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

51

лансов запасов полезных ископаемых. Оно позволит потребителям оперативно ориентироваться в имеющихся ресурсах техногенного сырья, а производствен-

ным геологическим объединениям даст возможность сосредоточить силы на изучении отвалов, хвостохранилищ и отходов текущего выхода.

Следующей задачей, решение которой также следует возложить на геоло-

гические службы, является доизучение качества вскрышных, вмещающих по-

род, отходов обогащения на всех разрабатываемых месторождениях, не полу-

чивших комплексной оценки.

Необходимо выполнить также детальную разведку вскрышных и вме-

щающих пород на разрабатываемых месторождениях, где эти породы уже ис-

пользуются на щебень или другие строительные материалы.

В связи с необходимостью изучения отвалов и хвостохранилищ назрела потребность в разработке и утверждении методики оценки скопившихся в них пород. В основу этой методики могут быть положены излагаемые ниже мето-

дические рекомендации по оценке возможного использования накопленных в отвалах отходов добычи и переработки полезных ископаемых в качестве сырья для производства строительных материалов.

2.1. Группировка месторождений техногенного сырья по сложности строения для целей геолого-технологического изучения и отработки

По размерам (объему складированной породной массы) техногенные ме-

сторождения 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 со-

става Vо среди техногенных месторождений этого типа, например в Восточном Донбассе (Ростовская область) выделено четыре группы (табл. 2.1).

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

52

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

–2-я – месторождения (техногенные геологические тела) малостабиль-

ного состава с крупными и средними запасами (объемом), содержащие сырье,

имеющее не более трех направлений использования;

– 3-я – месторождения (техногенные геологические тела) весьма неста-

бильного состава с крупными или средними запасами (объемом), содержащие минеральное сырье многоцелевого использования. Сюда относятся также мел-

кие техногенные месторождения угольного ряда песчаного, горелого песчаного,

глинистого и горелого глинистого литологических типов;

– 4-я – мелкие многокомпонентные месторождения.

Таблица 2.1

Группировка техногенных месторождений угольного ряда Ростовской области по стабильности состава

2.2. Требования к изученности месторождений техногенного сырья

Необходимая и достаточная степень изученности (разведанности) место-

рождений полезных ископаемых определяется в зависимости от сложности гео-

логического строения и размеров (масштабов) тела полезного ископаемого. По классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полез-

53

ных 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, несцемен-

тированный 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 экономиче-

ские причины.

Поскольку породные отвалы представляют собой инженерные сооруже-

ния, их объем, т.е. размеры техногенных геологических тел, содержащих мине-

ральное сырье, известен достаточно точно, известны также основные парамет-

ры 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 месторож-

дений обуславливают требования к степени их изученности, особенности выде-

ления среди них категорий разведанных и оцененных объектов. Эти требования применительно к техногенным месторождениям ряда изложены ниже.

К разведанным техногенным месторождениям относятся месторожде-

ния, качество, технологические свойства и горно-технические условия, разра-

ботки которых изучены с полнотой, достаточной для технико-экономического обоснования решения о порядке и условиях их вовлечения в промышленное ос-

воение, а также о проектировании строительства на их базе горнодобывающего предприятия.

Разведанные техногенные месторождения по степени изученности долж-

ны удовлетворять следующим требованиям:

обеспечивается возможность квалификации запасов по категории С1;

54вещественный состав и технологические свойства полезного ископае-

мого изучены с детальностью, обеспечивающей получение исходных данных,

достаточных для проектирования рациональной технологии их комплексной переработки с использованием всех полезных компонентов, имеющих про-

мышленное значение, и определения направления использования отходов про-

изводства или оптимального варианта их складирования или захоронения;инженерно-геологические, горно-геологические и другие природные

условия изучены с детальностью, обеспечивающей получение исходных дан-

ных, необходимых для составления проекта разработки месторождения с уче-

том требований природоохранительного законодательства и безопасности гор-

ных работ;

достоверность данных о внутреннем строении отвалов (тел полезного ископаемого) и качестве техногенного сырья подтверждена на представитель-

ных для всего месторождения участках детализации, размер и положение кото-

рых 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 на-

правления его промышленного использования;

технологические свойства техногенного сырья проверены полупро-

мышленными испытаниями на материале укрупненных технологических проб;

подсчетные параметры кондиций установлены на основании технико-

экономических расчетов, позволяющих определить масштабы и промышлен-

ную значимость месторождения с необходимой степенью достоверности;

рассмотрено возможное влияние разработки на окружающую среду и даны рекомендации по предотвращению или снижению прогнозируемого уров-

ня отрицательных экологических последствий.

К оцененным относятся техногенные месторождения, качество сырья,

технологические свойства и горно-геологические условия разработки которых

55

изучены в степени, позволяющей обосновать целесообразность дальнейшего геологического изучения и разработки.

Оцененные месторождения по степени изученности должны удовлетво-

рять следующим требованиям:

обеспечивается возможность квалификации всех или большей части за-

пасов по категории С2;вещественный состав и технологические свойства полезного ископаемо-

го оценены с полнотой, необходимой доля выбора принципиальной технологи-

ческой схемы переработки, обеспечивающей комплексное использование тех-

ногенного 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 кон-

кретных геологических особенностей месторождения, условий финансирования и строительства горнодобывающего предприятия.

Изучение техногенных месторождений проводится в несколько после-

довательных взаимосвязанных и взаимообусловленных этапов:

рекогносцировочные работы (предварительное изучение);

оценочные работы (полевое изучение и отбор проб, лабораторное изу-

чение – обработка проб, проведение комплекса лабораторных исследований и технологических испытаний).

Рекогносцировочные работы (предварительный этап изучения) на тех-

ногенных месторождениях сводятся к сбору и обобщению геологических и маркшейдерских данных, изучению паспортов отвалов. Основными задачами первого (предварительного) этапа изучения техногенных месторождений явля-

ется 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 облом-

56

ков угля. Такая информация содержится в материалах разведочных работ (гео-

логические отчеты), паспортах отвалов, эксплуатационной геолого-

маркшейдерской документации, журналах обогатительных фабрик и материа-

лах статистической отчетности добывающих и обогатительных предприятий.

Итогом рекогносцировочных работ (предварительного этапа изучения)

является установление литологического типа исследуемого техногенного ме-

сторождения 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, слагаю-

щих 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 термопе-

реработки). На этом же этапе производится отбор проб.

Методика и техника опробования техногенных месторождений, как и природных минеральных образований, определяются особенностями строения и структуры отвалов, а также составом слагающих их пород и должны удовле-

творять следующим условиям:

гарантировать наиболее полную представительность опробования;

обеспечивать максимально возможную производительность и экономи-

ческую эффективность опробовательских работ.

Минимально достаточное количество рядовых проб определяется, глав-

ным образом, изменчивостью состава техногенного минерального сырья, обу-

словленной литологическим типом месторождения. Расчет необходимого числа рядовых проб для составления представительной групповой пробы производит-

ся с помощью номограммы больших чисел с уровнем достоверности 0,9.

57

Из-за изложенных выше специфических особенностей строения техно-

генных месторождений чрезвычайно широкий фракционный состав породной массы, ее разрыхленность, выбор способов отбора проб на отвалах весьма ог-

раничен. Наиболее применимые виды опробования и способы отбора проб при-

ведены в табл. 2.2. Технологическая схема опробования техногенных месторо-

ждений угольного ряда включает в себя отбор рядовых и групповых проб для последующего составления модельных проб.

Рядовые пробы отбирают горстьевым или точечным способом, они предна-

значены для уточнения соотношения литологических типов пород в объеме тех-

ногенного тела и изучения вещественного состава. Масса начальных проб, ото-

бранных в точке отбора горстьевым или точечным способом, должна быть не ме-

нее 20–30 г. Начальные пробы объединяются в одну рядовую, характеризующую состав пород в точке отбора. Масса рядовой пробы должна составлять 3–4 кг.

Таблица 2.2

Рекомендуемые виды и способы опробования техногенных месторождений

Групповые пробы отбирают точечным способом, они предназначены для определения пространственной (площадной) изменчивости вещественного со-

става породной массы и составления модельных проб. Методика отбора груп-

58

повых проб изложена в работе. Минимально необходимая масса каждой груп-

повой пробы должна составлять 20–30 кг.

Модельные пробы характеризуют породную массу как сырье. Они пред-

назначаются для технологических испытаний минерального сырья. Модельные пробы составляют 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 тех-

нологических испытаний.

Обработка проб. Поскольку совокупность обрабатываемых проб обладает существенной неоднородностью, для обеспечения качества (т.е. представитель-

ности получаемого аналитического материала) величины надежных конечных масс проб берутся с запасом. Обработка проб сводится к дроблению, переме-

шиванию, сокращению и измельчению до необходимого размера частиц. Схе-

мы обработки проб рассчитываются для каждого их вида в зависимости от на-

значения по формуле Ричардса-Чечетта:

Q = Kda, (2.1)

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 величи-

ну коэффициента К равной 0,3. Начальная масса направляемых на обработку рядовых проб должна быть не менее 2,6 кг, групповых 14 кг. Обработка мо-

дельных проб, составленных на материале групповых, сводится к тщательному перемешиванию породной массы и ее дроблению до размера частиц 7–12 мм.

59

Лабораторные исследования проводят с целью выявления особенностей вещественного состава пород, слагающих изучаемое месторождение, определе-

ния их пригодности для использования как минерального сырья и экологиче-

ской оценки (радиационная оценка, выявление концентраций тяжелых метал-

лов и токсичных элементов в растворимых формах; оценка состава и объемов возможных выбросов газов в атмосферу при пирогеническом переделе техно-

генного сырья).

В круг задач, решаемых при изучении вещественного состава техногенно-

го минерального сырья, входит определение гранулометрического, минераль-

ного и химического составов, 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 высокочув-

ствительные методы анализа: гамма-спектральный, спектральный пламенно-

фотометрический полуколичественный, вакуумно-декриптометрический (тер-

мобарогеохимический).

Важной характеристикой техногенного сырья является его гранулометри-

ческий состав (кусковатость). Наиболее распространенным методом определе-

ния кусковатости при максимальной крупности обломков 300 мм является ме-

тод прямого рассева, для кусков более 300 мм – планиметрический метод.

Минералогический состав, структура, степень измененности (преобразо-

вания) пород определяются традиционными оптико-микроскопическими мето-

дами.

60

На первой стадии лабораторного изучения техногенного углесодержаще-

го сырья главной задачей, касающейся органической составляющей породной массы, является определение количества обломков угля с целью выявления це-

лесообразности их последующего выделения и изучения как сопутствующего полезного ископаемого. При количественной оценке органического компонента техногенных образований данного ряда малопригодны традиционно исполь-

зуемые для этих целей методы определения, величины потерь при прокалива-

нии (п.п.п.), величины зольности (Ad), а также содержания органического угле-

рода (Сорг), дающие систематические погрешности при пересчете на уголь. Ре-

комендуется в этом случае использовать наиболее достоверный и рациональ-

ный оптический метод (углепетрографический анализ). При этом решается сра-

зу несколько задач: определение объемного содержания обломков угля в мас-

сиве пород, их взаимоотношение с минеральными компонентами и выявление степени измененности угольного вещества. Петрографический анализ прово-

дится согласно ГОСТ 9414-93, ГОСТ 12113-94 и ГОСТ 8930-94.

Важным показателем для оценки горелых пород является содержание в них новообразованного стекла. Количественная оценка содержаний рентгеноа-

морфных фаз производится с помощью рентгенографического количественного фазового анализа (РКФА).

Содержания в техногенных образованиях ценных и потенциально токсич-

ных 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 пря-

мых радиометрических замеров с помощью полевого радиометра СРП-88 Н ли-

бо иного прибора, предназначенного для полевых замеров уровня гамма-

излучения.