Геология

КРИЗИС МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ: КАК ПРЕОДОЛЕТЬ?

Издавна люди стремились пользоваться естественными ресурсами с предельной интенсивностью и с наименьшими затратами труда. Сегодня мы видим, сколь велики издержки такого подхода в масштабе планеты.

Совершенствование горного дела традиционно определяли возможности техники. Например, в угольной промышленности звено "кайло-корзина" сначала сменили на "отбойный молоток-вагонетка", затем "комбайн-транспортер". Лишь в конце XX в. была создана принципиально новая физико-химическая технология, предполагающая извлечение из недр только продуктивной части залежей без разработки пустых пород.

Наибольший урон биосфере наносят добывающая промышленность и первичная обработка сырья. До середины XX в. прогрессивные изменения в этих областях определялись только стремлением получить как можно больше нужной продукции, не считаясь с состоянием окружающей среды. Однако в связи с истощением запасов полезных ископаемых и значительным экологическим уроном пришлось создавать и внедрять ресурсосберегающие технологии, учитывающие требования охраны природы. К ним относятся подземное выщелачивание металлов и выплавка серы, газификация углей, скважинная гидродобыча растворимых солей. Но это только начало.

Потребление минерального сырья в мире удваивается каждые 10- 15 лет. С 1900 по 2000 г. из недр извлекли 170 млрд. т угля и 35 млрд. т железной руды, а в последнюю треть XX в. - 15 млрд. т металлических руд (в том числе десятки миллионов тонн свинца, цинка, алюминия, многие тысячи тонн других цветных и редких металлов, сотни тонн золота). При этом добывали и перерабатывали на один-два порядка больше вмещающих пород.

Практически все наиболее богатые и доступные залежи полезных ископаемых исчерпаны. Приходится эксплуатировать такие, в которых содержание металлов в рудах понижено. За последние 35 лет для железа оно сократилось в 2 раза, для меди - в 2,5, свинца - в 4,5, а для некоторых редких и благородных металлов - в 6 - 8 раз. Эти показатели, не говоря о росте объемов добычи природного сырья, говорят о значительном увеличении твердых и жидких отходов. Например, с 1945 по 1991 г. на территории СССР их насчитывали порядка 150 млрд. т, главным образом на предприятиях Урала (более 600 млн. м3 ), Криворожского бассейна (примерно 400 млн. т окисленных железистых кварцитов), Курской магнитной аномалии (около 1 млрд. м3 вскрышных пород), на северо-востоке страны, в основном при извлечении золота из россыпей - более 1,5 млрд. м3 .

В ходе добычи минеральных ресурсов количество отходов меняется в значительных пределах в зависимости от полезного ископаемого. Так, на 1 т угля их приходится втрое больше; для железа эта величина возрастает вдвое, для цветных металлов увеличивается до 100 - 150 т, а для редких, благородных и радиоактивных металлов достигает 5- 10 тыс.!

Нечто подобное происходит и при переработке сырья: 1 т железа дает 0,5 - 0,7 т отходов, 1 т цветных металлов - более 50 - 60, а редких, благородных и радиоактивных - от 10 до 100 тыс. т.

Приведенные данные свидетельствуют: в горном деле назрела пора значительных перемен.

Главный недостаток существующих технологий состоит в том, что в ходе эксплуатации месторождений перерабатывается только руда, т.е. горная масса с повышенным содержанием ценных компонентов. В то же время металлосодержащие породы, нередко превосходящие руды по абсолютному количеству полезных веществ, направляются на долговременное хранение в отвалы и спецсклады. Там они занимают обширные территории и являются источниками загрязнений природы. Объем утилизации отходов горно- добывающего и перерабатывающего комплексов не превышает 6 - 10%. В итоге окружающей среде наносится колоссальный ущерб.

На чем же должна базироваться новая концепция освоения минеральных ресурсов?

По нашему мнению, она предполагает прежде всего геохимическое исследование месторождений полезных ископаемых, учитывающее не только особенности их освоения, но и условия воспроизводства сырья, т.е. искусственного (техногенного) рудообразования. Как принято теперь говорить, пора отходы превращать в доходы. В некоторых случаях соответствующие технологии созданы или находятся на стадии разработки. Однако их внедрение в производство задерживается по трем основным причинам.

До сих пор сохраняется возможность эксплуатировать природные ресурсы, ориентируясь на наиболее богатые залежи минерального сырья, которые продолжают открывать геологи. Такой подход остается наиболее экономически выгодным, хотя при этом недостаточно полно учитывается экологический урон, который наносят современные горно-добывающие и перерабатывающие производства. По-прежнему приоритетным фактором остается рентабельность.

Наконец, в индустриально развитых государствах сравнительно много внимания уделяют охране природы за счет размещения "грязных" производств в слаборазвитых странах, превращая их в своеобразные экологические колонии.

Но в целом в этом смысле ситуация в мире неукоснительно меняется, и не в лучшую сторону. Вдобавок надо иметь в виду, что переход на новые геотехнологии - процесс не быстрый, а к той критической ситуации, которая сложится в не столь отдаленном будущем с природными ресурсами, следует подготовиться загодя.

А ведь есть возможность улучшить исходные свойства минерального сырья, в первую очередь с низким содержанием полезных компонентов. Для этого существует целый ряд способов. Горные породы и руды можно перерабатывать на месте естественного залегания механически, химически, с помощью микробов и электромагнитных полей, различных растворов, активизирующих геохимические процессы.

Например, в России около трети месторождений золота в коренном залегании представлены рудами с тонкодисперсной (микроскопической) вкрапленностью, для которых эффективной и промышленно освоенной технологии переработки пока нет (подобные залежи относятся к резервным). Целесообразно частично вскрывать их, чтобы предоставить возможность самой природе совершать предварительную обработку сырья. И еще. Более половины резервных месторождений нашей страны представлены рудами с повышенным содержанием органических соединений, главным образом углистого вещества, и примесей мышьяка, меди, сурьмы и т.д. В данных случаях целесообразно снижать их исходную концентрацию еще в недрах до начала разработки.

Предлагаемая стратегия предполагает перераспределение полезных компонентов в горном массиве так, чтобы образовались скопления кондиционного сырья. Особо важен фактор времени, ибо процесс такого обогащения может продолжаться десятки лет. Промышленные методы с применением пара, газов, искусственных реагентов нерентабельны (тем более, если отсутствуют благоприятные предпосылки для этого, в частности, избыток горячей воды, определенных растворов). Гораздо эффективнее воспользоваться природными соединениями, образующимися непосредственно в горном массиве (скажем, при окислении сульфидов).

При техногенном рудообразовании очень важны так называемые геохимические барьеры, теорию которых во второй половине XX в. обосновал доктор геолого- минералогических наук А. И. Перельман. Речь идет о зонах в земной коре, где резко меняются физико-химические параметры, в результате чего накапливаются ценные компоненты. Подобные барьеры бывают гидродинамическими, сорбционными (поглощающими), окислительными, восстановительными, щелочными, испарительными, а также радиационно- химическими (выделены одним из авторов настоящей статьи - А. Е. Воробьевым). В естественных условиях они чаще всего сосуществуют в разных сочетаниях и определяют целый комплекс процессов.

Скажем, гидродинамический - весьма эффективен при перераспределении как малорастворимых благородных металлов (серебро, платина, золото), так и легкорастворимых (медь, уран, цинк, свинец и др.). В последнем случае с помощью взрывов создают фильтрационную неоднородность, обеспечивая в области выщелачивания более проницаемую среду (допустим, свыше 30 см/ч), а в зоне концентрации полезного компонента сохраняя этот показатель в пределах 5 см/ч и ниже. Кроме резкого перепада скорости движения металлоносных вод, значительно меняются кислотно- щелочные свойства (рН) и окислительно-восстановительный потенциал (Eh) растворов. В результате геохимические реакции идут активнее, формируя техногенные скопления полезных ископаемых. При горизонтально-слоистой толще максимальная концентрация образующихся залежей будет приурочена к подошве малопроницаемых горизонтов, менее богатые - расположатся ниже; еще глубже - зона бедных (убогих) рудных вкраплений.

Эти процессы могут длиться годами и даже десятилетиями, пока продолжается миграция растворов. Масштабы техногенного рудоотложения прямо зависят от объема вод, направленных на гидродинамический барьер, его контрастности, а также исходного содержания металлов в выщелачиваемом горном массиве.

Авторы наблюдали подобные явления на Садонском руднике (Северная Осетия - Алания), где они реализовались естественно, без применения специальных геотехнологий. Здесь на обширной площади отработанных участков месторождения заложено более 100 млн. т твердых отходов, в которых количество свинца составляет 0,32, а цинка - 0,68%. Следовательно, общие запасы этих металлов на сформированном скоплении достигают соответственно 300 и 790 тыс. т. Складированные в пустоты, минеральные массы отличаются фильтрационной неоднородностью, способствующей возникновению гидродинамических барьеров. В результате на отдельных участках накапливаются вторичные залежи свинцовых и цинковых руд.

Другим примером может служить техногенное месторождение, сформировавшееся на Холстинском руднике (Северный Кавказ). Там с начала эксплуатации в 1956 г. в отработанном пространстве накопилось более 80 тыс. т породы с содержанием 0,5 свинца и 0,7% цинка, также имеющей большую неоднородную проницаемость. Кроме того, слои и натеки вторичного, образовавшегося в искусственных условиях, цинкового геля были обнаружены на отдельных участках других рудников.

Экспериментальные исследования осаждения полиметаллов (свинца, цинка, меди) доказали принципиальную возможность формирования техногенных руд и выделения каждого металла в зависимости от изменения условий миграции. Так, в нейтральной и щелочной обстановках свинец и особенно цинк подвижны, а медь осаждается. Подобные процессы осуществляются двумя путями.

В горном массиве можно создать или усилить геохимические барьеры (например, закачивая через скважины растворы с определенными веществами и микроорганизмами). Другой вариант предполагает регуляцию растворов, пропускаемых через зоны с резко различными свойствами и содержанием металлов (этот путь предпочтительнее при воспроизводстве минеральных ресурсов на месторождениях сложной структуры, в частности, когда переслаиваются контрастные по составу и химическим свойствам породы: сульфиды и карбонаты, кислые и основные, графит - и пиритсодержащие сланцы и т.д.).

Обследование отработанных участков на рудниках Садонского поля показало: такие явления идут повсеместно, но находятся на разных стадиях, судить о которых нетрудно по составу рудничных вод, истекающих из горных выработок. Для ранних этапов характерно высокое содержание в них цинка и низкое - железа, а для поздних - наоборот.

Более четверти века назад А. И. Перельман предложил выделять полезные техногенные аномалии, улучшающие природную обстановку (скажем, восполнение дефицита определенных химических элементов в почвах, подземных и поверхностных водах), и вредные, ухудшающие среду обитания человека, животных и растений.

Благодаря развитию современной физико-химической технологии появилась возможность нейтрализовать вредные аномалии. Однако чтобы это осуществить, надо учитывать не только конкретные особенности месторождений и геохимических барьеров, но и более общие характеристики тех или иных географических зон.

В гумидных (влажных) ландшафтах природные воды насыщены металлоорганическими комплексами. В аридных, засушливых условиях содержание растворимого органического вещества сильно уменьшается за счет увеличения неорганических соединений с различными электростатической и электролитической характеристиками.

При миграции и осаждении на геохимических барьерах токсичных - тяжелых и цветных - металлов происходит трансформация первичных минеральных форм. Например, в водных потоках рассеяния вблизи Удоканского месторождения (Забайкалье, зона БАМ) медь присутствует главным образом в виде положительно заряженных частиц (катионов). На расстоянии 300 - 600 м от него их количество резко (до 25%) снижается с одновременным ростом концентрации комплексных медьсодержащих соединений. Это объясняется главным образом изменением значений рН и Eh водных растворов.

К примеру, с гидроксидом меди, поступающим на прилегающую к месторождению территорию, постепенно происходит ряд метаморфоз в твердой фазе: воднорастворимая, обменная, карбонатная, органическая, аморфная и силикатная. Через какое-то время после загрязнения почвы основной формой нахождения меди становится карбонатная (60%), затем следуют аморфная (20) и органическая (10), силикатная имеет небольшое распространение (6%), а остальные - незначительное. Те или иные соединения меди накапливаются также в зависимости от характера геохимических барьеров: на сорбционном (поглощающем) обычно преобладают органические формы, на щелочном - аморфные.

Знание вышеуказанных закономерностей позволяет эффективно осуществлять природоохранные мероприятия, создавать техногенные месторождения полезных ископаемых. Таковы, на наш взгляд, перспективные направления развития горного дела в XXI в.

К переходу на новые геотехнологии необходимо готовиться уже сейчас. При проектировании горных и обогатительных предприятий надо учитывать геологические и ландшафтно-геохимические условия не только данного района, но и близлежащих территорий и акваторий. Это позволит регулировать поступление в их пределы вредных веществ - отходов производства, изменяя показатели биологического поглощения. В природных водах и почвах можно будет увеличивать содержание дефицитных для данного региона химических элементов, уменьшая количество избыточных.

Перед складированием следует придавать всем видам минеральных отходов оптимальные геохимические свойства не только ради экологической безопасности, но и для создания техногенных залежей полезных ископаемых. В частности, соединения токсичных элементов должны обладать предельно низкой термодинамической активностью, а дефицитные элементы - находиться в легкорастворимой форме.

Конечно, на пути реализации прогрессивных геотехнологий стоят трудности, преодолеть которые нелегко. Они связаны с тем, что не столько их разработка, сколько внедрение в производство требует значительных расходов, а экономические выгоды во многих случаях можно будет ожидать в более или менее отдаленном будущем, порой через десятилетия. Хотя, безусловно, все это будет компенсироваться экологической целесообразностью, сбережением природных ресурсов, оздоровлением окружающей среды.


Доктор технических наук А. Е. ВОРОБЬЕВ, Российский университет дружбы народов, кандидат технических наук Т. В. ЧЕКУШИНА, Институт проблем комплексного освоения недр РАН

Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD