На правах рукописи

ИВОЧКИНА МАРИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

УСТОЙЧИВОСТИ ОТВАЛОВ ФОСФОГИПСА

Специальность 25.00.16 – Горнопромышленная

и нефтегазопромысловая геология, геофизика,

маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Кутепов Юрий Иванович

Официальные оппоненты:

Гальперин Анатолий Моисеевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», кафедра геологии, заведующий кафедрой Шпаков Петр Сергеевич доктор технических наук, профессор, Муромский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», кафедра автоматизированного проектирования машин и технологических процессов, профессор

Ведущая организация – ОАО «Всероссийский научноисследовательский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, защите инженерных сооружений от обводнения, специальным горным работам, геомеханике, геофизике, гидротехнике, геологии и маркшейдерскому делу»

Защита диссертации состоится 5 июня 2013 г. в 14 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.08 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 30 апреля 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ КОРНИЛОВ

диссертационного совета Юрий Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В Российской Федерации при разработке МПИ и переработке полезных ископаемых образуются значительные объемы отходов. Большая их часть размещается на земной поверхности в специальных объектах хранения - отвалах, формируя новые геологические тела. Это предопределяет постановку комплекса вопросов по обоснованию оптимальных параметров горнотехнических сооружений и инженерно-геологическому изучению формирования техногенных пород.

При экстракционном способе переработки апатитовых и фосфоритовых концентратов получают фосфорную кислоту, а в качестве побочного продукта - твердый отход - сульфат кальция (фосфогипс). Фосфогипс является ценным вторичным материалом, т.к. содержание CaSO4 в нем сопоставимо с природным гипсом и достигает 94%. Однако, присутствие химических примесей ограничивает применение фосфогипса как строительного материала. Поэтому до сих пор основным методом его хранения является размещение в отвалы.

Предприятия по производству фосфорных удобрений расположены в развитых густонаселенных промышленных регионах, характеризующихся значительной стоимостью земли и определенным ее дефицитом для размещения отвалов. Также данные горнотехнические сооружения являются объектами потенциальной экологической опасности и требуют пристального инженерно-геологического изучения.

Разнообразие геологических условий МПИ, технологий их разработки и переработки сырья определяют многообразие отходов, каждый из которых, попадая в отвал, формирует сложный объект изучения и требует самостоятельного рассмотрения. Большой вклад в формирование представлений о техногенных породах, геомеханических и инженерно-геологических аспектах горнотехнических сооружений внесли: В.И. Осипов, Г.Л. Фисенко, М.Ю. Абелев, А.М. Гальперин, С.П. Бахаева, Р.Э. Дашко, Р.С. Зиангиров, В.Г. Зотеев, И.П. Иванов, Е.А. Кононенко, Ф.В. Котлов, В.С. Круподеров, Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, Ю.Н. Малюшицкий, В.В. Мосейкин, П.С. Шпаков, В.П. Жариков, И.И. Ермаков, В.В. Ермошкин, А.В.

Киянец, Р.Г. Клейменов, С.И. Протасов и др. Изучению фосфогипса, являющегося специфическим техногенным образованием, с позиции его использования в различных сферах народного хозяйства посвящены работы: Ю.И. Лычко, М.А. Ахметова, А.В. Волженского, Л.И. Дворкина, В.В. Иваницкого, Б.А. Копылева, Ю.Г. Мещерякова, И.С. Сирота, В.А. Терсина и др.

Современный уровень инженерно-геологической изученности отвалов фосфогипса не дает надежной информации для выполнения работ по обоснованию оптимальных параметров отвальных сооружений. В этой связи, весьма актуальным является вопрос изучения состава, состояния и свойств отходов производства фосфорной кислоты и условий формирования техногенных пород в отвалах фосфогипса при обеспечении их устойчивости.

Целью диссертационной работы является разработка инженерно-геологического обеспечения устойчивости отвалов складирования вторичных материалов промышленности: отходов производства фосфорной кислоты - фосфогипсов.

Основные задачи исследований:

1. Обзор и анализ месторождений фосфатного сырья, существующих технологий переработки и складирования фосфогипса в отвалы.

2. Установление закономерностей формирования состава, состояния и свойств отходов производства фосфорной кислоты.

3. Изучение инженерно-геологического строения и гидрогеологической структуры техногенного массива отвала фосфогипса.

4. Изучение инженерно-геологических и гидрогеологических условий основания отвального сооружения.

5. Разработка инженерно-геологического обоснования оптимальных параметров отвалов фосфогипса.

Идея работы. Обоснование оптимальных параметров отвалов фосфогипса производится на базе последовательного инженерногеологического изучения техногенных отложений, начиная от переработки фосфатных руд и образования отходов производства фосфорной кислоты и заканчивая формированием состава, состояния и свойств пород в отвалах с учетом развития гидрогеологических, геодинамических и литогенетических процессов и явлений в природно-технической системе «отвал+основание».

Методы исследований. При выполнении исследований использовался комплексный подход к решению проблемы, включающий анализ и обобщение результатов ранее выполненных исследований, лабораторные и натурные методы исследований с применением инженерно-геологических, гидрогеологических и маркшейдерско-геодезических методов, статистическая обработка результатов экспериментальных данных, аналитические расчеты и компьютерное моделирование.

Научная новизна:

1. Установлены основные факторы, определяющие химикоминеральный состав и свойства фосфогипсовых отходов, полученных при использовании фосфатных руд различного генезиса и технологий их переработки.

2. Установлены закономерности технолитогенетических преобразований фосфогипса в отвале, которые определяют неоднородные инженерно-геологические и гидрогеологические условия отвальных техногенных массивов.

3. Разработана система обоснования оптимальных параметров отвалов фосфогипса и управления их устойчивостью, учитывающая специфику функционирования сложных природно-технических комплексов, формирующихся на земной поверхности в виде отвалов при складировании отходов химического производства.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Химико-минеральный состав и физико-механические свойства отходов производства фосфорных удобрений, а также характер нарастания их прочности, определяются технологическим способом получения фосфорной кислоты и не зависят от генезиса исходных фосфатных руд.

2. Техногенные массивы отвалов фосфогипса сложены мономинеральными гипсовыми породами и характеризуются в разрезе неоднородным строением, определяемым процессами химикоминерального преобразования, гравитационного уплотнения и формирования водоносных горизонтов.

3. Обоснование оптимальных параметров отвалов фосфогипса и управление их устойчивостью следует осуществлять с применением системы научно-методического обеспечения, разработанной для сложных природно-технических систем с учетом специфики строения техногенного массива и естественного основания отвала, свойств и деформационного поведения слагающих их пород, а также гидрогеологической структуры.

Практическая значимость состоит в: 1) установлении инженерно-геологического и гидрогеологического строения техногенных массивов, сложенных фосфогипсами; 2) обосновании расчетных характеристик физико-механических свойств пород отвалов фосфогипса; 3) изучении строения, состояния и свойств пород оснований отвалов, а также их гидрогеологической структуры.

Реализация результатов работы. Полученные результаты использовались в Проекте №5.6047.20.11 по заданию министерства образования и науки РФ, а также при выполнении хоздоговорных работ Научного Центра геомеханики и проблем горного производства Горного Университета на объектах ОАО «ФосАгро» и ОАО «ОХК «Уралхим».

Апробация работы. Основное содержание диссертации докладывалось на 5-й международной научно-практической конференции на базе AGH (Краков, 2011), на международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2011, 2012, 2013), на всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в горном деле, геологическом и маркшейдерско-геодезическом обеспечении горных работ» (СПб, 2012) и на заседаниях Научного Центра геомеханики и проблем горного производства.

Личный вклад автора. Автор самостоятельно выполнил анализ научно-технической литературы по теме диссертационных исследований, полевые и лабораторные исследования на отвалах фосфогипса, обработал и интерпретировал полученные результаты, построил гидрогеомеханические модели объектов исследований, произвел расчеты устойчивости.

Публикации. Основное содержание работы

отражено в 6 публикациях, из них 2 в журналах, включенных в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, определяемый ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (117 литературных источников), изложенных на 172 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 43 рисунка.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н., профессору Ю.И. Кутепову, сотрудникам лаборатории гидрогеологии и экологии Научного Центра геомеханики и проблем горного производства и Центра инженерных исследований Горного университета за помощь при проведении исследований на объектах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первое защищаемое научное положение. Химикоминеральный состав и физико-механические свойства отходов производства фосфорных удобрений, а также характер нарастания их прочности определяются технологическим способом получения фосфорной кислот и не зависят от генезиса исходных фосфатных руд.

Фосфатное сырье представлено двумя основными типами руд:

апатитовыми и фосфоритовыми, связанными соответственно с изверженными и осадочными породами. В мировом балансе добываемого фосфатного сырья основная роль принадлежит фосфоритовым рудам (90%), а в России, благодаря наличию уникальных месторождений Хибинского массива, - апатитовым рудам.

Изучение отходов производства фосфорной кислоты производилось для хибинских апатитов, каратауских и егорьевских фосфоритов.

Химическую формулу хибинских апатитовых руд в общем виде можно представить Ca5[PO4]3(F, Cl, OH)2. Основным фосфорсодержащим минералом является фторапатит кальция, а также в небольших количествах гидроксилапатит и продукты изоморфного замещения. Каратауские и егорьевские фосфоритовые руды являются породами осадочного происхождения, образовавшимися в результате осаждения из морской воды. Они содержат в основном мелкокристаллический аморфный фосфат кальция с небольшим содержанием примесей в виде глауконита, лимонита, кальцита, доломита, магнезиальных силикатов, алюмосиликатов, каолина, полевых шпатов, кварца, гранита и органические вещества. Фосфоритовые руды отличаются от апатитовых высокой дисперсностью содержащихся в них фосфатных минералов и тесным срастанием их с сопутствующими минералами – примесями.

Основными промышленным способом получения фосфорной кислоты на предприятиях Российской Федерации на сегодняшний день является экстракционный, использующий разложение природной фосфатной руды кислотами. Наибольшее распространение на практике нашел метод сернокислотной экстракции. Процесс при использовании фосфоритового сырья протекает по уравнению 1, а разложение апатитового концентрата по уравнению 2.

2Ca5(PO4)3F+nH3PO4+10H2SO4+5H2O= В зависимости от условий проведения процесса в растворе сульфат кальция (фосфогипс) выделяется в виде дигидрата (CaSO4*2H2O), полугидрата (СаSO4*0,5H2O) и ангидрита (СаSO4).

Химический состав фосфогипса практически не зависит от качества используемого фосфатного сырья, а определяется способом производства экстракционной фосфорной кислоты (таблица 1). Из его анализа следует, что содержание основных компонентов (в %) составляет: СаО 22–32; SO3 30-45; SiO2 0,5-7,0; Р205(общ.) 1,0-1,5;

F 0,1-0,3; H2O (крист.) 14-20.

Таблица 1 – Химический состав фосфогипса В настоящее время в промышленности фосфатное сырье перерабатывают по дигидратному и полугидратному режиму. При дигидратном способе, образуемый дигидрат сульфата кальция, содержит 93-95% СаS04*2Н2О с механической примесью 1-1,5% фосфатов в пересчете на P2O5,некоторого количества кремнезема и других оксидов. Твердая фаза шлама тонкодисперсна и более чем на 50% состоит из частиц размером менее 10 мкм. Двуводный гипс в фосфогипсе имеет вид правильных кристаллов ромбической и призматической формы (рисунок 1а). При полугидратной схеме побочным продуктом является полугидрат сульфата кальция, содержащий 92-95% СаS04*0,5Н2О, и представлен друзами и сростками кристалликов таблитчатого и призматического габитуса (рисунок 1б).

Изучение физико-механических свойств отходов производства фосфорной кислоты производилось для разновидностей фосфогипса – дигидрата (Д) и полугидрата (П), полученных при переработке исходного сырья из различных месторождений: Хибинские апатиты (А), Егорьевские (Е) и Каратауские (К) фосфориты. В лабораторных условиях выполнены определения микростроения, гранулометрического и минерального составов, влажности, плотности, параметров прочности – угла внутреннего трения и сцепления, коэффициентов сжимаемости.

По внешнему виду исследуемые разновидности фосфогипса представлены мелкокристаллическим материалом серовато-белого цвета с шелковистым блеском и слабым специфическим запахом.

Начальная влажность полугидрата изменяется от 25 до 30 %, а дигидрата - в пределах 35 - 40%. При длительном нахождении в изолированном состоянии (в эксикаторе) полугидрат постепенно теряет свою влажность за счет перехода воды из свободной в кристаллизационную при преобразовании полугидрат гипса в дигидрат.

По данным определений гранулометрического состава ареометрическим методом и методом лазерной дифракции (анализатор