УДК 725.4

А.А. БАЛИКОЕВ, доктор экон. наук, профессор, заведующий кафедрой «Архитектура и дизайн», проректор, Б.С. ЦИДАЕВ, канд. техн. наук, заведующий кафедрой «Нефтегазовое дело», проректор, А.Ч. САЛБИЕВА, профессор, В.И. ОДИНЦОВ, профессор, кафедра «Архитектура и дизайн», Северо-Кавказский государственный технологический университет, г. Владикавказ

Ключевые слова: архитектурное сопровождение, горные территории, объекты, хвосты обогащения, утилизация
Keywords: architectural support, mountain areas, objects, tailings, utilization

Статья посвящена проблеме освоения горных территорий Северного Кавказа, в том числе возможности использования местного сырья для строительства. Перспективным направлением увеличения экономической эффективности является замена дефицитных вяжущих альтернативными веществами, например хвостами обогащения руд.

При архитектурном оформлении промышленных и гражданских объектов в горных регионах одно из важнейших мест занимает проблема обеспечения строительства материалами.

Увеличивающиеся потребности в строительном сырье и логистические проблемы горного строительства заставляют искать новые возможности использования местных доступных материалов, в том числе хвостов переработки добытых минералов. Такая база строительной индустрии сложилась в добывающих регионах Северного Кавказа [1-5].

Для сопоставимости и повышения достоверности исследований хвостов обогащения Мизурской (РСО-Алания), Тырныаузской (КБА) и Урупской (КЧР) обогатительных фабрик применена единая методика исследований.

Цель исследований – определение возможностей утилизации хвостов с подготовкой по стандартной технологии. Результаты на этой стадии принимаются в качестве базовых, а полученные закономерности могут использоваться при строительстве неответственных вспомогательных объектов, где влияние металлов и серы в хвостах не так опасно.

Результаты

Хвосты Мизурской фабрики. Макроскопическим изучением установлено следующее соотношение компонентов: крупнозернистые граниты – 40%; порфириты – 30%; песчаники – 20%; жильный материал – 8%; рудные минералы – 2%. Микроскопическим анализом определено содержание основных металлов в хвостах: пирит – 1,4%; сфалерит – 0,6%; галенит – 0,06%; халькопирит – 0,05%.

Жильные минералы: кварц, карбонат, кальцит, хлорит, сидериты характеризуются размером отдельных зерен – до 0,3 мм.

Подготовленная к исследованию валовая хвостовая проба состояла из зерен крупностью +6-80 мм, что соответствует гранулометрическому составу основной отвальной массы.

Результаты испытаний весовых параметров по ГОСТ-8269 сведены в табл. 1.

Таблица 1. Весовые свойства хвостов

Свойства хвостов	Пробы						Усредненное значение
Свойства хвостов	1	²	³	4	5	6	Усредненное значение
Удельный вес, г/см³	2,64	2,67	2,68	2,65	2,70	2,68	2,67
Объемный вес, г/см³	2,48	2,47	2,49	2,48	2,47	2,49	2,48
Объемный насыпной вес, г/см³	1,44	1,41	1,43	1,42	1,42	1,46	1,43

Для исследования прочности бетонной смеси с заполнителем из хвостов обогащения выбран состав исследуемой смеси, (кг/м³): цемент М400 – 300, песок из поймы р. Терек – 550 кг, щебень из хвостов – 1300, вода – 200. Водоцементное отношение – 0,6. Пластичный бетон уложен в формы размерами 10×10×10 см и выдерживается в лабораторных условиях.

Установлено, что бетон, содержащий щебень хвостов обогащения, удовлетворяет строительным требованиям и может быть утилизирован в виде самостоятельного материала в качестве заполнителя. В зависимости от расхода цемента могут быть получены марки бетона 100, 200 и выше. По прочностным качествам изделия из щебня хвостов выщелачивания в сухом виде могут использоваться при операциях нулевого цикла строительства: основания, уплотнения, заполнения пустот, дренирующий слой, создание «подушек», балластировка, крупный заполнитель для тяжелого бетона.

Ограничивающим область применения хвостов обогащения обстоятельством является наличие сернистых соединений в количестве от 0,04 до 0,06% в пробах, что в перерасчете на будущее полное окисление сульфидов составляет 1,1-1,7%. Для ответственных несущих конструкций представляет опасность остаточное содержание металла, естественное выщелачивание которого ослабляет несущую способность строительных элементов.

Хвосты Тырныаузской фабрики. В процессе обогащения вольфрамомолибденовых руд получалось около 1,5 млн м3 в год хвостов, которые с помощью воды транспортированы к хранилищам с общей емкостью до 120 млн м³. Это мелкозернистый однородный песок с содержанием: глинистых частиц – до 1%, пылеватой фракции – до 10% с преобладанием фракции от 0,01 до 0,25 мм. Максимальная крупность частиц – 1 мм. Коэффициент однородности – 2-3.

Рис. 1. Гранулометрический состав хвостов обогащения

Хвосты состоят из зерен кварца, пироксена, граната и метаморфических сланцев. Они содержат, кроме окисла кремния и полуторных окислов, окиси кальция и магния и щелочных металлов, также мышьяк и сернистые соединения.

В целом хвосты представляют собой мелкозернистый песок с преобладанием (50-60%) фракции 0,25-0,1 мм. Такой песок пригоден для использования как самостоятельный материал для засыпки пустот при строительстве объектов различного назначения в отраслях хозяйства.

Нами выполнены лабораторные исследования технологий производства строительных изделий: цементации, силикатизации, битумизации и полимеризации. Методика исследований предусматривает введение реагентов в инертную среду песков, перемешивание, уплотнение в формах размерами 10×10×10 см, технологическое отстаивание и контрольные испытания в установленное время с применением стандартных приборов и методики.

Кубики готовятся в металлических разъемных формах с уплотняющей нагрузкой в течение 5 мин. – 30 кг/см² для цементации и 300 кг/см² для битумизации. При испытании водостойкости образцы выдерживаются в воде в течение 24 часов с определением коэффициента размягчения – отношения прочности водонасыщенных образцов к прочности образцов в воздушно-сухом состоянии. Установлено, что технологии их утилизации дают удовлетворяющие строительным нормам результаты (табл. 2).

Таблица 2. Прочность на растяжение в воздушно-сухом состоянии, МПа

Образцы					Среднеезначение
1	²	³	4	5	Среднеезначение
0,024	0,023	0,029	0,026	0,028	0,0265

Песок является возможным к применению строительным материалом, обладая пористостью 42% и модулем деформации 75 кг/см², в условиях трехосного сжатия модуль уменьшается до 52 кг/см² при угле внутреннего трения около 40°С.

Цементированные хвосты обладают прочностью при расходах более 5% цемента марки 400, тот же эффект достигается при цементации 3% цемента и 0,5% извести. Силикатизированные хвосты обладают прочностью при расходах жидкого стекла заводской концентрации около 70-90 л/м³ смеси или такого же количества хлористого кальция при концентрации 30%. Битумизированные хвосты обладают прочностью с добавками негашеной извести, полиамидов и полиакриламида.

Хвосты Урупской фабрики. В хвостах содержится 55-65% пирита, 0,2-0,4% меди, до 0,2% цинка и ряд других металлов. Содержание серы достигает 30%.

При определении прочности изделий с утилизируемыми хвостами обогащения смесь укладывали в формы размерами 10×10×10 см, выдерживали при температуре 18-20°С и влажности 50-60% и раздавливали на лабораторном прессе ПСУ-50. Материал измельчали в мельнице, сушили и обжигали в печах. Состав первой партии смеси Ц:Х:Щ=1:2:3, где Ц – цемент, Х – хвосты, Щ – щебень. В возрасте 28 суток кубики имели прочность при одноосном сжатии 4 МПа.

Состав второй партии смеси Ц:Г:Х:Щ=0,5:1:2:3 с добавкой 1,% Na²SO4, где Г – гипс строительный. Прочность кубиков – 3,2 МПа в возрасте 28 суток.

Полученные результаты сопоставляются с базовой партией состава Ц:Х=1:5, прочность которой в возрасте 298 суток – 0,48 МПа. Увеличение прочности фиксируется наблюдениями при использовании для затворения этой партии известкового молока и 2% раствора аммиачной воды. Прочность в возрасте 28 суток составила соответственно 0,7 и 0,6 МПа (табл. 3).

Таблица 3. Прочность хвостов в возрасте 28 суток, МПа

Составы	Добавки	Условия твердения	Прочность
базовый		воздух
Ц:П:Щ=1:2:3	—	воздух и H²O4	0,7
Ц:П:Щ=1:2:3	—		0,51
Экспериментальный
Ц:Х:Щ=1:2:3	—	воздух	0,55
Ц:Х:Щ=1:2:3	—	вода	0,4
Ц:Х:Щ=1:2:3	—	вода и H²O4	0,38
Ц:Г:Х:Щ=0,5:1:2:3	Ca(OH)²	воздух	0,52
Ц:Х=1:5	—	воздух	0,48
Ц:Х=1:5	—	воздух	0,55
Ц:Х=1:5	—	воздух	0,51

Исследованиями определены компоненты, которые могут применяться в строительстве: песчано-гравийная смесь поймы реки Уруп; глины и суглинки рек Теплая и Богачиха; сырой и строительный гипс Шедокского комбината; известняки и мергели; жженая известь Джегутинского и Красногорского заводов; туфы и песчаники месторождения.

Одной из целей исследований являлось обоснование возможности замены цемента фракциями хвостов обогащения. Материал исследования включает в себя заполнители: тонкая и крупная фракции хвостов; высевки хвостов обогащения; вяжущие – цемент, шлак, гипс, известняки и т.п.

Устанавливаются значения прочности при расходе портландцемента с граншлаковой добавкой: 40, 60, 80 и более кг/м³.

Количество комплексного вяжущего: с крупным заполнителем – 450, 400, 350 и 300 кг/м³; с мелким заполнителем – 400, 350, 300 и 250 кг/м³.

Порядок эксперимента:

• по каждому опыту определяются плотность, грансостав, содержание отмучиваемых материалов, удельная поверхность, влажность заполнителя и добавок;

• на каждый опыт регламентируется количество материалов и воды;

• контрольные кубы 10×10×10 см изготавливаются на четыре срока выдержки (7, 14, 28 и 60 суток) по 3 образца на каждый срок, которые хранятся в соответствии с ГОСТ;

• контрольные кубы испытывают на одноосное сжатие.

Свойства металлургического гранулированного шлака сведены в (табл. 4).

Таблица 4. Химический состав шлака

Компоненты							Модули
SiO²	Al²O³	CaO	MgO	FeO	MnO	SO³	основности, Мо	активности, Ма
43	10,1	42,4	2,3	0,7	0,3	1,7	0,84	0,25
38	12,9	40,7	5,9	0,5	0,8	1,2	0,92	0,34

Характеристика материалов дана в таблице 5.

Таблица 5. Гранулометрический состав хвостов

Компоненты смеси	Остаток на ситах в %, мм								Отмучиваемых, %	Удельная поверхность, м²/кг	Плотность, кг/м³
Компоненты смеси	10	5	2,5	1,25	0,63	0,315	0,14	-0,14	Отмучиваемых, %	Удельная поверхность, м²/кг	Плотность, кг/м³
Мизурские	6,0	7,5	15,5	21,0	16	18	12,5	21,5	²	12,4	2720
Тырныаузские	3,0	2,5	10,0	12,5	19,5	16,5	23,0	13,0	10	16,6	2640
Урупские	5,5	6,4	28,6	19,5	22,0	13	3,0	2,0	5,4	13,6	2705
Граншлак	—	5,1	17,9	16,0	34,6	17,4	6,1	2,6	2,6	6,76	2560

Результаты исследования контрольных кубов в возрасте 28 суток даны в таблице 6.

Таблица 6. Результаты исследования составов с цементом и мелкой фракцией хвостов

Прочность смесей, МПа	Расход портландцемента, кг/м³
Прочность смесей, МПа	30	60	80	100	120	180
Мизурских	0,50	0,75	0,81	0,92	1,00	1,30
Тырныаузских	0,41	0,53	0,66	0,74	0,87	1,15
Урупских	0,48	0,69	0,78	0,87	0,92	1,24

Примечание: расход воды 200 л/м³

Прочность кубов, в которых заполнитель комбинируется по признаку оптимальной крупности (50% щебня и 50% хвостов), увеличивается (табл. 7).

Таблица 7. Прочность смесей с комбинированным заполнителем, МПа

Хвосты обогащения	Расход портландцемента, кг/м³
Хвосты обогащения	30	60	80	100	120	180
Мизурские	0,65	0,82	0,93	0,99	1,27	1,65
Тырныаузских	0,51	0,63	0,74	0,89	0,99	1,50
Урупские	0,62	0,73	0,88	0,91	1,08	1,55

Примечание: расход воды 200 л/м³

Увеличение прочности за счет комбинирования заполнителя по крупности оценивается коэффициентом 1,15-1,25.

Расход цемента снижается добавлением измельченного доменного шлака с тонкостью помола 50% фракции 0,074 мм. Расход шлака на 1 м³ смеси определяется величиной комплексного вяжущего 300 кг/м³ при мелком заполнителе и 400 кг/м³ комплексного вяжущего при крупном заполнителе.

На пути неограниченного использования хвостов обогащения в строительстве путем извлечения металлов из хвостов обогащения стоит ряд проблем: извлечение металлов в раствор реагентов и из раствора выщелачивания, нейтрализация маточных растворов и др. Эти проблемы требуют специальных исследований [6-10].

Активация хвостов в дезинтеграторе в процессе выщелачивания металлов существенно увеличивает их вяжущие свойства, содействуя расширению области применения природо- и ресурсосберегающих технологий с использованием в строительстве смесей на основе местного сырья. Потребности производства в твердеющих смесях могут быть удовлетворены использованием накопленных хвостов обогащения. Экономическая эффективность полной утилизации хвостов обогащения увеличивается за счет снижения величины ущерба окружающей среде [11-15].

Выводы:

Отходы обогащения металлических руд на фабриках Северного Кавказа обладают качествами, предъявляемыми к сырью для строительства, обеспечивая нужную марку бетона при соответствующем расходе цементного вяжущего.

При несложной подготовке они пригодны для целей строительства в качестве эквивалента щебня или песка. Прочность бетонов на основе хвостов обогащения повышается увеличением доли крупных фракций, а расход цемента снижается добавкой шлаковых отходов металлургии.

Универсальному использованию хвостов обогащения препятствует остаточное содержание в них металлов и сернистых соединений, что требует выполнения комплексных исследований.

Библиографический список

1. Dmitrak Y.I., Golik V.I., Gabaraev O.Z., Tsidaev B.S. Vybro transportation of hydraulic mixtures in pipeline 2019 Innovation-Based Development of the Mineral Resources Sector: Challenges and Prospects – 11th conference of the Russian-German Raw Materials, 2018.
2. Golik V.I., Razorenov Yu.I., Ignatov V.N., Khasheva Z.M. The history of Russian Caucasus ore deposit development // The Social Sciences (Pakistan), Т. 11, №15, 2016, с. 3742-3746.
3. Golik V.I., Gabaraev O.Z., Tsidaev B.S., Dzeranov B.V. Improving the design of disintegrator for hard minerals deep disposal 2019 Innovation-Based Development of the Mineral Resources Sector: Challenges and Prospects – 11th conference of the Russian-German Raw Materials, 2018.
4. Голик В.И., Хашева З.М. Механизм экономической диверсификации горной отрасли регионов Кавказа // Научный вестник Южного института менеджмента, № 1, 2014, с. 39-47.
5. Гуриев Т.С., Цаболова М.М., Баликоев А.А., Базаева А.В. Параметры проектирования архитектурно-строительных объектов и их влияние на оптимизацию проектов // Устойчивое развитие горных территорий, Т. 5, № 4, 2013, с. 50-53.
6. Golik V., Komaschenko V., Morkun V., Khasheva Z. The effectiveness of combining the stages of ore fields development // Metallurgical and Mining Industry, Т. 7, № 5, 2015, с. 401-405.
7. Бочаров В.А., Игнаткина В.А., Чантурия Е.Л., Юшина Т.И., Хачатрян Л.С., Дунаева В.Н. О выборе возможных способов комплексного использования техногенных пиритных хвостов в связи с их переработкой // Горный информационно-аналитический бюллетень, №10, 2015, с.145-154.
8. Вержанский А.П. Проблемы освоения техногенных ресурсов в России // Горный журнал, №7, 2016, с. 105-106.
9. Голик В.И., Соболев А.А., Дзапаров В.Х., Харебов Г.З. Перспективы разработки месторождений Садона //Устойчивое развитие горных территорий, №3, 2018, с. 420-427.
10. Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В., Радченко Д.Н. Реализация концепции устойчивого развития горных территорий – базис расширения минерально-сырьевого комплекса России // Устойчивое развитие горных территорий. Владикавказ, №3, 2015, с.46-50.
11. Голик В.И. Извлечение металлов из хвостов обогащения комбинированными методами активации // Обогащение руд, №5, 2010, с. 38-40.
12. Голик В.И., Разоренов Ю.И., Страданченко С.Г., Прокопов А.Ю., Масленников С.А. Экспериментальное обоснование параметров механохимической переработки хвостов обогащения руд //Г орный информационно-аналитический бюллетень, № 5, 2012, с. 128-134.
13. Комащенко В.И., Васильев П.В., Масленников С.А. Технологиям подземной разработки месторождений КМА – надежную сырьевую основу // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле, № 2, 2016, с. 101-114.
14. Ляшенко В.И. Научно-технические предпосылки повышения экологической безопасности в горнодобывающем регионе // ОАО «Черметинформация», Черная металлургия, № 1, 2015, с. 21-30.
15. Хашева З.М., Голик В.И. К экономической оценке опасности природных и техногенных катастроф // Научный вестник Южного института менеджмента, № 2, 2015, с. 11-15.
16. Хашева З.М., Кравченко Н.П., Голик В.И., Дмитрак Ю.В., Баликоев А.Б. Принципы комбинированной оценки эффективности технологий извлечения цветных металлов // Передовые исследования в области динамических и управляющих систем. № 10. Специальный выпуск, 2018, с. 2043-2050.