комплексный подход при переработке отходов угледобычи восточного донбасса

В.Д. Котляр, Х.С. Явруян, Е.С. Гайшун

Донской государственный технический университет

Abstract. The general characterization of coal waste from the Eastern Donbass is given. Classification of products of processing of waste heaps by type of fractional composition, content of coal component and mineralogical and petrographic composition is offered. The most promising directions for complex processing of waste heaps for the achievement of the best technical and economic and ecological effect are determined.

Keywords: coal, terricones, dump, building materials, processing

Углепромышленные отходы (УПО) Восточного Донбасса являются весьма актуальной экологической проблемой для региона. За более чем столетний период активной добычи угля УПО скопилось сотни миллионов тонн, которые представлены в основном отвалами шахт (террикониками) и в меньшей степени отвалами обогатительных фабрик. Хранилищами УПО заняты тысячи гектар ценных земель и площадь этих земель ежегодно увеличивается. Терриконики угледобывающих районов Ростовской области давно стали неотъемлемой частью пейзажа (рис. 1).

Рис. 1. Типичный угольный отвал для пейзажа Ростовской области

На протяжении десятилетий терриконики в силу ряда объективных и субъективных причин не представляли промышленного интереса, хотя по сути являлись техногенными месторождениями прежде всего того же угля, содержание которого в них составляет от 10 до 25 %. Часть террикоников, в силу большого содержания угля, неправильного устройства отвалов и ухода перегорела. Их называют горелыми отвалами. В настоящее время они не представляют никакого промышленного интереса и результате долгих обсуждений была принята программа по их рекультивации и консервации. Она заключается в том, что срезается верхняя конусообразная часть отвала, затем он весь засыпается глинистой породой на толщину около 1 метра и высаживаются подходящие по виду лиственные и хвойные породы деревьев, а также кустарники (рис. 2). В принципе это хорошее решение проблемы, хотя и достаточно затратное.

Рис. 2. Типичный горелый отвал после рекультивации

В последние 6-8 лет в силу экономических причин и усовершенствования технологий извлечения угля, отношение к негорелым отвалам принципиально изменилось. Извлекать уголь из них стало выгоднее, чем строить новые шахты и содержать их. Однако проблемой является то, что перерабатывающие предприятия нацелены прежде всего на извлечение угля, оставшиеся 80-90 % переработанного горного отвала в силу различных причин в основном остаются не востребованными. Причиной такого положения дел на наш взгляд, заключается в отсутствии программ комплексного подхода при переработке террикоников, целью которого является полная переработка террикоников. Разработать такие программы под силу крупным многопрофильным организациям с большим научно-техническим заделом. Работы, проводимые в Донском государственном техническом университете совместно срегиональными геологическими организациями, Южным федеральным университетом и Всероссийским научно-исследовательским геологоразведочным институтом угольных месторождений позволили выработать стратегический подход для комплексной переработки террикоников. Это позволяет создавать на их базе крупные самодостаточные центры по производству широкого комплекса различных видов строительных материалов.

Условно всю горную массу отвалов можно разделить на три вида: минеральное вещество (безуглистый материал), сростки породы и угля, и обломки чистого угля. В процессе извлечения угля образуются следующие материалы, условно разделённые нами по фракционному составу, содержанию угля и минералого-петрографическому составу [1-5]. По фракционному составу мы выделили 4 группы: I – крупнофракционные материалы с размером элементов от 5-6 мм до 150 мм; II – среднефракционные материалы с размером зёрен от 2 до 5-6 мм; III – мелкофракционные материалы с преимущественным размером зёрен от 0,5 до 2,5 мм; IV – тонкофракционные материалы с размером зёрен менее 0,5 мм.

По содержанию угольной составляющей мы также условно получаемые материалы разделили на 4 группы: I – это безуглистые материалы (содержание угля не превышает 1 %); II – с низким содержанием, с количеством угля до 10 %; III – со средним содержанием, с количеством угля от 10 до 25 %; IV – с высоким содержанием, с количеством угля более 25 %.

По минералого-петрографическому составу продукты переработки террикоников мы условно разделили на три группы. К первой группе мы отнесли материалы, где основными породами, помимо угля, являются аргиллиты, глинистые сланцы и аргиллитоподобные глины. Эти породы обладают или могут обладать при тонком измельчении определённой пластичностью и связностью. Ко второй группе мы отнесли материалы, где основными породами являются алевролиты и песчаники. Такие породы даже при тонком измельчении не обладают пластичностью и связующей способностью. И к третьей группе относятся материалы, где наблюдается присутствие и тех и других пород.

Изучение строения многих террикоников, определение состава и свойств слагающих их пород, работа с предприятиями перерабатывающие терриконики позволили нам определить пути для комплексного и полного освоения негорелых горных отвалов с максимальной степенью экономической эффективности и гибкости технологических процессов.

Крупнофракционные материалы переработки террикоников (КМПТ), образующиеся в процессе переработки террикоников, представлены в подавляющем большинстве достаточно прочными песчаниками и алевролитами, так как более слабые породы в процессе переработки (многократное дробление и рассев) переходят в более мелкие фракции. КМПТ не содержат уголь или содержат в очень незначительном количестве (не более 0,5 %). Данные материалы целесообразно в соответствии с требованиями ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия» разделять на фракции: 5-10, 10-20, 20-40, 40-70 и 70-150 мм, а также на фракции в соответствии с требованиями ГОСТ 32703-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Щебень и гравий из горных пород. Технические условия». Полученный щебень может широко использоваться в строительстве как заполнитель различных бетонов, для отсыпки и строительства дорог, для производства различных строительных материалов и т.д.

Среднефракционные материалы переработки террикоников (СМПТ) могут быть представлены как песчаниками и алевролитами, так и камневидными глинистыми породами. Также они могут быть представлены смесью данных пород. Содержание угля в них невелико и как правило не превышает 1 %. Обычно их называют отсевами. Среднефракционные материалы, состоящие из песчаников и алевролитов, могут использоваться для получения песка с высоким модулем крупности по ГОСТ 31424-2010 «Материалы строительные нерудные из отсевов дробления плотных горных пород при производстве щебня. Технические условия», для получения щебня фракции 4-5,6 мм по ГОСТ 32703-2014. Материалы, состоящие из камневидных глинистых пород и алевролитов, могут использоваться для получения различных видов строительной керамики – крупноразмерные керамические блоки, рядовой и лицевой кирпич, клинкерный кирпич, керамическая черепица и т.д. [3-7].

Мелкофракционные материалы переработки террикоников (ММПТ) с размером зёрен от 0,3 до 2,5 мм не имеют чётко определённого названия. Их обычно называют кек, шиша, штыб и т.д. Содержание угля в них может составлять от 5 до 30 %. Применение современных технологий позволяет корректировать содержание угля в процессе технологической переработки и его содержание определяется требованиями конкретных потребителей. Уголь в ММПТ содержится в двух видах: это отдельные зёрна чистого угля и сростки угля с породами – углистые аргиллиты (рис. 3). Усреднённый зерновой состав ММПТ представлен в таблице 1.

а б

Рис. 3. Микрофотографии ММПТ фракций 1,25–2,5 мм (а); 0,315–0,63 мм (б)

В пофракционном содержании угля наблюдается определённая зависимость: меньшее его количество содержится в более крупных фракциях, большее – в более тонких фракциях. К примеру, при среднем содержании угля около 20 % во фракции более 1,25 мм его количество составляет 10 %, а во фракции 0,16–0,315 мм около 30 %. Соответственно изменяется пофракционная зольность и калорийность.

Таблица 1– Зерновой состав ММПТ

Мелкофракционные материалы переработки террикоников с содержанием угля 20-30 % по сути являются уже низкокачественным топливом как горючие сланцы. Они могут использоваться как добавочные материалы при производстве различных видов стеновой керамики, портландцемента, лёгких заполнителей и т.д. Материалы с содержанием до 10 % угля могут быть основным сырьём при производстве керамических блоков. Минеральная составляющая в них большинстве случаев уже представлена камневидными глинистыми породами, так как более слабые породы попадают в мелкие и тонкие фракции.

Тонкофракционные материалы (ТМПП) с преимущественным размером зёрен менее 0,5 мм обычно называют угольными шламами, илами, угольной пылью. Содержание угля в них может составлять от 10 до 40 %. Применение современных технологий позволяет корректировать содержание угля. Минеральная составляющая в них представлена тонкоизмельчёнными камневидными глинистыми породами. ТМПП обладают пластическими свойствами. Они также могут использоваться как добавочные материалы при производстве различных видов стеновой керамики, портландцемента, смешанных вяжущих веществ, теплоизоляционных строительных материалов, лёгких заполнителей и т.д. В силу не совсем понятных причин в России традиционным пористым заполнителем является керамзитовый гравий, который изготавливают из глинистого сырья. В ведущих зарубежных странах уже с 70-х годов прошлого века строительство керамзитовых предприятий прекращено. Строят только заводы, которые в качестве основного сырья используют различные топливосодержащие отходы, и в первую очередь, отходы угледобычи и углеобогащения [8-10].

С точки зрения экономики мелко- и тонкофракционные углесодержащие материалы являются очень привлекательными, т.к. стоимость калории тепла для них в 10-20 раз ниже в сравнении с чистым углём и газом. Если стоимость чистого угля составляет 5000-6000 рублей за тонну, то ММПТ и ТМПП это 100-300 рублей за тонну. Проведённые нами работы показали техническую и экономическую целесообразность строительства крупных комбинатов по производству различных видов строительных материалов на основе продуктов переработки террикоников. Единственным условием является комплексный подход, позволяющий полностью перерабатывать всю горную массу горных отвалов, получать изделия и материалы с минимальной себестоимостью, а предприятиям ещё и дополнительно получать тепловую энергию.

Список литературы

1. Головин Г.С., Малолетнев А.С. Комплексная переработка углей и повышение эффективности их использования: Каталог-справочник. М.: НТК «Трек». 2007. 292 с

2. Коломенский Г.Ю., Гипич Л.В., Коломенская В.Г., Савицкий Д.В. Углеотходы Восточного Донбасса как техногенное минеральное сырьё. Обзорная информация. М.: Геоинформцентр. 2002. 51 с.

3. Котляр В.Д., Козлов А.В., Котляр А.В., Терёхина Ю.В. Особенности камневидных глинистых пород Восточного Донбасса как сырья для производства стеновой керамики // Вестник МГСУ. 2014. № 10. С. 95–105.

4. Терёхина Ю.В., Талпа Б.В., Котляр А.В. Минералого-технологические особенности литифицированных глинистых пород и перспективы их использования в качестве сырья для производства строительной керамики // Строительные материалы. 2017. № 4. С. 8–10.

5. Котляр А.В., Талпа Б.В., Лазарева Я.В. Особенности химического состава аргиллитоподобных глин и аргиллитов // Строительные материалы. 2016. № 4. С. 10–13

6. Явруян Х.С., Гайшун Е.С., Котляр А.В. Особенности компрессионного формования тонкодисперсных продуктов углеобогащения при производстве керамического кирпича // Строительные материалы. 2017. № 12. С. 14–17.

7. Котляр, А. В. Технологические свойства аргиллитоподобных глин при производстве клинкерного кирпича // Вестник ТГАСУ. 2016. № 2 (55). С. 164–175.

8. Котляр В.Д., Устинов А.В., Терехина Ю.В., Котляр А.В. Особенности процесса обжига угольных шламов при производстве стеновой керамики // Техника и технология силикатов. 2014. № 4. С. 8–15.

9. Стороженко Г.И., Столбоушкин А.Ю., Иванов А.И. Переработка углистых аргиллитов для получения керамического сырья и технологического топлива // Строительные материалы. 2015. № 8. С. 50–59.

10. Петров, В.П. Физико-химические основы и сырьевая база производства высокопрочных пористых заполнителей // Строительные материалы. 2005. № 8. С. 28-30.