный реагент для этих целей -- озон, окислительно-восстановительный потенциал которого составляет 2,07 В (перманганата калия -- 1,51 В, хлора -- 1,3б В). Широкое распространение методов озонирования сдерживается высокой стоимостью оборудования и большими эксплуатационными затратами. Это обусловлено особыми требованиями к очистке воздуха для установок, работающих на барьерных разрядах. Мы изучали возможность применения воздуха, прошедшего обработку вакуумным УФ-излучением в специальном растворе. Для исследований была изготовлена установка, которая состояла из компрессора, реактора с УФ-излучателем, смесительным устройством и фильтром для отделения образующегося осадка.

При реагентной очистке подотвальной воды месторождения Куль-Юрт-Тау использовали карбонат кальция. К пробе подотвальной воды объемом 100 мл добавляли 20 г порошкообразного карбоната кальция. Реакция протекала очень бурно, с обильным выделением пены, кальцит добавляли в раствор небольшими порциями. Образовавшийся осадок фильтровали на «синей ленте». В исходной воде сухой остаток составлял 70 г/дм3, а после карбонатной очистки -- 6 г/дм3. Содержание тяжелых металлов определяли атомно-адсорбционным методом. Степень очистки воды от ионов железа, меди, кобальта, никеля, ванадия, кадмия и хрома превышает 9G %, благодаря чему концентрации этих металлов в воде были снижены до ПДК для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования. Степень очистки от ионов марганца и цинка -- 74,б и б0 % соответственно. Значительное снижение сухого остатка в очищенной воде свидетельствует об удалении не только катионов, но и анионов.

Благодаря наличию гидроксида железа осадок, полученный при карбонатной очистке подотвальной воды, имеет оранжевый цвет. Высушеннъгй и прокаленный при 200 °С осадок представляет собой мелкодисперсный ярко-коричневый порошок. Окраска свидетельствует о присутствии в нем большого количества железа в трехвалентном состоянии. Железосодержащие соединения часто используют как пигмент в производстве лакокрасочных материалов.

Для доочистки воды необходимо создать 3-уровневую цепь биологических очистных прудов, в которых используется способность высшей водной растительности, водной микрофлоры и микроорганизмов извлекать растворенные в воде органические вещества, минеральные соли, ионы тяжелых металлов с образованием нерастворимых комплексных соединений. Предлагается сформировать растительные сообщества, состоящие из следующих видов местной водной флоры: 1) тростник обыкновенный!; 2) рогоз узколистный; 3) камыш озерный; 4) рдест блестящий; 5) ситняг обыкновенный; б) осока дернистая.

Предлагаемая технологическая схема обеспечивает замкнутый режим работы без слива воды в открытые водоемы (очищенные воды направляются на орошение отвалов). Металлы выделяют в виде компактных продуктов -- оксидов, гидроокисей и карбонатов, которые легко упаковываются для перевозки на специализированные предприятия для дальнейшей переработки.

2.2 Минеральное волокно на основе отходов горнодобывающих предприятий

По разнообразию отходов горнорудной промышленности Мурманской области особенно выделяется Ковдорский горнорудный узел, где на сравнительно небольшой территории разрабатывается целый ряд месторождений полезных ископаемых. Некоторые компоненты отходов уже извлекаются и нашли практическое применение, но большинство из них еще требует специального изучения. К ним относятся в первую очередь мелилитовые породы флогопитового рудника комбината "Ковдорслюда".

Близость химического состава мелилитовых пород и диопсида, который является основой камнелитых материалов, определяет главное направление их возможного использования, т.е. получение стеклокристаллических материалов. Другим главным направлением использования мелилитовых пород является получение из них минерального волокна. С этой целью был детально изучен вещественный состав всех разновидностей мелилитовых пород, термические свойства ряда композиций на их основе с добавками нефелинового, эгиринового концентратов и нефелиновых хвостов апатитовой флотации ОАО "Апатит". Проведены опытно-промышленные работы.

Минеральная вата, полученная на основе мелилитовых пород Ковдорского массива, соответствует ГОСТ 4640-84 типу А. Возможность получения из отвальных мелилитовых пород минерального волокна переводит эти отходы в разряд ценного минерального сырья и открывает перспективу организации в Мурманской области производства минераловатных плит высокого качества.

Использование минерального волокна такого качества позволит перейти промышленности стройматериалов на производство минераловатных изделий повышенной жесткости.

2.3 Основные направления комплексного использования отвальной массы горнодобывающих предприятий

переработка очистка сточная вода горнодобывающий

Повышение общего уровня социально-экономического развития общества неминуемое сопровождается увеличением потребления невозобновляемых природно-минеральных ресурсов, интенсивной разработкой месторождений полезных ископаемых, поэтому охрана и эффективное использование недр является одной из актуальнейших проблем современности. Процесс реформирования горнодобывающей отрасли и интенсивное использование недр требует постоянного усовершенствования их правовой охраны, нормативного обеспечения, рационализации и экологизации недропользования. Регулирование горных отношений с целью обеспечения рационального, комплексного использования недр для удовлетворения потребностей в минеральном сырье и других потребностей общественного производства, охраны недр, гарантирование при пользовании недрами безопасности людей, имущества и окружающей природной среды, а также охрана прав и законных интересов предприятий, учреждений, организаций и граждан осуществляется на основании Кодекса Украины о недрах.

С каждым годом запасы ресурсов истощаются при всевозрастающем объеме их потребления, поэтому остро стоит вопрос об обязательном комплексном их использовании. Поэтому в задачи высшей технической школы должно входить воспитание в будущих горных инженерах экологичности мышления и сознания. Горный инженер - это специалист, который несет огромную ответственность перед государством и обществом за целесообразность и правильность разработки месторождений полезных ископаемых, представляющих собой национальное богатство, которое расходовать нужно бережно. Каждому предприятию, в том числе угольному, требуется руководитель, имеющий необходимое и достаточное специальное образование, а также практическую подготовку в управлении очень сложным производством с многочисленным коллективом трудящихся. Комплексная переработка минерального сырья - это разделение полезных ископаемых на конечные продукты с изъятием всех ценных компонентов, которые находятся в начальном сырье.

Выделяют четыре уровня комплексной переработки твердого минерального сырья:

1. Выделение из сырья методами обогащения одного концентрата, который содержит один или несколько основных ценных компонентов (угольного концентрата с угольных месторождений, монометаллического с месторождений цветных и черных металлов и т.д.);

2. Дополнительное выделение методами обогащения отдельных концентратов, которые не являются основными для данной подотрасли (молибденового концентрата с медномолибденовых руд, медного и висмутового из вольфрам-молибденовых руд, баритового, флюоритового, полевошпатового из руд цветных металлов и т.д.);

3. Выделение элементов-спутников, которые не создают самостоятельных минералов (редчайших и рассеянных элементов), из концентратов обогащения химико-металлургическими методами;

4. Использование отходов обогащения и металлургии для получения драгоценных материалов и другой попутной продукции (щебня, песка, гравия из хвостов обогатительных фабрик и т.д.).

Специфика подземной добычи угля состоит в том, что на каждые 1000 т добытого угля (мировые данные) на поверхность выбрасывается до 12 кг угольной и породной пыли, 50 - 570 тыс. м3 метана, 7,5 - 15 тыс. м3 углекислого газа, около 5,5 тыс. м3 окислов, образующихся при взрывных работах, 1,5 - 9 тыс. м3 шахтных вод, 210...300 т (а в Донбассе до 800 т) породы. В результате, на территории Донецкого бассейна, сейчас насчитывается около 1260 терриконов техногенных месторождений. Ежегодный объем горной массы, выдаваемой в отвалы, составляет около 30 млн. м3, а их общий объем в Донбассе превышает 2 млрд. м3. В настоящее время темпы поступления горных пород в отвалы превышают темпы их утилизации. Основными направлениями их использования являются: засыпка выработанного пространства (94,4% общего объема использования), производство стройматериалов (4,7%), производство закладочных работ (0,9%). Следовательно, несмотря на снижение добычи угля в Донбассе за последние годы, тенденция увеличения объемов шахтных пород сохраняется.

С точки зрения возможного использования все породные отвалы можно разделить на три группы:

1. содержащие элементы, необходимые для питания растений и пригодные для производства удобрений;

2. содержащие токсичные элементы и при использовании соответствующих технологий пригодные для производства стройматериалов;

3. содержащие ценные микроэлементы, пригодные для обогащения и промышленного извлечения элементов.

Рассмотрим некоторые варианты использования горной породы в народном хозяйстве.

Рассмотрим некоторые варианты использования горной породы в народном хозяйстве. Луганскими учеными был разработан инвестиционный проект в технологии утилизации отходов угледобычи и промышленного птицеводства. Производство позволяет получать биоорганоминеральное удобрение и будет способствовать решению серьезных экологических и социальных проблем, восстановлению естественного плодородия сельскохозяйственных угодий, повышению урожайности сельскохозяйственных культур и качества продукции без использования минеральных удобрений.

Это производство включает следующие этапы переработки:

* на первом этапе углеродосодержащие отходы подвергаются сбраживанию в метантенке, в результате чего образуется биогаз и обеззараженный шлам. Метантенк объемом 100 м3 может производить 3 млн м3 биогаза в год. Полученный биогаз обеспечивает энергией производство, а также может в сжиженном виде служить топливом для автомобилей, сельскохозяйственной техники и использоваться для нужд населения;

* на втором этапе шлам биогазовых установок смешивается с перемолотой породой. Полученная смесь поступает в установку для производства искусственного гумуса - криптогумина производительностью 1 тонна криптогумина в час;

* на третьем этапе смесь шлама и породы, или криптогумин идет на питание калифорнийских червей, что дает возможность получить биогумус.

Биогумус, полученный на основе органических отходов и горной породы, содержит большое количество микроэлементов, необходимых для питания растений, и является высокоэффективным комплексным удобрением. Локальное внесение биогумуса в количестве 2 - 5 т/га может повысить урожайность сельскохозяйственных культур на 40 - 80%. При этом решается задача восстановления черноземного слоя и увеличения плодородия почв.

Другим направлением использования пустой породы является производство строительных материалов. Промышленность строительных материалов Украины способна широко и эффективно использовать многотоннажные шахтные горелые породы и другие техногенные отходы предприятий тяжелой индустрии Донбасса или осуществлять их утилизацию и рекультивацию. Горелая порода удовлетворяет требованиям химического состава, физических свойств, радиационно-гигиенической оценки и другим показателям в качестве сырья, способного на 30- 40% заменить природное материальное сырье для стройиндустрии. Инновационные исследования показали также, что кроме вяжущего на основе горелой породы, могут быть получены бесцементные плотные, и ячеистые автоклавные и безавтоклавные бетоны для широкой номенклатуры изделий: стеновых наружных блоков, стеновых внутренних блоков, перегородок, плит перекрытия, фундаментных блоков.

Горелую шахтную породу терриконов после несложной механической переработки на месте, можно использовать в качестве крупного и мелкого заполнителя в цементных бетонах и для изготовления мелкоштучных стеновых изделий (кирпич, камни, блоки), кровельной черепицы, декоративных облицовочных и дорожных плит. Горелопородное сырье в комбинации с известью, цементом или активирующими добавками, имеющимися в достаточном количестве в регионе, позволяет получать высокоэффективный строительный материал нормируемого качества.

позволяет получать высокоэффективный строительный материал нормируемого качества. В результате многолетних исследований и промышленных экспериментов, выполненных Луганским и Донецким территориальными отделениями, учеными и специалистами определены основные режимы, технологии и номенклатура строительной продукции, получаемой на основе горелой шахтной породы:

* бесцементное цветное вяжущее, характеризующееся пределом прочности при сжатии 20 - 30 МПа, для производства строительных работ, в том числе кладки стен, штукатурных и отделочных работ, приготовления растворов и бетонов;

* мелкий заполнитель для бетонов и растворов;

* плотные (тяжелые) породные бетоны средней плотности (1400 - 1600 кг/м3);

* ячеистые бетоны средней плотности (450 - 750 кг/м3).

ячеистые бетоны средней плотности (450 - 750 кг/м3). Кроме того, анализ отечественной и мировой практики освоения техногенных ресурсов свидетельствует, что их отработка может служить для горно-добывающих предприятий дополнительным источником получения цветных и драгоценных металлов, а также способствовать уменьшению вредного воздействия токсичных веществ на окружающую среду и возвращению в хозяйственный оборот ранее изъятых земель. В отходах горнодобывающей промышленности установлено наличие черных (железо, марганец, хром), легирующих (титан, ванадий, никель, кобальт, молибден и вольфрам), цветных (медь, цинк, свинец, ртуть, сурьма и висмут), благородных (серебро), редких (литий, бериллий, стронций, иттрий, лантан, ниобий, кадмий, скандий, галлий и германий) металлов и неметаллов (фарфор). Однако практическая разработка таких месторождений не производится, т. к. на горных предприятиях отсутствуют технология и рабочие проекты селективной разработки техногенных месторождений полезных ископаемых.

Официальные структуры Кабинета Министров Украины и местных органов власти до настоящего времени дают крайне противоречивые объяснения и оценки спада производства в ключевой отрасли энергетики, а Указом Президента Украины еще от 07.02.96 г. № 116/96 предусмотрены крупномасштабные меры по структурной перестройке угольной промышленности. Среди них особо сложные для региона социально-экономические процессы связаны с закрытием и ликвидацией шахт Донбасса. В этих, далеко не благоприятных социально-экономических и техногенно-экологических условиях чрезвычайно важное значение имеет реализация потенциальных возможностей региональной науки, проектирования и изысканий. Располагая дешевой базой техногенных месторождений сырья, результатами научно-исследовательских, проектных и экспериментальных разработок представляется экономически целесообразным и технически возможным в национальном региональном масштабе решить следующие проблемы:

* создать объективные на государственном и региональном уровнях предпосылки перехода к безотходным энерго- и ресурсосберегающим технологиям, утилизации и рекультивации техногенно - экологического сырья;

* создать передвижные заводы-спутники и мини-заводы переработки сырья в зоне терриконов;

* частично решить социально-экономическую программу региона в части создания новых рабочих мест на каждом заводе-спутнике - 35-50 человек, мини-заводе - 240-280 человек;

* способствовать нормализации экологической обстановки в регионе.

Кроме комплексного использования недр важным показателем в эффективности разработки месторождений полезных ископаемых является комплексное их освоение, которое представляет собой наиболее полное и экономическое освоение всех видов ресурсов земных недр на основе комплексов эффективных горных технологий. Критерием эффективности комплексного освоения недр является достижение оптимальных для развития экономики страны и интересов будущих поколений показателей полноты использование ресурсов недр при оптимальных имеющихся трудовых и материальных ресурсах.

В последние годы комплексное освоение недр тесно связывается с концепцией устойчивого развития общества, согласно которой добыча и освоение полезных ископаемых должно осуществляться без причинения вреда следующим поколениям, ущемление их интересов. Рациональность процесса освоение минеральных ресурсов оценивается показателями полноты изъятия их из недр и при дальнейшей переработке. Общие потери полезных ископаемых состоят в среднем из потерь: в процессе добычи - 10-30%, первичной переработки (обогащение) до 20-40%, химико-металлургической переработке - 10-15%. В особенности большие потери при первичной переработке многокомпонентных руд. Поэтому беспрерывно увеличивается число “попутных” компонентов, которые изымаются из комплексного минерального сырья.

На основе обобщения отечественных и зарубежных достижений была принята Комплексная система управления рациональным использованием материальных ресурсов. Ее цель - постоянное развитие ресурсосберегающих методов хозяйствования. Составная часть комплексной системы управления рациональным использованием материальных ресурсов - комплексная система управления рациональным использованием вторичного сырья.

Система предусматривает проведение следующих мероприятий:

* научно-технического характера (использование передовой техники и технологии по сбору и переработке вторичного сырья);

* экономического (внутрихозяйственное планирование образования, сбора, использования и реализации отходов, установление цен на эти ресурсы и продукты их переработки, материальное стимулирование их рационального применения, комплексный учет и анализ результатов работы с вторичным сырьем);

* правового (использование директивных указаний и инструкций в работе с вторичным сырьем, подбор и расстановка кадров, расширение и упорядочение договорных отношений между поставщиками и потребителями);

* экологического (использование вторичного сырья с учетом аспектов защиты окружающей среды).

Система носит многоуровневый характер и охватывает все стадии жизненного цикла вторичных материальных ресурсов:

* выявление ресурсов;

* планирование их сбора и использования, сбор и подготовку к потреблению или реализации;

* собственно полезное применение;

* реализацию на сторону;

* профилактику частичного уничтожения.

Организационно-методической, нормативно-технической и правовой ее основой являются стандарты и сертификация вторичных ресурсов. Регламентируя прогрессивные нормы, правила и методы, а также этапы и содержание процессов, стандарты вносят ясность в работу исполнителей, четко разграничивая их права и обязанности, а также устанавливая формы материального и морального стимулирования.

Основные функции стандартов в области управления рациональным использованием вторичных ресурсов следующие: