Формирование местной сырьевой базы на основе отходов стройиндустрии с ревизией отвалов и захоронений эксплуатируемых и неэксплуатируемых месторождений (на примере Самарской области)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формирование местной сырьевой базы на основе отходов стройиндустрии с ревизией отвалов и захоронений эксплуатируемых и неэксплуатируемых месторождений (на примере Самарской области)

Чумаченко Н.Г.,

Тюрников В.В.,

Кириллов Д.В.,

Кириллов М.В.,

Гаврилов А.В.

Минеральная сырьевая база стройиндустрии в настоящее время складывается из двух блоков сырья: природного и техногенного (промышленных отходов). По каждому блоку имеются свои проблемы, которые, в конечном счете, сказываются на качестве строительных материалов и их стоимости.

В настоящее время состояние природной местной сырьевой базы оценивается по балансу месторождений строительных материалов области или региона, составленного по результатам геологических изысканий. И если требования к сырью пересматриваются периодически в сторону ужесточения, то подход геологических служб к оценке новых месторождений остался прежним, а именно: качественным сырьем считается то, которое практически без корректировки состава обеспечивает получение кондиционного продукта. При таком подходе некоторые месторождения бракуются. Вполне возможны ситуации, когда сырье для выпуска заказанного материала является некондиционным, а для другого - качественным, или когда две-три разновидности некондиционного сырья в определенной пропорции являются оптимальной сырьевой смесью для выпуска другого материала. Приведенные примеры говорят о том, что отсутствует комплексный подход к природному минеральному сырью, а возможности местной сырьевой базы реализуются не полностью. Кроме того, в пределах одного месторождения кондиционность сырья колеблется и при выработке месторождений обычно понижается. Использование некондиционных остатков сказывается на качестве строительных материалов.

В регионах с развитым промышленным потенциалом накоплено и образуется огромное количество промышленных отходов. Источником образования этих отходов являются предприятия химии, нефтехимии, нефтепереработки, металлообработки, энергетики и другие, которые отчисляют значительные средства на их хранение. Но не надо забывать и об отходах стройиндустрии и, прежде всего, о тех, которые образуются при добыче и переработке минерального сырья.

Большое количество отходов, накопленных в ряде производств ведущих отраслей, свидетельствует о незавершенности технологических схем, об отраслевом подходе к переработке природного сырья, направленном на извлечение из него только целевого продукта. С накоплением промышленных отходов нарушается экологическое равновесие, что фиксируется экологическими службами и проявляется в резком загрязнении окружающей среды, связанном с образованием свалок и выбросов. Земельным комиссиям приходится отводить участки для хранения отходов, которые с большей эффективностью могли бы быть использованы в градостроительстве или сельском хозяйстве.

Все эти проблемы привели к тому, что начиная с 2003 г. в перечень работ по геологическому изучению недр и воспроизводству минерально-сырьевой базы, выполняемых на территории Самарской области за счет средств областного бюджета, включена работа "Формирование местной сырьевой базы на основе отходов стройиндустрии с ревизией отвалов и захоронений эксплуатируемых и не эксплуатируемых месторождений Самарской области".

Самарская область по производству строительных материалов является одной из ведущих в Российской Федерации [1]. Она имеет богатую сырьевую базу. На ее территории развиты такие виды минерального сырья как: кирпично-черепичные глины, суглинки и пески; керамзитовые и тугоплавкие глины; песчано-гравийные смеси; сырье для производства цемента; пески строительные и стекольные; карбонатные породы для строительного камня и производства извести; мел; гипс; горючие сланцы и другие. Разведано значительное количество месторождений, которые можно разделить на три группы: эксплуатируемые; выработанные и неэксплуатируемые.

Самую большую нагрузку по количеству разрабатываемых и выявленных месторождений несет Центральная промышленная зона, включающая в себя Самару, Тольятти и район Самарской Луки. Именно здесь находятся основные месторождения полезных ископаемых, необходимых для дорожного и жилищного строительства. К наиболее крупным недропользователям можно отнести: Сокское карьероуправление, ЗАО "Балашеевские пески", Жигулевский известковый завод, Жигулевский комбинат стройматериалов, Сызранский сланцеперерабатывающий завод и другие. При длительной разработке этих месторождений накоплены значительные количества техногенных образований, которые либо не используются, либо используются периодически в небольших количествах.

В 2003-2004 гг. в рамках работы "Формирование местной сырьевой базы на основе отходов стройиндустрии с ревизией отвалов и захоронений эксплуатируемых и не эксплуатируемых месторождений Самарской области" исследованы отвалы и захоронения Сызранского сланцеперерабатывающего завода (ЗАО "Шахта Кашпирская") и Сокского карьера. В 2005 г. начаты и в 2006 г. будут продолжены исследования по отвалам и захоронениям Троекурово-Губинского месторождения карбонатных пород (Сызранский р-н) и Балашеевского месторождения формовочных песков.

В процессе работы выполнены анализ и обобщение известных технологических решений по использованию отходов и подобных им аналогов в производстве строительных материалов, а так же ранее проведенных исследований по оценке состояния природный среды в районе отвалов и захоронений. Проведена оценка свойств отходов в отвалах и захоронениях, подготовлены сведения по исследуемым объектам в каталог отходов и захоронений добывающих и перерабатывающих производств. Определены основные направления использования отходов в производстве строительных материалов, отработаны технологические параметры производства строительных материалов из отходов. Выявлены отходы, пригодные к утилизации без предварительной переработки, а также, требующие предварительную переработку с целью утилизации. Разработаны рекомендации и технологические схемы по использованию отходов в производстве различных строительных материалов. Впервые о Кашпирском месторождении горючих сланцев в научных работах упоминается в XVIII веке. В течение ХIХ века геологи неоднократно предлагали развернуть у поселка Кашпир добычу горючих сланцев. Но практически эти предложения были реализованы после 1917 года. В это время был поднят вопрос о строительстве под Сызранью сланцеперерабатывающего завода. Наибольший объем добычи по шахтам Кашпирского месторождения составлял 1200 тыс. т в год и относится к 50-60-м гг. прошлого столетия. Основная масса добываемого сланца (до 93 %) использовалась в качестве топлива Сызранской ТЭЦ, и лишь 50-80 тыс. т в год поступало на Сызранский сланцеперерабатывающий завод (ССПЗ) для переработки в сланцевую смолу и другие продукты. бюджет сырьевой отходы

В 1991 г. добыча горючего сланца резко снизилась в связи с тем, что основной потребитель сланца (ТЭЦ) перешел на жидкое и газообразное топливо и у шахты остался один потребитель - ССПЗ.

При добыче кроме горючего сланца на-гора выдавались также пустые породы, не содержащие сланец, которые направлялись в отвалы (терриконики). Сланец, который не удавалось отделить в процессе добычи и последующей сортировки, также подавался в отвал. За счет наличия органических веществ в смешанных отвальных массах происходило самовозгорание, приводящее к образованию такого вида отхода как горелые породы. При переработке сланца на Сланцеперерабатывающем заводе образовывался сланцевый шлак. При сжигании сланца в качестве топлива образовывалась сланцевая зола.

С 2002 г. по настоящее время добыча сланца не ведется. В отвал пустые сланцевые породы не поступают. В 2004 г. сланцеперерабатывающий завод для своей работы использовал накопленные запасы смолы, поэтому образование сланцевого шлака не происходило. Ранее образованный шлак складировался не в отдельном отвале, а направлялся в общие отвалы (рисунок 1) .

Рисунок 1 - Породный отвал № 2 шахты № 5/6 ЗАО "Шахта Кашпирская"

Обследования породных отвалов показали, что в местах выработок отвальные массы разделяются на два вида:

- основной объем занимает перегоревшая порода, состоящая в основном из масс светло-коричневого цвета, на отдельных участках встречаются массы серого и серо-черного цвета;

- встречаются комья спекшихся масс грязно-горчичного цвета.

В виде включений распространены сланцевые породы различной степени выветривания. Встречаются включения фосфоритового концентрата. Там, где выработка отвалов не проводилась, поверхностный слой покрыт растительностью.

Работы по изучению возможностей использования отходов Сызранского сланцеперерабатывающего завода (ЗАО "Шахта Кашпирская") в производстве строительных материалов в Куйбышевском инженерно-строительном институте (ныне "Самарский государственный архитектурно-строительный университет") велись давно. Исследования по использованию минеральной части поволжских сланцев в промышленности строительных материалов и строительстве выполнялись под руководством профессора А.А. Новопашина коллективом кафедры Строительные материалы КуИСИ начиная с 1956 г. В работе принимали участие Ю.В. Сухов, Н.К. Хохрин, К.П. Чалкин и другие сотрудники кафедры.

С учетом свойств отходов Сызранского сланцеперерабатывающего завода, а также известных результатов исследований, выполненных под руководством профессора А.А. Новопашина [2, 3], Г.И. Книгиной [4] и других [5-10], определены направления использования горелых пород в производстве строительных материалов.

Изучение свойств горелых пород показало, что данный вид сланцевых отходов крайне неоднороден и использование его в больших масштабах встречается со значительными трудностями, в то же время имеется опыт использования этих отходов при производстве: заполнителей для бетона, минеральной ваты, керамического кирпича, низкомарочных вяжущих.

Если придерживаться классического подхода к оценке качества горелых пород, когда качественным сырьем считается то, которое практически без корректировки состава обеспечивает получение кондиционного продукта, то его нельзя считать кондиционным сырьем для производства ни одного традиционного строительного материала. Если же рассматривать горелые породы Кашпирского рудника, природное и другое техногенное (промышленные отходы других производств) сырье как единую сырьевую базу стройиндустрии, то, на базе горелых пород, можно организовать широкую номенклатуру строительных материалов высокого качества. Оценочная блок-схема для определения направлений использования горелых пород Кашпирского рудника приведена на рисунке 2.

При разработке подхода по выбору экономически целесообразных направлений утилизации горелых пород при производстве строительных материалов были приняты следующие положения:

- максимально использовать преимущества исходного состояния: химической активности, дисперсности и агрегатного состояния, степени спекания или вспучивания;

- из всех возможных направлений рекомендовать технологию с минимальной переработкой.

Свойства горелых пород определяются условиями их формирования: составом минеральной части, температурой, а также составом газовой среды. Основная часть объема терриконника сложена кусками породы, степень обжига которых колеблется от явного недожога до образования плотного спекшегося черепка, а иногда и вспученных масс.

Для максимального использования преимуществ исходного состояния: степени спекания или вспучивания, а также химической активности, предлагается в качестве первого критерия использовать степень обжига по количеству стеклофазы в породе и степени поризации. По этому критерию горелую породу можно разделить на три группы:

- вспученные (количество стеклофазы более 50 %, поризация массы);

- спекшиеся (количество стеклофазы от 35 до 20 % без признаков поризации);

- неспекшиеся (количество стеклофазы менее 20 %).

На следующем уровне оценки вспученные разновидности горелых пород проверяют на соответствие требованиям, предъявляемым к легким заполнителям ГОСТ 9757 [12]. После оценки по этому критерию выделяются две группы горелых пород: соответствующие предъявляемым требованиям и не соответствующие. Первая группа после дробления и рассева на фракции представляет собой продукт - заполнитель для легких и облегченных бетонов.

Спекшиеся разновидности по такому же принципу разделяются на две группы. Спекшиеся горелые породы, соответствующие требованиям, предъявляемым к заполнителям для тяжелых бетонов [12], после дробления и рассева на фракции представляет собой продукт - заполнитель тяжелых бетонов. Для максимального использования такого ценного качества как химическая активность, определяемая содержанием аморфных компонентов, которая безвозвратно теряется при высокотемпературном обжиге, на следующем этапе оценка проводится по этому показателю. Введение в качестве критерия содержания аморфных компонентов позволяет минеральные отходы разделить на три группы: активные (в случае преобладания аморфных фаз), инертно-активные (при незначительном содержании активных фаз), а оставшиеся отнести к инертным (при отсутствие аморфных компонентов).

Разновидности горелых пород, содержащие аморфные компоненты, представляют собой продукт - активные минеральные добавки, являющиеся составной частью низкомарочных минеральных вяжущих, требования к которым определены ГОСТ 3476 [13].

Химический состав горелых пород колеблется в широких пределах, мас. %: SiO2 6-50; Al2O3 0,2-11; Fe2O3 4-12; СаО 17-50; MgО 0,2-3; R2O 0,2-2,5; SO3 0,1-12; ППП 0,1-22. Оценка химического состава горелых пород показала (рисунок 3), что горелые породы не являются готовыми строительными материалами и готовыми сырьевыми смесями для производства основных строительных материалов. В горелых породах преобладают два компонента SiO2 (6-50 %) и СаО (17-50 %), до 10-12 % могут присутствовать Al2O3 и Fe2O3. Область расположения их находится между сырьем для производства портландцемента и керамическими материалами. Таким образом, горелые породы можно отнести к минеральному сырью кальциевого алюможелезосиликатного состава.

Одним из направлений модернизации производства минеральных строительных материалов является переход на многокомпонентные природные и техногенные шихты, что, как правило, приводит к увеличению количества компонентов с 1-2 до 4-10. Для реализации данного подхода необходимо уметь оперативно разрабатывать эффективные составы шихт, которые обеспечили бы получение материалов с заданными свойствами при оптимальном сочетании технико-экономических показателей.

Подобную задачу приходится решать неоднократно при переходе на новые источники сырья из-за истощения запасов или ухудшения качества эксплуатируемых месторождений, а также при использовании нетрадиционного сырья, например, промышленных отходов.

Используя эти принципы, на основе горелых пород из многокомпонентных шихт возможна организация производства широкой номенклатуры качественных строительных материалов: искусственных пористых вспученных и спекшихся заполнителей, спекшихся керамических изделий (кирпича, черепицы, плитки, труб), минеральной ваты и др.

При переходе на многокомпонентные шихты необходимо ориентироваться на современный метод компьютерного проектирования шихт, реализованный при производстве искусственных пористых заполнителей и спекшихся керамических материалов.

Выполнена оценка площадей и объемов техногенных образований отвалов и захоронений Сокского карьероуправления. При производстве щебня при добыче, дроблении и сортировке горной породы на Сокском карьероуправлении образуются следующие отходы: вскрышные породы и отвалы; доломитовая и известняковая мука.

В породных отвалах скопился разнородный материал, который по действующей в Сокском карьероуправлении технологии в настоящее время не может быть реализован. Площади, занимаемые отходами Сокского карьероуправления, постоянно расширяются, объем техногенных образований увеличивается (рисунок 4).

Рисунок 4 - Приречный склад в Сокском карьероуправлении (отходы производства щебня)

Исследования, выполненные в 1979-1983 гг., по оценке степени загрязненности реки Сок отходами производства Сокского карьероуправления, показали, что отвалы значительно ухудшили экологическую обстановку.

Проведена оценка свойств пород в отвалах. По минеральному и химическому составу все исследованные отвалы однотипны. Подготовлены сведения в каталог отходов и захоронений добывающих и перерабатывающих производств.

Проведенный статистический анализ гранулометрического состава карбонатных высевок за период с 1999 по 2004 гг. позволяет констатировать, что фракционный состав высевок достаточно стабильный.

На базе промышленных отходов отвалов можно организовать производства широкой номенклатуры строительных материалов: в качестве основного сырья для производства: стекла и стеклоизделий; щебня, применяемого в качестве заполнителя для тяжелого бетона, а также для дорожных и других видов строительных работ; щебеночно-гравийно-песчаной смеси для покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов; воздушной извести; в качестве компонента сырьевых шихт для производства: материалов контактно-конденсационного твердения; минеральных вяжущих веществ; в качестве минерального наполнителя: сухих строительных смесей; мастики битумной кровельной горячей; асфальтобетонных смесей; лакокрасочных материалов; кровельных и гидроизоляционных материалов, асфальтобетона; линолеума; отделочных составов и шпаклевок.

Внедрение результатов данной работы позволит расширить сырьевую базу стройиндустрии за счет вовлечения техногенного сырья и увеличить номенклатуру строительных материалов. Разработка отвалов и захоронений техногенных образований позволит улучшить экологическую обстановку региона.

Список литературы

1. Объяснительная записка к обзорной карте месторождения строительных материалов Куйбышевской области. - М.: Министерство геологии РСФСР, 1986. - 187 с.

2. Новопашин А.А. Минеральная часть поволжских сланцев // Теоретические основы формирования строительных материалов и опыт их применения в строительстве: Автореф. дис. … докт. техн. наук. - Новосибирск: НИСИ, 1970. - 30 с.

3. Новопашин А.А. Минеральная часть Поволжских сланцев. - Куйбышевское книжное издательство, 1973. - 120 с.

4. Книгина Г.И. Горелые породы в строительстве Западной Сибири (генезис, свойства, применение): Автореф. дис. … докт. техн. наук. - М.: МИСИ, 1962. - 29 с.

5. Долгарев А.В. Вторичные сырьевые ресурсы в производстве строительных материалов: Справочное пособие. - М.: Стройиздат, 1990. - 456 с.

6. Доманин А.Б. Экономика и рациональное природопользование на рубеже веков // Вестн. Моск.ун-та. Сер.6. Экономика. - 2000. - № 3. - С. 54-59.

7. Ксинтарис В.Н., Рекитар Я.А. Использования вторичного сырья и отходов в производстве. Отечественный и зарубежный опыт, эффективность и тенденции. - М.: Экономика, 1983. - 167 с.

8. Легкие бетоны на основе отходов промышленности: Учеб. пособие / Б.С. Комисаренко, А.Г. Чикноварьян, А.В. Чиликин, А.М. Афанасьев; Под ред. Б.С. Комисаренко; Самарск. арх.-строит. ин-т. - Самара, 1991. - 80 с.

9. Марданова Э.И. Многокомпонентные цементы из местного минерального сырья: Автореф. дис. … канд. техн. наук. - Казань, КазАСА 1995. - 23 с.

10. Коряйнов К.Э., Дубенецкий К.Н., Васильков С.Г., Попов Л.Н. Технология минеральных теплоизоляционных материалов и легких бетонов. - М., 1966.

11. ГОСТ 9757-90. Гравий, щебень и песок искусственные пористые. Технические условия.

12. ГОСТ 8267-93. Щебень и гравий из плотных горелых пород для строительных работ. Технические условия.

13. ГОСТ 3476. Активная минеральная добавка. Технические условия.

Размещено на Allbest.ru