Иркутский государственный университет
ООО НПК «Спирит»
Россия
ООО НПК «Спирит»
Россия
ООО НПК «Спирит»
Россия
ООО НПК «Спирит»
Россия
Зачастую при решении производственных задач для общего понимания состава сырья и выбора метода его переработки достаточно провести предварительную оценку методом оптико-минералогического анализа на начальных этапах технологических изысканий, что также поможет определить вектор дальнейших исследований. Материалом первичной минералогической оценки являлась проба отходов центральной обогатительной фабрики «Кузнецкая». При проведении минералогического изучения был использован метод оптико-минералогического анализа. Отходы фабрики отнесены к техногенному минеральному сырью первой группы. Показана необходимость вовлечения отходов угледобычи в повторную комплексную переработку с обязательным проведением минералого-технологической оценки, определяющей методы подготовки сырья к переработке и технологию его обогащения. Сделан вывод, что для первичной концентрации угля из хвостов можно применить гравитационные методы обогащения.
минералогия угольных месторождений, оптико-минералогический анализ, техногенные минеральные отходы, отходы угледобычи, комплексная переработка минерального сырья
Введение
По масштабам сырьевой базы угля Россия занимает четвертое место в мире. Значительная часть действующих шахт и разрезов находится в Кузнецком бассейне Кемеровской области — Кузбассе, который обеспечивает более половины отечественной угледобычи — 53 % в 2020 году [8] (рис. 1).
Такие объёмы угледобычи неизбежно влекут за собой формирование огромных масс горнопромышленных отходов, вызывают опасные, а порой и катастрофичные изменения в экосистеме и сопровождаются разрушением литологической основы, уничтожением почвенного покрова, растительного и животного мира [2]. По данным Управления Федеральной службы государственной регистрации, кадастра и картографии по Кемеровской области — Кузбассу, площадь нарушенных земель оценивается в 174.8 тыс. га, что в 12.5 раза (0.75 % площади) превышает среднероссийские показатели (0.06 %) [11]. Таким образом, проблема комплексной и безотходной переработки угольного сырья и промышленных отходов на сегодняшний день является актуальной задачей, требующей незамедлительного решения, что также соотносится с положениями «Стратегии развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления на период до 2030 года», утверждённой распоряжением Правительства РФ № 84-р от 25 января 2018 года [9].
В рамках комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Разработка и внедрение комплекса технологий в областях разведки и добычи твёрдых полезных ископаемых, обеспечения промышленной безопасности, биоремедиации, создания новых продуктов глубокой переработки угольного сырья при последовательном снижении экологической нагрузки на окружающую среду и рисков для жизни населения», утверждённой распоряжением Правительства Российской Федерации № 1144-р от 11 мая 2022 года, между Министерством науки и высшего образования Российской Федерации и Институтом земной коры СО РАН было заключено соглашение на проведение научно-исследовательской работы по теме «Переработка хвостов угольных обогатительных фабрик с целью получения товарного угольного концентрата».
Переработка техногенных отходов является актуальной и масштабной задачей для отечественной промышленности. По сути, речь идет о создании новой отрасли, которая должна будет вовлекать во вторичный передел накопленные за многие годы техногенные отвалы и снизит количество вновь складируемых отходов [1, 4, 5, 12, 13]. Помимо решения остро стоящего вопроса снижения негативного воздействия накопленных отходов на окружающую среду, внедрение соответствующих технологий должно повысить конкурентоспособность угольной промышленности и способствовать развитию регионов угледобычи [10].
Для создания технологии комплексной переработки горнопромышленных отходов необходимо тщательное изучение их вещественного состава, особенностей строения минеральных агрегатов и выявление форм нахождения потенциально опасных элементов [3]. Эту задачу невозможно решить без применения современных методов минералогического анализа с позиций двух главных направлений: технологической минералогии и динамично развивающейся в последние годы экологической минералогии, которые тесно связаны между собой. Для глубокой минералогической оценки требуется проведение детальных исследований с использованием высокоточной приборной базы, которые занимают много времени. Однако для первичной минералогической оценки, осуществления прогнозов и выбора метода предварительной концентрации минерального сырья, основанного на контрастности физических свойств минералов, достаточно использовать метод оптико-минералогического анализа, который проводится в соответствии с нормативно-методическими документами [7].
Цель статьи — показать возможности первичного минералогического анализа отходов угледобычи при оценке вероятности их вовлечения в повторную комплексную переработку.
Краткая геологическая характеристика Кузнецкого угольного бассейна
Кузнецкий угольный бассейн представляет собой угленосную толщу, которая сложена осадочными образованиями чехла платформы. В центральных частях бассейна мощность чехла составляет приблизительно 10 км, по направлению к периферийным частям мощность осадочных пород постепенно уменьшается и выклинивается на окраинах. На территории Кузнецкого бассейна выделяются следующие геолого-генетические комплексы пород:
— четвертичного возраста (Q3–4);
— палеогена и неогена (Р и N);
— континентальных отложений мезозоя (Мz);
— континентальных угленосных отложений кольчугинской серии (Р2);
— лагунно-континентальных угленосных отложений балахонской серии (С2–3–P1bl);
— морских отложений (D1–C1t+v);
— магматических горных пород (базальты, долериты, граниты, диабазы).
Угленосные отложения кольчугинской и балахонской серий представлены переслаивающейся толщей конгломератов, гравелитов, песчаников, алевролитов, аргиллитов, известняков и угольных пластов с линзами глинистых и алевритовых известняков. Обломочные породы состоят преимущественно из кварца, полевых шпатов, эффузивов и кремнистых пород, в единичных зёрнах отмечаются обломки циркона, граната, турмалина и рутила. Цемент глинисто-кремнистый, глинисто-слюдистый или глинисто-карбонатный [6].
Материалы и методы исследования
Материалом первичной минералогической оценки являлась проба отходов центральной обогатительной фабрики «Кузнецкая» (ЦОФ «Кузнецкая») Новокузнецка. На фабрике обогащается угольное сырьё с шахт «Осинниковская», «Есаульская», «Ерунаковская-VIII», «Усковская», разреза и шахт «Распадской», а также шахты «Межегейуголь».
Минеральный состав определён методом оптико-минералогического анализа в соответствии с нормативно-методическими документами научного совета по минералогическим методам исследований (НСОММИ): № 162 «Оптико-минералогический анализ шлиховых и дробленых проб» с применением бинокулярного стереоскопического микроскопа «Микромед MC-2 ZOOM» [7]. Предварительно изучаемый материал классифицировался по классам крупности с помощью набора лабораторных сит и далее был подвергнут гравитационному фракционированию в бромоформе (плотность 2.9 г/см3) и разделению тяжёлых фракций магнитом Сочнева.
Результаты и их обсуждение
Гранулометрический и минеральный состав отходов ЦОФ «Кузнецкая». Определение минерального состава исходной пробы выполнялось на классифицированном материале с предварительным гравитационным и магнитным фракционированием.
В целом качественный минеральный состав отходов ЦОФ соотносится с минеральным составом исходных угленосных отложений. Количественные данные содержаний минералов и минеральных агрегатов представлены в виде круговой диаграммы (рис. 2).
По данным диаграммы видно, что основную массу пробы (78.08 %) составляют карбонатно-углистые агрегаты и обломки пород. Уголь составляет 13.50 % от всей массы пробы. На долю карбонатных минералов приходится 3.51 % и еще 2.33 % — на агрегаты карбонатных минералов с включениями угля. В небольших количествах отмечаются кварц (1.5 %) и прочие минералы: гидроксиды железа (0.17 %), магнетит (0.24 %), сульфиды (пирит, халькопирит — суммарно 0.65 %) и барит (0.01 %). В единичных зернах отмечены пироксены, амфиболы, эпидот, клейофан, хлорит и циркон.
Данные минералогического анализа позволяют сделать вывод, что изучаемый материал относят к техногенным минеральным отходам первой группы, т. е. сырьё сходно по своему вещественному составу и свойствам с природным [3]. Потенциально такое сырьё можно вовлечь во вторичную переработку, применяя те же методы обогащения, которые используются на обогатительной фабрике при переработке первичного сырья.
Гранулометрическая характеристика исследуемого материала проиллюстрирована на гистограмме, приведённой на рисунке 3. Результаты гравитационного фракционирования представлены в таблице 1.
Результат гранулометрического анализа показал, что проба на 63.64 % представлена материалом крупностью более 2 мм, на диапазон крупности –2+0.125 мм приходится 33.88 % материала, выход шламистых классов (–0.125+0.00 мм) составил 2.48 %. По данным минералогического анализа, в крупных классах сосредоточены фрагменты углесодержащих обломочных и карбонатных пород и минеральные агрегаты карбонатно-углистого состава с присутствием в них обломочных зёрен кварца. В материале крупностью менее 2 мм наблюдаются как обломки углей, освобождённые от срастаний, так и их агрегаты с породообразующими минералами. Визуально наблюдаемые мономинеральные выделения угля появляются только в крупности менее 0.125 мм.
Основываясь на данных таблицы 1, можно сделать вывод, что для первичной концентрации угля из хвостов ЦОФ можно применить гравитационные методы обогащения. Однако необходимо обратить внимание на присутствие в обогащаемом материале минералов с переменной плотностью — карбонатов, которые могут распределяться как в хвосты обогащения, так и в черновые концентраты. Кроме того, в изучаемом материале есть минеральные агрегаты карбонат-углистого состава, имеющие переменные содержания в них угля и карбонатов и, как следствие, варьирующуюся плотность. Они могут распределяться в разные продукты обогащения в зависимости от плотности каждого отдельно взятого минерального агрегата, а также повышать зольность конечного продукта за счёт разубоживания угольного концентрата породообразующими минеральными фазами в составе обломков пород и агрегатов. Эти факторы требуют пристального внимания при подборе режимных параметров обогащения хвостов ЦОФ и, возможно, возникнет необходимость создания в технологической схеме промпродуктового цикла с перспективой дальнейшего доизвлечения ценного компонента из этих продуктов.
Минералами ферро- и парамагнетиками в данной пробе являются магнетит, гидроксиды железа, пироксены и амфиболы. В изучаемой пробе они не визуализируются в срастаниях с углем и при гравитационном обогащении не будут распределяться с ним в один продукт, поскольку обладают большей плотностью и, как следствие, контрастностью гравитационных свойств по отношению к углю. При дальнейших исследованиях возможности переработки и утилизации отвальных продуктов первичного обогащения их можно будет извлечь методами магнитной сепарации.
Очевидна также необходимость проведения подготовки такого материала к обогащению с обязательной предварительной дезинтеграцией и грохочением.
Выводы
Отходы ЦОФ «Кузнецка» отнесены к техногенному минеральному сырью первой группы. Показана необходимость вовлечения отходов угледобычи в повторную комплексную переработку с обязательным проведением минералого-технологической оценки, предваряющей разработку технологии их обогащения. Выполнено предварительное прогнозирование распределения минеральных составляющих пробы хвостов ЦОФ по продуктам обогащения. В перспективе с целью повышения комплексности переработки отходов целесообразно провести минералого-технологическую оценку хвостов обогащения отходов угледобычи с целью оценки перспективы их применения в различных отраслях народного хозяйства. Более уверенные и развёрнутые выводы можно будет сделать после проведения детального минералогического изучения с использованием арсенала современных аналитических методов исследований.
1. Котова О. Б., Ожогина Е. Г., Шиенг Сан, Размыслов И. Н. Технологическая минералогия как основа комплексного освоения полезных ископаемых. Бокситы Верхне-Щугорского месторождения // Горный журнал. 2021. № 11. С. 21-27.
2. Куприянов А. Н., Манаков Ю. А. Закономерности восстановления растительного покрова на отвалах Кузбасса // Сибирский лесной журнал. 2016. № 2. С. 51-58.
3. Ожогина Е. Г., Шадрунова И. В., Чекушина Т. В. Роль минералогических исследований в решении экологических проблем горнопромышленных районов // Горный журнал. 2017. № 11. С. 105-110. DOI:https://doi.org/10.17580/gzh. 2017.11.20
4. Ожогина Е. Г., Котова О. Б., Якушина О. А. Горнопромышленные отходы: минералогические особенности // Вестник Института геологии Коми НЦ УрО РАН. 2018. № 6. С. 43-49. DOI: 10.19110/ 2221-1381-2018-6-43-49
5. Ожогина Е. Г., Котова О. Б. Технологическая минералогия в решении проблем комплексной переработки минерального сырья // Проблемы комплексной и экологически безопасной переработки природного и техногенного минерального сырья (Плаксинские чтения - 2021) / СГКГМИ (ГТУ). Владикавказ, 2021. С. 34-38.
6. Ольховатенко В. Е. Инженерная геология угольных месторождений Кузнецкого бассейна. Томск: Изд-во Том.гос.архит.-строит. ун-та, 2014. 150 с.
7. Оптико-минералогический анализ шлиховых и дроблёных проб: Методические рекомендации № 162 / Научный совет по методам минералогических исследований (НСОММИ). М.: ВИМС, 2012. 23 с.
8. О состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2020 году: государственный доклад / Гл. ред. Е. И. Петров, Д. Д. Тетенькин // Государственные доклады / Минприроды России. URL: mnr.gov.ru (дата обращения: 31.10.2022).
9. Стратегия развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления на период до 2030 года. URL: y8PMkQGZLfbY7jhn6QMruaKoferAowzJ.pdf (government.ru) (дата обращения: 31.10.2022).
10. Сосновский С. А., Сачков В. И. Комплексная переработка техногенного углесодержащего сырья // Проблемы комплексной и экологически безопасной переработки природного и техногенного минерального сырья (Плаксинские чтения - 2021) / СГКГМИ (ГТУ). Владикавказ, 2021. С. 498-501.
11. Фотина Н. В., Емельяненко В. П., Воробьева Е. Е., Бурова Н. В., Остапова Е. В. Современные биологические методы восстановления и очистки нарушенных угледобычей земель в условиях Кемеровской области - Кузбасса // Техника и технология пищевых производств. 2021. Т. 51. № 4. С. 869-882. DOI:https://doi.org/10.21603/2074-9414-2021-4-869-882
12. Чантурия В. А., Ожогина Е. Г., Шадрунова И. В. Задачи экологической минералогии при освоении недр Земли // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2016. № 5. С. 193-196.
13. Ozhogina E. G., Kotova O. В. «How technological mineralogy can solve problems of integrated processing of mineral raw», Sustainable Development of Mountain Territories, 2021, №2 (48), pp. 170-179. DOI:https://doi.org/10.21177/1998-4502-2021-13-2-170-178
