Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Оценка и управление качеством горнопромышленных отходов при переработке их в строительные материалы

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Оценка и управление качеством горнопромышленных отходов при переработке их в строительные материалы"

(Российская с/Исадемня Наук

ИНСТИТУТ

ПРОБЛЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР

Р Г б ОД

На правах рукописи

МАКАРОВ Виктор Николаевич

ОЦЕНКА И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ГОРНОПРОМЬПШЕННЫХ ОТХОДОВ

ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ИХ В СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1994

Работа выполнена

в Институте химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра Российской Академии наук

Официальные оппоненты:

Член-корреспондент академии естественных наук РФ, доктор технических наук, профессор Барский Л.А.

Член-корреспондент Российской Академии наук, доктор геолого-минералогических наук Митрофанов Ф.П.

Заслуженный деятель науки и техники РФ, действительный член Жилищно-коммунальной академии,доктор технических наук;профессор Рыбьев И.А.

Ведущая организация Институт химии силикатов Российской Академии наук

Защита состоится _на заседании

специализированного совета ДООЗ .20.02 при Институте проблем комплексною освоения иедр Российской Академии наук по адресу: 111020, Москва, Е-20, Крюковский тупик, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем комплексного освоения недр Российской Академии наук

Реферат разослан __'

Ученый секретарь I >

специализированного совета с.н.с. канд. техн. наук ^ ^ Э.А. Шрадер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ Горнопромышленный комплекс является крупнейшим источником промышленных отходов. Под воздействием горного производства в природных компонентах происходят неблагоприятные изменения, причем последствия этих воздействий не могут быть ликвидировали естественным путем н для восстановления экологического равновесия требуется проведение соответствующих природоохранных мероприятий. Наименее изучены, наиболее трудно контролируемы и трудно устранимы последствия неблагоприятного воздействия на гфнрояу твердых горнопромышленных отходов, которые не только нарушают сложившееся инжепсрно-ггологичесхое и экологическое равновесие, но и могут стать источником вторичного .загрязнения воздушного бассейна, подземных н поверхностных вод. Экологнческие последствия от воздействия на природу твердых промышленных отходов имеют долговременный характер и могут сказываться и после прекращения работы предприятия. Особенно опасно нарушение экологического равновесия в районах с экстремальными климатическими условиями, например, в Заполярье. '

Строительная отрасль является крупнейшим потребителем нерудного сырья. Ее потребности в нерудных материалах сопоставимы с объемами горнопромышленных отходов, и естественно предположить, что строительная индустрия способна переработать их если не полностью, то значительную часть. Однако, на Кольском полуострове, например, их переработка измеряется первыми прспептами, а большое количество -строительных материалов ввозится из-за пределов региона.

ОСНОВНАЯ ИДЕЯ РАБОТЫ Разработать принципы использования природно- к техногенпо-неоднородных горнопромышленных отходов в производстве строительных материалов взамен градационных видов сырья.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

На основе детального анализа основных закономерностей формирования физико-химических свойств горнопромышленных отходов, их природной и техногенной неоднородности разработать принципы определения областей их возможного использования, технические требования и технологические решения по рациональному использованию горнопромышленных отходов н управлению их качеством в процессе добычи и переработки основного полезного ископаемого.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Изучение закономерностей изменения минерального, химического состава, физяхо-химический н технологических свойств горнопромышленных отходов в естественном залегании и в отвалах и хвостохранилищах.

2. Определение принципиальных отличий горнопромышленных отходов сп традиционных видов сырья, используемого для производства строительных и технических материалов.

3. Изучение характера и степени отрицательного влияния этих отличий на технологию производства в качество строительных материалов, возможности минимизации этого влияния за счет изменения технологии производства или первичной подготовки сырья.

4. Исследование природной и техногенной неоднородности вторичного сырья, зависимости этого параметра от условий формирования месторождений, минерального состава, специфики технологии переработки основного полезного ископаемого. Оценка возможностей управления качеством горнопромышленных отходов з процессе добычи.

5. Разработка технологий производства традиционных и новых строительных материалов на основе горнопромышленных отходов.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Использованы методы, широко применяемые при геологических, минералогических и физико-химических исследованиях: микроскопический, рентгенометрический, термический, рентгеноспектральный, алектрснномикрозон-довый, химический анализ, стандартные методы оценки качества сырья и готовых изделий, крупномасштабное структурное картирование с отбором многочисленных технологических проб и лабораторно-технологнческие испытания.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Закономерности формирования природной и техногенной неоднородности горнопромышленных отходов как сырья для производства строительных и технических материалов.

2. Минералогическое в физико-химическое обоснование переработки горнопромышленных отходов на основе корректировки существующих или создания новых технологий.

3. Параметры и способы управления качеством горнопромышленных отходов при переработке их в строительные материалы в процессе текущей добычи и переработки основного полезного ископаемого.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Геологически обоснованы принципиальные отличая горнопромышленных ггхсиов как сырья для производства строительных и технических материалов от радиционнохт) минерального сырья; показано, что эти отличия обусловлены пецификой геохимической, и физико-химической обстановки в период юрмирования рудных месторождений.

2. Выделены типы неоднородности руд и горнопромышленных тходов,изучены причины и закономерности ее формирования, изучена взаимосвязь жзшсо-химических и технологических свойств этих продуктов с условиями образования месторождений, минеральным и химическим составом руд и пород. 1охазана генетическая неоднородность медно-никелевых' месторождений, роль ¡ататического и метаморфического процессов в концентрации рудного вещества и нормировании физико-химических свойств попутных продуктов, влияние размеров гагматического тела на однородность н качество сырья. Разработана минерглого-ехнологическая типизация медно-никелевых руд с учетом нерудной составляющей ; принципы прогнозирования их технологических свойств. Установлены аковомервостЕ фсрмирогання технологических свойств золошлаковых смесей ЗЦ, разработаны принципы стабилизации этих параметров и способы снижения одержания несгоревшего топлива.

3. Изучено влияние несвойственных традиционному сырью породо-брззующих минералов горнопромышленных отходов и изменчивости содержаний ганералов и элементов-примесей на технологию производства и качество ряда троительяых материалов (заполнителей, бетонов, керамики, огнеупоров, теклокристаллических материалов). Исследованы процессы взаимодействия анболее распространенных минералов горнопромышленных отходов с тароксиаом кальция с целью оценки их влияния па качество заполнителей а озможности использования з комплексных вяжущих. Впервые изучено влияние трухтуры, агрегатного состояния серпентинов и состава минералов примесей в ерпентиннтах на технологию производства и качество серпентияовых цементов.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На основе установленных закономерностей формирования природной я ехногенЕОЙ неоднородности руд и горнопромышленных отходов предложены л особы оперативной оценки их свойств, стабилизации качества и первичной одготовкч сырья;

- разработаны способы оценки технологических свойств медно-никелевых уд минералогическими методами, которые пашли применение при организации правления качеством руд в процессе добычи и при разведке новых гсторождений;

- разработана технология управления качеством золопиаковых смесей и ругах тонкодисперсных отвальных продуктов;

- разработаны технические условия на производство строительного и дорожного щебня из вскрышных пород ряда месторождений;

- предложена и апробирована в опытно-промышленных условиях технология получения сортовой строительной извести из некондиционных кгрбонатитов из вскрыши Ковдорского месторождения комплексных руд;

- разработан рад новых теплоизоляционно-конструкционных, керамических и стеклокристаллических материалов.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ

Минералот-техн алогическая типизация меднс-никелевых руд с учетом их силикатной составляющей, способы оценки технологических свойств минералогическими методами применены на ГМК "Печепганнкель" и Печенгской ГРП, способы стабилизации свойств золошлаковых смесей при использовании их в производстве бетонов, строительных растворов и легких заполнителей, технология подготовки карбонатнтов для производства извести, технология производства стеклокристаллических материалов из вскрышных пород Ковдорского флогопитового месторождения и отвальных продуктов рада месторождений Кольского полуострова прошли опытно-промышленную проверку.

АПРОБАЦИЯ

Основное содержание работы опубликовано в 123 работах,в том числе - в 9 монографиях, и докладывалось более чем на 40 Всесоюзных совещаниях, в том числе: "Безотходная технология переработки полезных ископаемых." Москва, 1979. "Теория, производство и применение искусственных строительных конгломератов в водохозяйственном строительстве". Ташкент, 1985. "Проблемы промышленного и гражданского строительства, охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов". Иваново, 1985. "Экологические проблемы Ивановской области". Иваново, 1986. "Комплексное освоение минеральных ресурсов севера и северо-запада СССР (европейская часть)", Петрозаводск, 1989. "Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении." Белгород, 1989. 'Шлакощелочные цементы, бетоны и конструкции". Киев, 1989. "Комплексное использование природных ресурсов Кольскою полуострова". Апатиты, 1989. "Бетоны на основе золы и шлака ТЭС и комплексное их использование в строительстве". Новокузнецк, 1990. Выездная сессия научного совета по неорганической химии, посвященная проблеме охраны окружающей среды н комплексного использования природных ресурсов Западного Урала. Пермь, 1990. "Геостатистические методы в оценке запасов минерального сырья". Петрозаводск, 1990. "Экологические проблемы переработки вторичных ресурсов в строительные материалы и изделия". Чимкент, 1990. "Геолого-геофизическое обслуживание горнорудных предприятий. "С.-Петербург, 1991, "Комплексная переработка руд и охрана окружающей среды". Алма-Ата, 1992.

"Технологически-исследовательская программа охраны окружающей среды Финнмарк-Кола", Киркенес, 1992 "Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций", Белгород, 1993.

ОНЬЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из 5 глав, введения и заключения, изложена на 431 странице машинописного текста, включая 41 рисунок, 68 таблиц и список литературы из 351 наименования.

Ь ПРОБЛЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Еще в начале 30 годов акад. А.Е.Ферсмап выдвинул идею комплексности использования минерального сырья. За истекшие шесть десятилетий эта проблема не только не потеряла своей актуальности, но и приобрела новое звучание: выпуск мировой промышленной продукции вырос в 6 раз при опережающих темпах развития горнодобывающей промышленности. В этой связи возникло ^ и успешно развивается новое научное направление: создание безотходной технологии переработки минерального сырья. Большое значение для создания концепции безотходной технологии сыграли труды М.И.Агошхова, Л.А.Барского Б.НЛаскорина, Н.В.Мельникова, ГД.Краснова, Е.М.Сергеева, Н-Н.Семенова, И.В.Петрянова-Соколова, К.Н.Трубецкого, В.А.Чантурия и др. Применительно к горнопромышленному комплексу эта концепция предполагает получение сопутствующих цветных и черных металлов, стройматериалов, продуктов химической переработки, включая удобрения, а также использование отвальных продуктов для закладки выработанного пространства горных предприятий, строительства ирригационных н гидротехнических сооружений и выравнивания ландшафта. Проблема безотходных технологий имеет следующие четыре аспекта: экологический; ресурсный; технологический и технический; экономический и организационный. В эпоху радикальной переориентировки хозяйственного механизма страны, формирования свободных цен экономический и организационный аспекты могут рассматриваться с большой долей условности и, насколько это может быть возможно, некоторые данные, касающиеся этого аспекта, приведены в заключительной главе работы. Остальные в той пли иной степени находились в русле настоящих исследований.

1.1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТ УТИЛИЗАЦИИ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ

По данным академика Б.Н. Ласкорина загрязнение окружающей среды экспоненциально растет и в настоящее время техногенные выбросы в атмосферу ряда тяжелых металлов многократно превосходят природные. Отвалы горнопромышленных отходов, на долю которых приходится 3/4 добываемой горной массы, занимают 0.1 гектара на каждую тыс. тонн добытого сырья.

Многолетнее изучение слияния горнопромышленных отходов на окружающую среду, показывает, что по экологическим последствиям кх складирования и хранения эти. продукты могут быть объединены в три крупные группы:

- грубодисперсные горнопромышленные отходы (вскрышные породы, шлаки), оказывающие неблагоприятное воздействие на природу только вследствие отчуждения земель под их хранение, нарушения гидрологического и гидрогеологического режима и воздушных массопереносов.

- горнопромышленные отходы, являющиеся источником вторичного загрязнения воздушного бассейна и открытых водоемов пылью (хвосты безреагентиого обогащения, не содержащие сульфидов, золошлаковые смеси ТЭЦ и др.).

- горнопромышленные отходы, содержащие водорастворимые загрязнители и токсичные вещества иди минералы, переходящие в водорастворимые соединения в процессе хранения в отвалах и хвостохранилигцах.

Приоритеты должны быть отданы утилизации последних.

1.2. РЕСУРСНЫЙ АСПЕКТ

Потребность в минерально-сырьевых ресурсах, стоимость которых достигает 70% всех ресурсов, используемых обществом, непрерывно растет. Однако, так как этот вид ресурсов невозобновляем, по мере увеличения объемов добычи происходит пх истощение, ухудшается качество добываемого сырья, возрастает его себестоимость. Эта проблема обозначилась прежде всего для рудных полезных ископаемых и потребовала разработки технологий иснользования попутных компонентов, встречающихся в рудах в небольших количествах. В настоящее время попутно извлекается до 20% добываемого золота, до 30 % серы, почти все серебро, висмут, платина и платиноиды, многие редкие и рассеянные элементы. Несколько позднее, в семидесятые годы, во многих промыименно развитых странах обозначилась проблема нехватки простейших видов нерудного сырья, считавшихся общераспространенными. Значительно возросли цены на этот вид минерального сырья. В этих условиях возникла необходимость использования силикатных компонентов руд и вскрышных пород.

13. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ И ТЕХНИЧЕСКИЙ АСПЕКТЫ

В последние 10-15 лет наиболее крупные успехи по проблеме комплексной переработки минерального сырья связаны с извлечением цветных металлов, редких, рассеянных и благородных элементов. Большой вклад в эту проблему внесли работы Л.А.Барскош, ГД.Краснова, В.А.Чантурия и многих других ученых.

Предложены новые методы - фотометрической, рентгенолюминисцентной, радиометрической, радиорезонансной сортировки, избирательного дробления, сухой магнитной сепарации материала. Некоторые методы могут с успехом использоваться и при первичной подготовке нерудного сырья и управления его качеством.

В ряде случаев использование вскрышных пород, хвостов обогащения и других горнопромышленных отходов реализовано на практике. Однако, используются лишь те из них, которые по своему составу и технологическим свойствам мало отличаются от традиционных видов сырья. Большой вклад в решение проблемы использования попутных продуктов горнопромышленного комплекса внес П.И.Боженов и его сотрудники. Наряду с разработкой большого числа новых материал ов на основе побочных продуктов горнопромышленного комплекса, П.И.ьоженов разработал их классификацию. Он предлагает выделять попутные продукты класса А - не утратившие природных свойств (вскрышные породы, хвосты обогащения и т.д.), класса Б - искусственные продукты, полученные в результате глубоких физико-химических процессов, и класса В -продукты, образовавшиеся в результате длительного хранения в отвалах. П.И.Боженов впервые обратил внимание, на технологическую неоднородность продуктов класса Б.

Наши исследования показали, что это положение в равной степени относится ко всем горнопромышленным отходам. Изучение минерального, химического состава, физико-химических ' и технологических свойств многих сотен технологических проб руд и горнопромышленных отходов крупнейших горнодобывающих предприятий Кольского полуострова, золошлаковых смесей ряда тепловых электростанций, шлаков ПО "Сегероникель", исследование взаимосвязи между минеральным, химическим составом а технологическими свойствами сырья показало, что высокая степень изменчивости химического, минерального состава, физихо-химических и технологических свойств горнопромышленных отходов -одно из наиболее существенных нх отличий от традиционного сырья для производства строительных и технических материалов. Вторым существенным отличием является присутствие в составе горнопромышленных отходов рудяых или охолорудных минералов и элементов-примесей, не характерных для традиционного минерального сырья.

Широкие пределы колебания состава я свойств ггрешггстзукгг использованию отходов для производства строительных и технических материалов и при соответствии средних значений этих параметров традиционному сырью.Это обусловлено тем, что, как цохазаво И.А.Рыбьегым, строительные материалу представляющие собою искусственные конгломераты,. приобретают экстремальные значения свойств только при оптимальной их структуре. Для создания оптимальной структуры необходимо постоянство состава и технологических свойств сырьевых компонентов. Таким образом, одной из основных проблем использования силикатных компонентов минерального сырья является стабилизация его свойств и управление его качеством. А это, в свою очередь, требует изучения закономерностей формирования неоднородности попутных продуктов.

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И НЕОДНОРОДНОСТИ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

В работе показано, что в изменчивость горнопромышленных отходов обусловлена с одной стороны природной неоднородностью, которая возникает в процессе образования основного полезного ископаемого, с другой - техногенными процессами при его добыче и переработке. В большинстве случаев первая играет определяющую роль. Это обусловлено тем, что рудные месторождения образуются вследствие дифференциации вещества, концентрации отдельных рудогенных элементов, что возможно только в специфических условиях неоднородной геохимической и физико -химической обстановки. Эта неоднородность в конечном счете ответственна за широкие пределы изменчивости минерального состава и технологических свойств не только руд, но и вмещающих их пород. В зависимости от характера влияния на технологические процессы, выделены следующие уровни природной неоднородности:

• кристалдохимический уровень обусловлен различиями химического состава и свойств в пределах кристаллического индивида. Такая неоднородность может влиять на процесс обогащения, но на технологии производства строительных материалов не сказывается.

- минералогический уровень связан с различиями свойств в пределах породы. Отрицательное влияние неоднородности этого уровня может устраняться при предварительной подготовке сырья (гомогенизация).

- петрографический уровень обусловлен неидентичностью свойств полезного ископаемого в разных частях его залежи. Для снижения отрицательного влияния такой неоднородности необходимы специальные организационно-технические мероприятия, например, усреднение.

- геологический уровень обусловлен наличием в пределах месторождения или рудного поля сортов в типов полезного ископаемого. Устранение отрицательного влияния неоднородности этого уровня требует разработки специальных технологий.

2.1 ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПРИРОДНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ СЫРЬЯ

Закономерности формирования природной неоднородности технологических свойств и взаимосвязь последних с условиями образования руд рассмотрена на примере медно-никелевых месторождений. На основе статистического сопоставления более 130 таких месторождений по большому числу признаков (размеры, состав и степень дифференциации исходного магматического расплава, характер и интенсивность метаморфических преобразований и тектонических воздействий, относительное количество и качество руд и ряд других параметров), анализа математической модели, остывающего магматического тела, оценки запасов

энергии и летучих компонентов в магматическом расплаве выделены два типа медно-никелевых месторождений.

Месторождения первого типа локализованы в крупных сложно дифференцированных магматических телах. Вследствие больших запасов энергии н летучих компонентов в материнском магматическом расплаве концентрация сульфидного рудного вещества происходила уже в магматическую стадию. Эгн месторождения с генетической точки зрения могут рассматриваться как машатогенные в широком смысле этого слова. Руды таких месторождений характеризуются простой формой рудных вкрапленников крупных или средних размеров, слабой магнетитизацпей. Пентландит и пирротин образуют тесные срастания со структурой распада моносульфндного твердого раствора. Пирротин представлен легко флотирующейся гексагональной разностью. Силикатные минералы представлены оливином и пироксеном. Вследствие высокой контрастности свойств рудных и нерудных минералов, такие руды легко обогащаются. Благоааря полной дифференциации магматического расплава оливин в составе руд и вмещающих пород характеризуется высокой магнезиальностью, а% сформировавшиеся в разное время и характеризующиеся различной железистостыо кристаллы этого минерала, пространственно разобщены. В пределах одного и того же магматического слоя породы характеризуются высокой стабильностью состава и свойств. Такие оливиянты не отличаются от традиционного магнезиального сырья.

Месторождения второго типа локализованы в мелких или средних по размеру магматических телах. Внутренних запасов энергии в них не достаточно длз полной дифференциации вещества в магматическую стадию процесса и формирование рудных концентраций связано с внешними источниками энергии и растворов.Зти месторождения могут рассматриваться как метаморфогенные. Рудовмещающие породы, как и рассеянное в нкх первично-магматическое рудное вещество под действием метаморфических процессов существенным образом изменяются, что отражается и на технологических" свойствах. На прогрессивном этапе метаморфизма, в процессе массовой серпентинизации олнвина, в условиях устойчивой щелочной реакции происходит замещение пирротина магнетитом, иногда практически полное. Одновременно наблюдается собирательная перекристаллизация пентландита. Эти изменения отражаются на технологии обогащения: первый процесс усложняет измельчение и раскрытие сульфидных агрегатов, второй приводит к снижению Ре в концентрате, т.е. к повышению его качества. На стадии регрессивного метаморфизма и 'метасоматоза в зонах сжатия происходит мобилизация рудного вещества и отложение его в зонах растяжения. В зонах мобилизации сульфидные вкрапленники частично или полностью замешаются силикатами, вследствие чего усложняется их форма и уменьшаются размеры. В зонах отложения рудного вещества образуются крупные вкрапленники, прожилки н жилы вторичных сульфидов. Пирротин в них представлен труднофлотируемон моноклинной разностью, а некоторые нерудные минералы

легко перешмельчаются, сорбируют флотореагенты и хорошо флотируются. В связи с неравномерностью процессов метаморфизма и метасоматоза наблюдается значительная неоднородность сырья практически по всем технологическим параметрам: дробим ости и измельчаемости, степени раскрытия рудных агрегатов, склонности к образованию шламов, .скорости флотации главных рудных и нерудных минералов, способности последних сорбировать флотореагенты, поведению концентратов в процессе окатывания и обжига окатышей, содержанию флюсующих компонентов и тд. В работе показано, что все эти параметры тесно связаны с минеральным составом и строением руд. Анализ взаимосвязей минерального состава и строения руд с их технологическими свойствами, с одной стороны, и эволюции минерального состава пород и руд медко-никелевых месторождений и контроля их тектоническими структурами, кристаллохимических особенностей главных рудных и нерудных минералов и геохимии рудогенных элементов на каждом этапе минерал ообразования, с другой стороны, позволил установить основные тенденции изменения технологических свойств руд в пространстве и времени, прогнозировать их качество минералогическими методами, определить причины и формы потерь ценных компонентов в процессе обогащения и наметить пути совершенствования их переработки. Для Печенгского рудного поля эти взаимосвязи были оценены количественного позволило составить прогнозные минералога-технологические карты ряда месторождений и на этой основе приступить к добыче руд с заданными технологическими свойствами, разработать методику опенки технологических свойств на стадии разведки и при оперативном управлении качеством руд при добыче, внести коррективы в принципы установления кондиций на медно-никелевые руды.

В той же степени эти факторы обусловливают разнообразие минерального состава и технологических свойств вмещающих пород и силикатных компонентов руд. Мелкие и средние по размерам магматические тела, обладая небольшими запасами энергии, быстро остывали и, вследствие этого, дифференциация вещества в процессе магматической кристаллизации была неполней. Кристаллизовавшиеся на ранних стадиях магнезиальные оливины в таких телах взаимодействовали с более железистым остаточным расплавом, вследствие чего они существенно более железисты, чем в более крупных. В процессе массовой серпентинизации большая часть железа, входившая в состав оливина в виде изоморфной примеси, высвобождается в самостоятельную фазу - магнетит, что позволяет ее извлечь. На регрессивном этапе метаморфизма, в процессе антигоритизации и оталькования существенно возрастает пластичность сырья, хотя одновременно возрастает усадка н сужается интервал спекания. На регрессивной стадии метаморфизма преобразование пород и руд контролируется тектоническими структурами. Процессы протекают не полностью, вследствие чего в породах присутствует несколько неравновесных минеральных ассоциаций. Структура таких пород неоптнмальна, в связи с чем по мере метаморфических преобразований

ухудшаются их механические характеристики - снижается прочность,повышается дробимость и измельчаемость,а физические е механические свойства не коррелируются между собой. Этот природный материал подтверждает справедливость установленного И.А.Рыбьевым закона створа. Неравномерность метаморфических преобразований обусловливает не только значительную изменчивость минерального. состава порой и руд, но и широкие вариации содержаний компонентов, имеющих важное технологическое значение при производстве строительных материалов. При этом колебания содержаний в пределах месторождения могут превосходить различия средних значений этих параметров разных объектов.

Учитывая, что метаморфические изменения пород и руд обусловлены одними и теми же процессами и контролируются одними и 'теми же структурами, изменения технологических свойств вторичного сырья могут с высокой степенью достоверности прогнозироваться для организации управления их качеством.

Месторождения выделенных двух типов отличаются не только по технологическим свойствам руд и горнопромышленных отходов, но и по структуре потерь ценных компонентов и степени экологической опасности отвальных продуктов. Потери с хвостами обогащения в первом случае обусловлены эмульсионными вкрапленниками сульфидов в оливине, размер которых измеряется микрометрами или долями микрометра. Такие вкрапленники кг могут быть извлечены механическим путем. Не удается извлечь большую часть цветных металлов и при полном химическом разложении оливина. Поэтому эти потерн могут считаться безвозвратными. По той же причине содержащиеся з этих хвостах цветные металлы не представляют зколошчесхой опасности.

Потери с хвостами обогащения во втором случае в значительной степени связаны с переходом в хвосты сульфндно-магнетитовых, сульфидно-силикатных сростков и даже раскрытых сульфидных зерен с преобладанием пирротина. Извлечение их в концентрат технически возможно, но в настоящее время экономически не целесообразно. В процессе хранения сульфиды в составе таких сростков окисляются и цветные металлы переходят в экологически опасные водорастворимые сульфаты. В этой связи, хотя эти хвосты технологически менее благоприятны, их необходимо утилизировать в первую очередь.

2-2.УКАСЛЕДОБЛННАЯ ПРИРОДНАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ Б ОТВАЛЬНЫХ ПРОДУКТАХ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО

Известно, что полезное ископаемое в недрах в значительной стесенп отличается по качеству от добытого минерального сырья. Это обусловлено, с одной стороны, неизбежным разубоживанием сырья в процессе добычп, с другой -целенаправленным процессом управления его качеством.

В работе показано, что, несмотря на это, все техногенные продукты в той иди иной степени унаследуют природную неоднородность. При управлении

качеством руды основное внимание уделяется стабилизации главных свойств, оказывающих влияние на процесс се дальнейшей переработки (содержание полезных компонентов, обогатимость и т.д.)- При этом важные для последующего использования попутных продуктов свойства могут варьировать в значительных пределах. Например, медно-никелевые ,руды, имеющие близкие величины показателя обогатимостн, но относящиеся^^ разным типам, принципиально различаются по минеральному составу несульфидной части. Усреднение полезного ископаемого по содержанию полезных компонентов и эффективности их извлечения обеспечивает стабилизацию технологии обогащения, но не решает проблему стабильности отвальных продуктов (хвостов обогащения). Не в полной мере стабилизируется и состав концентратов, что, в свою очередь, оказывает влияние на состав и свойства металлургических шлаков. Пересчет более 600 анализов шлаков руднотермической плавки комбината "Северонякель" за период более 2 лет на нормативный минеральный состав показал широкие пределы колебаний содержаний минеральных фаз.

2-3. ИЗМЕНЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ В ПРОЦЕССЕ ДОБЫЧИ, СКЛАДИРОВАНИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ Наряду с природной неоднородностью, для горнопромышленных отходов характерна вторичная (техногенная) неоднородность. Причины ее возникновения и механизм формирования различны для вскрышных пород и тонкодисперсных отвальных продуктов.

Для вскрышных пород главной причиной ее возникновения является разубоживание: вмещающие, породы с целью снижения затрат на добычу основного полезного ископаемого извлекаются из недр без дифференциации по видам и сортам и засоряются как другими вмещающими породами, тах и рудами. Это создает трудно прогнозируемую и трудно устранимую техногенную неоднородность. Однако, если организовать управление качеством попутных продуктов в процессе добычи, такая неоднородность может быть сведена к минимуму.

Причинами формирования техногенной неоднородности тонкодисперсных отвальных продуктов являются различия в свойствах слагающих основное полезное ископаемое минералов, в следствие этого, - и в поведении их на разных этапах его переработки (дробление, измельчение, флотация, окатывание концентратов, складирование отвальных продуктов). Техногенная неоднородность накладывается на природную, что существенно осложняет ее изучение. В этой связи, учитывая высокую однородность углей одного и того же месторождения, техногенная неоднородность исследована на примере золошлаховых смесей.

В работе показано, что дифференциация вещества начинается уже на стадии подготовки топлива к сжиганию. Как известно, минеральные включения в составе углей могут быть представлены глинистыми минералами (каолинит,гидрослюды и др.), обломочными (кварц, полевые шпаты, темноцветные силикаты), карбонатами

(кальцитом, доломитом, сидеритом) и сульфидами (пиритом, марказитом и пирротином). Перечисленные минералы и органическая часть обладают разной твердостью и хрупкостью, а следовательно, и измельчаемостыо. Наиболее легко измельчаются в концентрируются в мелких фракциях тинистые минералы. Практически яе измельчаются е накапливаются в крупных фракциях обломочные зерна кварца. Остальные минералы занимают промежуточное положение. Вследствие различной устойчивости г.шяералоз к воздействию высоких температур происходит дальнейшая дифференциация вещества. Обломочные зерна термичесЕЯ устойчивых минералов переходят в золу неизмененными, тугоплавкие глинистые частаин аморфизируются, карбонаты кальция и магния переходят в оксиды. Крупность этих частиц в процессе сжигания не меняется. Продукты дегидратации более легкоплавких глинистых минералов спекаются между собой и другими минеральными фазами и частицами несгоревшего топлива. Крупность таких агрегатов выше, чем исходных минеральных фаз. Наиболее легкоплавкие минералы образуют частицы стекла, крупность которых варьирует в широких пределах. Вследствие значительных различий в размерах, форме и свойствах указанных выше частпц, при шдротрапспортиревке золошлаковой пульпы и складировании золошлаковой смеси в зол осте але происходит дифференциация материала по крупности и фазовому составу. Это создает неоднородность сырья по физико-химическим и технологаческим свойствам. Аналогичным образом формируется техногенная неоднородность и хвостов обогащения и ' других тонкодисперсных продуктов.

З.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ отходов КАК СЫРЬЯ ДЛЯ СТРОЙИНДУСТРИИ

3.1.РУДОВМЕЩАЮЩИЕ ГИПЕРБАЗИТЫ КАК ИНЕРТНЫЕ ЗАПОЛНИТЕЛИ БЕТОНОВ К КОМПОНЕНТЫ КОМПЛЕКСНЫХ ВЯЖУЩИХ

Инертные заполнители бетонов и компоненты комплексных вяжущих в рассматриваемой проблеме представляют наибольший интерес: потребности в таких материалах очень велики, а требования к качеству сырья для их производства менее жесткие, чем к сырью для других видов материалов.Однако, при использовании для этих целей горнопромышленных отходов существует опасность, что отдельные минералы в процессе эксплуатации бетона будут вступать во взаимодействие с компонентами портландцемента со значительным изменением объема. Это может привести к отказу конструкции. При поиске вовых вяжущих композиций (по К.Ф.Федорову) одним из непременных условий является необратимое химическое взаимодействие компонентов друг с другом с образованием хотя бы одной новой твердой фазы. В этой свазв был изучен характер взаимодействия наиболее активного компонента портландцемента -

пщрокспда кальция - с главными породообразующими минералами, конституции новообразований и объемных эффектов при протекании реакций.

Исследовались влияние состава, конституции и агрегатного состояния породообразующих минералов рудовмещающих гипербазитов на скорость взаимодействия их с гидроксидом кальция (наиболее активным компонентом гидратирующихся клинкерных минералов и автоклавных вяжущих), состав и строение твердых фаз-новообразований. Эксперименты проводились в автоклавных условиях, при термодинамических параметрах, соответствующих заводским условиям при производстве силикатного кирпича. Продукты исследовались термографически, рентгенометрически и с помощью электронного макрозоада. По образцам на вяжущей композиции 20% СаО + 80% породообразующего минерала проводились определения механических и физических характеристик. В качестве породообразующих минералов исследованы оливины с различной степенью железистости, мелилит, монтичеллит, пироксены (железисто-магнезиальный, магнезиально-кальциевый, кальциево-щелочной и щелочной), амфиболы актинолит-тремолитового ряда, слоистые силикаты: слюды (флогопит, биотит, мусковит), хлориты, серпентины различного состава, конституции и агрегатного состояния, а также - нефелин. Проведенные исследования показали, что все изученные минералы в той или иной степени взаимодействуют с гидроксидом кальция в автоклавных условиях с образованием новых минеральных фаз и промежуточных метастабильных соединений. Последовательность перехода исходного минерала в новообразованную минеральную фазу, строение и состав последней определяются составом и конституцией ■ исходного минерала. Кристаллическая структура минерала-новообразования в значительной степени наследует структурные элементы исходного минерала.

Наибольшую прочность обнаружили образцы, состоявшие из оливина и гидроксида кальция, которые ранее были рекомендованы как автоклавное вяжущее П.И.Боженовым и В.В .Прокофьевой. Новообразованные фазы имеют либо серпентиновую, либо сепиолитоподобную структуру. Изменения состава оливина выражаются в постепенном снижении содержания кремния в тетраэдрических позициях и компенсации образовавшихся вакансий за счет перехода части железа из октаэдрических в тетраэдрические позиции. Новообразованная минеральная фаза с серпентиновой структурой по химическому составу существенно отличается от природных серпентиновых минералов. Прежде всего, часть октаэдрических позиций (до 20%) заселена не кремнием, а алюминием или трехвалентным железом, а часть октаэдрических позиций занята крупными катионами - кальция и натрия, как в описанном автором природном кальцийсодержащем хлорите.

Вторая новообразованная фаза имеет разупорядоченную структуру, но наиболее яркие рефлексы в общем аналогичны рефлексам сепиолита и синтетической ОН-фазы (по А.И.Гончарову). Вместе с тем, электронный мнкрозондовый анализ показал, что состав этой новообразованной фазы отличается

а от сеииолита, и от ОН-фазы. Наиболее существенное отличие в том, что ионы кремния занимают лишь немногим более 80% тетраэдрических позиций, причем имеющихся в составе минерала количеств титана, алюминия и железа недостаточно для полной компенсации остающихся вакансий. Не исключено, что часть кремнекислородных тетраэдров замешена четырьмя ОН-группами, как это имеет место в гидрогранатах или, что более вероятно, часть кислородов кремнекислородных лент замещена ОН-группами, как это имеет место в ОН-фазе.

Образцы на основе пироксенов также показали высокую механическую прочность, которая мало зависала от состава исходного минерала. Независимо от особенностей состава исходных минералов при взаимодействии их с известью можно выделить несколько стадий их изменения. На начальной стадии, при минимальном изменении наблюдается некоторое снижение'содержаний щелочей с одновременным снижением содержания кремния в тетраэдрических позициях. Нехватка последнего компенсируется переходом алюминия, титана и, отчасти, трехвалентного железа из октаздрических позиций в тетраэдрические. Такой процесс в сильно щелочных средах устанавливается в природных системах. Практически одновременно со снижением содержания кремния в тетраэдрических позициях увеличивается количество октаздрических катионов. Ка определенной стадии изменения химического состава происходит структурная перестройка: образуется новая кристаллическая фаза типа сепиолвта - ОН-фазы. Химизм новообразованной фазы варьирует в широких пределах к существенно отличаете» как от сепиолита, так и от ОН -фазы.Общими для всех их является только структурный мотив - строенные цепочки кремнекислородных тетраэдров пироксевовогэ типа. При этом, вновь образованные фазы наследуют структуру минерала-предшественника: часть тетраэдрических позиций занята не кремнием, а титаном, алюминием и трехвалентным железом.

В работе показано, что при производстве серпентиновых цементов технологические свойства сырья и качество конечного продукта определяются конституцией серпентиновых минералов, их агрегатным состоянием, количеством и составом микералов-примесей. Значительные вариации этих параметров в отвальных серпентиновых продуктах ответственны за существенные различия в оптимальных температурах производства и прочностных характеристиках серпентиновых цементов, полученных разными исследователями (В.Н.Юпг, П.П.Буднкков, О.П.Мчедлов-Петросян, П.И.Боженов, Б.И.Гуревич и др.). Так. наименьшая оптимальнзх температура обжига характерна для тонкодисперскых хризотилов и лизардитов с неупорядоченной структурой, максимальная (на 200°С выше) - для полнокристаллнческого антигорита с упорядоченной структурой. Наибольшей активностью к твердению в нормальных условиях обладают пементы на основе тонкодпсперсных серпентиновых мпнератов с крайней степенью разупорядоченности структуры. Хризотиловые и лизардитовые цементы при этом более прочные, чем антнгоритовые. Цементы на основе полнокристаллических

серпентинов с упорядоченной структурой показывают прочность почти на порядок ниже, причем она убывает в раду хризотил-антигорит-лнзардит. Небольшая изоморфная примесь Ре благоприятна. Механические примеси магнетита в сырье не снижают качество вяжущего, талька и-карбоната сказываются отрицательно.

Исследование процессов взаимодействия необожженных серпентинов, хлорита, вермикулита и слюд с гидроксидом кальция показало, что, в отличие от островных н ленточных силикатов, которые при таком взаимодействии претерпевают существенную структурную перестройку, слоистые силикаты сохраняют неизмененными тетраэдрические слои и лишь частично меняют состав октаэдрических.

Образцы, состоящие из нефелина и гедрокснда кальция, после автоклавной обработки показали удовлетворительную прочность (не ниже 10-12 МПа). В составе вторичных продуктов устанавливается несколько новых минеральных фаз (в зависимости от количественных соотношений нефелина и Са(ОН)2 ). Один из них - цепочечный минерал типа фошагита, отличающийся сгг последнего тем, что часть ионов Са замещена №+А1. Второй минеральной фазой является гидрогранат. Этот минерал тоже переменного состава, но изоморфизм Са<—На в нем играет подчиненную роль. Третья минеральная фаза,структура которой ке установлена, имеет состав аналогичный тиллеиту с ОН-группами вместо СОЗ.

Все многообразие реакций, протекающих при взаимодействии породообразующих минералов с гидроксидом кальция в гидротермальных условиях, можно свести к нескольким относительно простым типам: серпентиннзация оливина; -замещение пироксеког и амфиболов минералами типа сепиолита - ОН-фазы; образование хлоритоподобных минералов по серпентинам, вермикулитам, слюдам; синтез минералов типа окенита, фошагита, гиллебрандита. Наиболее благоприятны при оценке попутных пород, как в качестве заполнителей, так и компонентов комплексных вяжущих, минералы, которые взаимодействуют с гидроксидом кальция, а объем твердых фаз-новообразований соизмерим с суммарным объемом исходных твердых фаз и вода за тв орения.

Экспериментальное определение величины прочности сцепления цементного теста с породообразующими минералами показало, что на механические свойства бетона оказывает влияние не только характер взаимодействия заполнителя и цемента, но н степень совершенства спайности и агрегатное состояние минералов. С увеличением совершенства спайности прочность сцепления убывает, причем, чем крупнее кристаллические индивиды, тем это влияние сильнее.Классификация породообразующих минералов по их влиянию на качество заполнителя и бетона приведена в табл.1.

Таблица 1

КЛАССИФИКАЦИЯ МИНЕРАЛОВ ПО ВЛИЯНИЮ НА КАЧЕСТВО ЗАПОЛНИТЕЛЯ

БЕТОНА

характер взаимодействия с Са(ОН)2 другие неблагоприятные эффекты минералы

взаимодействуют с благо приятным объемным эффектом - кварц, полевые шпаты

повышение плотности оливин, монтичеллит, мелнлит, пароксены, амфиболы

совершенная или весьма совершенная спайность биотит, флогопит, мусковит, вермикулит, хлориты, серпентины

взаимодействуют; объемный эффект зависит от УСЛОВИЙ нефелин

взаимодействуют слабо или не ззаимоде йствугот повышение плотности апатит, гранат магнетит, гематит

взаимодействуют; объемный эффект крайне неблагоприятен сульфиды

Тахкм образом, показано, что присутствие большинства окатсрудных минералов не препятствует использозанию рудовмещающих пород для производства инертных заполнителей бетонов. Выявленные закономерности лепта в основу разработки технических условий на строительный п дорожный щебень из вскрышных пород ряда месторождений.

3.2.ПОБОЧНЫЕ ПРОДУКТЫ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА КАК

КЕРАМИЧЕСКОЕ СЫРЬЕ В производстве керамики различного назначения могут использоваться такие побочные продукты горнопромышленного комплекса, как магнезиальные вскрышные породы и хвосты обогащения, нефелиновые отвальные продукты, золошлаковые смеси и некоторые другие.

Особый интерес представляют высокомагнезиальные породы (гипербазиты) как сырье для производства форстеритовых огнеупоров, форстеритовой, стеатитовой, энстатитовой и кордиеритовой керамики. Однако, как показано выше, для горнопромышленных отходов характерно повышенное содержание оксидов-

плавней и значительные колебания содержаний как основных схсидов, так и примесей. Это создает определенные технологические сложности. Как известно, для уплотнения керамики за счет жидкостного спекания требуется от 20 до 35% по объему вязкой силикатной жидкости. При меньших ее количествах спекание не происходит, при более высоких содержаниях происходит самопроизвольная деформация изделия. При традиционном сырье количество жидкой фазы регулируется изменением температуры обжига. В работе проанализированы изменение количества жидкой фазы вследствие колебания химического состава сырья и степень влияния на этот параметр колебаний содержаний как ведущих (БЮ2, М^Ю, Ре203) оксидов, так и оксидов-примесей (А1203, СаО, N320, К20, Сг20з). Установлено, что при производстве магнезиальной керамики и огнеупоров из горнопромышленных отходов колебания содержаний оксидов-примесей, например А1203, оказывают большее влияние и при управлении качеством вторичного сырья главное внимание должно быть уделено стабилизации содержаний именно этих компонентов.

4. УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ И ПЕРВИЧНАЯ ПОДГОТОВКА ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ИХ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Любой технологический процесс может обеспечить стабильное и высокое качество конечной продукции лишь при постоянстве технологических свойств всех сырьевых компонентов. По своей природе горнопромышленные отходы, как показано выше, характеризуются высокой нестабильностью. Следовательно, вторичное сырье должно подвергаться предварительной подготовке, в процессе которой оно приобретет заданные и стабильные технологические свойства. Учитывая невысокую стоимость такого сырья, процессы первичной подготовки и управления качеством должны быть простыми, недорогими, экологически безопасными. В работе показано, что выбор способа управления качеством вторичного сырья определяется типом его неоднородности: в тех случаях, когда непостоянство свойств горнопромышленных отходов обусловлено только природной неоднородностью, для управления качеством вторичного сырья могут быть применены традиционные приемы: селективая выемка, усреднение, подшихтовка корректирующих добавок. Коша же на природную неоднородность накладывается техногенная, такие способы управления качеством не дают требуемого результата и необходим поиск нестандартных решений.

4.1. УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ ОРГАНИЗАЦИЕЙ СЕЛЕКТИВНОЙ ДОБЫЧИ И УСРЕДНЕНИЕМ В качестве примера рассмотрены вскрышные породы Ковдорского месторождения комплексных руд, которые представлены 4 типами. Два из них

пригодны для производства щебня для строительных работ, один - для дорожного щебня, один - для производства строительной извести. Однако, при совместном ах складировании в отвале они становятся непригодными для производства этих материалов. Управление качеством сырья должно включать селективную выемку и усреднение. 3 качестве плавного параметра, подлежащего усреднению в этом случае должна быть объемная плотность щебня.

4.2. УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ КЛАССИФИКАЦИЕЙ ПО

КРУПНОСТИ

На примере золошлаковых смесей показано, что при управлении качеством тонкодисперсных продуктов с природной н техногенной неоднородностью применяемый обычно метод управления - (усреднение) • малоэффективен, так как стабилизация качества сырья по одному нз признаков, например, по содержанию пылеватой фракции в большинстве случаев не обеспечивает стабильность по другим признакам. Вследствие существенных различий в химическом и фазовом составе, содержании несгоревшего топлива разных по крупности фракций, комбинация усреднения с доизмельчением также малоэффективна. Предложен эффективный способ стабилизации качества таких продуктов классификацией.

Таблица 2

показатели золошлаксвая смесь

1 неподготовленная | классифицированная

Прочность строительного раствора

в возрасте 23 сут., МПа 1.72 2.5

Коэффициент вариации прочности,% 17.1 4.0

Прочность бетона на ГЦПВ, МПа 10.5 12.12

Плотность бетона на ГЦПВ, кг/м3 о 1221 1190

Сопоставление эффективности применения неподготовленной и классифици-ованяой золошлаковой смеси приведено в табл.2.

4Л УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ КОРРЕКТИРОВКОЙ ИХ ХИМИЧЕСКОГО И МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА Показано, что стабилизированные состэеы не всегаа являются оптимальными тя той или иной технологии производства строительных материалов. На примере шошлаковых смесей с небольшим превышением содержания несгоревшего >плива по сравнению с оптимумом показана возможность довести его содержание > необходимого предела разбавлением малоуглеродистым продуктом. При высоком »держании ушерода апробирован способ флотации несгоревшего топлива с ^пользованием в качестве реагента-собирателя стоки отделочных цехов

хлопчатобумажных комбинатов. Для этан же цели был разработан простой и дешевый способ перзичной обработки золошлаковой смгси с использованием вибрационного воздействия на пульпу. На примере сшакоз комбината "Североникель" показано,что при корректировке составов горнопромьпнленных отходов, имгюаыЭс переменный состав, другими горнопромышленными отходаии также переменного состава для полной стабилизации свонстс целесообразна дополнительная корректировка третьим компонентом, позволяющим с глад-ль технологическую неоднородность первых двух.

4.4. УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ГОРНОШЮМЫШЛЕККЫХ ОТХОДОВ ПЕРВИЧНОЙ ПОДГОТОВКОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧИЙ В ДРОБИМОСТК КОМПОНЕНТОВ

Этот вопрос рассмотрен на примере карбонатнтов вскрыши Ковдорскогс месторождения комплексных руд, большая часть которых не соответствует минимальным требованиям ¡¡г качеству скрья дее получения извести. Предложена к апробирована в опытно-промышленных условиях схема предварительной подготовки сырья, основанная на различиях дробпмости входящих в состав кгрбоигтита минералов и позволяющая повысить качество сырья до требуемого уровня:

показатели карбонатит

неподготовленный ! подготовленный

содержание суммы карбонатов, % 72.1-81.9(74.6) 82.8-893(85.6)

содержание апатита, % 10.1 4.0

в пересчете на Р205 , % 4.27 1.7

содержание Са0+М£0 в извести, % 62.5 76.8

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлены принципиальные отличия горнопромышленных отходов как сырья для производства строительных н технических материалов от традиционного минерального сырья. На основе изучения минерального, химического состава, физико-химических и технологических свойств многих сотен технологических проб руд и горнопромышленных отходов крупнейших горнодобывающих предприятий Кольского полуострова (ГМК "Печевшшкелъ", ПО "Апатит", Ковдорского ГОКа, ПО "Коадорслюла", Рижгубского карьера), золошлакоЕЫХ смесей ряда тепловых ачектростаацЕй (НзТЭЦ-2, КфЭЦ-З, Апатитской ТЭЦ, энергоцеха ОГОКа), шлаков ПО "Североникель", исследования взаимосвязи между минеральным, химическим составом и технологическими свойствами сырья

показано, что наиболее существенные отличия горнопромышленных отходов от традиционного сырья следующие:

- присутствие з их составе околорудных минералов и элементов-примесей, не характерных для традиционного минерального сырья;

- высокая степень изменчивости химического, минерального состава и технологических свойств горнопромышленных отходов.

Широкие пределы колебания состава и свойств препятствуют использованию отходов для производства строительных материалов даже при соответствии средних значений этих параметров традиционному сырью.

2. Выделены типы неоднородности горнопромышленных отходов,изучены причины и закономерности ее формирования. На большом материале показано, что главной причиной изменчивости физико-химических и технологических свойств вторичного сырья является природная неоднородность минерального и химического состава, которая возникает в процессе образования основного полезного ископаемого. Природная неоднородность, закономерности ее формирования рассмотрены .на примере медно-никелевых руд. Впервые установлено, что процессы концентрации рудогенных элементов, протекающие в условиях неоднородной геохимической и физико-химической обстановки, ответственны не только за многообразие типов руд, но и за неоднородность минерального и химического состава, физико-химических и технологических свойств горнопромышленных отходов. На большом статистически представительном материале (более тысячи технологических проб), исследованных автором, и результатах анализа литературных данных по 130 медво-никелевым месторождениям мира разработана минералого-технологическая типизация медно-никелевых руд, методика оценки технологических свойств минералогическими методами, составлены прогнозные минералсготехнологические карты. Установлена общность закономерностей формирования природной неоднородности руд (включая их силикатную часть) и рудовмещающих пород. Выявлена зависимость качества вторичного сырья от размеров рудовмешающего магматического тела. Показано, что природная неоднородность вторичного сырья не устраняется при переработке основного полезного ископаемого. Унаследованная природная неоднородность прослеживается в отвальных продуктах даже глубокой переработки металлургических шлаках.

3. Выявлены причины и механизм формирования техногенной неоднородности горнопромышленных отходов. На основе исследования поведения рудных и нерудных минералов на разных этапах переработки медноникелевых руд (дробление, измельчение, флотация, окатывание концентратов) установлены причины формирования вторичной (техногенной) неоднородности горнопромышленных отходов.

Установлено, что технологическая неоднородность руд (различия в минеральном составе, размерах и форме рудных вкрапленников, скорости

флотации рудных и нерудных минералов, наличке нерудных минералов-сорбентов и шламообразователей и тд.) приводит к возникло-сени» неоднородности по степени экологической опасности горнопромышленных отходов. Показано, что окисление сульфидов к десорбция флотореагентов в отвальных продуктах язляется источником вторичного загрязнения окружающей среды. Разработана классификация горнопромышленных отходов по экологической опасности их складирования.

На основе изучения процессов образования минеральных фаз при подготовке и сжигании топлива на тепловых электростанциях и анализа дифференциации вещества при складировании отходов в отвалах - показаны закономерности формирования техногенной неоднородности.

4. С целью оценки степени и характера влияния на качество за полнителей бетонов и возможности использования в состава комплексных вяжущих наиболее распространенных породообразующих минералов, входящих в состав горнопромышленных отходов, исследованы по специально разработанной методике процессы их взаимодействия с гидроксндом кальция, изучены минеральные фазы-ковообразовакия, определены объемные эффекты этих реакций, влияние на этот процесс особенностей химического состава а структуры исходного минерала. Определена относительная, прочность контактной зоны минерал-вяжущее, влияние на нее спайности и агрегатного состояния минерала. Установлено, что на процесс взаимодействия породообразующих минералов с активными компонентами цемента влияет как их состав, так и структура. Новообразованные фазы унаследуют структуру и состав исходных минералов. Разработана классификация породообразующих минералов по характеру их влияния на качество •заполнителей бетона. Показана возможность применения некоторых минералов в составе комплексных вяжущих.

Впервые изучено влияние структуры, агрегатного состояния серпентинов и состава минералов-примесей в серпентинитах на технологию производства и качество серпентиновых цементов. Показано, что для наиболее высококачественного серяентинового цемента предпочтительно сырье, сложенное топкокристал-лическими разностями серпентиновых минералов с разупорядоченной структурой.

5. Установлено, что выбор способа управления качеством определяется та пои веодноро-дности горнопромышленных отходов. На большом материале, как личном, так н заимствованном из литературных источников, проанализированы пределы колебания содержаний минералов-примесей и элементов-примесей ь рудовмещакшхнх гипербазитах; оценена степень влияния этих изменений на технология керамики и огнеупоров и качество готового продукта. Показано, что колебания примесей оказывают большее влияние на них, чем колебания в содержаниях ведущих оксидов. Следовательно, именно примеси должны быть главным параметром управления качеством сырья. На основе анализа физико-химических свойств магнезиальных вторичных продуктов разработаны технологии

получения двух видов магнезиальной керамики и четырех видоз стеклокристая-лических материалов.

6. Доказано влияние типа неоднородности вторичного сырья на выбор способа управления его качеством. На примере вскрышных пород Ковдорского месторождения комплексных руд, Ковдорского флогопитового месторождения, металлургических шлаков комбината "Североникель" и ряда других объектов показано, что в тех случаях, когда непостоянство физико-химических и технологических свойств горнопромышленных отходов обусловлено только природной неоднородностью, для управления качеством вторичного сырья могут быть применены традиционные для горно-металлургаческон практики приемы: усреднение или подшихтовка корректирующих добавок. Однако, на примере золошлаковьгх смесей ТЭЦ показано, что в тех случаях, когда на природную неоднородность накладывается техногенная, такие способы управления качеством не дают требуемого результата. Доказано, что для тонхояисперсных продуктов одним аз наиболее эффективных способов стабилизации качества является классификация по крупности, причем, каждый класс крупности может быть использован более эффективно, чем неподготовленная смесь. Применение такого способа подготовки сырья позволило разработать два новых теплоизоляционных материала и использовать отдельные фракции золошлаковой смеси в качестве компонента комплексных вяжущих, в производстве легхих заполнителей бетонов и для очистки промышленных стоков.

7. Установлено, что вследствие существенных отлнчнй горнопромышленных отходов от традиционного сырья для производства строительных п технических материалов к их изучению и использованию необходим специфический подход. Разработана схема проведения исследований для оценки и управления качеством горнопромышленных отходов при переработке их в строительные а технические материалы:

- изучение минерального и химического состава попутных пород в нх естественном залегании, основных процессов их формирования к закономерностей хростраяственного распространения минеральных ассоциаций;

- исследование физико-химических свойств пород и определение оптпмать-шх областей возможного ях использования;

- выделение видов, типов и сортов попутных пород, установление степени их •ехнолопгческой неоднородности и параметров, оказывающих определяющее лияние на технологические свойства сырья;

- организация селективной выемки различных видов сырья и управление лчеством каждого из них, в том числе и усреднение по установленным ранее параметрам. Если в данное время по экономическим или техническим причинам ¡ереработка данного вида сырья нецелесообразна, необходима организация его аздельного складирования;

- разработка технологий первичной подготовки сырья н доведения его до товарной продукции.

8. Теоретические положения прошли проверку в ряде конкретных практических разработок. Разработаны технические условия на строительный и дорожный щебень из вскрышных пород Ковдорского месторождения комплексных руд, Ковдорского флогопитового месторождения, разработаны рекомендации для производства щебня для крепления горных выработок на рудниках ПО "Апатит"; разработаны и прошли опытнопромытленную проверку технологии производства тяжелых бетонов и строительных растворов с использованием золошлаковых смесей, позволяющие экономить до 20% портландцемента. Разработана технология бетона для крепления горных выработок с использованием тонкодвсперсных нефелиновых продуктов, обеспечивающая такую же экономию. Разработан технологический регламент на подготовку карбонатитов вскрыши для производства извести и карбонатной муки для экологических целей. Разработаны и прошли опытно-промышленную проверку технологии получения новых керамических и стеклокристашгаческих материалов на основе горнопромышленных отходов.

Тактг образом, решена крупная научная проблема, связанная с утилизацией горнопромышленных отходов - оценка и управление их качеством при переработке в строительные материалы.

Основное содержание опубликовано в 9 монографиях, !02 научных статьях, защищено 12 авторскими свидетельствами и 3 решениями о выдаче патента. Наиболее важные из них:

МОНОГРАФИИ

1. Оптимизация планирования работы медно-кикелевых горно-обогатительных предприятий / Р.М.Гамберг, ВЛ.Макаров, Э.И.Макарова, Ю.А.Траубе,-М.: Недра, 3 9 73.- 160 с.

2. Геология, магматизм и оруденение Печевгского рудного паля / С.И.Зак, В.Н.Макаров, В.И.Кочкев-Первухов, 3.В .Проскуряков и др. - Л.: Недра, 1982.112 с.

3. Макаров В.Н. Введение в технологическую минералогию и петрографию. -Иваново: ИХТИ, 1985.- 196 с.

4. Макаров В.Н. Минералогические критерии комплексной переработки рудовх1егцающих пшербазитов.- Апатиты: КНЦ АН СССР,1989.-96 с.

5. Макарон В.Н. Типы медне-никеяевых месторождений.- М, 1991.- Деп.в ВИНИТИ,- Ч.1.- N 2097-В91.- 121 е., Ч.2.- N 2098- В91.- 239 е., Ч.З.- N 2099-В91.- 218 с.

6. Физико-химические аспекты комплексного использования золошлаковых смесей тепловых электростанций 1 В.Н.Макаров, А.А.Боброва, О.Н.Крашенинников, А.А.Пак, МЛО.Трупиков - Апатиты: КНЦ АН СССР,- 1991,117 с.

НАУЧНЫЕ СТАТЬИ

7. Макаров В.Н. К истории тектонического развития Восточного рудного узла Печенги // Мат. по геол. и металлогении Кольского п-оза.- Апатиты: КФ АН СССР, 1970.- Вып. 1.- с.77-81.

8. Сердюченко Д.П., Макаров В.Н. Новые данные о магнезиально-железистых аксинитах Печенги и химической конституции ахсянитов вообще // Докл. АН СССР.- 1971.- Т. 197,- N 4,- с.908-911.

9. Макаров В.Н. Кальциевый хлорит из основных пород никеленосных интрузивов Печенги.- ДАН СССР.- 1971.-T.201.-N 3,- с.690-652.

10. Макаров В.Н. Некоторые закономерности пространственного распространения минеральных ассоциаций в основных-ультраосновных породах // Мат. по геологии и металлогении Кольского п-ова.- Апатиты: КФ АН СССР,

1971,- Вып. 2.- с. 236-240.

И. Мазаяик В Л., Макаров В.Н. Влияние минерального состава пород дифференцированных основных-ультраосновных массивов на их упругие свойства // Анализ эффективности горных работ и процессов при эксплуатации рудных месторождений,- Л.: Наука, 1971,- с.111-114.

12. Макаров В.Н., Макарова Э.И., Быченко НЛ., Зеленская Л.В. Роль изучения кристаллохимическях особенностей рудных минералов в повышении эффективности переработки медно-никелевых руд // Мат. по геол. и металлогении Кольского п-ова,- Апатиты: КФ АН СССР, 1972.- с. 164-167.

13. Макаров В.Н., Блазяина Д.Н.Влияние минерального состава руды на ее измельчаемость // Физико-химические основы обогащения пат. иск,- Л.: Наука,

1972,- с.135-139.

14. Макаров ВЛ., Складнем Л.Ф., Михашгок Б.З. О взаимном влиянии минералого-технологических типов руд при их совместной переработке в режиме усреднения // Теория и практика работы карьеров Заполярья.- Апатиты: КФ АН СССР, 1974.- с.104-112.

15. Макаров В.Н., Оюлькин В.Ф., Михайлгок Б.З. Закономерности изменения состава оливинов никеленосных основных-уяьтраосновяых интрузий Печенги // Петрология, минерал о-гия и геохимия.- Апатиты: КФ АН СССР, 1974,-с. 159-164.

16. Макаров В.Н., Сердюченко Д.П. Наследование структурой хлорита гетраэдрического титана биотита // Конституция и свойства минералов,- Киев: Наукова думка, 1974,- Вып.8.- с. 16-22.

17. Зеленская Л.В., Макаров В.Н., Траубе Ю.А. К разработке методики оперативного определения минералого-технологических свойств руды // Проблемы понижения горных работ на карьерах Заполярья.-Апатиты: изд. КФ АН СССР, 1975.- с. 78-84.

18. Макаров В.Н., Мазаник В.Н. Минералого-петрогоафичсскне критерии оценки свойств и состояния массивов скальных порой // Влияние геологических фактсроз на свойства и состояние скальных пород.-Апатиты: КФ АН СССР, 1975.-с. 69-79.

19. Сердюченко Д.П., Макарос В.Н. Титановые хлориты из серяектинизврованяых ультрабазитов Японии и Кольского п-ова // Докл. АН СССР,- 1976,- Т. 229.- N 6.- с. 1444-1447.

20. Макаров В Л., Макарова Э.И., Качурина K.M., Зеленская Л.В., Траубе Ю.А. Минералогические предпосылки совершенствования технологии обогащения в целях повышения комплексности медно-никелевых руд // Комбинированные методы при комплексном обогащении.- ЛлНаука, 1977,- с.159-160.

21. Грицай АЛ., Макаров В Л., Тимченко В.Ф., Траубе Ю.А. Эффективность переработка забалансовых руд Ждановского месторождения // Цветная металлургия,- 1978.-N 7.

22. Зеленская Л.В., Волохонский AJÍ., Качурина И.М., Макаров ВЛ., Траубе Ю.А. Поведение моноклинного и гексагонального пирротннов в процессе флотации медно-пикелевы: руд // Изв. ВУЗов, Цветная металл.- 1978,- N 3.- с. 1114.

23. Макаров В.Н., Качурина K.M.. Зеленская Л.В., Траубе ЮЛ. Изучение медно-пикелевых руд для разработки технологии обогащения и управления их качеством при добыче // Вещественный состаа и обогатнмость минерального сырья,- М.:Наука,1978,- с. 261-264.

24. Макаров В.К., Саблин ГО-L, Траубе Ю.А. Управление качеством руд цветных металлов // Совершенствование методов проектирования и планирования горных работ в карьере.- Л.: Наука, 1981.

25. Арупонян Л.А., Макаров В Д., Макарова ЭЛ., Мктюнин Ю.К., Петренко Г.В. Критерии отличия магматических и метаморфических медненикелевых руд // Метаморфогенное рудообразование низкотемпературных фаций и ультраметаморфизмг.- М.Лаука. 1981.

26. Макаров В.К., Зак С.И., Проскуряков В.В_ Кочнез-Первухоа В.И. Принципы типизации интрузивных тел в Печенгохом рудном пеле // Разведка и охрана недр.- 1983.- N 8.- с.18-22.

27. Макаров В.Н., Паьлов Л.Н., Тохтуев Г.В. Рачь киккбанд-структур в метаморфическом рудогенезе // Геол. журн..-1983.- N 4.

2S. Макаров В.Н.. Трупиков М.Ю. Использование фракционированной золотяаковой смеси ТЭЦ взамен часта цемента в бетонах к растворах // Передовой опыт в строительстве. Сер. Техвол. производства строительных кокстр., изделий и материалов.- 1984,- Вып.11.- сЛ0-12.

29. Макаров В.К., Швпко М.Н. Некоторые кристаллохимические особенности хризотил-асбестог медво»никслсвых месторождений // Геол. жури 2J1.-1987- Т.47,- N 2.- с. 91-94.

30. Афанасьев A.IL, Кононов М.Е., Макаров В.Н. я др. Олявшшты вскрыша ¡Совдорсксго флсгошггогого месторождения - новый источник сырья дд» троизводстаа форстерятовых огнеупоров // Огнеупоры.- Î988.- N 12.- с. 23-27.

31. Макаров В.Н. Генезис метаморфических медно-никелевых месторож-:еяий П Процессы и закономерности метаморфсгенного рудсобразованяя,- Киев: 1аукова думка, 198S.- с. 94-102.

32. Макаров 3 .К.Генетические типы медво-никелевых месторождений .// еол. рудн. м-нть- 1989,- N 2.- с. 28-38.

33. Макаров В.Н. Взаимодействие щелочных пироксенов с известью при атоклаввой обработке // Шяакощелочные цементы, бетоны и конструкции.- Киев,

989.

34. Макаров В.Н. Возможности экоеомзш взжущих путем оптимизации труктуры // Фундаментальные исследования и ас-вые технологии в строительном гатериалеведешга. - Белгород, 1989.- Ч.4.- с. 40.

35. Крашенинников 0.1L, Макаров В.Н., Журбенко Г.В., Меос М.А., [рашенинникова А.Я. Золошлаговые смеси Кировской ГРЭС - эффективная обазка в бетоны // Материалы Всесоюзн. конфер. "Бетоны на основе золы и шаха ТЗС а комплексное их использование з строительстве".- Новокузнецк,

990.- с. 173-1S4.

36. Макарса BJL, Боброва АА., Трупиков М-Ю-Фшико-химичеекие аспекты случения высокоэффективных легких заполнителей нз золошлаховых смесей и гтояов на их основе // Физико-хлмичесгие основы переработки и применения инерального сырья. - Апататы: КНЦ АН СССР, 1990.- с. 10-13.

37. Макаров S.11. Влияние минералогических особенностей и агрегатного эстояния серпентииовых минералов па вяжущие свойства серпенпгаогых гмеятов // Физике-химические основы переработки и применения минерального лрьа.- Апатиты: КНЦ АН СССР, 1990,- с.6-10.

33. Макаров В.Н., Зиновьев Ю.З. Схема переработки карбонатитов вскрыши овдорского месторождения комплексных руд для производства извести II грнопромышленные отходы как сырье для прозв. строит, матер. - Апатиты: КФ \Н, 1992.- с. 8-13.

39. Макаров В.Н., Захаров В .И., Кремепецкая И.П., Рыбалка О.В. Процессы аямодействия серпеяпшовых минералов с фосфатной связкой // Строительные 1териалы.- 1994.-N3.- с.20-22.

АВТОРСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА:

40. Ах. 623887 СССР.МКИ С 22 В1/14. Способ окатывания тонкодисперсных материалов / В.Н.Макаров и др.(СССР).- 4 с,

41. А.с.801356 СССР, МКИ В 03 D 1/02, С 22 В 3/00. Способ обогащения медно-никелевых руд / В.Н-Макаров, ЛААрупонян, Г.В.Петренко, Л .В .Зеленская, И.М.Качурчна (СССР).- 6 с.

42. Ах. 960284 СССР, МКИ С 22 В 1/44. Способ получения окатышей t В.Н.Макаров, ИА.Блатов, Э.Н.Климов, О.А.Панфилов, ЮЛ.Траубе (СССР).- 12 с.

43. A.c. 985099 СССР, МКИ С 22 В 23/04.Способ переработки бедны* силикатных никелевых руд / В.Н.Макаров, АДХуликов, Л.А.Арутюнян Г.ВЛетренко (СССР).- 4 с.

44. A.c. 1047866 СССР, МКИ С 04 В 19/04. Сырьевая смесь для изготовлешк теплоизоляционного материала / АА.Боброва, В.Н.Макдров, М.К_Желтиков ЮЛ.Трупиков (СССР).- 2 с.

45. A.c. 1204596 СССР, МКИ С 04 В 18/06, 38/02. Сырьевая смесь дш изготовления теплоизоляционного материала / A.A. Боброва, В.Н.Макаров Н-ИАбраменков (СССР).- 2 с.

46. A.c. 1444380 СССР, МКИ С 22 В 23/04. Способ переработы пирротиновых концентратов или богатых пирротином медно-никелевых руд В.Н.Макаров, ЛА.Арупонян, Г.ВЛетренко, Д. В .Макаров (СССР).- 4 с.

47. A.c. 1489835 СССР, МКИ Б 03 D 1/02. Способ флотации утя В.Н.Макаров, АА-Боброва, ВЛ1.Косичкин, Н.С.Плешанов (СССР).- 4 с.

48. A.c. 1527176 СССР, МКИ С 02 F 1/28. Способ очистки сточных вод о-примесей / В.Н.Макаров, В.М.Косичкин, В.В.Васильев, М.Ю.Трупиков (СССР)

49. A.c. 1535630 СССР, МКИ В 03 В 9/04. Способ выделения несгорсвшел топлива из золошлаковых смесей / В.НЛ1акаров, В.М.Ткачев (СССР).- 4 с.

50. А.з.5055620/33 РФ, МКИ С 04 В 35/10. Способ переработю алюмохромовых отходов в огнеупоры. В.Н-Макаров, В .А .Маслобоев (РФ).

51. Ал.5031124/33 РФ, МКИ С 03 С 10/06, С 04 В 30/00. Декоративно каменное литье и шихта для декоративного каменного литья. В.Н.Макаро1 И.С.Кожина (РФ).

-6 с.