Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Эколого-технологические основы повышения эффективности разработки полезных ископаемых

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктор технических наук, Жалгасулы, Нариман, Алматы

72 12/1

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА им. Д.А. Кунаева

УДК 622.014.3:351.823:882:86 На правах рукописи

Жалгасулы Нариман

ЭКОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТКИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Специальность: 25.00.36 «Геоэкология»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: чл.-корр. HAH PK, д.т.н., проф.

Ермеков Т.М.

Республика Казахстан Алматы 2001

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1. ДОБЫЧА И ПЕРЕРАБОТКА РУДЫ КАК ФАКТОР 11 ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ

1.1. Взаимодействие горнообогатительных предприятий с окру- 11 жающей средой

1.2. Оценка воздействия горнообогатительных предприятий на 15 окружающую среду

1.2.1. Оценка воздействия горнообогатительных предприятий 15

на земную поверхность

1.2.2.Оценка воздействия горнообогатительных предприятий 23

на воздушную среду

1.2.3. Оценка воздействия горнодобывающих предприятий на 30 гидрогеологическую обстановку региона

1.2.4. Оценка воздействия горнодобывающих предприятий на 40 биосферу

1.3. Пути нейтрализации воздействия горнообогатительных 45 предприятий на окружающую среду

1.3.1. Нейтрализация вредного воздействия на литосферу 47

1.3.2. Нейтрализация вредного воздействия на тропосферу 48

1.3.3. Нейтрализация вредного воздействия на гидросферу 48

1.3.4. Нейтрализация вредного воздействия на биосферу 56

1.4. Технологические решения, направленные на снижение 57 вредного воздействия горнообогатительных предприятий на окружающую среду

1.5. Выводы по главе 58

2. ОХРАНА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ДОБЫЧЕ РУДЫ 59 КАК ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

2.1. Краткая характеристика Жезказганского месторождения 60

2.2. Способы добычи руды и охрана покрывающих пород от обру- 61 шения

2.3. Анализ разрушения целиков и обрушения кровли камер с це- 63 лью охраны покрывающих пород

2.4. Анализ эффективности применяемых на рудниках Жезказгана 68 способов охраны выработанного пространства

2.5. Прогнозирование и оценка состояния междукамерных 71 целиков и кровли камер

2.6. Разработка полимерных композиций, средств технологических 79 схем смолоинъекционного упрочнения

2.7.Технология смолоинъекционного упрочнения неустойчивых 83 горных массивов

2.7.1. Технология упрочнения целиков 83

2.7.1.1. Промышленные испытания технологии смолоинъекционного 85

упрочнения ослабленных междукамерных целиков

2.7.2. Технология упрочнения кровли очистных камер 87 2.7.2.1. Производственные испытания технологии смолоинъекционно- 96 го упрочнения кровли очистных камер

2.7.3. Технология упрочнения пород кровли подготовительных выра- 98 боток

2.8. Оценка эффективности упрочнения целиков и кровли 100 очистных и подготовительных выработок

2.8.1. Оценка эффективности упрочнения междукамерных целиков до 100 и после упрочнения

2.8.2. Оценка эффективности упрочнения кровли очистных камер 110

2.9. Экологические аспекты смолоинъекционного упрочнения 116 пород

2.10. Выводы по главе 117 3. ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ДОБЫЧИ 118

МЕТАЛЛОВ - ФАКТОР ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

3.1. Физико-химические основы геотехнологических способов из- 120 влечения меди из руд

3.2. Совершенствование технологии кучного выщелачивания мед- 125 ных руд

3.2.1. Характеристика сырья 131

3.2.2. Лабораторные исследования. 133

3.2.3. Укрупненные испытания 133

3.2.4. Определение оптимального расхода концентрированной серной 135 кислоты

3.2.5. Влияние формы и размеров кучи руды на показатели интенсив- 137 ного кучного выщелачивания

3.2.6. Влияние массовой доли мелкой фракции в куче на показатели 139 выщелачивания

3.2.7. Комплексное использование оксидной руды при интенсивном 140 кучном выщелачивании

3.2.8. Использование твердых отходов выщелачивания руды 142

3.2.9. Опытно-промышленные испытания технологии интенсивного 144 кучного выщелачивания

3.3. Разработка технологии подземного выщелачивания Жезказ- 151 ганских медных руд

3.3.1. Отработка флексурных зон Жезказгана системой подземного 151 выщелачивания

3.3.2. Выщелачивание металлов из рудных целиков 158

3.3.3. Способ подземного выщелачивания руды из разрушенных цели- 167 ков

3.3.4. Способ выщелачивания полезных ископаемых в передвижных 170 емкостях

3.3.5. Меры по охране окружающей среды при подземном выщелачи- 174

вании медных руд Жезказгана

3.4. Выводы по главе 176

4. СНИЖЕНИЕ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ГОРНО- 177 ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ НА ВОЗДУШНУЮ

СРЕДУ

4.1. Улучшение состояния окружающей среды при выполнении 177 технологических операциях в карьерах

4.2. Разработка мероприятий по снижению пылевыноса на автодо- 178 рогах горнодобывающих предприятий

4.3. Пылеподавление на хвостохранилищах обогатительных фаб- 182 рик

4.3.1. Разработка связующих композиций для хвостов обогащения 187 марганцевых руд Жездинской обогатительной фабрики

4.3.2. Разработка связующих композиций для хвостов обогащения 192 медных руд Жезказганского месторождения

4.3.3. Технико-экономический расчет эффективности разработанных 196 композиций для пылеподавления на хвостохранилищах

4.4. Разработка мероприятий по снижению пылевыноса с наклон- 197 ных поверхностей пылящих объектов горных предприятий

4.5. Выводы по главе 200

5. РЕКУЛЬТИВАЦИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПЛОДОРОДИЯ 200 ЗЕМЕЛЬ, ПОДВЕРГАЮЩИХСЯ ВОЗДЕЙСТВИЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ГОРНООБОГАТИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

5.1. Основные положения рекультивации нарушенных земель 200

5.2. Гуминовые препараты - средство снижения вредного воздейст- 204 вия горнообогатительных предприятий на флору

5.2.1. Технология получения балластного гуминового препарата 206

5.2.2. Технология получения безбалластного гуминового препарата 207

5.2.3. Воздействие гуминовых препаратов на урожайность сельскохо- 209 зяйственных культур

5.2.4. Воздействие гуминовых препаратов на приживаемость растений 210 в экстремальных условиях

5.3. Выводы по главе 212

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 212

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 216

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Экономика Казахстана имеет ярко выраженный сырьевой характер. Существенную роль в ней играет добыча твердых полезных ископаемых - угля, руд черных, цветных и редких металлов.

Горнодобывающие предприятия Казахстана в значительной своей части расположены в аридной зоне, характеризующейся экстремальными условиями обитания. Эти условия усугубляются вредным воздействием техногенных объектов (горнодобывающих предприятий) на окружающую среду.

Общая площадь земель Казахстана, находящихся под воздействием горнодобывающих предприятий, превышает 200 тыс. гектаров.

Воздействие техногенных образований на элементы окружающей среды проявляются в форме нарушений (структурных изменений) и загрязнений (функциональных изменений).

Особенность влияния техногенных образований на природную среду выражается в том, что размещенные на относительно небольшой площади, они характеризуются высокой концентрацией вредных веществ и активностью их воздействия на элементы окружающей среды.

Для обеспечения эффективной деятельности горнодобывающих предприятий с учетом требований Закона Республики Казахстан «Об охране окружающей природной среды» необходимо совершенствование существующих и создание новых технологических процессов, позволяющих резко уменьшить вредное воздействие на окружающую природную среду при сохранении высокой экономической эффективности.

Диссертационная работа является обобщением исследований, выполненных в период 1975-2001 гг. в соответствии с планом НИР Института горного дела им.Д.А.Кунаева при непосредственном участии автора:

• по проблеме МП-1 отраслевого плана развития науки и техники Минцветмета СССР на X пятилетку "Разработать и освоить гидрометаллургические процессы, аппаратуру и оборудование для подземного, кучного и чанового выщелачивания и извлечения цветных и благородных металлов и ценных элементов из руд, обеспечивающие резкое повышение производительности труда", 1980-1985 гг.;

• по целевой комплексной программе «Рациональное и комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов Казахстана на 1991-1995 гг., 2000 г. и на период до 2005 г.», разработанной в соответствии с Постановлением Президиума Совета Министров КазССР от 23 августа 1988 г. № 22-11 Национальным центром по комплексной переработке минерального сырья РК;

• по плану мероприятий по реализации Программы действий Правительства РК на 2000-2002 гг. Постановление №367 от 07.03.2000 г.;

• по Программе развития горно-металлургического комплекса Республики Казахстан. Астана,2000 г.;

• по Программе научно-техническое обеспечение устойчивого функционирования и стратегических приоритетов развития горнометаллургического комплекса РК на 1999-2003 гг.;

• по Подпрограмме IV: Реализация научных разработок путем создания малых и средних производств и освоение технологий по выпуску конкурентно-способной продукции высокой товарной готовности (1999-2003 гг.);

• по Отраслевой научно-технической программе «Разработка и освоение ресурсо-энергосберегающих технологий в топливно-энергетическом комплексе» (2001-2003 гг.), разработанной НЦ КПМС РК.

Цель работы заключается в анализе системы «горнодобывающее предприятие - окружающая среда» и разработке на основе этого анализа технологических решений, обеспечивающих снижение экологического риска.

Идея работы состоит в снижении экологической нагрузки на природную среду от деятельности горнодобывающих предприятий за счет разработки и внедрения новых, экологически чистых технологических процессов. Задачи исследований:

1. Системный анализ взаимного влияния горнодобывающего предприятия и всех составляющих природной среды.

2. Выявление технологических процессов, оказывающих наибольшее вредное воздействие на окружающую среду.

3. Совершенствование существующих и создание новых технологических процессов с целью снижения вредного воздействия на среду:

- разработка способов повышения надежности поддержания выработанного пространства и предотвращения нарушения земной поверхности;

- разработка геотехнологических способов извлечения металла из некондиционных и теряемых руд;

- разработка способов выщелачивания металлов из богатых опорных целиков;

- разработка способов и средств снижения выбросов пыли и газов;

- разработка способов предотвращения потерь и пыления при железнодорожных перевозках угля;

- разработка способов рекультивации и восстановления плодородия нарушенных земель;

- подбор кустарников и трав для выращивания их на ядовитых поверхностях хвостохранилищ;

- разработка технологии получения биологически активных препаратов из местных бурых углей.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований с привлечением основных положений теории сложных систем; анализ литературных и патентно-информационных источников; теоретическое обобщение результатов исследований механизма геотехнологических процессов; методы физического моделирования процессов; лабораторные и

натурные испытания с реализацией результатов; производственная апробация и внедрение разработанных рекомендаций.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Системно-структурный анализ и оценка взаимодействия элементов системы «горнодобывающее предприятие - окружающая среда» как научная основа прогнозирования экологического риска от деятельности предприятия.

2. Количественная и качественная оценка воздействия процессов выемки горной массы, формирование пылевых и газовых выбросов, загрязнение подземных и поверхностных водоисточников - основа разработки технологических решений по нейтрализации вредного воздействия горных предприятий.

3. Теоретическое обоснование механизма смолоинъекционного упрочнения пород и повышения устойчивости системы «опорный целик - кровля камеры» -основа предотвращения нарушения земной поверхности в условиях месторождений, сложенных скальными породами.

4. Теоретическое обоснование геотехнологических способов извлечения металлов из некондиционных руд - основа повышения полноты использования недр и снижения экологической нагрузки на окружающую среду.

5. Обоснование процесса восстановления земель, подвергшихся отрицательному воздействию выбросов горнообогатительных предприятий - научная основа методологии снижения экологической напряженности региона.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Разработана и внедрена технология смолоинъекционного упрочнения ослабленных трещинами рудных целиков, кровли очистных камер и подготовительных выработок, позволяющая снижать экологические нарушения на земной , поверхности и в подземных условиях.

2. Эффективная технология смолоинъекционного упрочнения, которая впервые обоснована применительно к условиям рудных месторождений, сложенных крепкими породами (авторские свидетельства СССР №№1273584, 1562461, 1788271, 1816865, патент РК №№ 3514, 3520,3563, премия Кабинета Министров КазССР 1991г.).

3. Установлены основные факторы с выявлением их влияния на^прочностные характеристики упрочняющих полимерных композиций, обоснован их оптимальный компонентный состав.

4. Обоснованы и разработаны геотехнологические способы добычи полезных ископаемых (выщелачивание металлов из руды), обеспечивающих повышение полноты и комплексности использования недр и снижение вредного воздействия на окружающую среду.

5. Впервые в условиях Казахстана предложен способ интенсивного кучного выщелачивания оксидно-смешанных медных руд, заключающийся в низкотемпературной сульфатизации руды концентрированной серной кислотои с последующей выдержкой и дальнейшим выщелачиванием ее слабым

раствором.

6. Установлены основные закономерности процесса выщелачивания и разработаны различные варианты подземного выщелачивания меди из флексурных зон и опорных целиков (авторские свидетельства СССР №№ 945392, 1708027, 1786261).

7. Разработаны рациональные варианты технологии закрепления пылящих поверхностей (хвостохранилищ, рудных и породных навалов, дорог) дешевыми композициями и определены их составы (авторское свидетельство №1680960, патент РК № 4743).

8. Определена зависимость урожайности сельхозкультур в окрестностях горнодобывающих предприятий от их пылевых и газовых выбросов. Предложены способы восстановления плодородия земель путем применения биологически активных гуминовых препаратов и технология получения их из бурого угля Кияктинского месторождения, обеспечивающие приживаемость высаживаемых растений на рекультивируемых поверхностях.

Разработана технология рекультивации земель, занятых отходами производства (отвалы, хвостохранилища) путем их озеленения с использованием разработанных гуминовых препаратов, обеспечивающих хорошую приживаемость высаживаемых растений.

Личный вклад автора заключается в:

- анализе и теоретическом обобщении статистических данных воздействия горнодобывающих предприятий на окружающую среду (тропосферу, литосферу, гидросферу и биосферу)*;

системном подходе, теоретическом обосновании и разработке экологически чистых технологий, обеспечивающих комплексное использование минерального сырья, повышение безопасности труда;

- обосновании всех защищаемых научных положений, апробации и опытно-промышленной проверке;

- разработке научно-методологических основ технологии рекультивации

земель;

- разработке и внедрении технических решений и средств для нормализации экологической ситуации на рабочих местах и в регионах горнодобывающих предприятий, защищенных авторскими свидетельствами, предпатентами РК.

Практическая значимость работы заключается в:

- разработке рекомендаций, технологических регламентов и инструкций, а также рабочих проектов по предложенным технологиям с учетом

экологических требований;

- разработке и внедрении композиций и технологии для смолоинъекционно-ого упрочнения ослабленных междукамерных целиков и трещиноватых горных пород на шахтах №№ 31- 32 и 55 АО "Жезказганцветмет";

¿Примечание: Биосфера в баяном случае понимается в узком смысле, как население, флора и фауна окружающего предприятие региона.

- внедрении через составление рабочего проекта технологии выщелачивания окисленных медных руд Акчий-Спасского карьера;

- внедрении новых композиций, предотвращающих дефляцию поверхности хвостохранилищ обогатительных фабрик Жездинского и Жезказганского месторождений и пылевынос при транспортировке полезного ископаемого;

- создании и внедрении для рекультивации хвостохранилищ и сельскохозяйственных угодий экологически чистых препаратов-стимуляторов роста растений и кормовых добавок из бурого угля месторождения "Киякты".

Реализация результатов работы.

Опытно-промышленные испытания и внедрение результатов исследований осуществляли на рудниках Корпорации «Казахмыс», АО "Экибастузуголь", ПО "Каратау", ТОО «Киякты» на следующей нормативной базе.

- Временная инст�