Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Использование отходов горного производства для погашения пустот, задачи и методы исследований .
1.1 Теория и практика погашения пустот твердеющими смесями
1.2. Минеральные отходы горного производства 18
1.3. Анализ опыта утилизации отходов добычи и переработки 25
1.4. Задачи и методы исследований 36
Глава 2. Обоснование критериев комплексной техни ко-экономической оценки технологии горных работ и использования хвостов обогащения - 43
2.1. Динамика изменения представлений о критериях экономической оценки технологий
2.1.1. Эффективность капитальных вложений 44
2.1.2. При веденн ые затраты 46
2.1.3. Прибыль, рентабельность, дифференциальная горная рента - 47
2.1.4. Динамика изменений критериев во времени 49
2.2. Исследование свойств хвостов обогащения 51
2.3.Исследование технологии подготовки хвостов обогащения 57
2.4. Комплексные критерии эффективности использования хвостов 68
Выводы по главе 2 76
Глава 3. Разработка методики оценки экономической эффективности использования хвостов обогащения для заклад ки подземных выработок 77
3.1. Исследование эффективности активации отходов
3.1.1. Исследование параметров механоактивации
3.1.2. Исследование параметров механохимической активации 83
3.2. Исследование затратности механохимической активации 90
3.3. Методика комплексной оценки эффективности утилизации отходов 98
Выводы по главе 3 105
Глава 4. Технико-экономическая эффективность исследования 106
хвостов добычи и обогащения руд.
4.1. Механоэнергетическая модель подготовки хвостов —
4.2. Эколого-математическая модель технологии утилизации от- 113 ходов
4.3. Эколого-экономический эффект реализации природо- и ре- 120 сурсосберегагощих технологий
Выводы по главе 4 129
Заключение 130
Список литературы 132
- Теория и практика погашения пустот твердеющими смесями
- Минеральные отходы горного производства
- Динамика изменения представлений о критериях экономической оценки технологий
- Исследование эффективности активации отходов
Теория и практика погашения пустот твердеющими смесями
Твердеющая закладка применяется в странах с высоким технологиче ским уровнем развития горных технологий для повышения полноты экс плуатации недр в особо сложных условиях. Твердеющие закладочные смеси состоят из вяжущих и инертных материалов, воды и добавок различного на значения. В качестве вяжущих используют цементы и отходы производства, а также природные материалы, обладающие вяжущими свойствами: глины. При подборе составов смесей заметна тенденция к использованию отходов горного производства для приготовления как вяжущих, так и инертных за полнителей. Из свойств искусственных массивов наиболее важны:
- прочность на одноосное сжатие, которая в 1,5-3,0 раза повышается за счет гидратации частиц вяжущего;
- упругость и пластичность смесей, зависящие от степени их неоднородности. Для большинства составов при нагружении характерно упругое деформирование, а при разгрузке - остаточное. Для составов с песчано-глинистыми заполнителями характерна ползучесть;
- компрессия закладки или усадка под влиянием пригрузки, оценивае мая относительными деформациями и коэффициентом сжимаемости; Луч шие условия создаются при закладке изолированных пустот. Компрессия за кладочных смесей при пригрузке 12-24 МПа изменяется 2 до 11,5%;
- фильтрация закладки, оцениваемая скоростью отдачи воды искусственным массивом в процессе его формирования ;
- интенсивность твердения смесей или продолжительность процесса охватывания. Время схватывания смесей изменяется в пределах от 1 до 5-6 ч и корректируется добавкой специальных компонентов;
- степень заполнения объема выработки. В результате усадки между поверхностью закладки и породным массивом над закладкой образуется незаполненное пространство величиной примерно в 5% от высоты камеры;
- технологическая неоднородность массива, обусловленная технологией размещения закладки и уменьшающая прочность в 1,3-1,5 раз.
Совершенствование способов разработки с твердеющей закладкой объясняется стремлением избежать затрат дефицитных материалов. Закладка пустот является инструментом управляющего воздействия на массив. Принципиальное отличие вариантов технологии с закладкой твердеющими смесями заключается в использовании для управления массива технологии трех типов:
- комбинация способов изоляции и закладки твердеющими смесями характеризуется тем, что погашение пустот осуществляется одновременно двумя способами: или изолируемые выработки включают искусственные массивы, или в массиве закладки заключены выработки;
- комбинация способов погашения твердеющей закладкой и хвостами подземного выщелачивания подразделяется на группы в зависимости от кровли: естественная породная кровля или кровля, созданная твердеющей закладкой;
- комбинация изоляции, твердеющей закладки и хвостов выщелачивания включает способы, разделенные по принципу состояния выработок, образованных доработкой междуэтажных целиков: замещение руды закладкой или оставление пустот изолированными.
Для упрощения задачи массив монолитной закладки можно считать изотропным. Тогда выемка вторичных камер рассматривается как образование выработок в изотропном массиве, окружающем массив. В процессе подработки искусственная кровля над выработкой разгружается с образованием свода, выше которого формируется несущий свод с опорой на искусственные массивы, образованные первичными камерами. При разработке месторождений камерно-целиковыми системами рекомендуется порядок отработки, при котором искусственный целик не имеет незаложенное пространство с обеих сторон.
Для этого варианта благоприятны периферийные участки рудных тел, жилы, апофизы небольшой мощности, которые не оказывают влияния на темпы развития горного давления.
Для управления многоаспектными последствиями применения горных технологий существует критерий, исключающий из числа возможных способы разработки с разрушением земной поверхности, несмотря на их технологические и экономические преимущества. Физический смысл критерия заключается в создании условий, при которых подземные разработки не изменяют экологии региона. При всем многообразии условий залегания месторождений и технологических приемов разработки руд можно судить о качестве горных технологий по состоянию подземных пустот. Состояние пустот служит показателем соответствия применяемой технологии разработки месторождений с максимальной полнотой использования недр при минимизации затрат на управление массивами.
Минеральные отходы горного производства
Человеческое общество производит необходимые для жизни продукты в рамках совокупности органических и неорганических компонентов или экосистемы, устойчивой во времени и открытой в отношении обмена минеральных компонентов и энергии. Воздействие на экосистему вызывает реакцию среды, энергия которой зависит от степени вмешательства в природные процессы.
Проблема взаимодействия человека с природой, сохранение, восстановление и улучшение окружающей среды приобрела большую остроту и актуальность в отраслях, связанных с минеральными веществами: добыча, переработка, изготовление, строительство и т.д. Ежегодно в мире добывают более 100 млрд. м твердых полезных ископаемых и изымают из землепользования более 7 млрд, га угодий. Добыча 1 т угля образует 3 т отходов, а его потребление - 0,2-0,3 т. Соответственно, добыча 1 т стали - 5-6 т и 0,5-0,7, а цветных металлов - 100-150 т и 50-60 т. При добыче благородных и радиоактивных металлов получение 1 т металла образует 5-10 тыс. т отходов, а при переработке 10-100 тыс. т. Темпы увеличения объемов извлечения минералов из недр увеличивают масштабы разрушения и обостряют проблему охраны среды.
Механизм поражения элементов экосистемы сходен, а процессы разрушения обладают общностью. До вмешательства в среду технологий круговорот веществ в природе осуществляется гармонично, подчиняясь законам и управляясь совместным действием биологических и геохимических факторов. Под технологическим влиянием химический состав и физическое состояние экосистемы изменяется.
Воздействие технологий на окружающую среду проявляется в результате прямого воздействия, а затем из-за связей и взаимодействия технологических элементов ландшафта. По мере развития промышленного производства воздействие достигает максимума к моменту завершения эксплуатации технологического объекта. Следствием отработки месторождений являются проседание земли, огражденные участки поверхности, разрушенные здания и сооружения, деградирующие леса и т.д.
Деятельность рудников и карьеров вызывает изменения в виде разрушения земной коры, загромождения отвалами, заболачивания или обезвоживания почв; изменения химического, биологического и физического состояния почв, изменения видов и количества флоры и фауны, изменения характера атмосферных явлений, увеличения радиологического уровня, возникновения биогенных мутаций и др.
Активную роль играют твердые отходы горного, обогатительного и металлургического переделов. Только в черте города Кривой Рог накоплено более 3 млрд. тонн пород в отвалах и 2 млрд. тонн хвостов обогащения; в воздух выбрасывается более 1,2 млн. тонн веществ, из подземных пустот от-качивают около 40 млн. м высокоминерализованных вод в течение года. Такое же положение характерно для Норильска, Магнитогорска, Усть-Каменогорска и других регионов горной индустрии.
Рудники по добыче черных и цветных металлов сбрасывают на рельеф более 1,3 млрд. м3 загрязненных сточных вод в год на 1 м3 добытой руды приходится до 0,2 кг пыли и 40 л. условной окиси углерода. В окрестностях рудников и шахт расположено более 2 тыс. отвалов и терриконов, в которых хранятся миллиарды куб. м твердых отходов.
Отвалы твердых отходов минерального производства формируют зоны ионизации, интенсивность которых изменяется по мере подъема над поверхностью и зависит от нарушенности литосферы, погодных условий и эффективности вентиляции горных и перерабатывающих объектов. Повышенная эманация поддерживается горными реками и ультрафиолетовой составляющей солнечных лучей. Ионы становятся центрами конденсации паров воды в воздухе.
Происходящие в отвалах твердых отходов физико-химические процессы, нарушая природный газовый баланс, оказывают влияние на состояние атмосферы, в т.ч. на: баланс углекислого газа; соотношение газовой, жидкой и твердой фаз; озоновый слой с воздействием солнечной радиации; активизацию температурной инверсии.
При разработке месторождений, содержащих радиоактивные руды, среда загрязняется пылеобразными и газообразными отходами с радиоизотопами U238, U235, Th232. Источниками загрязнения являются площадки рудников и отвалы руд, пород и хвостов обогащения. Наибольшую опасность представляют рудные склады и отвалы забалансовых руд, где радон и его аэрозоли разбавляются массами воздуха.
Динамика изменения представлений о критериях экономической оценки технологий
Критерий экономической оценки необходимо выбирать так, чтобы он полностью соответствовал уровню и характеру поставленной задачи, а полученные результаты должны обеспечивать максимум эффекта.
В экономической практике, а также в теории и практике выбора горнотехнических решений известно довольно много различных показателей, применяемых в качестве оценки тех или иных вариантов и определения эффективности производства: себестоимость продукции, производительность труда, прибыль, велич єна капитальных затрат и срок их окупаемости, рентабельность производства, чистая валовая продукция, чистый доход, приведенные затраты, национальный доход, валовая продукция, дифференциальная горная рента и другие. Для правильного выбора критерия оценки необходимо руководствоваться принципами системного анализа, которые требуют, чтобы оптимизируемый объект рассматривался в комплексе и взаимосвязи, и чтобы были учтены все влияющие факторы.
Степень комплексности и взаимосвязи, а также количество учитываемых факторов в огромной степени зависят от уровня решений задачи, т. е. с учетом интересов какой позиции решается задача: добычного участка, рудника, рудоуправления, комбината, объединения, под отрасли, отрасли и народного хозяйства в целом. Из них первый — низший уровень, последний — самый высший. В зависимости от задачи должен быть принят тот или иной полностью соответствующий этой задаче уровень.
В качестве основных показателей эффективности использования ресурсов на уровне предприятий обычно применяют такие показатели как себестоимость продукции, производительность труда, прибыль, рентабельность производства, приведенные затраты, величена и срок окупаемости капитальных вложений, удельные кап затраты и другие.
В зависимости от характера по выбору того или иного технического решения каждый из этих критериев применялся либо один, либо в комплексе с другими, при этом один дополнял другой. Для общей оценки того или иного предприятия принимается обычно целая совокупность технико-экономических показателей.
Одним из важнейших принципов выбора критериев оценки эффектив-ности технических решений, особенно при комплексной оценки технологий разработки месторождения, является учет всех возможных последствий применения этой технологии. Это важно и для других отраслей народного хозяйства, где будет потребляться продукция данного предприятия, проявится его экономическое влияние, а также социальные, экологические и другие последствия.
Эффективность капитальных вложений
Для определения эффективности капиталовложений использовалась "Типовая методика определения экономической эффективности капитальных вложений", а также созданные на ее базе отраслевые методики. Согласно этим методикам за основу при сравнении вариантов принималась величина капитальных затрат К.
Эффективность капитальных затрат считалась допустимой, если они окупались в течение нормативного срока Ти, когда выдерживается нормативный коэффициент эффективности кап затрат Ен КУТн. В черной и цветной металлургии Ен принимался равным 0,15, а срок окупаемости Тн = 1/Енлет равен 6,7 года.
Если эффективность капиталовложений оказалась допустимой, то сравнением вариантов устанавливали, в каком из них эффективность более высокая. Для этого применяли следующие формулы: а) в целом по народному хозяйству за критерий абсолютной экономиче ской эффективности капитальных вложений принималась величена прироста национального дохода ЛД по отношению к капитальным вложениям К, вы звавшим этот прирост б) по отраслям промышленности за критерий принимали отношение при роста годового объема чистой продукции к капитальным вложениям, вы звавшим этот прирост, в рублях на рубль капитальных затрат
Исследование эффективности активации отходов
Для установления механизма взаимодействия затрат в процессе утилизации твердых отходов выполнено сравнение композиций бетонной смеси. изготовленной из цемента и хвостов обогащения Мизурской фабрики по вариантам: - цемент и хвосты без подготовки; - цемент и хвосты с подготовкой тонкой фракции в шаровой мельнице; - цемент и хвосты с подготовкой тонкой фракции в дезинтеграторе; - цемент и хвосты с дезинтеграцией тонкой фракции в присутствии электрохимически активированной воды.
Критерием эффективности технологии является прочность при одноосном сжатии контрольных кубов в возрасте 14, 28 и 90 дней.
Цель исследования: оценка возможности уменьшения расхода цемента М-400 за счет эффектов механоактивации.
Отобранные для исследования пробы хвостов измельчали в шаровой мельнице и активировали в дезинтеграторе стендового типа по методике автора диссертации. На станине смонтированы два электродвигателя, соединенные с валами. На концах валов закреплены роторы, заключенные в рабочую камеру. Масса ротора электродвигателя, вала и рабочего органа дезинтегратора составляет 3 т, что при скорости вращения до 50 с"! обеспечивает достаточную для исследований кинетическую энергию.
При исследованиях не определяются показатели расхода металла рабочего органа. Они могут быть приняты по аналогии с известными показателями для доменных шлаков, описанными в литературе (0,24 кг/т).
В стенде использованы четырехрядные лопастные роторы с негативным защитным слоем с наплавкой быстроизнашивающихся участков сплавом Э320х23С2ГТР. Показатели фиксируют при максимальной скорости вращения (производительности) и при половинной рабочей скорости.
Для определения энергетических показателей на стенде измеряется сила тока при помощи самопишущего прибора Н 339 и амперными клещами на электроприводах электродвигателей дезинтегратора на холостом ходу и во время обработки.
Переработано 50 т классифицированной тонкой фракции хвостов обогащения с определением производительности дезинтеграции, гранулометрии и удельной поверхности хвостов и энергозатрат на обработку. Хвосты предварительно просеяли вручную через сито 20 мм. Загрузка и выгрузка массы из рабочего органа вручную. Влажность хвостовой добавки - 2-3%.
Масса использованных роторов, кг: первый - 90; второй - 42; третий -56,5; четвертый - 81,5.
Гранулометрический состав активируемых хвостов фиксируется перед заполнением каждой партии рабочего органа. Из подготовленных хвостов и неизменных других компонентов смеси формируются образцы - кубы размерами 10X10X10 см, испытываемые в возрасте 28 дней. Производительность дезинтеграторной установки определяется взвешиванием хвостов, прошедших через дозатор в течении определенного времени. Массу определяли умножением производительности на расход времени.
В качестве заполнителя использовали высевки хвостов размерами более 20 мм. Компоненты перемешивали вручную: вначале сухие хвосты и заполнитель с цементом, затем добавляли воду.
В последней стадии исследований в рабочий орган дезинтегратора добавляется электрохимически активная вода, которая участвует в растворении и извлечении остаточного содержания металлов и серы и перевод их в разряд вяжущих. На основании полученных данных определяется цементно-энергетический эквивалент вяжущего.
Для исследований отобраны хвосты обогащения, содержащие 50-60% пирита, до 0,2% цинка, до 0,5% меди и наибольшее количество других металлов.
Такое содержание элементов препятствует использованию отходов в ответственных конструкциях. Макроскопическими исследованиями установлено, что поверхности зерен минералов, слагающих хвосты, покрыты пленками окислов, толщина которых зависит от времени нахождения хвостов в хранилище. Это обстоятельство поясняет причину слабой вяжущей способности хвостов.
В лабораторных условиях исследованы технологии окисления хвостов азотной кислотой, аммиачной селитрой, хлорной водой и смесью эрзац-кислот от электрохимической технологии.
