Эколого-сырьевые проблемы добычи металлов на Северном Кавказе

Новейший период истории Земли ознаменовался появлением Человека, цена деятельности которого, в отличие от других представителей живой природы, неизмеримо велика: она означает процветание или гибель жизни на планете Земля. Выживание окружающей среды стало предметом межгосударственных отношений как реакция на резкое обострение противоречий в системе человек – ресурсы – окружающая среда.

По запасам руд черных металлов, цинка, никеля, олова, титана, тантала Россия занимает первое место в мире; по запасам вольфрама, ниобия, золота и платиноидов - на втором месте; по запасам меди, свинца, молибдена и редких металлов – на третьем месте, но производство металлов не удовлетворяет потреблению, а дефицит восполняется импортом. В наиболее сложном положении оказалось производство стратегически важных металлов, таких как вольфрам, молибден, олово, свинец, цинк, значительная часть которых добывалась на Северном Кавказе.

Потребление в 2005 г. относительно 1995 г. сократилось: по железным рудам – в 1,6 раза, алюминию – в 7,8, меди – в 3,6 раз, никелю – более чем в 10 раз, свинцу – в 6,4 раза, цинку – в 4,7 раза, вольфраму, молибдену, платиноидам, редким металлам - на 90 процентов.

Проблема обеспечения свинцом и цинком видна при сопоставлении их производства и потребления на душу населения, которые составляют в развитых странах 4,2 и 4,3 кг, в развивающихся – 0,3 и 0,4 кг, а в России – только 0,1 и 0,6 кг соответственно [1]. Минерально-сырьевая база свинца в России значительна, однако многие крупные разведанные объекты не осваиваются, так как добыча оказывается нерентабельной.

Проблемы выживания горных регионов Юга России имеют особую актуальность. Особенности горного ландшафта, заключающиеся в чередовании высот и ущелий, наличии многоводных и быстрых потоков способствуют тому, что продукты добычи минералов формируют мощные очаги загрязнения. В горных регионах нередки природные катаклизмы наводнения, обвалы, кислотные дожди и др. К числу их относится, например, ледник Колка объемом более 150 млн. кубометров и высотой свыше 100 метров, сошедший в 2003 г. с высоты 4 тыс. метров со скоростью 150 км/час в районе Кармадонского и Кобанского ущелий Северной Осетии. Погибло 16 человек, без вести пропало более 120.

Концепция устойчивого развития горных и горнодобывающих регионов Кавказа включает в себя направления[2]:

• -    превращение регионов в элемент мировой цивилизации;

• -    использование ресурсного потенциала горных регионов с учетом интересов горцев;

• -    координация отношений между институтами управления горными регионами;

• -    планирование развития горных регионов с учетом их специфики;

• -    подготовка специалистов по проблемам горных регионов;

• -    сохранение традиционных систем природопользования, культурного и природного наследия, и др. категорий развития.

Добыча полезных ископаемых в горах известна с глубокой древности. Так, интерес к Садонскому свинцу увеличился в первой четверти XIX века. Первые исследования Садонского месторождения были выполнены в 1842 г., а в 1843 г. была начата его промышленная эксплуатация. В 1892 г. в качестве сырья стали использовать ранее теряемые цинковые руды. К 1913г. Садонский рудник становится крупным предприятием с обогатительным переделом на Мизурской фабрике и металлургическим – на Владикавказском заводе. В 1927 г. Северная Осетия была единственным в России производителем цинка и 63 % свинца.

Аналогичны темпы интенсивного освоения запасов и других месторождений Северного Кавказа. Их запасы отрабатывали выборочно, оставляя в недрах некондиционные для того времени руды и осложняя геомеханические условия для рудовмещающих пород. Потерянные запасы переводились в категорию неактивных, которая в настоящее время достигает 50% от исходных запасов.

Руды металлических месторождений перерабатывали на обогатительных фабриках, а хвосты переработки формировали техногенные месторождения.

За годы эксплуатации рудовмещающие массивы в границах месторождений разрушены с выходом зон обрушения на земную поверхность. Эти зоны являются проводниками водных потоков, которые выщелачивают минералы, вынося в горные реки растворы опасных ингредиентов.

Технологии добычи и обогащения на кавказских предприятиях нерентабельны, что при плановой экономике компенсировалось дотациями. Разубоживание руд породами до 60 % и потери руд при добыче не менее 20% приводили к тому, что добыча металла обходилась намного дороже рыночной цены.

Технологические причины кризиса добычи металлических руд:

• -    несоответствие способов управления массивом и управлением качеством;

• -    стадийный порядок выемки запасов с высокими потерями и разубоживанием;

• -    недостаточная полнота извлечения полезных компонентов при обогащении;

• -    пирометаллургический передел руд с потерями металлов.

Концепция технологической конверсии включает в себя:

• -    снижение разубоживания руд породами при закладке пустот твердеющими смесями;

• -    полное использование запасов при выщелачивании металлов из убогих и бедных руд;

• -    гидрометаллургическую переработку руд с извлечением всех ценных компонентов.

Комбинированная технология выщелачивания руд, хвостов и очистки металлосодержащих стоков до норм ПДК, включающая вскрытие минералов анолитом и обессоливание растворов в электродиализаторах, позволяет извлекать металлы с большей эффективностью, а также сделать накопленные отходы безопасными для утилизации [3].

От успеха конверсии зависят показатели жизнедеятельности горных регионов: экономические, социальные и экологические [4].

Месторождения Северного Кавказа составляют основу добывающей и перерабатывающей отраслей промышленности регионов Северного Кавказа (рис.1).

Рис.1. Месторождения цветных металлов Северного Кавказа

Важнейшими полезными ископаемыми рудной минерагении на территории Северного Кавказа являются черные, цветные, благородные, малые, редкие металлы и рассеянные элементы (табл. 1). [5]

Таблица 1

Горнорудная типизация месторождений (по Э.М.Цириховой)

Генетическая группа	Тип	Примеры
1	2	3
Эндогенная магматическая	Хромитовые	Беденское, Дюрбежи-Дорбун
Эндогенная колчеданная	Медноколчеданные	Урупское, Худесское
	Меднопирротиновые с полиметаллами	Буронское, Лабагомское
	Колчеданнополиметаллические	Филизчайское, Кизилдеринское
	Колчеданные	Джегутинское
Эндогенная телетермальная	Свинцово-баритовые	Брдзышха, Дзышра
	Баритовые	Кутаисские, Абхазские

Продолжение Таблицы 1

1	2	3
Эндогенная гидротермальная	Кварц-шеелитовые	Кти-Теберда
	Рассеянное оруденение золота	Цурунгальское, Стыр-фарс
	Золотоносные кварц-киновар-ные и кварц-арсенопиритовые	Тибское, Зруг, Куспарты
Эндогенная гидротермальная	Кварц-сурьмяно-полиметал-лические	Гитче-Тырныауз
	Ртутные (лиственитовый тип)	Заканское, н-тебердинское
	Ртутные (кальцит-диккиты)	Хпег-Ферекское
Экзогенная биохимическая	Медистые песчаники	Белое, Ходумское, Бадское
Экзогенная химическая	Марганцевые	Лабинское
Эндогенная скарновая	Молибденит-шеелитовые	Тырныауз
	Бороносные скарны	Змейка
Эндогенная пегматитовая	Редкометальные пегматиты	Уллу-кам, Азау
Эндогенная грейзеновая	Грейзеновое оруденение	Пшиш, Белячидон
Эндогенная гидротермальная	Золото-кварцевое оруденение	Мушт, Хасаут, Шитжадмаз
	Кварц-арсенопириты	Чегет-Джора
	Кварц-карбонат-бариты	Чочукулак, Хуппара
	Галенит-сфалериты	Тызыльское. Эльбрусское
	Кварц-карбонат-полиметаллы	Фиагдонское, Джимидонское
Эндогенная гидротермальная	Кварц-полиметаллические	Садонское, Згидское
Эндогенная гидротермальная	Кварц-мышьяково-полиметал-лические	Аксаут, Маруха
Эндогенная гидротермальная	Свинцово-цинковые	Квайса
	Кварц-шеелит-антимониты	Зопхито, Картишо
Эндогенная гидротермальная	Кварц-ферберит-антимониты	Хуландойское, Антимонитовое
	Реальгар-аурипигменты	Лухумское, Сакаурское
	Ртутные	Кишкит, Ахейское
	Ртутные (кварц-диккиты )	Гапцах. Сахалинское
Экзогенная, выветривания	Железорудные	Пцицар, Малкинское

Регионы располагают не только богатыми природными ресурсами но и техногенными ресурсами – отходами производства объемами до 10 до 100 млн.м3. Техногенные месторождения опасны для окружающей среды как поставщики химических реагентов в биосферу (рис.2).

Рис.2. Схема загрязнения окружающей среды отходами горного производства

Ущерб от них остается не оцененном в полной мере, учитывая многообразие процессов, протекающих в их массивах. При захоронении хвостов принятыми в настоящее время технологиями опасность химической деградации увеличивается [2].

Так, в Республике Северная Осетия-Алания до 1984 г. хвосты обогащения Садонских руд складировали во временном хвостохранилище и сбрасывали их в реку Ардон в паводковый период, отчего в районе деятельности комбината выявлены природные и техногенные аномалии в почвах, донных отложениях, водных системах и основных видах сельскохозяйственных культур (рис.3).

Рис. 3. Зоны загрязнения территории РСО-Алания:

1, 2, 3 – высокой, средней, низкой степени, 4 – нефтепродуктами, 5 – удобрениями и ядохимикатами; 6 – донные отложения тяжелых металлов

Загрязнение почв выше допустимого уровня зафиксировано на площади 370 тыс. м2. На глубине 0,2 м в почвах района накоплено 150 т цинка, 32 т свинца и 16 т меди [3].

По значениям суммарного показателя загрязненности в окрестностях хвостохранилища выделены зоны:

• -    допустимых значений с содержанием металлов, превышающим фоновые, но не достигающем аномальных значений;

• -    умеренно опасных значений с аномальными концентрациями элементов 1-го класса опасности;

• -    опасных значений с концентрацией металлов до десятых долей

процента;

• -    катастрофически опасных значений.

Аналогичные зоны выделены в техногенном ореоле рассеяния тяжелых металлов площадью 42 км2, занимающем всю правобережную территории города и значительную часть левобережной г.Владикавказа [4].

За 10 последних лет при незначительном уменьшении концентрации загрязнителей площадь загрязнения увеличилась, хотя при уменьшении объема производства металлов можно ожидать обратного результата.

Распределение максимальных значений показателей заболеваемости по зонам г.Владикавказа свидетельствует о том, что состояние здоровья населения в северной части города, где расположены металлургические заводы, хуже, чем в южной[5]. В районах расположения промышленных предприятий цветной металлургии прогрессирует детская смертность, впервые выявленные врожденные пороки развития, смертность от злокачественных опухолей и т.п. Компоненты геологической среды содержат концентрации мышьяка, вольфрама, молибдена, сурьмы, свинца, цинка в несколько раз превышающие ПДК или фоновые значения, характерные для Кавказа в целом, вызывающие заболевания: молибденос, пневмокониоз, хронический пылевой бронхит, ларингофарингиты, мочекаменная болезнь. Город Владикавказ по уровню заболеваемости его населения отнесен к зоне патогенеза.

Природная составляющая процесса сводится к повышенной проницаемости аллювия, слагающего Осетинскую равнину, на которой расположен г. Владикавказ, и сложности удаления загрязнителя путем его перемещения по латерали и его быстрому вертикальному проникновению с загрязнением более глубоких горизонтов геологической среды. В аналогичном положении находятся и другие горнодобывающие регионы Северного Кавказа, располагающие запасами техногенных месторождений (рис.4).

Ставропольский край

50 млн.т

0 млн.т

КабардиноБалкарская Республика

Республика Адыгея

Республика

Ингушетия

Республика Северная Осетия-Алания

Чеченская Республику

100 млн.т

Краснодарский край

Республика Дагестан

Карачаево-Черкесская Республика

Рис. 4. Запасы техногенных металлических месторождений Северного Кавказа

Состояние природной среды горнодобывающих регионов определяется количеством и качеством хранящихся отходов, поэтому радикальным решением проблемы может быть утилизация запасов хвостов, которая возможна после извлечения из них металлов до уровня санитарных требований. Таким требованиям отвечает технология с комбинированным воздействием на минеральное сырье одновременно механической и химической энергией в активаторах типа дезинтегратор, которая является составной частью получающего развитие направления выщелачивания металлов из руд (рис.5).

Рис. 5. Комбинированная добыча металлов:

• 1    – штабель КВ; 2 – блок ПВ; 3 – отвал; 4 – пруд; 5, 6, 7, 8 – емкости; 9,10 – технологические аппараты; 11 – сорбционно-десорбционная колонна; 1215 – вспомогательное оборудование.

Возможность извлечения свинца и цинка из хвостов обогащения подтверждается экспериментально с использование феномена изменения свойств минералов при активации в дезинтеграторе. Экспериментально получены показатели извлечения металлов по трем вариантам обработки хвостов:

• -    без механической активации;

• -    с предварительной активацией в дезинтеграторе и последующим выщелачиванием вне дезинтегратора;

• -    с выщелачиванием во время активации в дезинтеграторе.

В экспериментах, осуществленных по плану Венкена-Бокса, независимыми факторами являлись:

• -    содержание серной кислоты в выщелачивающем растворе (Х 1 ) в пределах 2-6-10 г/л;

• -    содержание хлорида натрия в выщелачивающем растворе (Х 2 ) в пределах 20-90-160 г/л;

• -    весовое соотношение массы выщелачивающего раствора и выщелачиваемой массы, обрабатываемой в единичном эксперименте (50г) в пределах 4-7-10;

• -    время выщелачивания в пределах 0,15-0,625-1,0 ч.;

• -    частота вращения роторов дезинтегратора в пределах 50-125-200 Гц.

Активация сырья в дезинтеграторе с последующим выщелачиванием вне его по сравнению с традиционным выщелачивание увеличивает извлечение:

• -    из хвостов обогащения – по свинцу – в 1,36 раза, по цинку – в 1,13 раза;

• -    из забалансовой руды – по свинцу – в 1,63 раза, по цинку – в 2,09 раза.

Активация сырья в дезинтеграторе одновременно с выщелачиванием по сравнению с вариантом раздельной активации и выщелачивания увеличивает извлечение на величину в первые проценты, значение которой определяется конкретно для исследуемого минерала.

Исследования динамики химизации региона позволяют сделать выводы:

• -    месторождения Северного Кавказа составляют основу крупного горнопромышленного комплекса, с использованием которого связано усиление нагрузки на природную среду;

• -    для горных предприятий по добыче и обогащению руд, а также металлургических заводов характерно многостороннее и крупномасштабное воздействие технологических процессов;

• -    перемещение горных масс, изменение базиса эрозии и разрушение пород с образованием дисперсных фракций влияют на безопасность жизнедеятельности населения;

• -    традиционные обогатительные процессы не могут быть востребованы при ликвидации запасов хвостов обогащения путем извлечения из них металлов;

• -    перспективным направлением извлечения металлов из хвостов обогащения является комбинированная технология, сочетающая возможности одновременно химического обогащения и активации в дезинтеграторе.

Реализация программ радикального оздоровления экосистем окружающей среды путем утилизации хвостов обогащения на сегодняшний день является единственным направлением выживания технологически насыщенного региона добычи и переработки минерального сырья в условиях неуправляемого развития технического прогресса. Вовлечение в переработку источников химизации экосистем окружающей среды решает одновременно две проблемы глобального значения: упрочнение минерально-сырьевой базы горных предприятий и сохранение от деградации уникальных рекреационных регионов Северного Кавказа.