Еколого-економічна оцінка техногенних родовищ Кривбасу

У Кривбасі виробляється до 4-6% світового обсягу виробництва товарних видів залізорудної сировини. Промислова розробка залізних руд в Криворізькому басейні ведеться вже більше 100 років і за цей період було видобуто близько 4 млрд. т таких руд і вилучено з надр близько 9 млрд. м³ гірської маси. Найбільш інтенсивно розробка залізорудних родовищ в басейні велася в 60-80-х роках минулого сторіччя з продуктивністю 120-150 млн. т товарної залізної руди на рік.

Однак такі масштаби розробки та її інтенсивність далеко не завжди були виправдані економічно, а методи її здійснення вже і в ті роки приводили до вкрай негативних екологічних наслідків для регіону. При цьому вирішенню проблем, що виникають в результаті масових порушень природного стану надр, мало приділялося уваги.

З кінця 80-х років екологічна ситуація в регіоні стала серйозно ускладнюватися. Це було обумовлено тим, що у вказаний період стали вмасовому порядку проявлятися наслідки розробки залізорудних родовищ у вигляді неприйнятно високих характеристик порушення стану природного середовища. Серед найбільш несприятливих наслідків розробки, які призвели до такої ситуації, можна виділити наступні:

1. Надзвичайно висока порушеність геомеханічного стану надр.

2. Порушення природного гідрогеологічного режиму надр.

3. Надзвичайно сильне забруднення повітряного басейну.

Необхідно підкреслити, що ці фактори діють в комплексі (одночасно) і пов'язані між собою. В результаті цього стала формуватися не тільки несприятлива, але і небезпечна ситуація. Розглянемо, загалом, причини, що викликають таку ситуацію.

Висока порушеність геомеханічного стану надр викликана тим, що розробка залізорудних родовищ супроводжувалася вилученням величезних обсягів гірської маси на значних за розміром гірських відведеннях видобувних підприємств. При цьому такі підприємства розташовані практично в одну лінію, що розповсюджується з півдня на північ. На рис. 1.3 показано розташування Південного кар'єру з відвалами.

Рис. 1.3 - Розташування Південного кар'єру з відвалами

В результаті, утворилася безперервна зона порушення надр довжиною майже у 80 км. Вона характеризується близьким розташуванням і чергуванням зон зрушення і обвалення земної поверхні від підземної розробки, областей суцільного вилучення порід у кар'єрах, ділянках підроблених, але не завалених порід, складів порожніх порід і шламосховищ, ділянок, на яких в зону впливу підземної розробки потрапляють кар'єри. Таке положення формує небезпечні умови в результаті виникнення умов, що сприяють розвитку значного гірського тиску і наявності масивів ослаблених порід і підземних порожнин. Це створює небезпеку масового зсування порід, гірських ударів і навіть локальних землетрусів.

Особливу небезпеку в цьому відношенні мають порожнечі, утворені при підземній розробці руд. Причини їх виникнення наступні.Основна маса таких порожнеч виникає в результаті вилучення запасів підземних родовищ,родовищ, верхня частина яких не виходить на поверхню. Після їх відпрацювання, в надрах над гірськими виробками починається процес зрушення і обвалення порід. В результаті утворюються контур зрушення і контур обвалення, що локалізуються і до поверхні не доходять. Такі ділянки надр представляють небезпеку у результаті того, що умови, в яких знаходяться порожнечі, нестабільні (в результаті сейсмічної дії масових вибухів, виконання гірських робіт в безпосередній близькості від порожнеч, руху підземних вод). Це призводить до важко передбачуваної поведінки ділянок надр, порушених таким чином, на тривалі проміжки часу.За різними оцінками у Кривбасі накопичено від 7 до 20 млн м³ таких порожнеч.Істотну небезпеку представляють порожнечі, утворені на ранніх стадіях розвитку підземної розробки в Криворізькому басейні в 30-х - 50-х роках. Особливість цих порожнеч полягає втому, що вони розташовані близько від поверхні і в даний час їх місцезнаходження і стан точно невідомі, а до місць їх розташування вже впритул наблизилися житлові масиви і промислові об'єкти.

Складну ситуацію формують зони зрушення і обвалення, які утворюються в результаті підземного вилучення руд з родовищ, верхня частина яких виходила на поверхню.Вилучення запасів таких родовищ призводить до зсуву і обвалення поверхні. Цей процес триває по мірі розвитку добувних робіт із розширенням зазначених зон, тобто вони знаходяться в постійному русі. Сумарна площа цих зон на поверхні досягає 30 км², а глибина техногенних порушень надр під ними досягає 1200-1400 м.Динаміку розширення зон зрушення і обвалення порід, а також їхні геометричні параметри важко точно прогнозувати. Це обумовлено значними глибинами розробки, недостатньою вивченістю геологічних умов і физико-механічних властивостей порід, що потрапляють в межі мульди зрушення і обвалення.

Слід також зазначити, що масштабні порушення надр у Криворізькому басейні призвели до повного зміни їх гідрогеологічного режиму. В межах басейну утворилася величезна за розмірами депресивна воронка, майже у 800 км³. У цій зоні вільно переміщається вода і в ній же знаходяться всі діючі та закриті гірничодобувні підприємства. Вода проникає в глибинні зони порушення надр і підвищує їх небезпеку в результаті зростання рухливості зруйнованих порід, підвищення їх об'ємної ваги, розвитку значного додаткового тиску на елементи таких зон, що стримують розвиток порушень. Це може призвести до несподіваних зрушень і обвалів порід.Крім того, накопичення води в окремих зонах техногенних і природних тектонічних порушень призводить до підтоплення значних площ на поверхні.

Необхідність осушення родовищ перед вийманням руд вимагає її відкачування з надр. За рік всі гірничодобувні підприємства Криворізького басейну відкачують до 80 млн. м³ води. Це призводить до виникнення нової проблеми у зв'язку з їх проникненням в ґрунтові водоносні системи, засолення ґрунтових вод (особливо шахтними водами, які мають мінералізацію від 10-30 до 80-120 г/ л).

Забруднення повітряного басейну також вже наблизилася до критичних параметрів. Свій внесок у забруднення повітряного басейну розробка залізних руд вносить, в основному, у вигляді викидів токсичних газів, що утворюються при підривних роботах на кар'єрах і рудниках. В даний час за рік в басейні вибухає від 30 до 40 тис. т вибухових речовин, у результаті чого в атмосферу потрапляє 25-35 млн м³ отруйних газів, в основному, окислів азоту і вуглецю. Ці хімічні сполуки є токсичними. Крім того, вони добре розчиняються у атмосферній воді, викликають кислотні дощі і отруюють ґрунт.

Діяльність гірничодобувних підприємств викликає і значні викиди пилу в атмосферу. Так за рік від їх діяльності в Криворіжському басейні в атмосферу надходить до 200-300 тис. т пилу, який сприяє розвитку цілого ряду легеневих захворювань у людей.

Проблеми, які викликають дію всіх зазначених фактів у Криворізькому басейні на сьогоднішній день практично не вирішені. При цьому є окремі розробки, що дозволяють, якщо навіть і некардинально не вирішити ці проблеми, то істотно знизити їх негативний вплив на екологічну ситуацію в Криворізькому басейні і створити більш безпечні умови для людей [23].

2.Характеристика криворізького залізорудного басейну як комплексного техногенного родовища

Криворізький залізорудний басейн -- найбільший в Україні басейн з покладами багатих залізних руд, головний гірничо-видобувний центр країни, розташований на території Дніпропетровської області. Видобуток та збагачення залізної руди здійснюється на Новокриворізькому, Південному, Північному, Інгулецькому і Центральному ГЗК.

Об'єм відходів Кривбасу оцінюється в 10 млрд. т та складає більш 30 % від загальної кількості промислових відходів підприємств України.Тут видобувається понад 80% залізорудної сировини і виробляється 20% металу України. В зв'язку з цим, територія Криворізького басейну відноситься до найбільш техногенно порушених в світі [24].

Промислові відходи Криворізького басейну віднесені до комплексних техногенних родовищ тому, що містять в собі різні види відходів та досліджуються комплексно.Досить висока комплексність Криворізьких залізорудних родовищ обумовлена особливостями генезису, геологічними умовами залягання і складом залізистих кварцитів, вміщуючих, бічних і розкривних порід. У межах родовищ ті породи, які розкриваються кар'єрами, представлені гранітами, мігматитами, гнейсами, амфіболітами та ін. Покров складний різноманітними лесовидними суглинками, глинами, пісками, вапняками, тальковими сланцями та іншими породами [25].ТР включають три основних види техногенних відходів, які потребують подальшої переробки:

1. Відвали гірських порід. На території Кривбасу у відвалах накопичено понад 2,16 млрд.м³ гірських порід.

2. Відвали шламових відходів, збагачення залізистих кварцитів від збагачувальних фабрик ГЗК. Загальний обсяг шламових відходів у шламосховищах складає понад 2,4 млрд.м³.

3. Відходи шлаків металургійного комбінату. Відходи Криворізького металургійного комбінату і Криворізької ТЕС ВАТ «Дніпроенерго» складають 76,2 млн. т. Сюди входять:

- сталеплавильні і доменні шлаки;

- металургійні шлами;

- прокатні окалини;

- золо-шлакові відвали.

У басейні сконцентровані гігантські підприємства гірничодобувної промисловості концерну Укррудпром: п'ять найбільших ГЗК з десятьма кар'єрами глибиною більше 300 м для відкритого способу опрацьовання і 17 шахт глибиною 80-1300 м для підземного видобутку залізних руд; найбільші виробничі потужності металургійної промисловості - ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» і коксохімічний завод, а також заводи з виробництва цементу, вихідної сировини для лакофарбової промисловості, будівельних матеріалів та інші підприємства. Видобуток сирої залізної руди відкритим способом і переробка її до залізовмісної продукції, як зазначалося вище, здійснюється п'ятьма ГЗКами: Південним (ПГЗК), Новокриворізьким (НКГЗК), Центральним (ЦГЗК), Інгулецьким (ІнГЗК) і Північним (ПівнГЗК) [26].

2.1 Мінеральні ресурси техногенних родовищ Криворіжжя

Незаперечність положення про швидке вичерпання окремих видів природних мінеральних ресурсів і необхідність нових крупних капіталовкладень в освоєння нових родовищ ставлять питання про доцільність використовування сировини ТР [27]. Під техногенною мінеральною сировиною розуміються відвали покривних і вміщуючи порід відпрацьованих родовищ, а також хвостосховища ГЗК, де концентрація компонентів основного видобутку, а також супутніх корисних компонентів менше ніж в промислових скупченнях, що розробляються. Проте, ці компоненти можуть бути вилучені з застосуванням новітніх технологій. Щорічно на земній поверхні нагромаджується техногенна маса, що містить: заліза 350 млн. т, фосфору - 7,4, міді - 5,7, свинцю - 2,8, барію -2,5 млн. т, урану - 230 тис. т, миш'яку - 190, ртуті - 7,9 тис. т.

Утилізація відвалів покривних порід дозволяє скорочувати їх площі і тим самим економити ресурс геологічного простору, а вилучення корисних компонентів з хвостосховищ, окрім економічної вигоди, сприяє очищенню поверхневої частини літосфери від шкідливих для здоров'я біоти домішок; особливо це торкається важких металів і радіоактивних елементів.

За прогнозними оцінками, розробка ТР дозволила б на 15-20% розширити сировинну базу гірничо-металургійної, вугільної і гірсько-хімічної галузей промисловості. Для виробництва різних будівельних матеріалів можлива утилізація до 30% вилучених з надр покривних і вміщуючи порід, а також відходів їх збагачення. Проте фактичне їх використання не перевищує 4%.

Як родовища техногенної сировини слід також розглядати полігони поховання радіоактивних відходів. При більш високому рівні розвитку технологій вони можуть служити джерелом для видобутку радіоактивних елементів.

З деяким наближенням як ТР можна розглядати полігони складування твердих побутових відходів з метою видобутку метану, свинцю, заліза, скла і інших компонентів. Особливо важливе значення при розробці ТР набувають умови складування і тривалість зберігання сировини. Через сумісне складування різних за складом і властивостями порід і побутових відходів, зміни в часі їх якості, гравітаційної диференціації і сегментації (особливо на хвостосховищах) та їх перемішування первинна якість матеріалу істотно змінюється і ускладнюється вилучення корисних компонентів.

Проблема надмірного накопичення в Україні різноманітних відходів промисловості і необхідність їх утилізації в останні роки стає дедалі актуальнішою. На її території зосереджено приблизно 20 млрд. тонн твердих промислових відходів за щорічного обсягу їх накопичення у 167-214 млн. тонн. Загалом в Україні щороку утворюється близько 18% відходів вуглевидобутку і вуглезбагачення, 10% металургійних шлаків, 4% попелошлакових відходів електростанцій та місцевих котелень. Порівняно з 1996 р. у 2002 р. обсяги утворення промислових відходів зросли на 27,7% і становили 214 млн. тонн. Утилізується в Україні приблизно 20-43% річного їх утворення. Оцінка місць складування твердих відходів як техногенних родовищ є дуже важливим питанням для нашої країни [28].

2.2 Закономірності локалізації техногенних родовищ Криворізького басейну

Протягом доісторичного періоду і давньої історії розвитку людських спільнот України і прилягаючих регіонів Криворізький басейн був відомий як джерело мінеральних фарбників, будівельних матеріалів, залізорудної сировини та інших корисних для людини мінералів та гірських порід. З початком наукових досліджень наприкінці 18-го століття і започаткуванням розробки рудних покладів наприкінці 19-го століття до родовищ Кривбасу поступово закріпилось відношення як до моносировинних. Супутні корисні копалини не вивчались, а в разі їх виявлення в ділянках гірничодобувних робіт - ігнорувались. У поточний час у басейні в незначних об'ємах видобуваються розкривні кристалічні породи (мало- і без залізисті кварцити, сланці, граніти, гнейси, мігматити та ін.) для виготовлення щебеню, а також мінеральні пігменти (сурик, вохра), технічний тальк, пісок, глина,дрібно лускуватий мусковіт [29, 30].

В зв'язку з переходом гірничодобувних підприємств до нових форм господарчої діяльності протягом останніх 10 років спостерігається активізація досліджень супутніх корисних копалин. Головна увага приділяється переоцінці сировинної бази родовищ як комплексної, визначенню якісних і кількісних показників нетрадиційних корисних копалин, закономірностей локалізації їх покладів, можливостей збагачення сировини, напрямків її використання [30].

Геологічна позиція покладів супутніх корисних копалин у межах родовищ залізисто-кременистої формації Криворізького басейну і аналогічних родовищ Українського щита визначається впливом декількох чинників. Головними з них є: 1) седиментаційний (стратиграфічний); 2) тектонічний; 3) метаморфічний; 4) гідротермально-метасоматичний; 5) магматичний; 6) гіпергенний.

Метаморфічний відноситься до провідних, які визначили сучасний мінеральний склад, структуру, текстуру і, як наслідок, технологічні і технічні властивості мінеральної сировини [31].

В залізорудних товщах Українського щита проявлені три види метаморфізму: динамо-термальний (регіональний), термальний (контактовий) і динамічний [30]. Наслідки дії двох останніх фіксуються локально, потужність тіл метаморфітів відповідного походження не перевищує декількох десятків метрів. Динамо-термального метаморфізму в умовах різних фацій зазнали всі породи залізисто-кременистої формації.

У відповідності з існуючими уявленнями, метаморфізм залізистих порід Українського щита відбувався в термодинамічних умовах від зеленосланцевої до гранулітової фації [32]. Більшість попередніх досліджень була виконана на регіональному рівні, тому для уточнення умов метаморфізму конкретних родовищ і ділянок авторами були проведені додаткові визначення. Вони полягали у визначенні кількісних співвідношень в залізистих породах проявів мінеральних парагенезисів, типоморфних для відповідних фацій метаморфізму:

- зеленосланцева фація: кварц + магнетит + залізна слюдка + залізистий карбонат + хлорит (залізисті кварцити); кварц + залізистий карбонат + хлорит + серицит (сланцеві горизонти);

- епідот-амфіболітова: кварц + магнетит + залізна слюдка + кумінгтоніт + біотит (залізисті горизонти); кварц + кумінгтоніт + біотит + мусковіт + альмандин (сланцеві горизонти);

- амфіболітова: кварц + магнетит ± залізна слюдка + кумінгтоніт ± рогова обманка + альмандин + біотит ± піроксен (залізисті горизонти); кварц + кумінгтоніт ± рогова обманка + альмандин + біотит ± піроксен + мусковіт + ставроліт + кіаніт + андалузит (сланцеві горизонти);

- гранулітова: кварц + магнетит + піроксен + олівін (залізисті горизонти); кварц + піроксен + олівін + мікроклін (ортоклаз) + силіманіт + кіаніт ± альмандин (сланцеві горизонти).

Найбільш детальні підрахунки були виконані для родовищ Криворізького басейну. Використовувались результати картування забоїв діючих залізорудних кар'єрів і шахт, описи керну розвідувальних свердловин, дані підрахунків мінерального складу залізистих кварцитів і вміщуючи сланців у прозорих і полірованих шліфах. Для спрощення кількісних визначень за прояв мінерального парагенезису певної фації приймалась наявність відповідної мінеральної асоціації у зразках або шліфах. У більшості випадків у межах різних ділянок одного родовища фіксувались мінеральні асоціації, типоморфні для різних фацій метаморфізму. В зв'язку з цим у кожній точці спостереження давалась кількісна оцінка поширення мінеральних парагенезисів різних фацій метаморфізму, а за одержаними даними визначалось кількісне співвідношення прояву різних фацій метаморфізму залізистих і вміщуючи порід для кожного родовища.

Аналіз одержаних даних свідчить, що кожне залізорудне родовище Криворізького басейну слід розглядати як неоднорідне за ступенем динамо-термального метаморфізму. У їх межах фіксуються ділянки з мінеральними асоціаціями залізистих кварцитів і сланців, характерними для двох, іноді трьох фацій метаморфізму. Розподіл ділянок смугастий або плямистий, обумовлений геологічними умовами прояву метаморфічних змін залізистих осадків. Прикладом є Інгулецьке родовище, для якого характерне чергування ділянок і верств з проявом зелено сланцевої (хлорит; хлорит + залізистий карбонат; хлорит + залізистий тальк (мінесотаїт) + залізистий карбонат; залізистий тальк + залізистий карбонат;) і епідот-амфіболітової (біотит + гранат, кумінгтоніт + гранат; кумінгтоніт + біотит+ гранат) фацій. Потужність суміжних верств різного мінерального складу іноді становить лише 3-5 м.

У попередніх роботах [30, 31] автори наголошували, що динамортермальний метаморфізм обумовив формування покладів низки супутніх корисних коалин залізисто-кременистої і вміщуючи формацій залізорудних родовищ Кривбасу: хлоритового сланцю як сировини для виготовлення сланцепориту, абразивного гранату, тонко лускуватого мусковіту, технічного тальку, пігментного селадоніту, декількох різновидів облицювального і тротуарного каменю та ін. [30]. Інтенсивність метаморфізму і його плямистий прояв обумовили утворення, поширення, якість корисних копалин, розмір, морфологію, внутрішню будову їх родовищ, покладів і проявів. Прикладом можуть бути родовища і прояви гранату і тальку.

Гранат у сланцях, верстви яких вміщують поклади бідних магнетитових руд (магнетитових кварцитів) басейну, представлений альмандином [33]. За механічними і технічними властивостями він є пріоритетним як абразивна сировина серед інших різновидів гранату. Альмандин - типоморфний мінерал низькоглиноземистих і високозалізистих сланців залізисто-кременистої формації, верстви яких розташовані у приконтактових частинах сланцевих горизонтів із залізистими горизонтами саксаганської світи криворізької серії.

Утворення альмандину - результат прояву в товщах первинних залізисто-глиноземисто-кременистих осадків динамотермального метаморфізму в умовах епідот-амфіболітової та більш високих фацій [32, 34]. Це свідчить про те, що в межах Криворізького басейну існують ділянки, перспективні за рівнем метаморфізму для пошуку родовищ і проявів абразивного гранату.

Дослідження останніх років дозволили виявити декілька таких родовищ: Жовторіченське і Ганнівське Північного залізорудного району Кривбасу, Первомайське - Саксаганського району, Інгулецьке - Лихманівського району і Артемівське - Правобережного району. Поклад гранат-вмісних сланців останнього малопотужний (0-10 м). Гранат сланцевих горизонтів Первомайського й Інгулецького родовищ через недостатній рівень динамотермального метаморфізму сланців (зони переходу від епідот-амфіболітової до зеленосланцевої фації) і, як наслідок, через недостатнє самоочищення кристалів гранату від пойкілобластів кварцу, магнетиту, графіту, кумінгтоніту, хлориту та інших мінералів, не може бути віднесений до якісної гранатової сировини. Крім того, гранат тут, переважно, дрібнозернистий і вміст його в сланцях відносно низький. Таким чином, промислово гранатоносними є сланцеві горизонти саксаганської світи Ганнівського і Жовторіченського родовищ. Ресурси гранатової сировини в їх межах до проектної глибини розробки родовищ перевищують 4 млрд. т., тобто, при видобутку гранатової сировини 1 млн. т. на рік (що відповідає річному виробництву 150-200 тис. т. гранатового концентрату) її кількості вистачить на 4000 років. В центральній частині Ганнівського родовища (північно-східний борт Ганнівського кар'єру) розвіданий і підготовлений для експлуатації блок гранатвмісних сланців третього-п'ятого і першого сланцевого горизонтів з запасами понад 100 млн. т.

Топомінералогічні дослідження товщ гранат-вмісних сланців [34] показали, що в напрямку від північного і південного флангів залізорудної смуги Кривбасу до його центральної частини зі зміною ступеню метаморфізму від епідот- амфіболітової до зеленосланцевої фації суттєво зменшується кількість гранату в сланцях, він з породоутворюючого мінералу стає другорядним, а в межах родовищ Південного і південної частини Саксаганського району - акцесорним мінералом. Розмір кристалів зменшується до 0,1-0,5 мм.

Зворотна тенденція - погіршення якості неметалевої сировини зі зростанням ступеню динамотермального метаморфізму - спостерігається на прикладі талькових сланців скелюватської світи. Найбільш високу якість як технічний тальк вони мають у межах родовищ Південного і Саксаганського залізорудного районів [35]. Тут до їх складу входять, головним чином тальк і хлорит; другорядне значення мають залізисто-магнезіальні карбонати (брейнерит, Ca-брейнерит, анкерит) - їх вміст коливається в межах 3-15 об'ємн.%. Амфібол (актиноліт, тремоліт), серпентин, фуксит і рудні мінерали відносяться до рідкісних і акцесорних: вміст амфіболу становить 2-10 об'ємн.%, кількість інших мінералів не перевищує 1-1,5% кожного. З підвищенням рівня динамотермального метаморфізму відбувалось заміщення карбонатів, а також частини хлориту і тальку - амфіболами, близькими за складом до актиноліту, рідше тремоліту [33]. В тальк-вмісних сланцях Інгулецького родовища їх середній вміст становить 34,2 об'ємн.%, Первомайського - 53,1%, Ганнівського - 69,5%, Жовторіченського - 61,7%. Зростання кількості амфіболів і зменшення вмісту тальку обумовлює значне погіршення технічних, експлуатаційних властивостей талькових сланців, звужується спектр можливих напрямків їх використання.

Для низки неметалевих корисних копалин Криворізького басейну також властива залежність від термодинамічних умов динамотермального метаморфізму. В якості прикладу можна назвати:

- дрібнолускуватий мусковіт, якість якого обумовлена ступенем наближення його хімічного складу до стехіометричного, розміром кристалів т.і.; більш високі технічні характеристики властиві мусковіту з зон прояву метаморфізму в умовах епідот-амфіболітової фації (родовища Північного та Інгулецького залізорудних районів);

- пігментний селадоніт, який у помітній кількості утворювався лише на стадії діафторезу шляхом заміщення утворених в умовах епідот-амфіболітової фації кумінгтоніт-вмісних малорудних залізистих кварцитів Інгулецького, а також Первомайського і Ганнівського родовищ;

- мусковітовий кварцит, який у якості облицювального і тротуарного каменю найбільш високі експлуатаційні характеристики має в межах родовищ з підвищеним ступенем метаморфізму порід скелюватської світи (Ганнівське, Первомайське, Інгулецьке;

- хлоритовий сланець родовищ Південного і Саксаганського залізорудних районів (зона прояву метаморфізму в умовах зеленосланцевої фації) як найбільш якісна сировина для виготовлення сланцепориту;

- щебінь, виготовлений з малорудних і безрудних кварцитів, який має більш високу марку (600-1200) для родовищ Інгулецького і Ганнівського залізорудних районів і більш низьку для родовищ Південного і Саксаганського районів (400-900).

Таким чином, наявність, а також поширення, мінералогічні, структурні, текстурні, хімічні, фізичні, технологічні і технічні характеристики низки супутніх неметалевих корисних копалин залежать від ступеню динамотермального метаморфізму порід залізорудної і вміщуючих товщ Криворізького басейну. Для кожного різновиду мінеральної сировини може бути побудована прогнозна карта її локалізації і якості. Це слід враховувати при переоцінці залізорудних родовищ Кривбасу як комплексних, а також при пошуках і розвідці супутніх корисних копалин, прогнозі їх якісних показників [36].

2.3 Основні напрямки розвитку мінерально-сировинної бази Криворізького басейну

Існує чотири етапи розвитку мінерально-сировинної бази Криворізького басейну. В даній роботі розглянуті перспективи розвитку четвертого основного етапу на найближчі роки.

Основними напрямами четвертого етапу розвитку мінерально-сировинної бази Криворізького басейну є: 1) підвищення ступеня комплексного використання мінеральної маси, що витягується з надр і 2) утилізація накопичених у регіоні відходів гірничодобувних, збагачувальних і металургійних підприємств. Крім мінерально-сировинних, технологічних і технічних особливостей, що відрізняють його від попередніх етапів, четвертий етап має чітко виявлену екологічну спрямованість.

Водночас видобуті корисні копалини залізорудних родовищ Кривбасу різною мірою використовувалися на всьому протязі їх розробки. Індустріальних обсягів досягло виробництво щебеню з розкривних кристалічних порід, мінеральних пігментів (сурику і охри), технічного тальку [29, 37]. Однак у складі продуктивних і вміщуючих товщ родовищ присутні близько 50 мінералів і гірських порід, які є цінними металевими і неметалевими корисними копалинами: абразивний гранат, дрібночешуйчатий мусковіт, облицювальний і тротуарний камінь, рідкісні, розсіяні і благородні метали, близько 20 видів кольорового, виробної та колекційного каменю та ін. [31]. Використання їх могло б у значній мірі задовольнити потребу України та країни ближнього зарубіжжя в деяких видах корисних копалин. За попередніми розрахунками, загальний обсяг використання попутно видобутих корисних копалин через 5 років після початку їхнього видобутку може перевищити 1 млн. т. на рік. Прибуток від їх реалізації складе від200 до 500 млн. ін.

У Криворізькому басейні накопичено, за різними оцінками, від 7 до 10 млрд. т промислових відходів. Це становить близько 30% відходів всіх підприємств України. Близько 60% загальної маси відвалів гірничорудних підприємств, близько 20% маси лежалих хвостів збагачувальних фабрик і 100% маси шламів гірничо-металургійного комбінату «АрселорМіттал Кривий Ріг» представляють собою залізорудну сировину, відповідає за якісними показниками вимогам збагачувальних підприємств.

У 90-х роках ХХ ін. були зроблені перші кроки у використанні залізовмісних відходів. Фірмою «Гамаюн» була побудована установка по збагаченню продуктів додаткове подрібнення крупнозернистих відходів ДСФ шахти «Зоря-Жовтнева» методом «сухий» магнітної сепарації [38]. Надалі такі установки були тиражовані фірмами «Укрекологія», «Сигма» [39]. Вони дозволяють отримувати з вихідного матеріалу із загальним вмістом заліза близько 40 мас.% агломераційну руду з вмістом заліза 53-55%. На Центральному ГЗК була побудована установка по вилученню магнетиту з лежаних хвостів збагачувальної фабрики з подальшим направленням корисного продукту на подрібнення і збагачення в діючу технологічну лінію.

Однак роботи обох напрямків не дозволяють вирішити проблему максимального використання природних потенціалів вихідної сировини. У відходах повторного збагачення крупнозернистого матеріалу ДСФ вміст заліза занадто високий - 35-40 мас.%. Встановлення ж повторного магнітного збагачення лежалих хвостів не одержує близько 40% їх рудної складової, представленої гематитом. Внаслідок більш низькою питомою магнітної сприйнятливості гематиту в порівнянні з магнетитом, близько 90% загальної його кількості втрачається в відходах повторного збагачення хвостів.

Гравітаційна і комплексна гравітаційно-магнітна технології забезпечують більш повне вилучення корисних компонентів з матеріалу техногенних покладів [40]. Основні компоненти цих технологій вже перевірені в промислових умовах. Прийнятий в експлуатацію в 2005 р. збагачувальний модуль фірми «Підряд», переробний відходи шахти «Північна» ін. В.А. Валявко і має потужність по вихідній сировині 500 тис. т на рік, протягом більше 2 років стабільно виробляє гематитової концентрат із вмістом заліза 65 мас.%. У 2008 р. проведений запуск збагачувальної установки фірми «Транс-трейд» з переробки гематит вміщуючих лежалих хвостів шахти «Нова» (м. Жовті Води). Потужність установки 1 млн. т. по вихідній сировині на рік; вміст заліза в концентраті - 65-66 мас.%. Розпочато проектування аналогічних установок для Криворізького і Запорізького залізорудних комбінатів, рудника «Оркен-Атасу» (м. Каражал, Казахстан).

Переробка техногенних покладів залізорудної сировини в Криворізькому басейні має великі перспективи. У відвалах гірничодобувних підприємств міститься близько 2,5 млрд. т гематитових кварцитів з домішкою багатих гематитових руд. Не менш 500-700 млн. цієї сировини заскладовано без змішування з безрудними кварцитами,сланцями та іншими породами. Однак відвали змішаного складу, по результатам попередніх технологічних та економічних розрахунків, також буде доцільно переробляти, використовуючи попереднє розділення кускового матеріалу на рудні і нерудні складові за допомогою магнітних сепараторів з сильним полем. Переробка відвалів сприятиме кардинальному вирішенню проблеми їх упорядкування та рекультивації.

Висока ефективність використання гравітаційної технології для збагачення відходів збагачення бідних магнетитових руд показана на прикладі лежалих хвостів Північного ГЗК [41]. У лабораторних і напівпромислових умовах з використанням гравітаційних апаратів було забезпечено витяг в концентрат обох хвостів, що входять до складу хвостів високозалізістих мінералів - магнетиту і гематиту . Для умов хвостосховища Північного ГЗК за участю авторів цієї статті розроблено ТЕО установки з виробництва гематит - магнетитового концентрату з лежалих хвостів аварійних ємностей і хвостосховища комбінату.

На основі застосування комплексної гравітаційно-магнітної технології були також розроблені ТЕО і робочий проект установки з виробництва з лежаних шламів металургійного комбінату «АрселорМіттал Кривий Ріг» концентрату із загальним вмістом заліза 65 мас.%. В даний час фірмою «Гонта-Технологія» завершується будівництво цієї установки. Металургійні шлами є унікальною природно-техногенною сировиною, до складу якої входять не тільки близько 20 залізовмісних мінеральних фаз, що характеризуються різним хімічним складом та фізичними властивостями, але також коксовий пил, технічні мастила, силікатні та інші нерудні компоненти. Витяг коксового пилу і масел дозволяє виробляти зі шламів крім залізорудного концентрату також високоякісну енергетичну сировину - коксовий брикет.

Результати техніко - економічних розрахунків, проектних розробок, досвід роботи перших збагачувальних установок свідчить про високу мінералогічну, технологічну, технічну, економічну, екологічну, соціальну ефективності робіт четвертого етапу розвитку мінерально - сировинної бази Криворізького басейну. Залучення в експлуатацію гематитових кварцитів, корисних копалин, які попутно видобуваються, техногенної сировини дозволить значно збільшити мінерально - сировинний ресурс видобувних і збагачувальних підприємств Кривбасу, знизити собівартість залізорудного концентрату, збільшити ступінь використання мінеральної маси, яку видобувають з надр, впровадити сучасні технології видобутку та переробки корисних копалин, створити додаткові робочі місця, знизити рівень техногенного тиску на регіон, підвищити якість і розширити спектр вироблених продуктів переробки мінеральної сировини, збільшити конкурентоспроможність продукції підприємств Криворізького басейну на світовому ринку [42].

2.4 Перспективи використання техногенних відходів Криворізького залізорудного басейну

Виходячи з тих проблем, які виникають внаслідок існування ТР (екологічні, економічні та соціальні проблеми), можна наголосити на позитивних аспектах їх існування. Доведена можливість використання техногенних ресурсів як альтернатива природним ресурсам.

В цілому доведена перспективність використання техногенних промислових відходів у якості альтернативного джерела дефіцитних мінеральних ресурсів, що є важливим для подальшого розвитку економіки України.

В 1993 році за участю О.І.Бента і В.К.Яцуна [43] виданіперші методичні рекомендації з вивчення промислових відходів, як сировини для будівельних матеріалів; в 1994р. публікується перша класифікація та методичні рекомендації з визначенням перспективності промислових техногенних відходів України на металічні корисні компоненти [44].

Роботи, які були проведені різними авторами в даному напрямку показали, що накопичення промислових відходів, які в своєму складі вміщують токсичні елементи можуть негативно впливати на геолого-екологічне середовище, тому їх системне вивчення та переробка є одним з першочергових завдань в Україні, особливо за умови отримання з них цінних мінеральних компонентів.

Численні підприємства з видобутку та збагачення твердих корисних копалин мають відвали відходів розкривних порід та хвостів збагачення, загальна кількість таких відходів становить 11 млрд.т., основна частина яких відноситься до підприємств чорної металургії видобутку залізних, марганцевих руд та нерудної металургійної сировини. Найбільша кількість гірничопромислових відходів утворюється в Дніпропетровській області. Так наприклад в Кривому Розі діє п'ять великих ГЗК, сумарний вихід тільки розкривних та вміщуючи порід (суглинки, глини, піски, вапняки, некондиційні кварцити, сланці) на Криворізьких ГЗК становить до 100млн.м³/рік. Некондиційні кварцити частково йдуть для виробництва щебеню, який використовується майже виключно для власних потреб комбінатів.

Розкривні породи Кривбасу досліджувалися різними організаціями, які встановили, що промислову значимість мають талькові сланці Інгулецького родовища, які придатні в якості сировини для виробництва цементу, цегли, кераміки, скла, руберойду. Складене ТЕО будівництва цегельного заводу потужністю 50 млн. штук умовної цегли в рік на базі розкривних талькових сланців та суглинків Інгулецького родовища [45]. На даний час на всіх залізорудних кар'єрах Кривбасу розкривні породи складуються в сумісні відвали, в яких до теперішнього часу накопилося більше 1,9 млрд.м³ породи.

Відходи збагачення залізистих кварцитів Кривого Рогу в основному складені хвостами мокрої магнітної сепарації. Їх сумарний річний вихід перевищує 100млн.т. Шлами практично повністю зливаються у хвостосховища. Сумарний об'єм хвостосховищ сягає1,5млрд.т. На Новокриворізькому та Інгулецькому ГЗКах діяли установки, на яких із відходів мокрої магнітної сепарації відбирались до 400тис.м³ фракціонованих крупнозернистих пісків в рік. Ці піски широко використовувались будівельниками, так як виготовлені з них бетони мають вищу якість і вимагають менше цементу. Це виробництво зупинено, оскільки воно ускладнює умови складування решти шламу.

2.4.1 Використання відвалів для до вилучення заліза

За роки індустріального розвитку СРСР на території держав СНД утворилася велика кількість відвалів, складів, сховищ відходів видобутку, збагачення корисних копалин і їх переробки. В окремих регіонах утворилися величезні концентрації вилученої з надр мінеральної маси, що мають планетарні масштаби.

Характерним прикладом є Криворізький басейн. У відвалах його родовищ міститься, за різними оцінками, від 10 до 13млрд. т. розкривних порід, а в хвостосховищах - від 4 до 6 млрд. т. відходів збагачення бідних залізних руд (головним чином,магнетитового, в незначній кількості гематитового складу). Кількість оксиду заліза у відвалах становить 392,064 млн. т [46] і співвідноситься з розвіданими запасами залізної руди, яких нараховується сьогодні більш ніж 32 млрд. т [47].Протягом останніх років все активніше вивчаєтьсяможливість використання накопиченої у відвалах іхвостосховищах Криворізького басейну мінеральної маси. Ставиться питанняпро надання їм статусу техногенних родовищ. З кожним роком стає все ясніше, що відсутність прийнятих на державному рівні методів оцінки техногенних родовищ гальмує введення їх в експлуатацію. Виходячи з відмінностей у способах формування, транспортування,складування відходів, техногенні родовища Криворізького басейну та аналогічних басейнів і родовищ планети можна розділити на два класи:

- Складені техногенними покладами природних корисних копалин;

- Складені покладами техногенних корисних копалин.

До перших належать відвали гірничодобувних підприємств басейну, які складені вилученими з надр, переміщеними та складованими розкривними гірськими породами: осадовими, метаморфічними, метасоматичними, магматичними,гіпергенними та іншими за своєю природою. Їх мінеральний і хімічний склад, текстура, структура, фізичні, технологічні, технічні та інші характеристики практично не змінилися порівняно з відповідними параметрами цих гірських порід у корінному заляганні.

До других належать, головним чином, відходи збагачення бідних залізних руд (магнетитових, в значно меншій кількості гематитових) - т.зв. «Лежалі хвости» збагачувальних фабрик. Вони являють собою подрібнений матеріал вихідної руди, в якій порушена її текстура і структура. Внаслідок вилучення з продуктів подрібнення рудних мінералів мінеральний і хімічний склад відходів збагачення (т.зв. «Поточних хвостів») істотно відрізняється від складу вихідної руди. Складське господарство поточних хвостів у хвостосховищах супроводжується гравітаційною диференціацією подрібненого матеріалу. Як наслідок, мінеральний і хімічний склад лежалих хвостів у конкретних ділянках хвостосховищ помітно різняться. Практично змінюється і природа корисної копалини: з метаморфогенного воно перетвориться в техногенне роззсипне.

Існують ТР, проміжні за своєю природою, наприклад зосереджені в складах дробильно-сортувальних фабрик (ДСФ) шахт Кривбасу. Крупнозерниста складова цього матеріалу (більше 1,0 мм) близька до корисної копалини першого класу, дрібнозерниста (менше 1,0 мм) -другого. Техногенні родовища першого класу до теперішнього часу більш глибоко вивчені, зроблені перші кроки в напрямку їх промислової експлуатації. Для деяких гірських порід,видобутих з надр попутно із залізними рудами, і для деяких напрямів їх застосування проблему утилізації можна вважати теоретично і практично вирішеною. Організовано виробництво щебеню різних марок, бутового каменю, баластного сировини і деяких інших матеріалів для дорожнього будівництва з гранітоїдів, некондиційних магнетит-силікатних кварцитів, різного складу сланців.

Крім того спеціальні мінералогічні, геологічні,геохімічні, технологічні, технічні дослідження останніх10-15 років показали можливість використання багатьох розкривних гірських порід родовищ Криворізького басейну:

- Визначені сфери застосування низькосортного технічного тальку, ресурси якого в межах гірничих відходів розроблюваних родовищ перевищують 3 млрд. т.;

- Розроблена технологія виробництва високоякісного гранатового концентрату зі сланців, підстилаючих продуктивних товщ Аннівського та інших родовищ Кривбасу, гірські породи яких метаморфізовані в умовах епідот-амфіболітовую і амфіболітової фацій; прогнозні ресурси гранатової сировини тільки Аннівського родовища перевищують 1 млрд. т., розвідані запаси становлять понад 100 млн. т.;

- З крупнозернистої фракції - відходів ДСФ шахт Кривбасу в невеликій кількості налагоджено виробництво агломераційної руди з вмістом заліза близько 55 мас.%, проте показано, що при більш глибокій переробці цієї сировини можливе підвищення вмісту заліза в аглоруді до 57 -59 мас.%, А також виробництво високоякісного гематитового концентрату з вмістом заліза 67-68% і суперконцентрату з вмістом заліза більше 69,5 мас.% і вмістом кремнезему до0,2%; кількість цієї сировини в складах-відвалах ДСФ Кривбасу оцінюється в 10 млн. т., протягом останніх 5 років щорічний приріст його кількості становив 1-2 млн. т.;

- Виявлено більше 10 мінералів і гірських порід, що мають яскраве та стійке забарвлення; з них тільки сурик відпрацьовується в промислових обсягах, проте до нього можна додати також охру, мумію, хлорит, гематит та інші мінеральні барвники;організовано виробництво в невеликих обсягах мінеральних пігментів, що мають високу художню цінність; ресурси пігментної сировини в басейні, за різними оцінками, становлять 1-2 млрд. т.

Із слабкіше вивчених і практично не використовуваних видів мінеральної сировини у відвалах можна відзначити:

- Амфібол- і піроксен- кварцити і сланці багатьох родовищ Криворізького басейну, з яких можливе отримання амфіболового і піроксенових концентратів;

- Бентонітові і бентоніто-подобні глини, що мають кілька напрямів використання, в тому числі у виробництві залізорудних окатишів;

- Кварц-хлоритові, серицит-кварц-хлоритові і близькі за складом сланці родовищ Саксаганського залізорудного району Кривбасу, придатні для виробництва високо-пористих будівельних матеріалів типу керамзиту;

- Пісок різних марок та напрямів використання;

- Доломітовий мармур; може використовуватися в декількох напрямках, в тому числі для виробництва високоякісної облицювальної плитки спокійних сірих і блакитно-сірих тонів;

- Первинний і більш рідкісний вторинний каолін, розкритий декількома кар'єрами Криворізького басейну;

- Глина і суглинок; можливе виробництво високоякісної керамічної цегли, черепиці та інших виробів цього класу;

- Кальцитовий і доломітовий вапняк, який придатний до використання як компонент металургійної шихти, в якості будівельного каменю, для виробництва облицювальної плитки, елементів садової архітектури.

Всі родовища Криворіжжя містять комплексні залізні руди (залізисті кварцити з великою кількістю різноманітних видів і технологічних типів) та нерудні корисні копалини.

На сьогоднішній день для переробки на залізорудний концентрат використовуються в основному тільки не окислені магнетитові кварцити, які складають в середньому 2/3 всієї кількості залізистих кварцитів, що видобуваються. Окислені магнетит-гематитові та не окислені мало рудні магнетит-силікатні кварцити не використовуються для переробки, а скидаються в змішані відвали або частково (окислені) тимчасово складуються. Відповідно, всі окислені та не окислені мало рудні залізисті кварцити, які знаходяться у відвалах, в майбутньому будуть використовуватися для переробки на залізорудний концентрат.

Нерудні корисні копалини, які видобуваються на ГЗК у великих кількостях в наш час практично не використовуються, а скидаються в змішані відвали. Серед них найбільшу групу представляють нерудні будівельні матеріали з кристалічних скельних порід, які придатні для виробництва будівельних, вогнестійких та дорожніх матеріалів [48].

В даний час відомі близько 50 мінералів і гірських порід продуктивних і вміщуючих товщ залізорудних родовищ Кривбасу, які можуть розглядатися як металеві та неметалеві корисні копалини [49]. Це, в основному: окислені та не окислені кварцити, малорудні кондиційні магнетит-силікатні кварцити, некондиційні безрудні кварцити, магнетит-мартитові кондиційні кварцити, малорудні не окислені кварцити, малорудні напівокислені кварцити, сланці, кристалічні сланці сарматські вапняки, лесовидні суглинки, глини, піски, піщаники тощо [50].

2.4.2 Використання відвалів в якості сировини для виробництва будівельних матеріалів

Розроблювальні родовища залізистих кварцитів на ГЗКзнаходяться в сприятливих гірничо-геологічних та економічних умовах для комплексного використання всіх попутно видобутих як рудних, так і нерудних корисних копалин, а також шламових відходів збагачення.

Сучасний стан гірських робіт і можливе збільшення виробничих потужностей підприємств вимагає якнайшвидшого переходу до ресурсозберігаючих і маловідходних технологій з використанням відходів видобутку і збагачення корисних копалин.

За весь період видобутку корисних компонентів накопичилися значні запаси складованих невикористаних руд у відвалах, відходів збагачувального і металургійного виробництва, які можуть бути використані, наприклад, як будівельні корисні копалини. Ці запаси є ТР, одними з видів ресурсів надр планети, що не вимагають проведення бурових, вибухових і розкривних робіт [51].

У процесі видобутку і переробки залізних руд, руд кольорових металів, хімічної сировини, нерудних матеріалів отримують побічні продукти двох типів: у вигляді розкривних та інших порожніх порід, що добуваються при веденні гірських робіт, і відходів ГЗК. Найбільша кількість водночас добутих порід і відходів збагачення пов'язана з видобутком і переробкою залізних руд. Тільки в Криворізькому басейні щорічний вихід попутно видобутих порід становить близько 50 млн. м³. На залізорудних підприємствах країни обсяг видаляються порожніх порід досягає 400 млн. м³, в тому числі скельних порід більше 70%. Крім того, відходи після збагачення руди становлять понад 200 млн. т. Раціональна область застосування побічних продуктів гірничодобувних підприємств - це промисловість нерудних будівельних матеріалів.

Досягнутий економічний ефект обумовлений економією капітальних вкладень на виробництво нерудних матеріалів, скороченням обсягів відвалів і витрат на транспортування відходів, ліквідацією втрат в народному господарстві, пов'язаних з відчуженням земельних угідь та подальшою їх рекультивацією.

Для виробництва нерудних будівельних матеріалів придатні: ті породи, які попутно видобуваються: сухі і мокрі відходи збагачення при видобутку і переробці залізних руд, флюсів та вогнетривів, кольорових металів; висівки (відсівання) при виробництві будівельного щебеню із вивержених, метаморфічних і осадових порід; породи і відходи збагачення при виробництві азбесту та інші. Побічними продуктами видобутку залізних руд є кварцитові і близькі до них породи, наявність яких у загальному обсязі розробок корисних копалин досягає 50%.

Залізисті кварцити переважно складаються з оксидів заліза і кремнезему. Непридатні для збагачення залізисті кварцити і інші скельні породи вивозяться у відвали. Однак з них можна виготовляти великий заповнювач для особливо важкого бетону, а також баластний матеріал для залізничного будівництва. Гранулометричний склад відвальних залізистих кварцитів та інших скельних порід коливається в широких межах. Справжня щільність їх зазвичай становить 2,8-4,6 г/см³, середня щільність - 2600-4100 кг/м³, водопоглинання - 0,2-8%, морозостійкість досягає 200 циклів.

За хімічним складом відходи ГЗК можна розділити на три групи (%): кварцові (SiO₂> 65), силікатні (SiO₂<65, Fe <15) і залізисті (Fe> 15). Відходи останньої групи отримують при збагаченні залізистих кварцитів низького ступеня метаморфізму. Через високу дисперсності і щільності, що становить приблизно 3000 кг/м³, їх не рекомендують як заповнювач бетону. Кварцові відходи утворюються при збагаченні залізистих кварцитів середніх ступенів метаморфізму, а силікатні - високих. Відходи цих груп практично не містять глинистих мінералів і мають форму зерен, відмінну від кулястої з шорсткою поверхнею. Збагачені кварцові «хвости» мають середню щільність 1550-1900 кг/м³, модуль крупності їх зазвичай дорівнює 1,5-2. Значна частина переробляється гірської породи направляється у відвали у вигляді кварцево-залізистих шламів. Ці відходи є тонко дисперсним порошком. До складу шламових відходів підприємств, наприклад Криворізького басейну, входить 60-80% кварцу і 13 - 18 % оксидів заліза. У невеликих кількостях входять оксиди алюмінію, кальцію, лужних металів, марганцю та ін. За гранулометричному складу шлами близькі до дніпровського річкового піску, відрізняючись від нього кілька більш високими значеннями пустотності, істинною і середньої щільності.

Для використання шламів у бетонах ефективним є їх фракціонування, здійснюване за допомогою гідравлічних класифікаторів. Робота таких класифікаторів заснована на різній швидкості падіння частинок різної маси у висхідному потоці води. Попутними продуктами видобутку і переробки багатьох корисних копалин є породи, що складаються в основному з силікатів магнію. До них відносяться різновиди серпентинів - антігоріти, хризотилом та ін. Найбільш значний вихід силікатів магнію у вигляді відходів характерний для азбестових збагачувальних фабрик. При збагаченні азбестомістких порід витягується тільки близько 8% сортового азбесту, а решта 92% є відходами. Найбільший інтерес силікатно-магнієве сировина являє для виробництва автоклавних матеріалів.

Для виробництва будівельних матеріалів з розкривних порід цінність представляє карбонатна і глиниста сировина. При відкритій розробці залізорудних родовищ карбонатна сировина частіше представлено маломергелістимі крейдяними породами з вмістом 90-99% СаСО₃ і мергелистими породами, що містять 64-85% СаСО₃. Ці породи можна застосовувати у виробництві вапна, цементу, мінеральної вати.