Утилизация отходов обогащения и шламов

Ежегодный объем переработки горной массы при добычи полезных ископаемых в странах СНГ составлял максимально более 15 млрд. т. В угольной промышленности, например, из более чем 2 млрд. т добываемой горной массы собственно на уголь приходилось лишь около 20 %, оставшаяся масса поступает в отвалы, степень утилизации которых не превышает 4 %.

Отвалы открытой и шахтной разработок полезных ископаемых (отвалы вскрыши), а также отвалы обогатительных предприятий (хвосты обогащения) содержат различного рода глины, каменные и песчаные материалы, мел и др. компоненты. Эти отходы могут служить прекрасным сырьем для производства пористых заполнителей бетонов, строительного кирпича и керамики, штукатурок и кладочных растворов, щебня и др. строительных материалов.

Весьма перспективным является использование огромного количества горнорудных отходов, в частности отходов и отвалов так называемых вскрышных пород. А вскрышные породы содержат в своем составе ценное сырье для производства строительных материалов. Это – карбонатное сырье, представленное белым мелом, мергелями верхнего отдела меловой системы и известняком. Наибольшую ценность представляют маломергелистые породы с содержанием 90-99,3 % карбоната кальция СаСО₃. Это карбонатное сырье находит применение в производствах белого цемента, воздушной строительной извести, минеральной ваты, стекла и др.

Глинистое сырье вскрыши можно использовать как сырье-добавка для получения портландцемента, для производства керамзита, служащего искусственным пористым наполнителем для легких бетонов и хорошим теплозвукоизоляционным материалом.

Песчаные породы во вскрыше пригодны для изготовления силикатного кирпича.

Вскрышные породы используются в лучшем случае только на 6-7 % от годового «выпуска». Это еще раз ставит проблему комплексного использования полезных ископаемых во всей своей остроте.

Химический состав отходов углеобогащения практически идентичен химическому составу веществ, используемых в строительной индустрии. Наиболее близки к требованиям отходы флотационного обогащения после их сушки.

В нашей стране большое количество отходов углеобогащения используют в качестве топливной и отощающей добавки к шихте для производства кирпича из глины. Стабильное содержание в этих отходах SiO₂ и Al₂O₃ позволяет использовать их как сырье для производства керамических изделий.

Уголь, содержащийся в отходах углеобогащения, может быть использован как топливо при их керамической переработке в смеси с глинистыми породами. Таким способом получают, например, аглопорит – искусственный легкий пористый заполнитель для бетонов. В производстве пористых заполнителей бетонов (аглопорит, керамзит и др.) – применяются отходы, содержащие не более 8 % углерода. Суть технологии получения аглопорита заключается в том, что через предварительно зажженный слой отходов углеобогащения продувается газовоздушный поток с температурой 1200-1400 ^оС. При этом в результате протекающих в слое окислительных процессов образуется алюмосиликатный расплав со спеканием в пористый конгломерат.

Проводимое с целью уменьшения содержания серы в угле обогащение сопровождается образованием углистого колчедана, содержащего 42-46 % серы и 5-8 % углерода. Этот колчедан является потенциальным сырьевым источником для производства серной кислоты.

В ряде районов страны отходы угледобычи (например, в Донбассе) являются материалом для строительства дорог. Применение местной горной породы из старых терриконов снижает расходы в 1,5 раза без ущерба для качества.

Отходы обогащения используются также:

- в производстве кирпича (наиболее емкое из областей применения) как в качестве топливно-минеральной добавки, так и в виде основного сырья;

- в производстве вяжущих веществ;

- при строительстве дорог.

Горелыми породами называют перегоревшие пустые шахтные породы, содержащие минимальное (терриконы - менее 5 %) количество углистых примесей и минеральную глинисто-песчаную часть, обожженную в той или иной степени. Породы более – менее однородны по химическому составу и содержат (по массе) 49-62 % SiO₂; 20-40 % Al₂O₃; 2-13 % Fe₂O₃; 1,5-3,5 % СаО и др.

Наибольшее применение горелые породы нашли при устройстве нижнего слоя двухслойных оснований под асфальтобетонные покрытия. Кроме того, горелые породы используются в качестве заполнителей в обычных бетонах; в комбинации с доменными шлаками дают высококачественные вяжущие. Добавка (15-30 % к шихте) тонкомолотой горелой породы обеспечивает бетону солестойкость при воздействии сульфатных вод.

На Украине ежегодно для производ­ства кирпича и пористых заполнителей (аглопорита) можно использо­вать 23—25 млн. т углесодержащих отходов обогащения.

На Луганском комбинате строительных материалов и Ново-Светловском заводе треста «Луганскградостройматериалы» в шихту добавляют до 10—16% отходов обогащения ОФ «Белореченская» и «Дуванская», имеющих теплоту сгорания 1500—1800 ккал/кг.

В проектах новых предприятий по производству стеновых материалов предусматривается использовать отходы ЦОФ «Комендантская (Луганская обл.) и ЦОФ «Червоноградская» (Львовская обл.).

С применением углеотходов улучшается качество получаемой продукции, снижается расход технологического топлива. Плотность керамических изделий при применении отходов ЦОФ «Комендант­ская» снизится до 1100—1250 кг/м³, соответственно улучшается теп­лоизоляционные свойства. При мощности завода 100 млн. т кирпича в год ежегодно будет экономиться до 15 тыс. т условного топлива.

Годовой объем отходов углеобогащения, пригодных для производ­ства заполнителей бетонов типа аглопорит, превышает 6 млн. т, а на­копленные — несколько сот миллионов тонн. Южгипростромом разра­ботаны типовой и ряд индивидуальных проектов цехов и заводов по использованию этих отходов. Рекомендуемые к строительству заводы на базе отходов углеобогащения ЦОФ «Должанская-Капитальная», «Октябрьская», "Соколовская" в Донбассе и некоторые другие харак­теризуются следующими проектными показателями: мощность по объ­емам переработки 150—600 тыс. м3/год, марка заполнителя 500—600, размер прибыли в удельном исчислении 2—4 руб. на 1 м³ продукции.

Наиболее перспективным направлением использования высоко­зольного твердого топлива и топливосодержащих отходов, связанных с производством строительных материалов, считается их высокотемпе­ратурное сжигание с получением (наряду с тепловой и электрической энергией) плавленого портландцемента (клинкера). Использование углесодержащих отходов в цементном производст­ве позволяет экономить как сырьевой материал (глину), так и топливо при обжиге клинкера.

На Криворожском горно-цементном комбинате проведено про­мышленное испытание использования углесодержащих пород (отходов углеобогащения) вместо глины. При вводе 10% углесодержащих отходов в состав сырьевой шихты содержание глины сокращается с 17,1 до 10%, исключается необходи­мость добавок рудной пыли. Содержание в шихте известняков изменя­ется незначительно.

Применение углесодержащих пород не вызвало осложнений в тех­нологии и не потребовало строительства или реконструкции отдельных узлов или агрегатов. Опыт эксплуатации технологической линии в те­чение 50 суток показал, что расход условного топлива снижается на 1,5—2,0 т/ч; активность клинкера увеличивается на 4—6 МПа; фрак­ционный состав клинкера улучшается; степень декарбонизации сырья увеличивается на 10—12%; обмазка в печи остается ровной; температура вторичного воздуха повышается на 50—70°С. За время испытаний было использовано 25 тыс. т углесодержащих отходов, при этом не было случаев залипания циклонов.

По данным Южгипроцемента использование углеотходов в каче­стве добавки к шихте только по трем цементным заводам (Белгород­ский, Старооскольский, Ольшанский) позволяет ежегодно использо­вать около 300 тыс. т углеотходов.

Отходы обогащения угля ЦОФ «Луганская» использованы при строительстве земляного полотна на автодороги. Большое внимание было уделено контролю за соблюдением технологии и качества выпол­няемых работ. Строго выдерживались такие параметры, как толщина уплотняемого слоя и количество проходов катков. Негабаритные об­ломки, превышающие 2/3 толщины отсыпаемого слоя, удалялись. По­сле окончания уплотнения определялась плотность уложенного слоя.

Благодаря применению отходов углеобогащения участок насыпи на подходе к путепроводу протяженностью 0,5 км был построен в сжа­тые сроки. При высоте насыпи 3—12 м было уложено около 65 тыс. м³ углеотходов.

В Львовско-Волынском угольном бассейне наиболее перспективными материалами для строительства дорог местного назначения яв­ляются горелые породы террикоников шахт, золы и шлаки ГРЭС. Исследованиями установлено, что горелые породы шахт, расположенных в районах гг. Червонограда и Нововолынска, неоднородны по физико-механическим свойствам (зерновому составу, степени обжига, прочно­сти, морозостойкости). Вредными примесями являются необожженные фракции глины и неперегоревшие частицы угля, которые под воздей­ствием влаги и низких температур снижают морозостойкость и прочность основания дороги.

Обожженные горелые породы с номинальным размером 70—80 мм могут быть использованы для устройства основания дорог III—IV ка­тегорий. Такой же вывод был получен ВНИИОСуглем для горелых по­род ПО «Донецкуголь».

Горелые породы Львовско-Волынского угольного бассейна начали использовать с 1980 г. в основаниях и несущих слоях дорожных «одежд» при строительстве дорог в сельской местности, и благоустрой­стве жилых объектов. К настоящему времени дорожные «одежды», построенные с ис­пользованием горелых пород, находятся в хорошем состоянии. Обсле­дование показало, что порода в слое хорошо сохранилась. Это свиде­тельствует о том, что горелые породы можно применять для устройства нижних слоев дорожных оснований при содержании слабых необож­женных глинистых сланцев не более 5%. При содержании в породе слабых фракций более 5 % необходимо устраивать пароизоляционный плотный слой под основанием из связных грунтов, укрепленных орга­ническими вяжущими или мелкими фракциями (отсевом) горелых по­род.

Представляет определенный интерес опыт дорожного и гидротех­нического строительства на территории Западного Донбасса. Особен­ностью этого района является размещение запасов угля по некоторым шахтам до 80% под поймой р. Самара. В результате выемки угля про­исходит оседание земной поверхности на величину до 85—90% от мощности отработанных пластов. При отработке всех пластов оседание составит 2—5 м. Этому сопутствует заболачивание или затопление расположенных в пойме реки сельскохозяйственных угодий.

Днепрогипрошахтом совместно с научно-исследовательскими и проектными институтами разработаны технические решения по ре­культивации земель поймы.

На участке рекультивации в качестве подсыпки используется шахтная порода. Толщина отсыпаемого слоя принимается с таким расчетом, чтобы после просадки земли от выемки всех пластов угля от­метка поверхности рекультивируемой площади была выше уровня па водковых вод. Уклон поверхности принят в сторону реки.

Порода вывозится автосамосвалами от пункта погрузки шахт и обогатительной фабрики непосредственно на рекультивируемые уча­стки. Технология включает разравнивание породы бульдозером, уплотнение решетчатыми, а затем тяжелыми катками на пневматических шинах.

За три года было использовано около 20 млн. т породы для под­сыпки затапливаемых участков поймы и получено 180 га рекультиви­рованных земель. В перспективе предусматривается использовать для этих целей примерно 150 млн. т породы и рекультивировать более 1 тыс. га земель.

Для устройства гидротехнических сооружений, включающих за­щитные дамбы участков дренажа, водоемов орошения, прудов промыс­лового рыболовства будет использовано около 50 млн. т породы.

Защитные дамбы отсыпаются также с соблюдением вышеприве­денной технологии. Ширина дамб по гребню принята 15—20 м (по ус­ловиям производства работ). Высота дамб обеспечивает защиту участ­ков от перелива паводковых вод даже после окончания осадки земной поверхности при выемке всех пластов угля.

Проектируются дороги для вывоза породы шахт им. XXVI съезда КПСС, «Юбилейная» и «Першотравнева». Для насыпей этих дорог по­надобится 180 тыс. т породы. Устойчивость насыпи обеспечивается ус­тройством защитного слоя из глинистых грунтов на откосах и верхней части насыпи толщиной не менее расчетной глубины промерзания.

Вертикальная планировка промплощадки блока № 2 шахты «За­падно-Донбасская» № 6/42 выполнена с учетом использования породы от проходки стволов (около 100 тыс. т). Шахтная порода используется для планировки территории складов крепежных материалов и других объектов.

Из опыта строительства автомобильных дорог с применением от­ходов угледобычи и углеобогащения другими организациями Донбасса следует отметить объездную дорогу г. Донецка, где при строительстве первой очереди уложено 500 тыс. м³ негорелой породы шахты «Ганзовка». На строительство второй очереди потребуется еще 6,5 млн. м³ по­роды. Максимальная высота насыпи 11 м.

Построена автомобильная магистраль Краснодон—Молодогвардейск, в земляное полотно которой уложено 160 тыс. м³ породы шахты «Полтавская». Построена и действует автодорога Ореховка—Ивановка (Лисичанский район). В земляное полотно ее пошло 10 тыс. м³ шахт­ной породы. Максимальная высота насыпи 9 м.

Кроме названных в Донбассе работают другие автомобильные до­роги, отсыпанные из горелых шахтных пород, с том числе в гг. Антра­цит, Красный Луч, Луганск, Макеевка, Енакиево. В г. Красный Луч сооружен путепровод через железную дорогу.

Таким образом, отечественный и зарубежный опыт строительств автомобильных и гидротехнических сооружений доказывает возможность и экономическую целесообразность применения отходов угольного производства.