Міністерство освіти і науки України

Криворізький технічний університет

Федорова Ірина Анатоліївна

УДК 549 : 553.31 : 623.7-17 (477.63)

Технологічна мінералогія відходів збагачення північного гірничозбагачувального комбінату криворізького басейну

Спеціальність 04.00.20 – мінералогія, кристалографія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Кривий Ріг – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Криворізькому технічному університеті

Науковий керівник –

Євтєхов В.Д., доктор геолого-мінералогічних наук, професор, завідувач кафедри теоретичної і прикладної мінералогії Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти:

Пирогов Б.І., доктор геолого-мінералогічних наук, професор кафедри мінералогії і геохімії Московської державної геологорозвідувальної академії Міністерства освіти Російської Федерації;

Проскурня Ю.А., кандидат геологічних наук, доцент кафедри родовищ корисних копалин і екологічної геології Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа:

Кримське відділення Українського державного геологорозвідувального інституту Міністерства екології та природних ресурсів України (м. Сімферополь).

Захист відбудеться 10 лютого 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 09.052.04 у Криворізькому технічному університеті (50002, м. Кривий Ріг Дніпропетровської обл., вул. Пушкіна, 37, каф. теоретичної і прикладної мінералогії, тел. 23-24-25).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Криворізького технічного університету за адресою: 50002, м. Кривий Ріг Дніпропетровської обл., вул. Пушкіна, 37.

Автореферат розісланий "6" січня 2005р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 09.052.04

кандидат геолого-мінералогічних наук, доцент О.М.Трунін

характеристика роботи

Суть і стан наукової проблеми. Залізорудні родовища Криворізького басейну розробляються протягом понад 120 років. Експлуатація родовищ супроводжується видобутком з надр значних об’ємів розкривних порід, які складуються у відвалах. Починаючи з середини 50-х років ХХ століття у Криворізькому басейні було розпочато розробку родовищ бідних залізних руд, які потребують збагачення. Відходи збагачення також складуються – у хвостосховищах. Відвали і хвостосховища значною мірою впливають на екологічне становище регіону і в поточний час наближаються до проектного рівня заповнення. Матеріал, який складає відвали і хвостосховища, містить низку цінних мінеральних компонентів. За результатами досліджень останніх років (Євтєхов В.Д. та ін., 1999), вилучення з відходів гірничодобувного і збагачувального виробництва корисних компонентів могло б значною мірою задовольнити потреби промисловості України у германії, ванадії, скандії, золоті, абразивному гранаті, технічному тальку, дрібнолускуватому мусковіті, багатьох будівельних матеріалах тощо. З огляду на роль відвалів і хвостосховищ як екологічних і мінерально-сировинних чинників протягом останніх років проводиться їх активне дослідження. Одним із основних напрямків робіт є вивчення можливості використання накопиченої мінеральної сировини з метою зменшення об’єму відходів.

Актуальність теми. Хвостосховища Криворізького басейну містять мінеральну речовину у подрібненому стані. Значна частина мінеральних часток (у тому числі рудних мінералів – магнетиту і гематиту, – а також гранату, піроксенів, амфіболів, кварцу та ін.) знаходиться у розкритому (мономінеральному) стані. У придамбових частинах хвостосховищ спостерігається концентрація рудних і деяких інших мінералів. Їх вміст у відходах збагачення окремих ділянок хвостосховищ досягає значень, характерних для рудних покладів первинних руд, які розробляються гірничозбагачувальними комбінатами. Таким чином, у межах хвостосховищ існують значні за об’ємом техногенні поклади комплексної мінеральної сировини, яка потребує збагачення різними методами з метою вилучення з неї декількох різновидів металевих і неметалевих корисних копалин. На першому етапі пріоритетним є мінералогічне обґрунтування технології збагачення лежалих хвостів, яка була б спрямована на концентрацію обох рудних мінералів хвостів – магнетиту і гематиту. Таким чином, актуальність дисертації у прикладному відношенні обумовлена необхідністю розробки обґрунтованої комплексної технології збагачення лежалих хвостів як техногенної залізорудної сировини. В теоретичному відношенні робота актуальна, оскільки дозволяє вперше провести систематику хвостоутворюючих, другорядних і акцесорних мінералів відходів збагачення бідних залізних руд, дослідити особливості топомінералогії техногенних залізорудних покладів, характеру мінеральних парагенезисів у різних зонах хвостосховища.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є вивчення мінерального складу лежалих хвостів Північного гірничозбагачувального комбінату (ПнГЗКу), морфологічних особливостей індивідів і агрегатів, які їх складають, топомінералогії техногенних залізорудних покладів і на цій основі – розробка мінералогічного обґрунтування раціональної технології одержання з лежалих хвостів високоякісного залізорудного концентрату.

Досягненню мети сприяло вирішення автором дисертації наступних задач: 1) аналіз раніше виконаних робіт по мінеральному і гранулометричному складу хвостів, їх збагачуваності, інженерній геології і будові хвостосховищ та ін.; 2) систематичний відбір мінералогічних і технологічних проб лежалих хвостів у хвостосховищі ПнГЗКу; 3) дослідження гранулометричного складу лежалих хвостів з різних ділянок хвостосховища; 4) вивчення мінерального складу хвостів і закономірностей його еволюції в залежності від динаміки осадження мінеральних часток різного складу і розміру; 5) розробка топомінералогічної схеми придамбової частини хвостосховищ; 6) вивчення морфології індивідів і агрегатів мінеральних часток, які складають лежалі хвости, виявлення ступеню розкриття рудних часток; 7) розробка мінералогічного обґрунтування раціональної технології збагачення лежалих хвостів; 8) виконання мінералого-технологічних експериментів з метою уточнення запропонованих технологічних схем збагачення; 9) визначення напрямків комплексного використання лежалих хвостів.

Об'єкт досліджень – хвостосховище Північного гірничо-збагачувального комбінату як резервуар накопичення відходів збагачення бідних магнетитових руд Первомайського і Ганнівського родовищ Північного залізорудного району Криворізького басейну.

Предмет дослідження – лежалі хвости придамбової частини хвостосховища як техногенний поклад комплексної залізорудної і неметалевої сировини.

Наукова новизна одержаних результатів визначається: 1) вперше складеним узагальненням розрізнених даних про будову хвостосховища, особливості його інженерної геології і гідрогеології, динаміку заповнення хвостосховища, сучасні його контури, об’єм тощо; 2) виявленням закономірностей розподілу мінеральних часток різного розміру вздовж дамби хвостосховища і у напрямку від дамб до його центральної частини; 3) встановленням узагальнених характеристик мінерального складу вихідної сировини ПнГЗКу і продуктів її збагачення – магнетитового концентрату і відходів збагачення (текучих хвостів); 4) дослідженням характеру розподілу рудних часток (магнетиту і гематиту) в лежалих хвостах по площі придамбової частини хвостосховища; 5) встановленням основних закономірностей топомінералогії придамбової частини хвостосховища як техногенного залізорудного покладу; 6) розробкою мінералогічного обґрунтування раціональної технології збагачення лежалих хвостів; 7) визначенням напрямків комплексного використання лежалих хвостів.

Положення, що захищаються :

1. Після надходження текучих хвостів зі збагачувальної фабрики і скиду їх до хвостосховища відбувається гравітаційна диференціація їх матеріалу, яка супроводжується концентрацією нерудних часток найбільшого розміру (0,5_,0 мм) і розкритих рудних часток магнетиту і гематиту (0,05–0,1 мм) у придамбовій частині хвостосховища. До його центральної частини водним потоком відносяться, переважно, дрібні (-0,5 мм) частки нерудних мінералів – кварцу, силікатів, карбонатів. Внаслідок цього в придамбовій частині формується техногенний залізорудний поклад потужністю, яка дорівнює глибині хвостосховища біля дамби (до 40-50 м), шириною до 300 м і загальною довжиною по контуру, яка відповідає периметру хвостосховища – 16,77 км. Середній вміст заліза, яке входить до складу рудних мінералів (магнетит + гематит) коливається в межах покладу від 15 до 25 мас.%, що відповідає якісним показникам вихідної руди, яка видобувається у кар’єрах ПнГЗКу.

2. Положення хвостозливних труб на дамбі, динаміка осадження мінеральних часток обумовлюють закономірну зміну гранулометричного і мінерального складу лежалих хвостів вздовж дамби і у напрямку від неї до центральної частини хвостосховища. Середній гранулометричний склад лежалих хвостів у безпосередній близькості до дамби (близько 10 м) вздовж її тіла змінюється у різних ділянках від 0,026 до 0,223 мм, у середньому становить 0,176 мм. З віддаленням від дамби в напрямку до центральної частини хвостосховища середній розмір часток зменшується: на відстані біля 60 м від дамби він складає 0,172 мм (коливання від 0,028 до 0,208 мм), на відстані близько 110 м – 0,168 мм (від 0,024 до 0,211 мм), близько 160 м – 0,151 мм (від 0,032 до 0,202 мм). Середній розмір розкритих рудних часток магнетиту і гематиту у цьому напрямку також зменшується від 0,064 мм (коливання від 0,016 до 0,2 мм) на відстані 10 м від дамби до 0,043 мм (0,115-0,01 мм) на відстані 200 м. Кількість рудних часток (магнетиту і гематиту) вздовж дамби коливається незначно і обумовлюється положенням хвостозливних труб. У придамбових частинах хвостосховища їх вміст досягає 30,13 об'ємн.%, у центральних частинах знижується до 10,59%. Значний вміст розкритих часток магнетиту і гематиту обумовлює можливість повторного збагачення придамбових техногенних покладів залізної руди без попереднього доподрібнення.

3. Комплексна природа рудного матеріалу лежалих хвостів (магнетит + гематит) обумовлює необхідність застосування нетрадиційної для залізорудних родовищ України гравітаційної або комбінованої магнітно-гравітаційної технології збагачення, яка забезпечує одержання комплексного гематит-магнетитового концентрату з загальним вмістом заліза 67-68 мас.% і його виходом 13-17%, що відповідає вимогам світового ринку залізорудної сировини і здатне забезпечити високу економічну ефективність процесу повторного збагачення лежалих хвостів.

Практичне значення одержаних результатів визначається: 1) мінералого-технологічним обґрунтуванням оцінки лежалих хвостів ПнГЗКу як цінної техногенної залізорудної сировини, яка без попередньої підготовки може збагачуватись з одержанням високоякісного залізорудного концентрату; 2) встановленням комплексного характеру рудного компоненту лежалих хвостів (магнетит + гематит), що обумовлює необхідність застосування комплексної технології збагачення; 3) виявленням закономірностей варіативності мінерального і гранулометричного складу лежалих хвостів у межах техногенного залізорудного покладу; 4) розробкою оптимальної технологічної схеми збагачення лежалих хвостів, яка забезпечує одержання високоякісного залізорудного концентрату.

Особистий внесок здобувача полягає у: 1) ґрунтовному аналізі раніше виконаних мінералогічних і супровідних геологічних, інженерно-геологічних, гідрогеологічних і технологічних досліджень; 2) проведенні системного гранулометричного і мінералого-технологічного опробування лежалих хвостів за спеціально розробленою схемою; 3) детальному вивчені гранулометричного і мінералогічного складу лежалих хвостів, характеру розкриття рудних мінералів, визначенні особливостей варіації гранулометричних і мінералогічних показників в межах придамбової частини хвостосховища; 4) мінералогічному обґрунтуванні оптимальної схеми збагачення лежалих хвостів з метою одержання високоякісного залізорудного концентрату; 5) виконанні мінералого-технологічних експериментів з метою уточнення розробленої технологічної схеми збагачення.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень покладені в основу дисертаційної роботи доповідались на: Міжнародній науково-практичній конференції “XXI столетие – проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых” (м. Дніпропетровськ, 12-14 жовтня 1998 р.); Міжнародній науковій конференції “Наукові основи прогнозування, пошуків та оцінки родовищ золота” (м. Львів, 27-30 вересня 1999 р.); Науково-технічному семінарі “Золотоносність Криворізького басейну та докембрійських формацій Придніпров’я” (м. Кривий Ріг, 18 серпня 1999 р.); І-й Міській конференції інтелігенції Кривбасу “Громадянська ініціатива інтелігенції Кривбасу у формуванні культурно-індустріального обличчя регіону в XXI сторіччі” (м. Кривий Ріг, 25-26 червня 2001 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Техногенные россыпи. Проблемы. Решения” (м. Сімферополь-Судак, 24-29 вересня 2001 р.); 2-й Науково-практичній конференції “Техногенно-екологічна безпека регіонів як умова сталого розвитку України” (м. Львів, 16_ квітня 2002 р.); Регіональній науково-технічній конференції “Проблеми розвитку Криворізького залізорудного басейну” (м. Кривий Ріг, 12-13 грудня 2002 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Проблемы комплексного освоения горнодобывающих регионов” (м. Дніпропетровськ, 15-20 вересня 2003 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Техногенные минералы и месторождения” (м. Донецьк, 7-9 жовтня 2003 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (м. Кривий Ріг, 18-22 травня 2004 р.); щорічних науково-технічних конференціях Криворізького технічного університету, секція геолого-мінералогічна (1997-2004 рр.); технічних нарадах Північного гірничо-збагачувального комбінату, науково-дослідного гірничорудного інституту (м. Кривий Ріг), Криворізької комплексної геологічної партії (1999-2004 рр.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи висвітлені в 11 публікаціях, з них 1 одноосібна, 5 опубліковані у фахових виданнях.

Структура і об’єм роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, які включають 28 рисунків і 19 таблиць, висновків, списку літератури з 204 найменувань, 11 додатків. Повний обсяг дисертації 187 стор., текстова частина дисертаційної роботи викладена на 107 стор.

У процесі підготовки і написання дисертації автор користувалася допомогою і консультаціями докторів геолого-мінералогічних і геологічних наук, професорів Б.І.Пирогова, І.С.Паранька, В.Я.Легедзи, А.І.Каталенця, В.М.Трощенка, кандидата технічних наук доцента Е.Г.Кірносова, кандидатів геолого-мінералогічних і геологічних наук доцентів В.В.Іванченка, Л.М.Ковальчук, О.М.Труніна, В.М.Харитонова, В.В.Стеценка, Є.В.Євтєхова, Т.А.Олійник, наукових співробітників Л.Т.Дудар, Т.Є.Бутиріної, Ю.М.Бублика, В.В.Філенко, О.І.Гончарова. Велику допомогу автору у зборі первинного матеріалу, виконанні технологічних експериментів, обговорені одержаних результатів надали співробітники Північного ГЗКу – канд. геол. наук П.М.Хартанович, Л.М.Цвигун, О.Г.Чорний; державного науково-виробничого підприємства “Маркшейдерсько-екологічний, геомеханічний та гідротехнічний дослідний інститут” (ДНВП “МЕГГДІ”) – О.П.Дзядук, концерну “Укррудпром” – Б.О.Гринюк; науково-дослідного і проектного інституту “Механобрчормет” (м. Кривий Ріг) – С.М.Зима, М.В.Педан, С.В.Дмоховська; фірми "Промторгінвест-компані" – О.О.Бабенко, Д.Ф.Толкачов, Г.Я.Бєлих. Всім їм автор щиро вдячна.

Велику подяку автор висловлює своєму науковому керівникові, завідувачу кафедри теоретичної і прикладної мінералогії Криворізького технічного університету доктору геолого-мінералогічних наук професору Валерію Дмитровичу Євтєхову.

Зміст роботи

У розділі 1 “Обґрунтування вибору об’єкту досліджень і характеристика хвостосховища” показано, що протягом майже 50 років розробки бідних залізних руд (магнетитових кварцитів) у хвостосховищах гірничозбагачувальних комбінатів Криворізького басейну нагромаджено біля 5 млрд. т твердих відходів збагачення. Вони утворюються внаслідок дроблення, подрібнення і збагачення методом магнітної сепарації магнетитових кварцитів різного мінерального складу. Розмір часток кінцевої стадії подрібнення становить для різних гірничозбагачувальних комбінатів 50 або 74 мкм. Відходи збагачення, які утворюються після першої, другої і третьої стадій, об’єднаним потоком надходять до хвостосховищ у вигляді так званих “текучих хвостів”, які складаються на 94_ мас.% з води і 4-6% зважених у ній мінеральних часток. Розмір часток коливається від менше 0,001 до 3,0 мм, іноді більше.

Хвостосховища Кривбасу являють собою складні гідротехнічні споруди, більшість яких була започаткована у крупних балках. У подальшому в зв’язку з нагромадженням відходів проводилось нарощування обгороджуючих дамб і гребель, у зв’язку з чим хвостосховища Кривбасу перетворилися з балочно-ярових на комбіновані рівнинно-балочні. Хвостосховище Північного гірничозбагачувального комбінату є одним з найбільших у басейні. Хвостосховище знаходиться у середній частині балки Петрикова, яка з заходу впадає в р. Саксагань.

У геологічній будові ділянки хвостосховища беруть участь докембрійські граніти і мігматити, первинні каоліни їх кори вивітрювання, палеоген-неогенові піщанисті глини, різнозернисті піски і четвертинні червоно-бурі глини і лесовидні суглинки. Ці породи присутні в основі дамб і гребель первинного обвалування. Тіла дамб і гребель хвостосховища нарощувались дробленими некондиційними залізистими кварцитами з домішкою суглинків і відходів збагачення.

Заповнення хвостосховища розпочате у 1964 році. За станом на 01.07.2002 р. периметр його становив 16,77 км, корисна площа 1293,0 га, максимальна висота обгороджуючої дамби 76 м, відмітка гребеню греблі 145 м, відмітка дзеркала води 139,2 м. Загальний об’єм хвостосховища 474,3 млн. м3, заскладовано 433,2 млн. м3 хвостів, що відповідає близько 1 млрд. т; вільний об’єм для складування хвостів 24,1 млн. м3, об’ємна маса скелету хвостів 1,6 т/м3, вихід хвостів на рік 6,2 млн. м3.

Ложе хвостосховища утворено природною поверхнею балки Петрикова і при будівництві хвостосховища воно не екранувалося. Хвостосховище умовно розділяється дамбою на два суміжних відсіки. Перший відсік (ставок зворотного водопостачання) розташований у верхів’ях балки (південно-західна частина хвостосховища), другий відсік – нижче по тальвегу балки. Нарощування обгороджуючих дамб ставка зворотного водопостачання здійснюється насипним способом із суглинків, а власне хвостосховища – методом картового намиву. Карти намиву являють собою прямокутні в плані ділянки, які з усіх боків обмежені дамбами обвалування (зовнішніми, внутрішніми і розподільними). Довжина карт змінюється від 400 до 1200 м, ширина становить 150-160 м. Загальна кількість карт – 34.

Заповнення хвостосховища виконується за допомогою пульпопроводів, які розташовані по гребеню греблі і по яких транспортуються відходи збагачення (текучі хвости) зі збагачувальної фабрики. Скид текучих хвостів здійснюється зі хвостозливних труб.

Протягом останніх 10-ти років робились спроби розробки технологій використання лежалих хвостів ПнГЗКу як техногенної залізорудної сировини. Вони не мали успіху через недостатню вивченість мінерального складу відходів збагачення, характеру зростань рудних і нерудних мінералів, топомінералогії лежалих хвостів. Але результати цих досліджень виявили типовість процесу седиментації лежалих хвостів для всіх хвостосховищ Кривбасу, наявність зон концентрації рудних мінералів (магнетиту, гематиту) зі значними (декілька сот млн. т.) запасами високоякісної залізорудної сировини. Це дає змогу віднести хвостосховище ПнГЗКу до найбільш перспективних і є причиною вибору його як основного об’єкту досліджень при підготовці дисертації.

У розділі 2 “Вихідний матеріал і методика досліджень” наведені дані про види і об’єми виконаних автором мінералогічних досліджень. Були проведені 24 геологічних маршрути по сухих пляжових зонах і картах намиву хвостосховища ПнГЗКу. Маршрути супроводжувалися детальними описами лежалих хвостів, фотографуванням дамб, хвостозливних труб, русел хвостопотоків, розрізів товщі лежалих хвостів, а також відбором мінералогічних і мінералого-технологічних проб хвостів. Маса проб становила 20 кг для точкових мінералогічних проб і до 150 кг для рядових мінералого-технологічних проб. З їх матеріалу шляхом компонування були одержані дві укрупнені мінералого-технологічні проби масою 300 кг.

З матеріалу кожної мінералогічної і мінералого-технологічної проби були виготовлені 234 прозорих і полірованих шліфів. Їх вивчення було використане як основа для характеристики кількісних співвідношень мінералів у лежалих хвостах, для виявлення характеру зростань рудних і нерудних мінералів, ступеню розкриття рудних мінералів – магнетиту і гематиту.

Для кожної з відібраних проб були проведені гранулометричні дослідження з визначенням виходу матеріалу дев’яти стандартних гранулометричних фракцій. Для ідентифікації тонкоподрібнених силікатів і карбонатів крім стандартних оптичних були використані термографічний і рентгеноструктурний методи.

Мінералого-технологічні експерименти виконувались для всіх рядових проб, а також для двох об’єднаних проб масою 300 кг. Експерименти включали мінералогічний і гранулометричний аналіз проб і досліди по збагаченню хвостів з використанням магнітної, гравітаційної і комбінованої гравітаційно-магнітної технологій. Детально досліджувались відходи повторного збагачення лежалих хвостів. У відповідності з їх мінеральним складом і розміром часток проводилось визначення можливості їх використання як неметалевої мінеральної сировини.

Всі дослідження виконувались у лабораторіях кафедри теоретичної і прикладної мінералогії Криворізького технічного університету (КТУ), частина – у лабораторіях кафедри збагачення КТУ, науково-дослідного і проектного інституту “Механобрчормет” (м. Кривий Ріг), Криворізької комплексної геологічної партії, науково-дослідного відділу ЗАТ “Промторгінвест-компані”, державній інспекції ДІЯ “Південруда” (м. Кривий Ріг), Гірничо-збагачувального комплексу КГМК “Криворіжсталь”.

Результати мінералогічних і мінералого-технологічних досліджень узагальнювались і аналізувались з використанням сучасних комп’ютерних технологій.

Розділ 3 “Вихідна залізорудна сировина і продукти збагачення бідних магнетитових руд Північного ГЗКу“ містить відомості про геологічну будову і склад продуктивних товщ Північного і Ганнівського родовищ, які розробляються ПнГЗКом. Ганнівське родовище відноситься до Північного залізорудного району Криворізького басейну, Первомайське розташоване у зоні зчленування Північного і Саксаганського районів. Найбільш древніми метаморфічними породами родовищ є метабазити (різного складу амфіболіти) конкської серії верхнього архею, які залягають на середньоархейських гранітоїдах дніпропетровського комплексу. На метабазитах зі стратиграфічним неузгодженням залягають метаморфізовані вулканогенно-осадові утворення новокриворізької світи криворізької серії нижнього протерозою, представлені різного складу сланцями, мономінеральними і силікатними кварцитами. Вище за розрізом криворізької серії залягає товща метакластолітів скелеватської світи, складена мономінеральними і мусковітовими кварцитами, кварц-мусковітовими сланцями, а у верхній її частині – хлорит-тальк-тремоліт-актинолітовими сланцями. У розрізі залізорудної саксаганської світи, яка згідно перекриває скелєватську світу, виділяються чотири залізистих (перший, другий, об’єднаний п’ятий-шостий і сьомий) і чотири сланцевих (перший, другий, об’єднаний третій-п’ятий і сьомий) горизонти. Продуктивна товща обох родовищ представлена об’єднаним п’ятим-шостим залізистим горизонтом саксаганської світи. Вона перекрита нерозчленованою товщею безрудних кварцитів, різного складу сланців, доломітових мармурів гданцевської і глеєватської світ.

Тектонічні процеси (головним чином, диз’юнктивні) активно проявились у межах обох родовищ, чим обумовлена їх складчасто-блокова структура. Основними тектонічними елементами родовищ є субмеридіональний Криворізько-Кременчуцький і субширотний Девладівський глибинні розломи. Зона останнього є межею між двома родовищами. Він також відокремлює два залізорудні райони Криворізького басейну – Північний і Саксаганський. У їх межах залізорудна і вміщуюча товщі мають різні умови залягання. Азимут простягання пластів порід Первомайського родовища становить 10-30о, Ганнівського – 340-360о, кути падіння пластів становлять, відповідно, 65-90о і 55-85о.

Магматизм у межах родовищ проявився у декілька етапів. До найбільш давнього відносяться утворення середньоархейських плагіогранітів дніпропетровського комплексу. Другий за віком магматичний комплекс представлений метабазитами конкської серії – продуктами динамотермального метаморфізму покривних базальтоїдів верхнього архею. До третього комплексу відносяться тальк-вмісні сланці скелеватської світи, які більшість дослідників вважає продуктом динамотермального метаморфізму туфів і ефузивів ультраосновного і основного складу. Наймолодший комплекс магматичних утворень представлений січними дайками трахіандезиту (Первомайське родовище) і мікроклін-плагіоклазового граніту (Ганнівське родовище).

Породи залізорудної товщі обох родовищ метаморфізовані в умовах епідот-амфіболітової фації. У складі залізних руд, окрім кварцу, магнетиту, гематиту (залізної слюдки) присутні типоморфні для таких умов метаморфізму силікати – кумінгтоніт, біотит, зрідка гранат. Внаслідок активного прояву постметаморфічного натрієвого метасоматозу руди зазнали локальної егіринізації і рибекітизації. Хід метаморфізму і метасоматозу у межах двох родовищ дещо відрізнявся. З цим пов’язана їх відмінність за мінеральним складом руд. Для руд Ганнівського родовища характерний підвищений вміст гематиту і більш високий загальний вміст рудних мінералів (магнетит + гематит), для руд Первомайського родовища – підвищений вміст силікатів (головним чином, егірину, кумінгтоніту, рибекіту). За результатами кількісних мінералогічних підрахунків, середній вміст породоутворюючих мінералів у рудах Ганнівського і Первомайського родовищ такий (об’ємн.%): магнетит,– відповідно, – 29,97 і 30,89; гематит – 7,43 і 5,40; кварц – 46,30 і 43,27; кумінгтоніт – 4,76 і 5,19; рибекіт – 5,88 і 6,42; егірин – 1,05 і 3,13; карбонати – 1,74 і 2,13.

На збагачувальну фабрику ПнГЗКу руди обох родовищ надходять об’єднаним потоком. У процесі збагачення утворюються два продукти – залізорудний концентрат і відходи збагачення (текучі хвости). До складу першого входять магнетит (90,03 об’ємн.%), кварц (8,13), гематит (0,41), кумінгтоніт (0,37), рибекіт (0,48), егірин (0,25), а також біотит, хлорит, гранат, залізистий тальк та інші мінерали, вміст кожного з яких не перевищує 0,1%. Текучі хвости являють собою суміш відходів магнітної сепарації, які утворюються після першої, другої і третьої стадій подрібнення і збагачення. Внаслідок цього їх гранулометричний склад досить строкатий: розмір часток коливається від 0,001 до 3,0 мм і більше. Середній їх мінеральний склад: кварц (58,32 об’ємн.%), гематит (8,33), магнетит (7,60), кумінгтоніт (6,85), рибекіт (8,45), егірин (3,22), біотит (1,37), різного складу карбонати (2,73), гранат (0,37), залізистий тальк (мінесотаїт) (0,36), а також ще близько тридцяти мінералів з вмістом кожного від 0,01 до 0,25%. Об’єднаним потоком текучі хвости надходять до хвостосховища ПнГЗКу.

Розділ 4 “Систематична мінералогія і топомінералогія лежалих хвостів” містить відомості про об’єми і методику мінералогічного опробування. Проби відбирались по 20 профілях, закладених у сухих зонах пляжових відкладів лежалих хвостів придамбової частини хвостосховища. Напрям профілів був нормальним по відношенню до обгороджуючих дамб, відстань між профілями становила 50 м, довжина (в залежності від ширини пляжової зони) – від 150 до 350 м, загальна площа території відбору проб – близько 450 тис. м2. Відбір хвостів проводився методом черпання через 5-6 м по лінії профілю з попереднім зачищенням поверхневого шару на глибину 10-15 см. Після усереднення матеріалу для кожного профілю було відібрано по 1 пробі масою до 20 кг, решта матеріалу була поєднана в одну укрупнену мінералого-технологічну пробу масою близько 300 кг. Для уточнення даних про топомінералогію придамбового покладу і варіативність гранулометричного складу лежалих хвостів був проведений додатковий відбір проб у межах тієї ж ділянки хвостосховища. Опробування проводилось по 9 профілях, орієнтованих нормально по відношенню до дамби, відстань між ними становила 80-90 м, відстань між точками відбору проб у профілі – 50 м, кожна перша проба профілю бралась на відстані 10-12 м від дамби. Всього було відібрано 35 проб масою 100-150 кг.

Для матеріалу всіх проб було проведене дослідження змінності розміру часток лежалих хвостів. Показано, що висока його варіативність спостерігається як у напрямку вздовж дамби обвалування, так і з віддаленням від неї до центральної частини хвостосховища. Основна причина першого полягає у зміні з часом положення хвостозливних труб на дамбі хвостосховища, а також складним і змінним у часі положенням русла хвостопотоку в межах придамбової пляжової зони . Зміна середнього розміру часток проб 20 профілів у напрямку вздовж дамби показана на рис. 1. Горизонтальна лінія (2) відповідає середньозваженому значенню розміру часток об'єднаної проби – 0,167 мм. Максимуми графіку (1) відповідають розташуванню хвостозливних труб, мінімуми – проміжним ділянкам. За даними гранулометричного дослідження матеріалу проб 9 профілів, з віддаленням від дамби спостерігається помітне зменшення середнього розміру часток хвостів. На відстані близько 10 м від дамби цей показник в окремих з 20 профілів змінюється від 0,026 до 0,223 мм, у середньому становить 0,176 мм. На відстані 60 м від дамби він складає 0,172 мм (коливання від 0,028 до 0,208 мм), на відстані 110 м – 0,168 мм (від 0,024 до 0,211 мм), 160 м – 0,151 мм (від 0,032 до 0,202 мм). Таким чином, для розміру часток хвостів придамбової частини хвостосховища характерна досить висока варіативність. Але якщо розглядати її як техногенний поклад залізорудної сировини, можна зробити висновок про відносно стабільний гранулометричний склад хвостів.

Рис. 1 Варіативність середнього розміру часток лежалих хвостів у напрямку вздовж дамби хвостосховища (пояснення в тексті).

Систематичні мінералогічні дослідження дозволили виконати ідентифікацію хвостоутворюючих, другорядних і акцесорних мінералів лежалих хвостів, визначити їх вміст. Дослідження виконувались з використанням традиційних оптичних, а також (для токодисперсних фракцій) термографічного і рентгеноструктурного методів. Були ідентифіковані близько 50 видів і різновидів мінералів, які відносяться до 7 мінеральних класів. Основну роль відіграють оксиди і гідроксиди, а також силікати. Хвостоутворюючими є кварц, магнетит, гематит, кумінгтоніт, рибекіт. Інші мінерали відіграють роль другорядних і акцесорних. За одержаними даними, автором дисертації була розроблена класифікація мінералів лежалих хвостів, визначене їх кількісне співвідношення, охарактеризовані морфологічні, фізичні та інші характеристики.

Одержані результати були використані при проведенні топомінералогічних досліджень У розділі наведені дані про особливості регіональної мінералогічної зональності лежалих хвостів Криворізького басейну, а також вертикальної і горизонтальної зональності лежалих хвостів ПнГЗКу. Показано, що в межах басейну мінеральних склад хвостів змінюється по простяганню залізорудної товщі в залежності від ступеню динамотермального метаморфізму залізисто-кременистої формації, активності прояву у її розрізі натрієвого метасоматозу тощо. В кожному окремому хвостосховищі вертикальна зональність лежалих хвостів формується в процесі розробки родовищ. Варіативність складу хвостів обумовлена поступовим зменшенням (зі збільшенням глибини ведення гірничих робіт у кар’єрах) кількості гіпергенних мінералів у складі руд, залученням до розробки нових ділянок родовищ або нових родовищ тощо. Горизонтальна зональність лежалих хвостів формується в процесі гравітаційної диференціації мінеральних часток текучих хвостів при їх осадженні. Наслідком є їх суттєвий перерозподіл. Наприклад, вміст оксидів (кварц, магнетит, гематит) і силікатів (кумінгтоніт, рибекіт, біотит, егірин та ін.) у текучих хвостах становить, відповідно, 74,25 і 21,25 об’ємн.%. У лежалих хвостах придамбової частини хвостосховища це співвідношення становить 86,32 і 11,61%, у центральних його частинах – 70,22 і 24,46%. У придамбових частинах загальний вміст рудних часток становить 30,13 об’ємн.%, у центральних частинах хвостосховища цей показник падає до 11,19% (рис. 2). Помітно зменшується в цьому напрямку також розмір мономінеральних часток магнетиту (рис. 3).

Рис. 3. Характер зміни середнього розміру моно-мінеральних часток магнетиту в лежалих хвостах ПнГЗКу.

Результати топомінералогічних досліджень хвостосховища ПнГЗКу, як і інших хвостосховищ Кривбасу, є основою їх оцінки як техногенних родовищ і можуть бути використані при розробці ефективної технології повторного збагачення хвостів з метою одержання високоякісного залізорудного концентрату, а також низки металевих і неметалевих корисних копалин.

У розділі 5 “Технологічна мінералогія лежалих хвостів” наголошується, що близько 70% від загальної кількості рудних мінералів лежалих хвостів (магнетиту і гематиту) знаходиться у розкритому (мономінеральному) стані, а у фракції хвостів менше 0,16 мм понад 90% магнетиту і практично весь гематит розкриті. Таким чином, повторне збагачення лежалих хвостів можливе без попереднього доподрібнення.

Звертається увага на те, що два основних рудних мінерали лежалих хвостів ПнГЗКу (магнетит і гематит) мають близьку густину (відповідно, 5150 і 5200 кг/м3) і помітно різняться за питомою магнітною сприйнятливістю (магнетит – феромагнетик, гематит – феримагнетик). За цими показниками вони дуже відрізняються від кварцу і силікатів (кумінгтоніт, рибекіт, біотит, егірин, селадоніт та ін.) – діа- і парамагнетиків, густина переважної більшості яких коливається від 2650 до 3500 кг/м3. Враховуючи зазначені відмінності фізичних властивостей мінералів, робиться висновок про можливість повторного збагачення хвостів з використанням гравітаційної, магнітної або комбінованої магнітно-гравітаційної технологій. З урахуванням розроблених автором мінералогічних рекомендацій була розроблена методика експериментів, вибрана апаратура, визначені методи контролю якості продуктів збагачення тощо.

В розділі детально розглянуті мінералогічні особливості ходу технологічних експериментів, наведені результати вивчення мінерального складу продуктів мінералого-технологічних експериментів, їх гранулометричних особливостей, ступеню розкриття магнетиту і гематиту в продуктах. Експерименти виконувались по двох напрямках: 1) концентрація рудних мінералів та їх зростків магнітним методом з подальшою гранулометричною класифікацією чорнового концентрату та одержанням тонкозернистого матеріалу – високоякісного залізорудного концентрату (мінералого-технологічна схема I); 2) розділення матеріалу лежалих хвостів за розміром часток, відділення гранулометричної фракції -0,16 мм (для якої характерний максимальний вміст рудних мінералів) і подальше збагачення отриманого матеріалу з використанням магнітного (мінералого-технологічна схема II) і гравітаційного (мінералого-технологічна схема III) методів. У відповідності з першою мінералого-технологічною схемою, матеріал лежалих хвостів за допомогою низькоінтенсивного магнітного сепаратора розділявся на магнітний чорновий концентрат (вміст заліза 58,1 мас.%, вихід 27,5%) і немагнітну фракцію (вміст заліза 18,5 мас.%, вихід 72,5%). Остання являла собою техногенний пісок, який може бути використаний у різних галузях будівництва. За даними мінералогічних досліджень, чорновий концентрат складався з мономінеральних часток магнетиту (розмір, переважно, менше 0,1 мм) і кварц-силікат-магнетитових зростків (розмір від 0,074 до 1,0 мм). Наступною операцією була класифікація корисного продукту збагачення за гранулометричним складом часток. Розсів виконувався за допомогою сит з отвором 0,1 і 0,074 мм. У першому випадку був одержаний концентрат з вмістом заліза 66,0 мас.% і виходом біля 20%; у другому – 67,1 мас.% і виходом 16,9%, крім того був одержаний промпродукт з вмістом заліза 43,5 мас.% і виходом 10,6%, який може бути спрямований на 3 стадію подрібнення і збагачення рудозбагачувальної фабрики комбінату і, таким чином, використаний як додаткова залізорудна сировина комбінату.

У відповідності з другою і третьою мінералого-технологічними схемами, матеріал лежалих хвостів методом грохотіння у водному середовищі розділявся на дві гранулометричні фракції: +0,16 мм і -0,16 мм (вміст заліза 34,2 мас.%, вихід 65,0%). Фракція +0,16 мм (вміст заліза 20,5 мас.%, вихід 35,0%) спрямовувалась у відходи збагачення як можлива будівельна сировина (будівельний пісок, сировина для виробництва портландцементу, пористого бетону тощо). Матеріал фракції -0,16 мм збагачувався магнітним і гравітаційним методом.

Магнітні експерименти (схема II) дозволили одержати магнетитовий концентрат з вмістом заліза 65,2 мас.% і виходом 22,5%. Відносно низька його якість пояснюється залученням до концентрату зростків магнетиту з кварцом і силікатами. З метою підвищення якості концентрату була проведена серія експериментів по гранулометричному розділенню магнітного продукту з використанням сит з розміром отвору 0,050, 0,063, 0,074 і 0,1 мм. У матеріалі фракції -0,074 мм вміст заліза становив понад 68% при виході 13,2%.

Гравітаційне збагачення фракції -0,16 мм (схема III), яке виконувалось з використанням гвинтового сепаратора, дозволило на першій стадії одержати концентрат з вмістом заліза 67,5 мас.% і виходом 7,4%. При дозбагаченні промпродуктів гвинтової сепарації з використанням магнітної сепарації і послідуючого тонкого грохотіння – комбінований гематит-магнетитовий концентрат з вмістом заліза 67,8 мас.% і виходом 17,1%.

Таким чином, оптимальною слід визнати мінералого-технологічну схему III як більш раціональну в технічному і економічному відношеннях (рис. 4).

Рис. 4. Загальний вміст заліза у продуктах збагачення лежалих хвостів ПнГЗКу, одержаних у відповідності з рекомендованими автором мінералого-технологічними схемами.

Продукти збагачення: 1 – концентрат; 2 – промпродукт; 3 – хвости повторного збагачення; 4 – піщаниста фракція лежалих хвостів.

Рекомендовані мінералого-технологічні схеми збагачення лежалих хвостів (див. текст): І – перша; ІІ – друга; ІІІ – третя.

Автором було також виконане дослідження можливості використання відходів повторного збагачення лежалих хвостів, загальна кількість яких перевищує 80% від маси вихідного матеріалу. Показано, що піскова складова хвостів (фракція +0,16 мм) у відповідності з існуючими стандартами і технічними умовами, може бути використана як будівельний матеріал (виробництво портландцементу, бетону, пористого бетону), а також як сировина для виробництва мономінерального кварцу для скляної промисловості. Крупнозернисту складову хвостів можна використовувати як сировину для отримання гранатового, амфіболового, піроксенового концентратів. Тонкозернисту – для виготовлення пресованої тротуарної плитки тощо. Крім того, є можливість одержання з відходів повторного збагачення лежалих хвостів золоторудного і рідкіснометального (скандій, ітрій, лантаноїди, ванадій), концентратів.

висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою у якій за результатами досліджень систематичної мінералогії, топомінералогії лежалих хвостів пляжових зон хвостосховища Північного ГЗКу, їх гранулометричного складу, а також за даними мінералого-технологічних експериментів проведено оцінку придамбових частин хвостосховища як техногенного залізорудного покладу високоякісної залізорудної сировини, придатної для повторного збагачення без попередньої підготовки. Результати досліджень дозволили автору зробити наступні висновки.

1. Скид до хвостосховища ПнГЗКу текучих хвостів і гравітаційна диференціація їх мінеральної складової мають наслідком відкладення у придамбовій частині хвостосховища шириною до 300-500 м найбільш крупнозернистого матеріалу (переважний розмір часток коливається від 0,05 до 3 мм), представленого уламками кварцу і його зростками з гематитом, магнетитом, силікатами і карбонатами, а також більш дрібних (0,05-0,16 мм) мономінеральних (так званих “розкритих”) часток магнетиту і гематиту, які мають максимальну густину.

2. Середній розмір часток лежалих хвостів закономірно змінюється як вздовж дамби так і у напрямку від дамби до центральної частини хвостосховища. На відстані від дамби до 10 м цей показник становить 0,176 мм, на відстані 50-60 м – 0,172 мм, 100-110 м – 0,168 мм, 150-160 м – 0,151 мм. У напрямку вздовж дамби його значення залежить від положення хвостозливних труб: на відстані до 10 м від них цей показник становить 0,348 мм, у проміжних ділянках між трубами – 0,096 мм.

3. У складі лежалих хвостів виділений 41 мінеральний вид. Хвостоутворюючими мінералами є кварц (середній вміст 56,19 об’ємн.%), магнетит (18,43 %), гематит (11,70), кумінгтоніт (5,02) і рибекіт (3,03 %). Решта мінералів є другорядними, рідкісними і акцесорними. Найбільш високий вміст магнетиту і гематиту (відповідно, 18,43 і 11,70 об’ємн. %) фіксується безпосередньо біля дамби; з віддаленням від неї на відстань 300-500 м їх вміст у лежалих хвостах зменшується у 2-4 рази. У цьому ж напрямку вміст кварцу, силікатів і карбонатів, відповідно, підвищується.

4. Близько 70% магнетиту і гематиту у хвостах придамбових зон знаходяться у розкритому (мономінеральному) вигляді. У матеріалі гранулометричної фракції -0,16 мм більше 90% магнетиту і практично весь гематит присутні у вигляді розкритих мономінеральних часток.

5. Нерудна складова придамбових покладів представлена бі-, три- і полімінеральними зростками кварцу з силікатами (кумінгтонітом, біотитом, рибекітом, егірином, селадонітом та ін.) і більш рідкісними карбонатами (кальцитом, доломітом, ферридоломітом). Значно рідше зустрічаються мономінеральні кварцові і безкварцові силікатні частки.

6. Особливості мінерального складу хвостів і високий вміст в них розкритих рудних часток обумовлюють можливість застосування для їх повторного збагачення гравітаційної і магнітної технологій без попереднього доподрібнення вихідного матеріалу.

7. Мінералого-технологічні експерименти, основані на використанні магнітної технології, показали, що максимальний загальний вміст заліза у концентраті, який може бути досягнутий, становить близько 65 мас.% при виході концентрату біля 22%. Недоліком цієї технології є втрата гематиту, який практично повністю надходить до відходів повторного збагачення хвостів. Експерименти з гравітаційним обладнанням дали можливість отримати комбінований гематит-магнетитовий концентрат з вмістом заліза 67,8 і виходом 17,1%. Порівняння результатів мінералого-технологічних експериментів дозволило зробити висновок, що більш раціональною у технічному і економічному відношеннях є гравітаційна технологія збагачення лежалих хвостів ПнГЗКу.

8. Відходи збагачення лежалих хвостів також являють собою цінну сировину. Їх піскова складова може бути використана як будівельний матеріал, а при більш глибокій переробці з неї можна одержати мономінеральний кварц, гранатовий, амфіболовий, піроксеновий концентрат. Тонкозернисту складову можна використовувати для виготовлення пресованої тротуарної плитки тощо. Крім того, є можливість одержання з відходів повторного збагачення лежалих хвостів золоторудного і рідкіснометального (скандій, ітрій, лантаноїди, ванадій) концентратів.

список опублікованих робіт автора за темою дисертації

1. Евтехов В.Д., Федорова И.А. Топоминералогия отходов обогащения бедных железных руд Кривбасса как техногенного железорудного сырья // Геолого-мінералогічний вісник