Добывающая промышленность исторически славится огромными объемами извлекаемой горной массы. Но ее значительная доля в итоге оседает на поверхности в виде гигантских отвалов или хвостохранилищ. Когда руду извлекают из недр, полезного компонента в ней может быть всего несколько граммов на тонну, как в случае с золотом, или несколько десятков процентов, как при добыче железной руды. Все остальное неизбежно складируется поблизости от обогатительной фабрики.
Из-за экологической обстановки и для повышения экономической целесообразности вводятся строгие правила: лишнюю породу необходимо максимально сокращать еще на стадии проектирования производства, а оставшуюся массу пускать в дело. Снижение нагрузки на окружающую среду сегодня достигается за счет внедрения новых технологий флотации, точного обогащения и перекрестного использования материалов в смежных отраслях.
Основные категории побочных продуктов горного дела
При извлечении ценных элементов из земной коры на поверхность поднимается колоссальное количество сопутствующих материалов. Обогатительные фабрики дробят породу, измельчают ее в пыль, обрабатывают реагентами или подвергают термическому воздействию. В результате образуются специфические субстанции, которые долгие годы меняют природный ландшафт. Побочные продукты делятся на несколько базовых групп, зависящих от технологии обогащения.
В зависимости от специфики конкретной индустрии выделяют несколько видов образующихся масс.
- Вскрышные породы – слои земли, глины и камня, которые срезают экскаваторами для доступа к рудному телу при открытом способе добычи.
- Хвосты обогащения – мелкодисперсная суспензия или сухой пылевидный осадок, остающийся после извлечения целевого металла (например, меди или цинка) методом пенной флотации или выщелачивания.
- Металлургические шлаки – расплавленная, а затем застывшая масса неметаллических соединений, возникающая в печах при плавке концентрата.
- Шахтные и карьерные воды – грунтовая жидкость, содержащая растворенные соли тяжелых металлов и химические реагенты, ее откачивают на поверхность для предотвращения затопления выработок.
Традиционное хранение таких объемов обходится предприятиям в миллиарды рублей ежегодно, поскольку необходимо строить дамбы хвостохранилищ, очистные сооружения и проводить регулярный мониторинг состояния почвы. Безопасность таких объектов всегда стоит на первом месте: прорыв дамбы может привести к уничтожению целых экосистем. Поэтому горные инженеры и экологи совместно ищут методики радикального снижения выхода пустой породы. Применение инновационного оборудования позволяет отсеивать ненужные куски камня еще в шахте.
Современные методы снижения объемов пустой породы
Чтобы уменьшить количество лишнего материала на поверхностных складах, предприятия внедряют технологии так называемого «предварительного обогащения». Смысл концепции заключается в том, чтобы отделить пустую породу еще до того, как руда попадет в дробилки и мельницы фабрики.
Измельчение камня – самый энергоемкий процесс на любом горно-обогатительном комбинате. Если не молоть куски, в которых заведомо нет ценного металла, можно сэкономить мегаватты электроэнергии и предотвратить образование тысяч тонн пылевидных хвостов. Для реализации этой задачи на конвейерах устанавливают оптические, рентгенолюминесцентные и радиометрические сепараторы.
Датчики и технологии сепарации
Современные рентгенотрансмиссионные сепараторы просвечивают каждый движущийся по ленте камень. Автоматика за миллисекунды анализирует плотность куска и подает сигнал пневматической пушке, которая струей сжатого воздуха выбивает пустую породу в отдельный бункер. В результате на дальнейшую переработку отправляется только богатое сырье, а отбракованный щебень остается в крупном виде и не превращается в химически загрязненные отходы. Такое решение актуально на месторождениях вольфрама, олова, золота и алмазов.
Помимо автоматической сортировки, инженеры применяют еще несколько схем для уменьшения потерь и снижения объемов складирования:
- замкнутый водооборот – вода после флотации очищается коагулянтами на специальных станциях и снова возвращается в процесс рудоподготовки, что исключает сброс загрязненной жидкой среды в реки;
- сгущение хвостов – применение пресс-фильтров и радиальных сгустителей, которые отжимают воду из отходов до состояния сухого кек-осадка (его складировать намного безопаснее, чем жидкую пульпу);
- биовыщелачивание – использование специальных бактерий для извлечения металлов из бедных руд, что снижает потребность в агрессивных химикатах и уменьшает токсичность отходов.
Описанные технологии напрямую влияют на экономику комбината. Меньше хвостов – меньше площадь под их складирование, ниже экологические налоги и штрафы. Тем не менее, добиться абсолютно безотходного производства в добыче полезных ископаемых пока невозможно ввиду законов физики и химии. Поэтому остаточную массу все равно приходится где-то размещать или перерабатывать.
Переработка оставшихся материалов
То, что остается после применения всех современных методов обогащения, уже не имеет первоначальной ценности для комбината с точки зрения извлечения целевого металла. Однако эти материалы обладают неплохими физико-механическими свойствами для использования в смежных отраслях хозяйства. В СССР огромные терриконы угольных шахт иногда просто горели годами из-за процессов самовозгорания, загрязняя атмосферу целых регионов серой и углекислым газом. Сегодня к таким объектам относятся как к техногенным месторождениям. В старых хвостах часто содержатся редкоземельные элементы, технологии извлечения которых в прошлом отсутствовали.
В зарубежной и отечественной практике применяется масса способов утилизации того объема камня и шлаков, которые невозможно просто оставить на земле. В ход идут самые разные инженерные решения. В частности, пустую породу начинают активно дробить на фракции и продавать строительным компаниям.
Варианты применения побочных продуктов горного производства:
- создание закладочных смесей – хвосты обогащения смешивают с цементом и закачивают обратно в подземные пустоты (выработанные шахты), тем самым предотвращается оседание земной поверхности и обрушение сводов;
- дорожное строительство – отвальные шлаки металлургических производств и вскрышные породы перемалывают в щебень, который подходит для отсыпки подушки под асфальтовое покрытие или железнодорожное полотно;
- производство строительных материалов – золы уноса и определенные виды кремнеземистых хвостов являются сырьем для изготовления кирпича, керамзита, шлакоблоков и специальных добавок в бетон;
- рекультивация ландшафтов – безопасными глинистыми вскрышными массами засыпают старые отработанные карьеры, восстанавливая рельеф, поверх насыпают плодородный грунт и высаживают деревья.
Благодаря использованию техногенного сырья решают сразу две глобальные проблемы: разгружают прилегающие к комбинатам территории и сохраняют природные запасы обычного строительного камня и песка. В скандинавских странах объемы переработки горнопромышленных отходов достигают 80%. Комбинаты там проектируют сразу с учетом стоящего рядом завода по производству щебня из пустой породы. В России эта тенденция тоже набирает обороты, особенно в густонаселенных горнопромышленных регионах Урала или Кузбасса, где свободного места для новых полигонов просто нет. Комплексная переработка сырья становится нормой работы обогатительных фабрик нового поколения.