Оценка техногенного сырья в Российской Федерации (твердые полезные ископаемые)

Техногенные образования в сфере твердых полезных ископаемых представляют собой отходы горно-металлургического производства, накопленные на земной поверхности в виде отвалов некондиционных руд и вскрышных пород, хвостохранилищ обогатительных фабрик, шлакозольных отвалов топливно-энергетического комплекса, шлаков и шламов металлургического производства, отвалов химической отрасли и т.д. [1-33,41,53] В оценке техногенного сырья важны два аспекта: правовой (требуется законодательное определение понятия техногенного месторождения) и методический (на оценку оказывает влияние специфика механизмов образования).

Потенциал техногенного сырья

Уникальное экономическое значение минерального техногенного сырья очевидно. Россия, будучи богатейшей в минеральносырьевом отношении страной, по отдельным видам твердых полезных ископаемых является импортозависимой (это касается бокситов, марганца, титана, хрома и др.), тогда как в отходах и отвалах отработанных и разрабатываемых месторождений сосредоточено большое количество запасов драгоценных, цветных, черных металлов и редкоземельных элементов [49,36,48]. Ежегодно накапливаемые отходы горнометаллургического производства составляют более 5 млрд т. Отрицательный эффект такой промышленной политики усугубляется изъятием из хозяйственного оборота обширных площадей, занятых отходами (вскрышными породами, забалансовыми рудами, хвостохранилищами, шлаконакопителями и т.д.). Содержание ценных компонентов в отходах нередко близко их содержанию в добываемых рудах. При этом очевидно, что вовлечение техногенного сырья в переработку может заметно укрепить экономический потенциал страны и обеспечить решение многих актуальных задач недропользования, включая:

• -    более полное использование невозобновляемых природных ресурсов и сохранение истощающегося минерального сырья в недрах;

• -    повышение производительности труда за счет рентабельной переработки добытого сырья - готового полупродукта, находящегося вблизи действующих предприятий, для которых важно восполнение истощающейся

сырьевой базы и обеспечение занятости высвобождающейся рабочей силы;

• -    улучшение условий труда, так как техногенные месторождения расположены на земной поверхности, в отличие от подземных природных месторождений;

• -    возможное производство дешевых стройматериалов (песка, щебня, гравия и др.), а из шлаков - шлаковаты, шлакового литья, минеральных добавок для улучшения структуры почв, удобрений для сельского хозяйства и др.;

• -    сокращение или ликвидацию источников загрязнения окружающей среды, рекультивацию занимаемых отходами земель.

Показательна рациональная политика зарубежных стран, которые утилизируют отходы производства и разрабатывают технологии их переработки: в США доля вторичного сырья в производстве цветных металлов составляет 25 - 55 %. Подобная тенденция наблюдается и в Канаде, Великобритании, ЮАР, Испании. В развитых странах из вскрышных пород производится до 80 % строительных материалов; кроме того, как пример, из отвалов окисленных медных руд и хвостов обогащения бактериальным и кислотным выщелачиванием производится до 20 % меди.

Правовой аспект

В действующем законодательстве РФ [48] нормативными правовыми актами регламентированы отношения по использованию отходов горнометаллургического и связанных с ним перерабатывающих производств [45] и отношения по обращению с отходами производства и потребления в целях предотвращения их вредного воздействия на здоровье человека и окружающую природную среду [46]. При этом нормы законодательства об отходах (например, о праве собственности) расходятся с нормами законодательства о недрах. В целях упорядочения правового регулирования в сфере использования техногенного минерального сырья необходима корректировка отдельных положений действующего законодательства.

В Законе «О недрах» [45] отсутствует правовое понятие «техногенного месторождения», что затрудняет разграничение отношений по использованию отходов горно-металлургического производства. В отличие от России в законодательстве о недрах ряда стран СНГ это понятие имеет правовое определение [40]. Оно присутствует в региональных правовых актах некоторых субъектов Российской Федерации (Татарстана [44], Ростовской области). Обращает на себя внимание то, что при перманентном дефиците бюджета Российской Федерации государственные органы не проявляют активности по его частичному восполнению -законодательному решению вопросов освоения отходов горно-металлургического производства, о чем свидетельствует, например, отклонение обращения Магаданской областной Думы в Госдуму и Правительство РФ в мае 2010 г. с предложением по упрощению доступа к техногенным россыпям.

Тем не менее основа для правового решения проблемы освоения техногенного минерального сырья существует – в Распоряжении МПР России №37-р от 05.06.2007 «Об утверждении методических рекомендаций по применению классификации запасов месторождений твердых полезных ископаемых» дано определение техногенных россыпей. Кроме того, в практике ГКЗ фактически происходит наполнение Государственного баланса запасами техногенных месторождений – на конец 2015 г. балансом учтены запасы более 440 месторождений техногенного происхождения [49]. Вместе с тем техногенный минеральносырьевой потенциал остается практически нереализованным промышленностью из-за необходимости определения правил использования и обращения отходов и необходимости капиталоемкой модернизации горнодобывающей промышленности, включая реконструкцию и строительство производств, реализующих современные разработки и инновационные технологии по освоению техногенного сырья.

В настоящее время в планах очередных изменений закона «О недрах» Министерством природных ресурсов и экологии Российской Федерации намечаются шаги по определению правового статуса техногенных месторождений – предполагается отходы первичной переработки минерального сырья относить к государственному фонду недр с введением обязательности их использования только на основании технических проектов разработки месторождений и предоставления данных о полезных ископаемых, содержащихся в отходах, в органы государственной статистики.

Внесению согласованных изменений подлежит закон «Об отходах производства и потребления» [46] - в нем предполагается сохранить только экологические аспекты и полностью вывести из него регулирование и использование техногенных образований.

Кроме того, система государственного учета и экспертизы техногенных образований будет строиться на основе единого фонда геологической информации, создаваемого в соответствии с изменениями в Законе «О недрах» [43].

Промышленные характеристики месторождений техногенного сырья

Техногенные минеральные образования при условии положительной оценки экологоэкономической эффективности их освоения представляют собой техногенные месторождения (ТМ), которые должны отвечать следующим требованиям: 1) представлять коммерческий интерес - как непосредственный источник вторичного сырья, либо с учетом последующей переработки и получения различных видов товарной продукции; 2) окупать инвестиционные затраты; 3) опираться на экологически чистые технологии при необходимости вовлечения во вторичную переработку; 4) отвечать требованиям, установленным нормативными правовыми актами к качеству минерального сырья и получаемой товарной продукции; 5) иметь рынок для прямой или опосредованной продажи содержащихся в них полезных ископаемых.

Возможное использование техногенных минеральных образований подразделяется на два направления: 1) доизвлечение основных полезных компонентов (металлов и неметаллов), которые не могли быть извлечены ранее при существовавшем уровне развития техники и технологии; 2) нетрадиционное использование сырья, которое не предполагалось ранее при утверждении запасов «первичных» месторождений (например, в качестве стройматериалов и др.).

Запасы минерального сырья ТМ подлежат Государственному учету на основе заключений государственной экспертизы, подтверждающих их количество, качество и экономическую значимость и удостоверяющих горнотехнические, технологические, гидрогеологические и экологические условия разработки.

По морфологическим признакам ТМ подразделяются на: 1) насыпные, представленные терриконами угольных шахт и разрезов, отвалами рудников и карьеров месторождений цветных, черных и редких металлов, техногенными россыпями, образующимися при разработке россыпных месторождений, отходами золотоизвлекательных фабрик, шлакоотвалами цветной и черной металлургии; 2) наливные, образующиеся при заполнении впадин земной поверхности техногенными отходами обогащения руд

(шламо- и хвостохранилищами горнообогатительных фабрик), шламоотвалами цветной и черной металлургии, золо- и шлакоотвалами энергетического комплекса, шламоотвалами химических производств.

В приповерхностной зоне техногенных отложений под воздействием кислорода, воды, фильтрационных электрических полей и других факторов происходят интенсивное растворение и миграция металлов и их соединений. При этом образуются обогащенные и обедненные участки с восстановительными и окислительными формами нахождения, требующими при утилизации применения специальных технологий извлечения. Особенно это явление характерно для отходов добычи и обогащения сульфидных руд, в процессе хранения которых происходит быстрое окисление, в результате чего первичные руды и породы разрушаются, а в воду и почву выносятся тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, висмут, мышьяк, сурьма и др.). Это заставляет, в первую очередь, оценивать техногенные скопления как источники повышенной экологической опасности и лишь затем - как объекты экономически выгодной утилизации.

В результатe гравитационной дифференциации в лежалых отходах со временем образуются достаточно крупные обогащенные металлами залежи, в нижней части которых могут формироваться тела, подобные зонам вторичного обогащения. Кроме того, пространственное размещение богатых участков хвостохранилищ в плане контролируется расположением пульпопроводов, а в разрезе - качеством перерабатываемого минерального сырья, изменяющегося во времени по мере отработки первичного месторождения и изменения технологической схемы переработки руд. На объективную оценку хвостохранилищ по вещественному составу, по концентрационной и гранулометрической зональности и ожидаемым запасам влияет также соотношение жидкой и твердой фаз сбрасываемой в хвостохранилище пульпы, ее вещественный состав, кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства, временной режим сброса, направление и места сброса, рельеф дна хранилищ, физикохимические характеристики подстилающих хранилище пород.

Промышленные типы месторождений техногенного сырья

По составу и механизму образования ТМ, возникающие при добыче и переработке продуктов обогащения руд коренных месторождений цветных (Cu, Zn, Pb, Al и Mg), редких (Ni, Sn, Mo, W, Bi, V, Co, As, Sb и Hg) и благородных (Au, Ag, Pt, Pd) металлов, как правило, являются месторождениями смешанного типа, т.е. пригодными как для доизвлечения металлов, так и для получения стройматериалов. ТМ, возникающие при обогащении руд, представлены хвостохранилищами, сложенными измельченным материалом с водонасыщением до 20 - 50 %, плотностью 1,5 - 2,5 т/м³ и содержанием глинистых частиц до 50 %. При флотационном обогащении основная масса отходов хвостохранилищ представлена пылевидным материалом, а при гравитационном – мелкозернистым. В пылевидном материале более 25 % частиц имеют диаметр менее 0,1 мм, а в мелкозернистом – менее 25 % – диаметр меньше 0,1 мм. Полезные компоненты распределены в хвостохранилищах неравномерно. Металлоносные участки представлены системой разобщенных пластообразных, линзовидных, изометрических и неправильной формы тел. Их размером предопределяется система отработки месторождения.

Шлаки металлургического производства подразделяются на литые, поступающие в шлакоотвалы в горячем состоянии, и гранулированные, являющиеся исходными после предварительной грануляции. Распределение полезных компонентов в шлаках зависит от изменения состава исходного сырья и показателей их извлечения в зависимости от состава перерабатываемых концентратов и интенсивности процессов вторичного перераспределения металлов в них, которые для литых шлаков проявляются лишь в приповерхностной части, а для гранулированных – на большую глубину и более интенсивно.

ТМ, сложенные вскрышными и вмещающими породами и некондиционными рудами, представлены рыхлыми, полускальными и скальными породами и рудами различного состава, соответствующего коренным месторождениям. В этом типе ТМ обычно не наблюдается закономерностей в распределении наиболее богатых металлами участков. ТМ цветных и редких металлов, помимо доизвлечения основных полезных компонентов и получения стройматериалов (щебня, песка, гравия, закладочного материала и т.д.), могут являться ценным источником попутных элементов, которые в начальный период добычи руд по тем или иным причинам не извлекались. Например, отвалы и хвосты медно-никелевых руд Норильска содержат промышленные по современному уровню технологий переработки концентрации платиноидов, золота и серебра, которые ранее извлекались лишь частично. Практически все полиметаллические и медно-цинковые месторождения содержат Ag, Cd, барит, редкие и рассеянные элементы, потребность в которых растет в последнее время, что приводит к снижению промышленных кондиций на них.

ТМ черных металлов, как и цветных и редких, формируются при добыче, обогащении и переработке коренных руд Fe, Ti, Mn, Cr. Они также, как правило, относятся к месторождениям смешанного типа. Основное перспективное направление их переработки – это использование в качестве строительного материала с предварительным извлечением металлических фаз. Характерными стройматериалами, которые могут быть получены из шлаков черной металлургии, являются: гранулированные шлаки, шлаковая пемза как заполнитель бетона, шлаковата, литой шлаковый щебень, шлаковое литье (брусчатка, плитки, бордюрный камень и пр.), стеклокерамические изделия, вяжущие добавки в цемент, минеральные добавки для улучшения почв.

ТМ угольной отрасли являются отходами разработки месторождений, состоящими из пустой породы и значительного количества угля. Первую группу отходов составляют вскрышные (при открытой добыче) и шахтные породы. Это -ТМ, возникающие при добыче углей. Представительная информация о накоплении в отвалах этих отходов отсутствует. Наиболее изучен вопрос в Кузбассе, где ориентировочно образуются 12-15 млн т/год вскрышных пород с зольностью 72-86 %. Вторую группу составляют отходы углеобогатительных фабрик; их количество – 5-40 % от перерабатываемой массы угля. В зависимости от способов обогащения образуются кусковые и мелкодисперсные отходы соответственно при гравитационном и флотационном обогащении. Отходы углей образуют минеральное сырье следующих потребительских групп: строительной, теплоизоляционной, петролургической, огнеупорной, технологической, адсорбционной, красяще-пигментарной, керамической, энергетической, агрохимической – и в зависимости от их литологического состава и степени термопереработки могут быть использованы для производства в промышленных масштабах десятков видов продукции для местных нужд. По большинству направлений использования имеются технологии производства, например, технология производства тонкого и супертонкого минерального волокна типа базальтового из горелых пород шахтных отвалов.

ТМ топливно-энергетического комплекса, представленные золами-уносами и шлаками, образуются в результате сжигания углей на энергетических установках. Одной из важных проблем, связанных с шлакозольными отвалами теплоэлектростанций, является изучение их состава и количества содержащихся в них микропримесей, которые могут представлять экономическую ценность. Использование золы и шлака в основном связано с производством строительных материалов, перспективы – с возможным извлечением глинозема, а также железа, редких (галлий, германий) и благородных (золото) металлов. Складирование шлакозольных отходов сопряжено с широкомасштабным воздействием на окружающую среду, что ведет к отчуждению земель и загрязнению атмосферы, подземных и поверхностных вод. Проблема использования шлакозольных отвалов до настоящего времени ждет своего решения.

Особую группу составляют ТМ, возникающие в результате разработки россыпных месторождений золота, платиноидов, алмазов, касситерита, вольфрамита. В настоящее время наибольший интерес представляют техногенные россыпи золота. Отвальные техногенные россыпи включают отвалы торфов вскрыши, хвостов промывки дражной и гидромеханизированной разработки. Металл содержится также в оставленных целиках и блоках забалансовых песков. Содержание металла в техногенных россыпях зависит от величины бортового содержания, установленного во время производства вскрышных работ. После извлечения металла материал отвалов можно использовать в качестве песчано-гравийных смесей.

Разведка месторождений техногенного сырья

Разведка ТМ осуществляется в соответствии с действующими требованиями к разведке месторождений твердых полезных ископаемых [39, 52, 50, 37, 38] с учетом специфики образования отходов горнометаллургического производства, их физического состояния и необходимости технико-экономической оценки эффективности их промышленной утилизации и разработки хозяйственных решений по реконструкции предприятий-источников отходов. Задачи разведки ТМ заключаются в оценке фактического количества и качества минеральных веществ и в определении возможности их вовлечения в переработку, а также – в оценке возможности сокращения источников загрязнения окружающей среды или их ликвидации и возможности рекультивации и освобождения занимаемых отходами земель.

С точки зрения методики разведки ТМ подразделяются на две группы. Одну из них представляют насыпные и наливные хвостохранилища обогатительных фабрик, скопления шлаков и шламов металлургического производства, шлакозольные отвалы топливно-энергетического комплекса, отвалы химической отрасли и т.д. Вторую составляют отвальные техногенные россыпи, возникающие в результате разработки россыпных месторождений.

Наиболее сложны для разведки отвалы конической и гребневидной формы удельной вместимостью более 10 м3/м2 с крутыми значительно деформированными уступами и бортами, материал которых характеризуется наличием крупных глыб. Наличие пустот выгорания в теле отвалов угольного ряда, рыхлый, несцементированный характер слагающей их породной массы, а также значительная высота и крутизна склонов также практически полностью исключают возможность их разведки горными и буровыми работами; при этом первостепенное значение приобретает изучение качества и технологических свойств материала этих отвалов.

В условиях плоской поверхности хвостохранилищ основными видами разведочных выработок являются шурфы, траншеи и ударно-канатные и пневмоударные скважины. Главная сложность бурения - необходимость крепления ствола скважин. Возможный осложняющий фактор -повышенная влажность или значительная обводненность хранилищ. При разведке новообразованных отвалов используются закопушки и мелкие шурфы. Ориентировочные параметры разведочной сети для оценки запасов категории С 1 – (50 - 100)×(50 - 200) м.

Четкие геометрические контуры хранилищ позволяют достаточно определенно решать методические вопросы их разведки, тогда как остаточные ресурсы отработанных россыпных месторождений характеризуются весьма сложным пространственным распределением материала: эфельные отвалы могут быть перекрыты породами вскрыши, галечные отвалы вперемешку с самородками оказываются распределенными в виде дорог, а сами вскрышные породы могут содержать достаточно высокие концентрации полезных компонентов в связи с тенденцией ужесточения кондиций. Распределение золота в техногенных отвалах россыпей кардинально отличается от распределения в самих россыпях. Кроме того, многие техногенные отвалы становятся объектами изучения после многократной переработки, а какие-либо сведения по этим работам практически отсутствуют.

Для опробования ТМ применяются известные способы и виды, в том числе геологическое - для определения содержаний полезных ископаемых, а совместно с минералогическим, технологическим и техническим – для уточнения или изучения технологических свойств сырья с целью определения или уточнения и корректировки технологического режима разработки месторождений и технико-экономических показателей их освоения.

Наряду со стандартными способами опробования (поинтервальное в выработках и т.д.) используются специфические приемы. К ним относится горстьевой на поверхности новообразованных отвалов. Кроме того, учитывая, что техногенные отвалы часто представлены кусковатым материалом, глубокие шурфы и канавы опробуются прерывистой бороздой или точечным способом. Мелкие шурфы, копуши и скважины опробуются путем сокращения извлекаемого при проходке материала.

Способ опробования и масса проб определяются экспериментально. Масса зависит от величины (крупности) кусков, характера распределения полезных компонентов и количества необходимых анализов и испытаний, включая формирование групповых и малообъемных технологических проб. Длина интервала опробования скважин зависит oт мощности техногенных образований, характера распределения в них полезных компонентов, крупности кусков и длины рейсов. В связи с высокой изменчивостью состава отвалов под влиянием окислительных процессов длина интервала опробования не должна превышать 1 - 2 м.

Надежность принятого способа опробования оценивается отбором и анализом валовых проб, а при установленной достоверности геофизического опробования -геофизическими методами. Данные опробования скважин заверяются результатами крупно-объемного опробования контрольных шурфов или скважин большого диаметра (500 мм и более); при невозможности их проходки допускается бурение кустов скважин вблизи контролируемых.

Спецификой ТМ является крайне низкое содержание полезных компонентов. В связи с этим при их оценке необходимо определять возможность применения методов предварительного обогащения (радиометрического и др.) в соответствии с действующими методическими рекомендациями [51].

Механизмом формирования ТМ обусловлено специфическое значение их минералогического опробования. Для количественной оценки содержания редких и рассеянных элементов анализируются мономинеральные пробы (с содержанием исследуемого минерала не менее 90 %) или лабораторные концентраты (в случаях тесного взаимного прорастания кристаллов), в которых минерал-носитель исследуемых элементов содержится в количестве не менее 50 %.

Начальным технологическим изучением (на основе геолого-технологического картирования по сети, учитывающей частоту перемежаемости природных разновидностей сырья) предусматривается определение возможности и целесообразности выделения технологических типов и сортов. В процессе исследования минералого-технологических проб уточняются свойства, определяющие обогатимость сырья и/или условия металлургического передела.

Вследствие низких содержаний полезных компонентов для рентабельной переработки техногенного сырья необходимо применение прогрессивных технологий с использованием высокопроизводительного оборудования, обеспечивающих наиболее полную его утилизацию с минимальным ущербом для окружающей среды.

Для оценки возможности применения геотехнологических методов переработки техногенных отвалов (выщелачивание, гидродобыча) при анализе минералогических проб изучаются состав, комплексность сырья, соотношение минеральных видов, состояние и размеры зерен, их морфология. Кроме того, определяются параметры техногенных залежей и подстилающих пород, влияющие на показатели отработки: коэффициенты фильтрации, пористость, водоотдача и др.

Экологическое воздействие освоения ТМ на окружающую среду (ОС) оценивается сравнением с соответствующими нормами [47]; при их отсутствии - с технологическими или проектными допусками. Воздействие техногенных образований на ОС зависит от агрегатного состояния (твердое, жидкое, газовое, аэрозольное), концентрации опасных компонентов, их общего количества и особенностей размещения в пространстве. С технологическими отходами горного производства связаны следующие источники воздействия на ОС: отвалы пород вскрыши, забалансовых руд и хвостохранилищ как источники деформации ландшафта, отчуждения земель и перемещения хвостового материала; подотвальные воды как источник гидрохимического воздействия на поверхностные водотоки и подземные воды; фильтрационные потери жидкой фазы хвостохранилищ как источник гидрохимического и гидродинамического воздействия на почву, поверхностные водотоки и подземные воды; ветровой перенос аэрозольного вещества как фактор формирования воздушных и наземных ореолов рассеяния. Экологическое и радиационно-гигиеническое воздействие разработки ТМ на ОС оценивается в соответствии с отраслевыми нормативными документами [34, 35, 42].

При обосновании комплекса экологических исследований необходимо учитывать следующие возможные случаи: 1) ТМ служит сырьевой базой действующего предприятия и его сырье намечается перерабатывать по существующей схеме (или с незначительными изменениями); в этом случае факторы воздействия на ОС от переработки техногенного сырья будут те же, что и при использовании сырья природного месторождения; 2) техногенное сырье будет использоваться по иному назначению или перерабатываться по схеме, отличающейся от действующей; в этом случае оценку воздействия освоения техногенного сырья на ОС необходимо проводить в полном объеме.

Выводы

• 1.    Отходы объектов горнометаллургического производства Российской Федерации являются важнейшим минеральносырьевым потенциалом и источником восполнения дефицита ряда ведущих твердых полезных ископаемых.

• 2.    Эффективное освоение техногенных образований в Российской Федерации сдерживается несовершенством необходимой законодательной среды.

• 3.    Специфика разведки техногенных месторождений определяется их источниками, механизмами формирования, морфологией, составом промышленных скоплений и учетом воздействия на окружающую среду.

International Scientific-Technical Conference, Krivoy Rog, May 24–27, 2004, pp. 584–587.

Proceedings of a Scientific-Technical Conference, Krivoy Rog, May 24–27, 2004, pp. 591–594.

исследования при  разведке  и эксплуатации рудных месторождений. - Методические рекомендации, ВИМС, 2002.

государственную экспертизу материалов по подсчету     запасов     металлических     и неметаллических полезных ископаемых - МПР России, 2007.

initiatives for recycling metallurgical wastes,” ibid ., pp. 64–71.