Техногенное сырьё для производства строительных материалов. В 2 частях. Ч.2. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

В.Д. КОТЛЯР, Б.В. ТАЛПА, Ю.В. ТЕРЁХИНА, А.В. КОТЛЯР

ТЕХНОГЕННОЕ СЫРЬЁ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Часть 2. Состояние, перспективы, оценка и эксплуатация месторождений техногенного сырья

Допущено Южно-Российским региональным отделением УМО вузов РФ по об-

разованию в области строительства в качестве учебного пособия для студен-

тов высших учебных заведений (или образовательных организаций высшего об-

разования), обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 «Строительст-

во»

Ростов-на-Дону

2014

2

УДК 691; 553.04

К73

Рецензент: кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ» Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова Н.Д. Яценко

Котляр В.Д., Талпа Б.В., Терёхина Ю.В., Котляр В.Д.

К73 Техногенное сырьё для производства строительных материалов: учебное пособие в 2 частях. Часть 2. – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2014.– 96 с.

Учебное пособие состоит из двух частей. Во второй части Состояние, перспективы, оценка и эксплуатация месторождений техногенного сырья» приводятся сведения о состоянии, перспективах и проблемах использования техногенного минерального сырья в России и странах ближнего зарубежья. Рассматривается опыт использования техногенного сырья для производства строительных материалов за рубежом. Дана группировка техногенных месторождений по сложности геологического строения для геолого-технологического изучения и отработки, включая требования к изученности техногенных месторождений, выявлению категории запасов и прогнозных ресурсов техногенного сырья, подсчету запасов техногенного минерального сырья, подготовленности месторождений техногенного минерального сырья для промышленного освоения и балансового учета запасов и прогнозных ресурсов.

Вторая часть пособия состоит из введения и 2 глав. В конце каждой главы приводятся контрольные вопросы проектные и тестовые задания для лучшего закрепления полученных знаний.

Учебное пособие будет полезно широкому кругу читателей технологам заводов по производству строительных материалов, сотрудникам испытательных лабораторий и проектных организаций, геологам, изучающим нерудное техногенное сырьё, студентам различных специальностей, обучающимся по направлению 08.03.01 «Строительство», 21.03.02 «Землеустройство и кадастры». Но в первую очередь оно предназначено для бакалавров и магистров профиля подготовки «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» и аспирантам специальности 05.23.05 «Строительные материалы и изделия».

УДК 691; 553.04

© Ростовский государственный строительный университет, 2014

© Котляр В.Д., Талпа Б.В., Терёхина Ю.В., Котляр А.В., 2014

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1. СОСТОЯНИЕ, ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОБЛЕМЫ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОГЕННОГО

МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1. Состояние и перспективы использования техногенного сырья в России и странах ближнего зарубежья . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2. Опыт использования техногенного сырья за рубежом . . . . . . . . . . . . 28

2. ОЦЕНКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 2.1. Группировка месторождений техногенного сырья по сложности

строения для целей геолого-технологического изучения и отработки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

2.2. Требования к изученности месторождений техногенного сырья . . . 52 2.3. Категории запасов и прогнозных ресурсов техногенного сырья. . . . 63

2.4. Подсчет запасов техногенного минерального сырья . . . . . . . . . . . . . .66

2.5. Подготовленность месторождений техногенного минерального сырья для промышленного освоения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.6. Балансовый учет запасов и прогнозных ресурсов техногенных месторождений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68

2.7. Правовые аспекты использования техногенного сырья . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

ГЛОССАРИЙ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4

ВВЕДЕНИЕ

Техногенные месторождения (ТМ) – скопления твердых и жидких от-

ходов различного рода производств, представляющих интерес собой в качестве источников вторсырья или в виде прямой товарной продукции для промыш-

ленности строительных материалов. Понятие введено В.И. Вернадским как эколого-ноосферное, но активно эту идею начали разрабатывать в конце 80-х

начале 90-х гг. ХХ века. Примером таких объектов могут служить хвостохра-

нилища обогатительных фабрик, отвалы горных, металлургических и строи-

тельных предприятий, шламонакопители, пруды-отстойники и др. На дейст-

вующих предприятиях в структуру ТМ также могут быть включены так назы-

ваемые текучие отходы, т.е. отходы, регулярно сбрасываемые или складируе-

мые в процессе производства (выбросы пульпы, продукты очистки фильтров,

свежие клинкеры и т.п.). Это постоянно восполняемая часть ТМ.

Однако не всякие скопления отходов являются техногенными месторож-

дениями. В соответствии с разработками А.Н. Павлова для получения такого статуса они должны отвечать следующим требованиям:

представлять коммерческий интерес;

иметь рынок для прямой или опосредованной продажи;

при необходимости вовлечения во вторичную переработку опираться на экологически чистые технологии;

давать прибыль либо при их простой отработке как источника вторич-

ного сырья, либо с учетом последующего получения из них различных видов товарной продукции;

иметь возможности технической реализации.

Техногенные месторождения служат предметом специального изучения не только в силу потребительских свойств заключенного в них минерального

(техногенного) сырья, но и из-за необходимости их ликвидации как мощного источника загрязнения окружающей среды.

5

Техногенное месторождение – это техногенное геологическое тело или его часть, представляющие собой скопление минерального вещества на поверх-

ности Земли, возникшее в результате связанной с природопользованием хозяй-

ственной деятельности человека (техногенеза), и которое по качеству и количе-

ству может быть предметом эффективного использования в сфере материально-

го производства в данных экономических условиях при данном состоянии тех-

ники и технологии, либо в ближайшем будущем.

Врезультате интенсивного развития горнодобывающей промышленности

вряде регионов России сформировано значительное количество техногенных образований в виде отработанных карьеров, складов некондиционных руд, от-

валов минерализованных пород, которые являются причиной загрязнения почв и вод тяжелыми металлами, запыления поверхности земли и изъятия дорого-

стоящих земель из сельскохозяйственного оборота.

В настоящее время в России накоплено около 100 млрд т отходов горно-

добывающей отрасли. Значительную часть из них составляют породные отва-

лы. Породы отвалов могут иметь широкое применение в качестве сырья для различных отраслей промышленности. Однако масштаб использования этих пород в целом незначителен и находиться в пределах 3–10 %. Это является следствием того, что формирование отвалов зачастую осуществляется без учета возможности их дальнейшей переработки. Бессистемное складирование с пере-

мешиванием горных пород различных типов впоследствии приводит к значи-

тельному росту издержек на их переработку.

Размещение вскрышных пород, использование которых в настоящее вре-

мя нецелесообразно, в выработанном пространстве карьеров наиболее перспек-

тивно с точки зрения сохранности сельскохозяйственных земель и обеспечения высоких технико-экономических показателей открытых горных работ. Однако имеющегося практического опыта и научно-методической базы недостаточно для разработки эффективных способов внутреннего отвалообразования в дей-

ствующих глубоких карьерах. В проектах практически не предусматривается

6

использование выработанного пространства карьеров в качестве инженерных сооружений и различных емкостей.

Изменение подхода к проектированию и эксплуатации карьеров позволит формировать техногенные георесурсы в процессе отработки месторождений.

Самым перспективным направлением освоения данных видов георесурсов явля-

ются производство строительных материалов и изделий. Однако слабая изучен-

ность закономерностей изменения ценности техногенных месторождений от ус-

ловий и способов их формирования, отсутствие систематизации самих способов не позволяют в полной мере использовать ресурсный потенциал отвалов и выра-

ботанного пространства карьеров. Выбор и реализация способов формирования техногенных месторождений позволит снизить ресурсоемкость открытого спо-

соба разработки, расширить область его эффективного применения, а также уменьшить вредное воздействие карьеров и отвалов на окружающую среду.

Поэтому обоснование способов использования техногенного сырья в та-

кой материалоемкой отрасли, как производство строительных материалов явля-

ется актуальной научно-практической задачей.

7

1. СОСТОЯНИЕ, ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОГЕННОГО МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Все охарактеризованные в первой части учебного пособия «Техногенное сырьё для производства строительных материалов» отходы, образующиеся в результате добычи, обогащения и последующей переработки твердых полезных ископаемых, объединяются в большую группу горнопромышленных отходов.

Наиболее крупнотоннажными из них являются вскрышные и вмещающие по-

роды, отходы обогащения, металлургические шлаки, золы и шлаки электро-

станций.

1.1. Состояние и перспективы использования техногенного сырья в России и странах ближнего зарубежья

Средние годовые объемы (млн т) образующихся в России и странах

Систематический учет годового выхода отходов и состояния отвалов ве-

дется лишь по шлакам черной металлургии и золошлаковым отходам сжигания энергетического твердого топлива. На Государственном институты по проекти-

рованию металлургических заводов (Гипромез) ежегодно выпускают справоч-

ник по количеству и качеству образующихся и накопленных в отвалах домен-

ных, сталеплавильных и ферросплавных шлаков, объемам и направлениям их утилизации, по экономическим показателям переработки. Подобный справоч-

ник выпускают также на Всероссийском теплотехническом институте (ВТИ) по топливно-энергетическим шлакам. По этим двум видам отходов имеются раз-

работанные планы расширения утилизации и совершенствования технологии

8

переработки. Значительно сложнее обстоит дело с учетом других видов горно-

промышленных отходов, особенно вскрышных, вмещающих пород и отходов обогащения.

Концентрирующаяся в Госкомстате отчетность о комплексном использо-

вании полезных ископаемых недостаточно полная. Она не содержит сведений о состоянии изученности возможностей пользования отходов и другой информа-

ции, необходимой для планирования их более широкой утилизации. Для этих целей создан банк данных, содержащий сведения по территориям о потребно-

сти в сырье для производства основных видов строительных материалов.

К сожалению, создание такого банка не решает многих аспектов пробле-

мы. Во-первых, потому, что данные в нем далеко не полны, что вполне естест-

венно, поскольку достаточно детальный учет не ведут непосредственно на мес-

тах добычи и переработки. Во-вторых, формы выдачи информации несовер-

шенны и пользование ими затруднено. Кроме того, большим минусом такого банка является то, что он имеет узкоцелевую направленность, поскольку гор-

нопромышленные отходы рассматривают в нем с позиций их использования лишь в производстве строительных материалов.

В производственном геологическом объединении «Севзапгеология» раз-

работана форма учета горнопромышленных отходов, проведена паспортизация

56 предприятий, находящихся на территории Мурманской, Ленинградской,

Новгородской областей и Карелии. Имеется опыт паспортизации минеральных отходов обогатительных фабрик, предприятий цветной металлургии и др. Од-

нако всеобщий и систематический учет горнопромышленных отходов не ведут,

что, безусловно, препятствует расширению их утилизации.

В России и странах ближнего зарубежья ежегодно образуется 5,6 млрд т отходов добычи твердых полезных ископаемых, из которых 5 млрд т составля-

ют вынимаемые из недр вскрышные и вмещающие породы, а 0,6 млрд т отхо-

ды обогащения. По-видимому, фактическое образование отходов несколько выше, поскольку не удается учесть многочисленные мелкие карьеры, главным

9

образом стройматериалов, а также некоторые горнодобывающие предприятия цветной металлургии, химической промышленности и других.

Выход отходов добычи и обогащения полезных ископаемых в различных районах колеблется в широких пределах. Больше всего их образуется в Донец-

ко-Приднепровском, Казахском, Уральском, Западно- и Восточно-Сибирском,

Дальневосточном, Северном районах.

Наибольшее количество вскрышных, вмещающих пород и отходов обо-

гащения (2,4 млрд т, т.е. более 40 %) накапливается на предприятиях угольной промышленности, где сочетаются большие объемы добычи и высокая доля от-

крытых разработок. Особенно велики объемы вынимаемых из недр вскрышных пород в Кузбассе, Красноярском крае, Амурской области, на Украине. Второе место по количеству отходов добычи (учтено 1,7 млрд т в год) занимает черная металлургия. Основной объем образуется на железорудных и марганцевых карьерах Украины, Курской магнитной аномалии, Урала. В цветной металлур-

гии в связи с тем, что преобладает подземная добыча, выход отходов меньше

(учтено 0,7 млрд т в год). На горнодобывающих предприятиях остальных от-

раслей суммарный годовой выход вскрышных, вмещающих пород и отходов обогащения составляет 0,8 млрд т в год.

Степень утилизации горнопромышленных отходов в Росси и странах ближнего зарубежья низкая. В отвалы и хвостохранилища ежегодно поступает более 2 млрд т «пустой» породы.

В настоящее время в строительной индустрии утилизируется 2,3 % годо-

вого выхода вскрышных и вмещающих пород, 15 – отходов обогащения, 67 –

шлаков черной металлургии, 8 – золошлаковых отходов тепловых электростан-

ций, 80 – электротермофосфорных шлаков, более 5 % фосфогипсов. Низкая степень использования большинства видов горнопромышленных отходов ведет к интенсивному росту отвалов и хвостохранилищ, в которых сейчас скопилось свыше 60 млрд т горной массы. Эти отвалы наносят ощутимый вред окружаю-

щей среде, занимая огромные площади, нарушая природный ландшафт, загряз-

10

няя воздушный бассейн, поверхностные и подземные воды. Радиус вредного воздействия на природу в 10–15 раз превышает площадь самих отвалов. Осо-

бенно существенное воздействие тонких шламов отходов обогащения руд цветных металлов. Такие шламы содержат целый ряд химически устойчивых компонентов, которые проникают в грунтовые воды и отравляют их. Трудно оценить последствия хранения тонкой фракции обогащения асбестовых руд,

состоящей на 60 % из тончайшей канцерогенной асбестовой пыли.

Недопустимо загрязнена атмосфера в угледобывающих районах Украины и Кузбасса. Очень сложная экологическая обстановка создалась в некоторых областях Казахстана, Урала, Курской магнитной аномалии.

Объем ущерба, наносимого отвалами и хвостохранилищами народному хозяйству, трудно поддается учету. Он складывается из огромных потерь от изъятия пригодных для использования земель, нарушения экологического рав-

новесия и затрат на устройство и содержание отвалов. Достаточно сказать, что в России и странах ближнего зарубежья нарушено горными работами 2 млн га земельных угодий.

Затраты на устройство хвостохранилищ достигают 10 % от общих затрат на строительство горнорудных предприятий. Велики затраты на содержание отвалов в угольной промышленности. Так, на Ангренском угольном разрезе они составляют около 60 % от себестоимости товарной продукции. В связи с общим ростом потребления минерального сырья и возрастанием доли карьер-

ной добычи при увеличении ее глубины проблема утилизации горнопромыш-

ленных отходов с каждым годом все более обостряется. Уже в настоящее время

80 % руды для черной металлургии добывают открытым способом. На глубо-

ких карьерах (более 200 м) разрабатывается около половины месторождений. В

дальнейшем число таких карьеров будет интенсивно возрастать. Их глубина достигнет 600–700 м и более. Так, глубина Сарбайского карьера составит 750 м,

Качарского 720 м.