Глава 3 Отходы горнодобывающей промышленности

3.1 Вскрышные породы

При эксплуатации месторождений полезных ископаемых отходами добычи являются вскрышные породы, которые в основном представлены известняками, доломитами, глинами, кварцевыми песками и др. К этому классу относятся продукты, отличительной особенностью производства которых является механическая обработка, измельчение и разделение по зерновому составу исходной горной породы.

Вскрышные породы представляют собой вторичные кварциты, которые по химико-минералогическому составу приближаются к ценному сырью для фарфорово-фаянсовой промышленности. Вскрышными породами могут быть такие, которые содержат различные щелочные алюмосиликаты (например, трахиты), которые успешно используют в керамической промышленности в качестве заменителей полевошпатового сырья. Эти породы могут быть использованы как в природном виде, так и после обогащения.

Щебень из вскрышных пород подвергают дроблению и разделению на фракции, мм: 0; 10…20; 20…40; 40…70; > 70. Каждую фракцию изучают самостоятельно в соответствии с существующими требованиями. Она характеризуется плотностью, средней плотностью зерен, зерновым составом, содержанием пылевидных, илистых и глинистых частиц и пластинчатых зерен, дробимостью в цилиндрах, сопротивлением удару на копре, морозостойкостью, содержанием органических примесей, стойкостью к распаду. На основании полученных характеристик устанавливают область применения щебня для строительных работ.

Отходы горнодобывающих предприятий – вскрышные породы являются сырьем для получения щебня, крупного заполнителя бетонов, балласта железнодорожных магистралей и т.д.

Известны работы по использованию вскрышных пород, содержащих глинистую составляющую, в керамической промышленности, в качестве основного сырья или как добавка [15].

3.2 Отходы обогащения железной руды

Обогатительные предприятия часто расположены в индустриальных районах. Хвостохранилища и отвалы обогатительных фабрик занимают большие площади и влияют на экологию. Например, Абагурская агломерационно-обогатительная фабрика (г. Новокузнецк) занимает площадь около 35 га (по данным предприятия).

Эксплуатационные расходы по содержанию отвалов (%) распределяются следующим образом: заработная плата обслуживающего персонала – 6,3; эксплуатационные расходы – 1,6; электроэнергия – 82,1; текущий ремонт – 5,5; прочие расходы – 5,5 [6]. Наибольшие материальные и энергетические затраты в этом классе попутных продуктов приходятся на технологию обогащения методом флотации и мокрой магнитной сепарации тонкоизмельченного сырья.

Отходы обогащения железных руд образуются методом мокрой магнитной сепарации (ММС) и сухой магнитной сепарации (СМС) предварительно измельченных горных пород. Магнитная часть руды поступает на агломерацию и далее используется в металлургической промышленности, минеральная часть гидротранспортом подается в отвалы (хвостохранилища). Эти отходы могут содержать ряд ценных компонентов и могут служить основой для получения ценных металлов, а также использоваться в строительной индустрии.

Отходы мокрой магнитной сепарации. Особенностью отходов мокрой магнитной сепарации является: дисперсный состав, содержание SiO₂ до 90 %, наличие на их поверхности активных веществ, используемых при флотационном методе разделения материала. Средняя плотность отходов мокрой магнитной сепарации по отдельным стадиям обогащения составляет 1000…1360 кг/м³, из хвостохранилищ – 1400…1680 кг/м³. Гранулометрический состав отходов по стадиям обогащения при мокрой магнитной сепарации приведен в таблице 3.1. По зерновому составу это сырье можно отнести к мелким пескам.

Таблица 3.1 – Гранулометрический состав отходов мокрой магнитной

сепарации (ММС) на стадии обогащения

Стадия обогащения	Выход, %
	>1,6 мм	1,6…0,5	0,5…0,2	0,2…0,1	0,1…0,07	<0,07
I	4,6	25,3	27,6	11,7	6,2	24,6
II	0,1	3,4	23,3	21,9	12	39,3
III	-	0,6	6,3	13,3	11,5	68,3
IV	-	-	0,3	3,7	9,7	86,3
Проба из отвала	3,5	19,9	25,7	13,6	7,5	29,8

Технология получения песка достаточно проста и не требует боль­ших затрат. Пульпа текущего выхода обогатительной фабрики поступает на двухспиральный классификатор, где происходит отбор крупной фрак­ции (0,14 мм) и обезвоживание ее до 16…18 %. Классифицированный песок транспортируется на склад готовой продукции. Мелкая фракция отходов после доизвлечения железа может использоваться для получения плотных автоклавных и безавтоклавных бетонов, как отощитель для получения ке­рамического кирпича и компонент газосиликатов. Ниже приведены ре­зультаты исследования применения «хвостов» для получения силикатных материалов и влияния вида флотореагента на свойства изделий (таблицы 3.2, 3.3). К флотореагентам относятся: таловое масло, гудрон, т.е. органические вещества; они бывают анионоактивные и катионоактивные. При обработке анионоактивными флотореагентами последние осаждаются на поверхности основного продукта (руды), кварцевые частички («хвосты») остаются чистыми. При использовании катионоактивных реагентов поверхность кварца покрывается органической пленкой, что оказывает влияние на физико-механические показатели силикатных изделий.

Таблица 3.2 – Влияние органики на прочность автоклавных образцов

Флотореагент	Содержание органики, %	Rсж, МПа
Анионоактивный	0,01…0,07	24…35
Катионоактивный	0,04…0,6	12…18

Таблица 3.3 – Влияние вида флотореагента на прочность силикатного

кирпича (МПа)

Сырье	Режим обработки
	0,9 МПА (2+9+2)	1,2 МПа (2+7+2)	1,7 МПа (2+5+2)
1) чистый кварцевый песок	9,4	12,8	14,2
2) «хвосты» с флотореагентом: таловое масло (0,04%); гудрон	14,5 13,0	19,5 17,2	28,5 20,0
3) «хвосты» лежалые из отвала	8	9,5	10,5

Установлено, что «хвосты» обогащения железной руды можно использовать без дополнительной переработки для производства силикатных материалов. Лучшим сырьем для получения силикатных изделий из «хвостов» ММС являются отходы, полученные с применением анионоактивных флотореагентов. Из исследованных флотореагентов повышенные результаты по прочности силикатных изделий дает добавка талового масла в расчете 0,04 % при всех режимах тепловой обработки. Получен кирпич марки 150…250. Отвальные «хвосты» позволяют получить марку стенового материала 100. В процессе долгого хранения эффект флотореагентов резко снижается, в результате выветривания и удаления последнего.

Отходы сухой магнитной сепарации. Сухая магнитная сепарация (СМС) железных руд осуществляется на магнитных и электромагнитных барабанных сепараторах породы измельченной до фракции менее 5 мм, пустая порода в виде минеральной части гидротранспортом поступает в отвал. Свойства отходов рассмотрены на примере Абагурской обогатительной фабрики (г. Новокузнецк). Ежегодно в отвал поступает около 3 млн. т. В отвале выделяется наиболее дисперсная фракция, условно называемая шламистая часть. Ее количество составляет 30…40 % от общего выхода отходов производства. Шламистая часть хранится в прудах-шламонакопителях оборотного водоснабжения и в естественных условиях хранения находится в виде сгущенной пульпы с влажностью 30…40 %.

Отходы обогащения представляют собой пески железисто-кварцевого состава. Исследованы пробы, взятые из хвостохранилища Абагурской обогатительной фабрики (рисунок 3.1). Химический анализ проб из различных мест отвала показывает относительную однородность. Железистая составляющая сосредоточена во фракциях, менее 0,315 мм. Отходы относятся к тугоплавким. Спекание в твердой фазе начинается при 1200 ^оС, интервал спекания 150…170 °С, температура плавления 1450…1470°С.

Химический состав отходов обогащения железных руд представлен в таблице 3.4. По коэффициенту основности отходы относятся к группе ультракислых.

Таблица 3.4 – Химический состав отходов обогащения железной руды

	Содержание в % на сухое вещество										П.П.П
	SiO2	СаО	MgO	Al2O3	FeO	Fe2O3	SO3	K2O	MnО	TiO2
Общая часть пробы	38,2	12,6	5,8	9,7	8,0	11,0	2,8	2,17	0,45	0,28	7,56
Шламистая часть пробы	33,5	16,5	11,84	7,8	-	13,9	1,47	4,8	0,44	0,4	10,4

Минералогический состав отходов изучался с помощью дифрактограмм. Для уточнения минералогического состава отходов проведено их разделение на фракции. Условно были выделены: глинистая часть, собственно «хвосты», «железо» хвостов, которое отбиралось с помощью магнита. Основными минералами, слагающими отходы обогащения железных руд, являются хлориты, полевые шпаты, биотит, кальцит, магнетит, небольшое количество смешанослойных глинистых минералов (рисунки 3.2, 3.3, 3.4).

Для идентификации процессов, происходящих с исследуемым материалом при обжиге, проведен дериватографический анализ отходов обогащения железных руд. На рисунке 3.5 приведена дериватограмма, на которой можно отметить четыре экзотермических и пять эндотермических пиков. В процессе обжига отходов в них происходят химические и физические превращения. Содержанию оксидов железа и органических компонентов соответствует экзотермический эффект при 400…470 ⁰С, который характеризует процесс восстановления железа и сопровождается значительными потерями по массе.

Рисунок 3.2 – Дифрактограмма отходов обогащения железной руды Абагурской обогатительной фабрики

Рисунок 3.3 – Дифрактограмма отходов обогащения железной руды Абагурской обогатительной фабрики