7.1 Группировка техногенных месторождений по сложности геологического строения для целей геологического изучения и отработки

По размерам (объему складированной породной массы) техногенные месторождения делятся на четыре группы: очень мелкие - объем до 200 тыс. м³, мелкие - объем 200-1100 м³, средние – объем 1100-4000 м³ и крупные – объем более 4000 м³.

Наиболее важной характеристикой техногенных месторождений является неравномерность их состава. По величине общего коэффициента вариации состава V_о среди техногенных месторождений этого типа, например в Восточном Донбассе (Ростовская область) выделено четыре группы (табл.7.1)

Таблица7.1

Группировка техногенных месторождений угольного ряда Ростовской области по стабильности состава

Литологический тип	Значение Vo,%	Группа по стабильности
Песчанистый и его горелые аналоги	До 40	Стабильный
Глинистый и его горелые аналоги	40 - 100	Малостабильный
Песчано-глинистый, горелый песчано-глинистый, известково-песчано-глинистый	100 - 150	Весьма нестабильный
Горелый известково-песчано-глинистый	Более 150	Крайне нестабильный

По сложности строения для целей геологического изучения и отработки техногенные месторождения подразделяются на следующие группы:

1-я группа. Месторождения (техногенные геологические тела)стабильного состава с крупными и средними запасами (объемом) –преимущественно одного направления использования.

2-я группа. Месторождения (техногенные геологические тела) малостабильного состава с крупными и средними запасами (объемом), содержащие сырье, имеющее не более трех направлений использования.

3-я группа. Месторождения (техногенные геологические тела) весьма нестабильного состава с крупными или средними запасами (объемом), содержащих минеральное сырье многоцелевого использования. К третьей группе относятся также мелкие техногенные месторождения угольного ряда песчаного, горелого песчаного, глинистого и горелого глинистого литологических типов.

4-я группа. Мелкие многокомпонентные месторождения

7.2 Требования к изученности техногенных месторождений

Необходимая и достаточная степень изученности (разведанности) месторождений полезных ископаемых определяется в зависимости от сложности геологического строения и размеров (масштабов) тела полезного ископаемого. Классификацией запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых по степени изученности месторождения полезных ископаемых подразделяются неразведанные и оцененные.

Особенности техногенных месторождений, например, угольного ряда – наличие многочисленных пустот выгорания в теле отвалов; рыхлый, несцементированный характер слагающей их породной массы; значительная высота и крутизна склонов практически полностью исключают возможность их изучения горными и буровыми работами. Причиной этому являются требования техники безопасности при проведении геологоразведочных работ, а также экономические причины.

Поскольку породные отвалы представляют собой инженерные сооружения, их объем, т.е. размеры техногенных геологических тел, содержащих минеральное сырье, известен достаточно точно, известны также основные параметры внутреннего строения и литологического состава. Поэтому при изучении техногенных месторождений рассматриваемого ряда главенствующее значение приобретает изучение качества и технологических свойств содержащегося в них минерального сырья. Перечисленные особенности техногенных месторождений обуславливают требования к степени их изученности, особенности выделения среди них категорий разведанных и оцененных объектов. Эти требования применительно к техногенным месторождениям ряда изложены ниже.

К разведанным техногенным месторождениям относятся месторождения, качество, технологические свойства и горно-технические условия, разработки которых изучены с полнотой, достаточной для технико-экономического обоснования решения о порядке и условиях их вовлечения в промышленное освоение, а также о проектировании строительства на их базе горнодобывающего предприятия.

Разведанные техногенные месторождения по степени изученности должны удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечивается возможность квалификации запасов по категории С₁;

- вещественный состав и технологические свойства полезного ископаемого изучены с детальностью, обеспечивающей получение исходных данных, достаточных для проектирования рациональной технологии их комплексной переработки с использованием всех полезных компонентов, имеющих промышленное значение, и определения направления использования отходов производства или оптимального варианта их складирования или захоронения;

- инженерно-геологические, горно-геологические и другие природные условия изучены с детальностью, обеспечивающей получение исходных данных, необходимых для составления проекта разработки месторождения с учетом требований природоохранительного законодательства и безопасности горных работ;

- достоверность данных о внутреннем строении отвалов (тел полезного ископаемого) и качестве техногенного сырья подтверждена на представительных для всего месторождения участках детализации, размер и положение которых определяются в каждом конкретном случае в зависимости от особенностей строения и морфологии тела полезного ископаемого;

- детальность изучения вещественного состава пород и их качества как техногенного минерального сырья позволяет определить все возможные направления его промышленного использования;

- технологические свойства техногенного сырья проверены полупромышленными испытаниями на материале укрупненных технологических проб;

- подсчетные параметры кондиций установлены на основании технико-экономических расчетов, позволяющих определить масштабы и промышленную значимость месторождения с необходимой степенью достоверности;

- рассмотрено возможное влияние разработки на окружающую среду и даны рекомендации по предотвращению или снижению прогнозируемого уровня отрицательных экологических последствий.

К оцененным относятся техногенные месторождения, качество сырья, технологические свойства и горно-геологические условия разработки которых изучены в степени, позволяющей обосновать целесообразность дальнейшего геологического изучения и разработки.

Оцененные месторождения по степени изученности должны удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечивается возможность квалификации всех или большей части запасов по категории С₂;

- вещественный состав и технологические свойства полезного ископаемого оценены с полнотой, необходимой доля выбора принципиальной технологической схемы переработки, обеспечивающей комплексное использование техногенного минерального сырья;

- рассмотрено и оценено возможное влияние отработки месторождения на окружающую среду.

Рациональное соотношение запасов различных категорий в разведанных и оцененных месторождениях определяются недропользователем, исходя из конкретных геологических особенностей месторождения, условий финансирования и строительства горнодобывающего предприятия.

Изучение техногенных месторождений проводится в несколько последовательных взаимосвязанных и взаимообусловленных этапов:

- рекогносцировочные работы (предварительное изучение);

- оценочные работы (полевое изучение и отбор проб, лабораторное изучение - обработка проб, проведение комплекса лабораторных исследований и технологических испытаний).

Рекогносцировочные работы (предварительный этап изучения) на техногенных месторождениях сводятся к сбору и обобщению геологических и маркшейдерских данных, изучению паспортов отвалов. Основными задачами первого (предварительного) этапа изучения техногенных месторождений является сбор, обобщение и анализ информации о литологическом составе и объеме породной массы с целью определения соотношения слагающих ее различных литологических типов пород, наличия и ориентировочного содержания обломков угля. Такая информация содержится в материалах разведочных работ (геологические отчеты), паспортах отвалов, эксплуатационной геолого-маркшейдерской документации, журналах обогатительных фабрик и материалах статистической отчетности добывающих и обогатительных предприятий.

Итогом рекогносцировочных работ (предварительного этапа изучения) является установление литологического типа исследуемого техногенного месторождения и разработка его литологической модели. На этой информации определяется методика опробования - вид проб и способ их отбора, плотность сети отбора проб, схема их обработки. На основании результатов, полученных на первом этапе, разрабатывается схема (технологическая карта) лабораторно-аналитического изучения как отдельных литологических типов пород, слагающих месторождение, так и их смеси.

Оценочные работы. Полевой этап заключается в проведении маршрутов и описании отвалов (техногенных геологических тел), в котором отражается морфология объекта, его литологический состав, характер зональности, степень засоренности и измененности горной массы (степени выветривания и термопереработки). На этом же этапе производится отбор проб.

Методика и техника опробования техногенных месторождений, как и природных минеральных образований, определяется особенностями строения и структуры отвалов, а также составом слагающих их пород и должны удовлетворять следующим условиям:

- гарантировать наиболее полную представительность опробования;

- обеспечивать максимально возможную производительность и экономическую эффективность опробовательских работ.

Минимально достаточное количество рядовых проб определяется, главным образом, изменчивостью состава техногенного минерального сырья, обусловленной литологическим типом месторождения. Расчет необходимого числа рядовых проб для составления представительной групповой пробы производится с помощью номограммы больших чисел с уровнем достоверности 0,9.

Учитывая изложенные выше специфические особенности строения техногенных месторождений– чрезвычайно широкий фракционный состав породной массы, ее разрыхленность, выбор способов отбора проб на отвалах весьма ограничен. Наиболее применимые виды опробования и способы отбора проб приведены в табл.7.2.

Таблица 7.2

Рекомендуемые виды и способы опробования

техногенных месторождений

Целевое назначение проб	Вид опробования	Способы отбора проб
Проведение необходимого комплекса анализов; составление групповых и модельных проб; проведение лабораторных технологических испытаний	Химическое, технологическое	Точечный, горстьевой
Определение физико-механических свойств пород	Техническое	Рудоразборка горной породы
Заводские технологические испытания	Технологическое	Валовый, вычерпыванием

Технологическая схема опробования техногенных месторождений угольного ряда включает отбор рядовых и групповых проб для последующего составления модельных проб.

Рядовые пробы отбираются горстьевым или точечным способом и предназначены для уточнения соотношения литологических типов пород в объеме техногенного тела и изучения вещественного состава. Масса начальных проб, отобранных в точке отбора горстьевым или точечным способом, должна быть не менее 20-30 г. Начальные пробы объединяются в одну рядовую, характеризующую состав пород в точке отбора. Масса рядовой пробы должна составлять 3-4 кг.

Групповые пробы отбираются точечным способом и предназначены для определения пространственной (площадной) изменчивости вещественного состава породной массы и составления модельных проб. Методика отбора групповых проб изложена в работе. Минимально необходимая масса каждой групповой пробы должна составлять 20 – 30 кг.

Модельные пробы характеризуют породную массу как сырье. Они предназначаются для технологических испытаний минерального сырья. Модельные пробы составляются из материала рядовых и групповых проб в соответствии с разработанной литологической моделью каждого отвала. Масса модельной пробы должна быть достаточна для проведения испытаний, но не менее 60 кг.

Лабораторный этап заключается в обработке рядовых и групповых проб, составлении модельных проб и проведении лабораторных исследований и технологических испытаний.

Обработка проб. Поскольку совокупность обрабатываемых проб обладает существенной неоднородностью, для обеспечения качества (т.е. представительности получаемого аналитического материала) величины надежных конечных масс проб берутся с запасом.

Обработка проб сводится к дроблению, перемешиванию, сокращению и измельчению до необходимого размера частиц. Схемы обработки проб рассчитываются для каждого их вида в зависимости от назначения по формуле Ричардса-Чечетта:

Q = Kd^a, где

Q – надежная конечная масса обработанной пробы, кг; К – коэффициент неравномерности состава; d – наибольший конечный диаметр частиц породы, мм; а – показатель степени (менее 3), корректирующий зависимость массы пробы от диаметра ее частиц.

Показатель степени а в практике принимается равным 2. Для упрощения расчетов без существенных погрешностей рекомендуется использовать величину коэффициента К равной 0,3. Начальная масса направляемых на обработку рядовых проб должна быть не менее 2,6 кг, групповых 14 кг. Обработка модельных проб, составленных на материале групповых, сводится к тщательному перемешиванию породной массы и ее дроблению до размера частиц 7 – 12 мм.

Лабораторные исследования проводятся с целью выявления особенностей вещественного состава пород, слагающих изучаемое месторождение, определения их пригодности для использования как минерального сырья и экологической оценки (радиационная оценка, выявление концентраций тяжелых металлов и токсичных элементов в растворимых формах; оценка состава и объемов возможных выбросов газов в атмосферу при пирогеническом переделе техногенного сырья).

В круг задач, решаемых при изучении вещественного состава техногенного минерального сырья, входит определение гранулометрического, минерального и химического состава, физико-механических свойств. Для решения этих задач используется комплекс информативных методов анализа:

-ситовой и пипеточный метод;

-оптико-микроскопические методы;

-термический анализ;

-рентгено-структурный и рентгено-фазовый анализы;

-химический анализ;

-спектральный анализ.

Для экологической оценки техногенного сырья применяются высокочувствительные методы анализа: гамма-спектральный, спектральный пламенно-фотометрический полуколичественный, вакуумно-декриптометрический (термобарогеохимический).

Важной характеристикой техногенного сырья является его гранулометрический состав (кусковатость). Наиболее распространенным методом определения кусковатости при максимальной крупности обломков 300 мм является метод прямого рассева, для кусков более 300 мм – планиметрический метод.

Минералогический состав, структура, степень измененности (преобразования) пород определяются традиционными оптико-микроскопическими методами.

На первой стадии лабораторного изучения техногенного углесодержащего сырья главной задачей, касающейся органической составляющей породной массы, является определение количества обломков угля с целью выявления целесообразности их последующего выделения и изучения как сопутствующего полезного ископаемого. При количественной оценке органического компонента техногенных образований данного ряда малопригодны традиционно используемые для этих целей методы определения, величины потерь при прокаливании (п.п.п.), величины зольности (A^d), а также содержания органического углерода (С_орг), дающие систематические погрешности при пересчете на уголь. Рекомендуется в этом случае использовать наиболее достоверный и рациональный оптический метод (углепетрографический анализ). При этом решается сразу несколько задач: определение объемного содержания обломков угля в массиве пород, их взаимоотношение с минеральными компонентами и выявление степени измененности угольного вещества. Петрографический анализ проводится согласно ГОСТ 9414-93, 12113-94 и 8930-94.

Важным показателем для оценки горелых пород является содержание в них новообразованного стекла. Количественная оценка содержаний рентгеноаморфных фаз производится с помощью рентгенографического количественного фазового анализа (РКФА).

Содержания в техногенных образованиях ценных и потенциально токсичных элементов определяется с помощью полуколичественного спектрального анализа либо рентгеноспектрального анализа с использованием рентгеновского анализатора БРА 17-02.

Радиологическая оценка сырья техногенных месторождений на первом этапе лабораторных исследований производится по результатам полевых прямых радиометрических замеров с помощью полевого радиометра СРП-88 Н либо иного прибора, предназначенного для полевых замеров уровня гамма-излучения.

Второй этап лабораторного изучения техногенного сырья заключается в определении основных физических и технологических свойств техногенного сырья с целью конкретизации направлений его использования. В связи с возможностью многоцелевого использования этого вида минерального сырья, оценка его качества требует применения довольно широкого комплекса методов изучения его физико-химических, физико-механических и технологических свойств.

Оценка возможных направлений использования техногенного сырья производится в соответствии с оценочными критериями (ВНИГРИуголь, 1997г.), для чего определяется следующая группа параметров: плотность (истинная, средняя, насыпная), содержание тонкодисперсных фракций (для глинистого и углисто-глинистого типов сырья и угля), коэффициент формы зерен, коэффициент фильтрации (для песчано–глинистого типа сырья и угля), химико-технологические показатели угля, показатель общей флюидоактивности (F_общ), суммарная удельная эффективная активность по основным радионуклидам (²²⁶Ra, ⁴⁰K, ²³²Th).

Значения плотности определяются с соблюдением требований ГОСТов для всех установленных литологических типов техногенного сырья (ГОСТ 2409, 24468, 18847, 8269, 9758). Гранулометрический анализ выполняется методом пипетки, коэффициент фильтрации определяется по методике, используемой в инженерной геологии, – в трубке Каменского. Интегрированная оценка физико-химических особенностей выделенных литотипов, угля и техногенного сырья в целом характеризуется результатами вакуумно-декриптометрического анализа (ВДА). Метод ВДА позволяет на основе величины общей флюидоактивности прогнозировать технологические свойства сырьевых компонентов и сырья в целом, а также определять количество и состав газов, которые будут выбрасываться в атмосферу при нагреве, обжиге и плавлении отвальных пород и их смесей.

В период лабораторных работ проводится обязательная радиологическая оценка техногенного сырья с определением удельной активности главных долгоживущих естественных радионуклидов и общей эффективной активности техногенных пород. Определения производятся гамма-спектральным методом по ГОСТ 30108-94.

Органическая составляющая техногенных образований как сопутствующий компонент, подлежащий извлечению из породной массы, изучается на материале концентратов, полученных разделением минеральной и органической составляющих угля фракционированием его в тяжелых жидкостях. Фракционирование выполняется по методике, изложенной в ГОСТ 4790-80. В угольных концентратах определяются теплота сгорания (ГОСТ 147-74), выполняется их технический анализ (ГОСТ 11022-95. ГОСТ 8606-93, ГОСТ 27314-91, ГОСТ 6382-91), определение петрографического состава (ГОСТ 9414-93), проводится гранулометрический анализ по ГОСТ 2093-82. определение истинной и кажущейся плотности по ГОСТ 2160-92.

Результаты, полученные на втором этапе лабораторного изучения отвальных пород как техногенного минерального сырья угольного ряда служат для оценки техногенного месторождения и окончательного выбора направлений промышленного использования сырья.

Лабораторные работы должны проводиться аттестованными и аккредитованными лабораториями, качество аналитических работ должно контролироваться путем систематического проведения внутрилабораторного (выявление случайных ошибок) и внешнего(наличие систематической погрешности) контроля.

По результатам лабораторных исследований на основании оценочных критериев определяются все возможные направления использования техногенного минерального сырья, которые затем заверяются лабораторными технологическими испытаниями и, в случае необходимости, полупромышленными испытаниями.

По техногенному месторождению необходимо иметь топографическую основу масштаба 1:2000 – 1:5000 (маркшейдерский план отвала или группы отвалов).