Даются результаты исследования возможности выделения песка

1 post / 0 new
Даются результаты исследования возможности выделения песка

Даются результаты исследования возможности выделения песка и гравия из четвертичных вскрышных пород. Приводится экспертная оценка возможности объемов добычи этого вида строительных материалов из вскрышных пород угольных разрезов. Впервые разработана классификация технологических схем и обоснована перспектива выделения песка и гравия из гидросмеси четвертичных пород. Рассмотрены три варианта технологических схем, дан их технико-экономический анализ, на основе которого рекомендованы условия их реализации на разрезах.
Ключевые слова: экономическая эффективность, открытые разработки, четвертичные отложения, строительные материалы, песок, гравий, гидромеханизация, обогатительное оборудование.
Добыча песка и гравия АРТЕМЬЕВ Владимир Борисович Заместитель генерального директора – директор по производственным операциям ОАО «СУЭК», доктор техн. наук КОНОНЕНКО Евгений Андреевич Профессор кафедры «Технология, механизация, организация открытых горных работ» МГГУ, доктор техн. наук МИШИН Юрий Михайлович Начальник технического управления открытых горных работ ОАО «СУЭК», горный инж.
из четвертичных вскрышных пород Большинство рудных месторождений являются комплексными. Железные руды очень часто содержат медь, никель, титан, ванадий, кобальт, фосфор, серу, бор и другие полезные компоненты. Руды цветных металлов включают цинк, молибден, свинец, золото, серебро, кадмий, осмий, индий, германий, теллур, вольфрам и другие ценные элементы. Однако многие сопутствующие ресурсы пока не извлекаются совсем или неполностью. В настоящее время теряется около 15 % меди, 50 % цинка, 45 % серы и 13-14 % благородных металлов????? Следует отметить важную особенность рудных карьеров — наличие во вскрыше таких пород, качество которых позволяет считать их самостоятельными минеральными ресурсами. Утвержденное в Государственной комиссии по запасам (ГКЗ) техникоэкономическое обоснование постоянных кондиций Лебединского ГОКа (ЛГОК) кроме железной руды включает следующие балансовые запасы:
— кварцитопесчанников, кварцитовых порфиров, кристаллических сланцев, амфиболитов — сырья для получения строительного щебня марок 800-1200;
— мела для производства извести, технического и молотого мела, удобрений, муки, минеральной подкормки;
— глины и суглинка для изготовления кирпича, керамзита, черепицы и т. п.;
— песка — для изготовления силикатного кирпича, ячеистого бетона, строительных и формовочных работ.
В прошлом году на ЛГОКе из кристаллического сланца произведено дорожного щебня свыше 1800 тыс. т, а из кварцитопесчанника?????? тыс. т????? Однако использование в народном хозяйстве горных пород карьеров КМА составляет не более 10 %????? На угольных разрезах комплексное использование минеральных ресурсов может идти по направлению расширения области применения углесодержащих отходов, в первую очередь углеобогащения. Из них производится: аглопирит — пористый заполнитель легких бетонов, а также добавки для производства строительных материалов (кирпича), кремнеалюминиевых сплавов, карбидокремниевых и других огнеупорных и кислотостойких материалов.
Любая добыча сопутствующего полезного ископаемого обходится дешевле, чем специальная. В таком случае не требуются комплекс строительных работ, обустройство инфраструктуры отдельного предприятия, прокладка линий электро- и теплоснабжения, строительство дорог и коммуникаций. Дополнительные минеральные ресурсы извлекаются попутно, что, с одной стороны, приносит прибыль от реализуемой продукции или может рассматриваться как фактор снижения затрат на добычу основного полезного ископаемого.
Величина прибыли от реализации продукции, производимой из попутно добытого минерального сырья, выражается зависимостью:
Пр = (Цп•Qр — Зм) (1 — Nп), руб.,
где: Цп — цена продукции, руб/м3; Qр — объем продукции, м3; Зм — материальные затраты на производство, руб/м3; Nп — налог на прибыль, дол. ед.
Приведенная зависимость показывает, что эффективность комплексного использования минеральных ресурсов во многом зависит от величины материальных затрат на производство (добычу) сопутствующего полезного ископаемого. В этом случае выбор технологии добычи и переработки является главным фактором, обусловливающим возможность максимального использования ресурсов недр.
Главным направлением комплексного использования ресурсов недр при разработке угольных месторождений, на наш взгляд, может являться выделение строительных материалов из вскрышных Геологическая информация проектов разработки угольных месторождений часто констатирует наличие в четвертичных породах песчаной и гравийной фракций, составляющих толщу рыхлых вскрышных пород, при этом их литологический состав, физико-механические свойства и количественная оценка обычно не приводятся. Производя разведку угольных месторождений, геологи не оценивают возможность добычи строительных материалов, так как качество песчаногравийных отложений не соответствует требованиям ГОСТа из-за ограниченности запасов или засоренности глинистыми частицами??????? Только один угольный разрез — «Восточный» (Читинская область) разрабатывал фактически два месторождения — угольное и строительных материалов. Запасы песчано-гравийного месторождения оценивались величиной порядка 130 млн м3.
Если на разрезе для разработки четвертичных вскрышных пород применяется гидромеханизация, то на гидроотвале, в пляжной его зоне, отчетливо видны песок и гравий, которые потенциально могут быть использованы в качестве строительных материалов. Проведенная в этой связи экспертная оценка объемов песчано-гравийных пород, находящихся во вскрышных породах ряда угольных разрезов показала наличие там около 800 млн м3 песка и свыше 500 млн м3 гравия (табл. 1)?????
Эти данные позволяют считать обоснование технологии выделения строительных материалов из вскрышных пород угольных разрезов и определения области ее эффективного применения актуальной научной задачей в плане обеспечения комплексного использования минерального сырья, снижения экологической нагрузки и экономической целесообразности — как фактор снижения затрат на добычу основного полезного ископаемого.
Техническое руководство карьера при обсуждении вопроса о выделении из вскрышных пород песчано-гравийной смеси опасается возможности возникновения осложнений организационного порядка — отдельное плановое задание, лицензирование данного вида деятельности, дополнительное налогообложение и т. п. Проблем не должно быть, так как действующий в настоящее время закон «О недрах» стимулирует вопрос комплексного использования ресурсов недр.
Главной проблемой, которая сдерживает широкое внедрение технологий добычи строительных материалов из вскрышных пород угольных разрезов, является отсутствие достаточно специфичных знаний о существующих технологиях и технических средствах добычи песчано-гравийной смеси и процессах переработки горной массы. Обычно угольщики не знают, как добывать песок и гравий из вскрыши, при этом ради справедливости надо отметить, что специалисты по добыче строительных материалов, скорее всего, не возьмутся за разработку сырья такого качества, что находится на разрезе. В сложившейся обстановке надо совместными усилиями идти навстречу друг другу.
Статья не в состоянии дать ответ на все вопросы, обозначенные выше. Ограничимся лишь изложением уже достигнутого и предложениями о путях решения данного вопроса.
Анализ технологии добычи и переработки песчано-гравийной смеси позволил установить основные процессы получения этого вида строительных материалов при соблюдении требований ГОСТа, с учетом существующих способов разработки вскрышных пород и физико-технических свойств этого вида сырья. В результате удалось разработать классификацию технологических схем добычи и переработки строительных материалов из четвертичных вскрышных пород угольных разрезов, обеспечивающих комплексное использование ресурсов недр (табл. 2).
Основой разработанной классификации являются возможные способы выемки, разработки и переработки четвертичных вскрышных пород, содержащих песок и гравий, и технологические процессы извлечения (первичной переработки), обогащения и повышения товарного качества строительных материалов??????? Подразумевается, что физико-механические свойства разрабатываемых пород и величина содержания в них полезных компонентов определяют технические средства для выполнения отдельных процессов их переработки. При этом процессы обогащения и повышения качества товарной продукции совсем не обязательны, если при извлечении (первичная переработка) уже обеспечивается требуемое свойство получаемого сырья (например, гравия для карьерных автодорог).
В данной классификации для обеспечения ее компактности не рассматривается вопрос о технических средствах, используемых для выполнения определенных процессов переработки строительных горных пород. Это могут быть серийно выпускаемые агрегаты и установки, а также специальные технические средства.
На начальном этапе решения вопроса о выделении строительных материалов из вскрышных пород целесообразно рассмотреть возможность применения уже существующих технических средств, используемых при гидромеханизированной добыче песка и гравия?????? Гидромеханизированная разработка четвертичных вскрышных пород является, на наш взгляд, основой эффективности добычи песка и гравия. По существу, технологические процессы при применении гидромеханизации (гидромониторный размыв четвертичных вскрышных пород, самотечное транспортирование до зумпфа, проход их через рабочее колесо землесоса и дальнейшее напорное транспортирование в турбулентном потоке по трубопроводу) являются распределенным во времени и в пространстве дезинтегратором. При этом подавляющая масса глинистых пород, обволакивающих отдельные зерна песка или гравия, диспергируется.
Для выделения строительных материалов из гидросмеси четвертичных вскрышных пород, на наш взгляд, в первую очередь должны быть рассмотрены три варианта технологических схем.
Первый вариант — это схема с использованием конического гидрогрохота, что является с технологической точки зрения наиболее простым, но при этом дает возможность получить в качестве товарного продукта только гравий фракции +5 мм. Песок в этом случае вместе с глинистыми, илистыми и пылеватыми частицами отправляется в гидроотвал. Принцип действия схемы состоит в следующем (рис. 1): из забоя исходная гидросмесь поступает по трубопроводу (пульповоду) в конический гидрогрохот 1 с диаметром перфорации 5 мм, где происходит отделение гравия класса +5 мм, который подается через сливной патрубок крупного продукта на наклонный лоток, откуда сбрасывается в штабель. Песок вместе с глинистыми, илистыми, пылеватыми частицами и основной частью воды поступает через сливной патрубок мелкого продукта в трубопровод, по которому попадает в гидроотвал.
Второй вариант — применение схемы с коническим гидрогрохотом, гидроциклоном и спиральным классификатором — в технологическом плане более сложный, чем рассмотренный выше. Зато он позволяет получить в качестве товарного продукта не только гравий класса +5 мм, а еще и песок фракции 0,16-5 мм. Принцип действия технологической схемы заключается в следующем (рис. 2): из забоя исходная гидросмесь поступает по пульповоду в конический гидрогрохот 1, где происходит отделение гравия класса +5 мм, который подается через сливной патрубок крупного продукта на наклонный лоток, откуда сбрасывается в штабель. Песок вместе с глинистыми, илистыми и пылеватыми частицами, а также, основной частью воды выводится через сливной патрубок мелкого продукта и самотеком, с высоты не менее 6-7 м, по трубопроводу подается в гидроциклон 2. Там происходит интенсивное разделение песка и мелких частиц, включающих глину, ил и пылеватые частицы, которые сбрасываются через сливной патрубок в пруд-отстойник. В гидроциклоне происходит сгущение водопесчаной смеси, поступающей на спиральный классификатор 3. Спиральный классификатор выполняет в данной схеме две функции: обезвоживание песка и сброс оставшихся классов фракций — 0,16 мм в слив. Обезвоженный до влажности???? % песок от спирального классификатора поступает на консольный транспортер и укладывается в штабель.
Третий вариант, где используется схема с коническим гидрогрохотом, виброгрохотом, гидроциклоном и спиральным классификатором, в технологическом отношении является наиболее сложным из трех вариантов рассматриваемых технологических схем, но при этом он дает возможность получить три вида товарной продукции:
гравий +20 мм, гравий 5-20 мм и песок 0,16-5 мм.
Принцип действия технологической схемы состоит в следующем (рис. 3): из забоя гидросмесь поступает по пульповоду в конический гидрогрохот 1, где происходит отделение гравия Рис. 2 . Технологическая схема с использованием конического гидрогрохота, гидроциклона и спирального классификатора: 1 — конический гидрогрохот; 2 — гидроциклон; 3 — спиральный классификатор;
4 — консольный транспортер 36 АПРЕЛЬ, 2009, “УГОЛЬ” Maket-04_09.indd 36 класса +5 мм, который через сливной патрубок крупного продукта самотеком подается на виброгрохот 5 с двумя ситами (20 и 5 мм). Песок вместе с глинистыми, илистыми и пылеватыми частицами и основной частью воды выводится через сливной патрубок мелкого продукта и самотеком, с высоты не менее 6-7 м, подается по трубопроводу в гидроциклон 2. На виброгрохоте 5 происходит разделение на три продукта: присутствующий в гравии песок с оставшейся водой; гравий класса 5-20 мм, который поступает на консольный транспортер 6 и складируется в штабель; гравий класса +20 мм, который по наклонному лотку сбрасывается в штабель в непосредственной близости от установки. Для отмыва гравия от прилипших глины и ила на виброгрохоте осуществляется напорное орошение водой.
В гидроциклоне происходит разделение песка и мелких (-0,16 мм) частиц, сбрасываемых через сливной патрубок в пруд-отстойник, а также сгущение водопесчаной смеси. Водопесчаная смесь из песковой насадки гидроциклона, а также из бункера виброгрохота с соотношением Т:Ж?? 1:4 поступает на спиральный классификатор 3, который выполняет функции обезвоживания песка и сброса оставшихся классов — 0,16 мм в слив. Обезвоженный до влажности???? % песок от спирального классификатора поступает на консольный транспортер 4 и укладывается в штабель.
Основой всех трех вариантов технологических схем является конический гидрогрохот, который осуществляет гидроклассификацию твердого, поступающего по трубопроводу от системы гидротранспортирования гидромониторно-землесосного комп лекса разреза. Для обеспечения часовой производительности по гидросмеси, соответствующей наиболее распространенному в настоящее время грунтовому насосу Гр4000/71, приняты два параллельно работающих гидрогрохота КГГ-2500 с перфорацией 5 мм.
Качественно-количественный анализ показателей разделения шести типов четвертичных вскрышных пород (угольных разрезов и карьера Калининградского янтарного комбината) по существующим методикам расчета показал достаточно высокую эффективность разделения, подсчитанную по формуле ЛуйкенаДина — среднее значение 85,6 %.
С целью исключения качественно-количественного расчета для определения наиболее важного параметра — выхода надрешетного продукта Qн (т. е. гравия), который фактически является главным критерием эффективности рассматриваемых технологических схем, установлена расчетная зависимость:
где: Qi — расход гидросмеси, поступающей на гидрогрохот, м3/ч;
m — пористость породы, дол. ед.; q— удельный расход воды, м3/м3;
? — содержание гравия во вскрышных породах (исходном), %;
? — содержание песка в исходном, %; E' — коэффициент.
Величина коэффициента E' определяется как среднеарифметическое значение коэффициентов выхода фракций в подрешетный продукт для соответствующего диаметра гидрогрохота и величины его перфорации.
На рис. 4 показана зависимость относительной величины выхода гравия (Q? — содержание твердого в гидросмеси, м3/ч) от содержания песка и гравия во вскрышных породах для гидрогрохота КГГ-2500 с перфорацией 5 мм (E' =0,26).
Следует пояснить, почему наибольшую сходимость результатов расчета по установленной зависимости с качественно-количественным расчетом показателей разделения достигается при аргументе???????? Анализ результатов гидроклассификации при применении конического гидрогрохота показал, что часть песчаной фракции, близкая по величине к значению граничного зерна (5мм), из песчаной фракции переходит в товарную продукцию — гравий +5мм. Количество песка, поступающего в гравий, выражается через коэффициент E' .
Статистическая оценка полученной зависимости позволила определить: относительная ошибка — 13,3 %; среднеквадратическое отклонение — 3,93 %; коэффициент вариации — 14,6 %.
Учитывая достаточно широкий диапазон изменения горнотех Рис. 4. График зависимости относительной величины выхода гравия от содержания песка и гравия во вскрышных породах при применении конического гидрогрохота Maket-04_09.indd 37 нических условий и свойств четвертичных вскрышных пород, можно считать, что полученная зависимость вполне приемлема для инженерных расчетов. По всем вариантам исследуемых технологических схем эта зависимость позволяет выразить объем товарной продукции как функцию содержания песка и гравия во вскрышных породах.
При разделении гидросмеси четвертичных вскрышных пород разреза «Назаровский», поступающей от грунтового насоса Гр4000-71, получен следующий выход товарной продукции????? — по первому варианту — гравий класса +5 мм — 36 м3/ч;
— по второму — гравий класса +5 мм — 36 м3/ч, песок фракции 0,16-5мм — 25,4 м3/ч (модуль крупности 2,30);
— по третьему — гравий классов 5-20 и +20мм соответственно 12 и 16,6 м3/ч и песок класса — 5мм 32,8 м3/ч (модуль крупности 2,74).
Технико-экономическое сравнение вариантов показало: по наименьшему сроку окупаемости капитальных вложений предпочтительным из трех рассмотренных вариантов технологических схем является первый вариант, в соответствии с которым при использовании конического гидрогрохота получают гравий класса +5 мм. Второй и третий варианты имеют одинаковый срок окупаемости капвложений; несмотря на чуть больший срок окупаемости в третьем варианте (чем в первом), мы имеем значительно большую величину прибыли, остающейся на предприятии — свыше 56 млн руб. в год.
В этом случае целесообразным решением является следующее: сначала вводится в эксплуатацию технологическая схема с использованием только конического гидрогрохота, имеющая максимальное значение величины прироста прибыли на вложенный капитал, затем, после истечения срока ее окупаемости, на средства, вырученные от реализации гравия, докупается оборудование, и дальнейшая работа ведется по технологической схеме (третий вариант) с использованием конического гидрогрохота, виброгрохота, гидроциклона и спирального классификатора, имеющей максимальное значение величины прироста прибыли, остающейся на предприятии.
В свою очередь объем товарной продукции и материальные затраты по вариантам на реализацию данной технологии позволяют определить (с учетом налоговых отчислений) величину рентабельности. На рис. 5 представлены графики изменения величины рентабельности по трем вариантам технологических схем, при этом для последнего варианта (когда производится разделение гравия по классам 5-20 мм и +20 мм) приведены зависимости при содержании в исходном гравия класса 5-20 мм (?1) соответственно 25, 50, 75 и 100 %.
Кроме величины рентабельности, приведенные графические зависимости фактически определяют область эффективного применения каждого варианта технологических схем. Для первого варианта точка пересечения графика с осью абсцисс показывает, что рентабельность (величина R больше 0) начинается с содержания песка и гравия?????????? 0,64 %, а для двух других вариантов?????????? 1,0 %.
Эффективная реализация предлагаемых технологий позволит ГКЗ рекомендовать угледобывающим предприятиям включать позицию по выделению (добыче) строительных материалов из вскрышных пород в лицензионное соглашение.
Дальнейшими задачами исследований является рассмотрение возможности совершенствования базовых вариантов технологических схем за счет подбора более эффективных серийно выпускаемых технических средств или разработки специального универсального оборудования, а также поиск новых оптимальных технических решений.
Следует помнить, что мультипликативный эффект от создания одного рабочего места в промышленности по добыче строительных материалов обеспечивает в смежных отраслях не менее десяти.
Таким образом, применение гидромеханизации для отработки четвертичных пород угольных разрезов позволяет выделить из вскрыши песок и гравий за счет использования технологических процессов гидромониторного размыва и гидротранспортирования в качестве обогатительных для получения товарной продукции — строительных материалов. При этом кроме экономического эффекта решается вопрос комплексного использования ресурсов недр, создания дополнительных рабочих мест и снижения экологической нагрузки — не потребуется специальный карьер для добычи песка и гравия в этом регионе.
Список литературы 1. Томаков П. И. и др. Экология и охрана природы при открытых горных работах — М.: МГГУ, 1994.
2. Абсатаров С. Х., Локтионов С. В., Федоровский Ю. А. Производство щебня из вскрышных пород на Лебединском ГОКе // Горный журнал. — 2007. — № 7.
3. ГОСТ 8268-82 «Гравий для строительных работ. Технические условия».
4. ГОСТ 8736-77 «Песок для строительных работ. Технические условия».
5. Кононенко Е. А. Опыт применения и перспективы гидромеханизации на карьерах // Горный журнал. — 1997. — №№ 3, 7.
6. Бруякин Ю. В., Тухель А. Э. Переработка пород при гидромеханизированной разработке песчано-гравийных месторождений. — М.: МГИ, 1990.
7. «Нормы технологического проектирования предприятий промышленности нерудных строительных материалов». — Л.:
Стройиздат, 1975.
8. Переработка горных пород с использованием средств гидромеханизации / Под ред. проф. Ялтанца И. М. — М.: МГГУ, 2006.
9. Олюнин В. В. Переработка нерудных строительных материалов. — М.: Недра, 1988.
10. Кононенко Е. А., Мишин Ю. М. Добыча строительных материалов при гидромеханизированной разработке вскрышных пород на разрезах // ГИАБ, МГГУ. — 2008. — № 11.