Терриконики угольных шахт – источники сырья для металлургии

    Минеральные ресурсы занимают ведущее место среди источников материального производства. Эксплуатация земных недр ускоряется, но из всех добываемых материалов лишь 2 – 5% используется в народном хозяйстве. Однако отходы (как остатки сырья), образующиеся в процессе изготовления основной продукции, не всегда полностью утрачивают потребительскую стоимость исходного сырья и могут быть использованы в качестве сырья или добавок к нему при производстве новой продукции.

    Многие виды отходов недостаточно изучены, для них не разработаны рациональные способы утилизации, не определены потенциальные потребители. К таким отходам можно отнести терриконики угольных шахт Донбасса. Поскольку промышленное значение имеет средний отдел карбона, то добывают уголь подземным способом, причем при выемке 1 т угля попутно складируется в отвалах – террикониках.

    На территории Донбасса насчитывается более 1.5 тыс. отвалов угольных шахт, в каждом из них в среднем 1144 м³ породы. По данным И. Ф. Галушки [1], в 1 т. породы террикоников Донбасса содержится: углерода – 16 – 62 кг; азота – 0,2 – 12,1; фосфора – 0,4 – 19; калия – 4,7 – 37; кальция – 4,8 – 11,4; меди – 0,5 – 20; серы – 0,1 – 85: цинка – 0,1 – 20; молибдена – до 1; галлия – до 5, кремния – 35,7 -740; алюминия – 54 – 343; титана – 2,0 – 21,4; никеля – 0.1 – 2; кобальта – 0,1- 0,3: бария – 0.3 – 8; бериллия – 0,5 – 1; скандия – до 3: свинца – до 0,3; олова – до 0.3; хрома – 0,2 – 3; ванадия – 0.4 – 1; циркония – 0,1 – 3; стронция – 0,1 – 6; магния – 2 – 22,4; итрия – 0,1 – 1; лантана – 0.1 – 0,5; железа – 14,5 – 156,8; натрия – 4 – 95 кг и др.

    В ВУГУ тоже проанализирован химический состав террикоников. С помощью спектрографа СТЭ-1 с приставкой УСА проведен эмиссионный спектральный анализ отвальной породы с нескольких террикоников. Полученные данные сравнивались с кларковым содержанием элементов по А.А.Беус [2] и установлены превышения его по многим элементам, в частности, по германию и вольфраму и 2 раза, по висмуту в 220 раз и т. п.

    Использование пород отвалов угольных шахт в качестве сырья для металлургии рассмотрено нами на примере алюминия, так как основным сырьем для его получения являются бокситы, запасы которых в Украине ограничены. Промежуточным продуктом при производстве алюминия является глинозем Аl₂О₃. Известны промышленные кислотные и кислотно-щелочные способы получения глинозема из алюмосиликатов переводом оксида алюминия в растворимую алюминиевую соль минеральной кислоты с отделением нерастворимого остатка и очистной соли от примесей [3]. Алюмосиликаты отличаются высокой распространенностью. Недостаток способа – большой расход серной кислоты, обусловленный тем, что в своих растворимых (нормальных) солях алюминий как трехвалентный металл связывает три одноосновные кислотные радикала, т.е. для удержания 1 кг АlО, в растворе требуется 2,9 кт вспомогательного реагента SО₄.

    Применение пород террикоников позволяет удешевить промышленные кислотные и кислотно-щелочные способы получения глинозема в результате использования естественной серной кислоты, что исключает расходы на кислоту, получаемую промышленным путем. Производство глинозема по предлагаемому способу осуществляется следующим образом. В качестве сырья используется только выветрившаяся отвальная порода старых террикоников. Это обусловлено тем, что сернокислая кора выветривания, формирующаяся при окислении дисульфидов (пирита) породы, только на таких отвалах доходит до аллитной фазы развития, характеризующейся отсутствием в продуктах выветривания соединений хлора, щелочных и щелочноземельных оснований, кремнезема силикатов и наличием подвижных полуторных оксидов железа и алюминия. На этой стадии серная кислота, образующаяся при окислении пирита отвальной породы, разрушает чрезвычайно прочную связь оксидов алюминия и кремнезема и переводит оксиды в растворимые соли серной кислоты.

    По данным спектрального анализа в невыветрившейся породе террикоников содержание Аl₂О₃, колеблется от 6 до 18%. Если руководствоваться стандартом на глинозем, то для производства первичного алюминия (электролитическим методом) содержание а-модификации Аl₂О₃ должно быть более 15%, в перегоревшей же выветрившейся породе неантрацитовых и антрацитовых углей оно достигает 19 и 24%. т.е. соответствует стандарту на глинозем.

    На терриконике №2 шахты "Кременная-Западная" ГХК "Лисичанскуголь" высотой 73 м отсыпка начата в 1926 г. закончена в 1952 г. Серная кислота, образовавшаяся при окислении пирита отвальной породы, перевела оксид алюминия в раствор (содержание подвижного алюминия колеблется от 2,7 до 3240 мг на 100 г породы) с образованием сульфата алюминия. Доказательством является большая кислотность 40 отобранных образцов породы (рН 1 до 1,9) и тесная связь кислотности с содержанием подвижного алюминия (коэффициент корреляции 0,9): высокая концентрация сульфат иона в полной вытяжке (по 8%) и тесная связь между ним и подвижным алюминием (коэффициент корреляции 0,9).

    Обследование многих других террикоников также показало наличие сильнокислой реакции среды в породе. Для экономического обоснования использования в качестве сырья отвальной породы служит коэффициент технологической ценности отходов.

    В качестве сравниваемого с отвальной породой сырья рассмотрены бесщелочные алюмосиликаты (каолиниты). Для производства из них глинозема кислотным способом требуется серная кислота. Поскольку в растворимых солях алюминий как трехвалентный металл связывает три одноосновных кислотных радикала, количество вспомогательного реагента (серной кислоты), необходимого для удержания 1 кг глинозема в растворе, требуется 2,9 кг. Для производства глинозема из отвальной породы такого количества кислоты не нужно, так как процесс разрушения кристаллической решетки алюмосиликатов происходит под действием природной серной кислоты, образующейся при окислении пирита. В отвальной породе природным путем образуется сульфат алюминия. Если сравнивать в качестве сырья каолинит и отвальную породу, то при расчете Ат количество серной кислоты при производстве сульфата алюминия отвальной породы не учитывается.

    Разложение каолинитов и сульфата алюминия при производстве глинозема происходит в жестких температурных условиях и связано с затратами теплоты: каолинит – 990 ккал на 1 кг; сульфат алюминия – 2150 ккал. С учетом цены и расхода ресурсов (серная кислота, уголь) коэффициент Ат = 0,55. Это показывает, что способ получения глинозема, а, следовательно, и алюминия из породы террикоников в 2 раза дешевле, чем из каолинита.

    Приведенные данные свидетельствуют о возможности использования складируемой в терриконики горной породы в качестве сырья для выплавки ряда металлов, если технологии ее переработки будут соответствовать экономическим требованиям.


    Литература

    1. Галушки И. Ф. Терриконы дешевых удобрений. – Донецк: Донбасс, 1965.

    2. Беус А. А., Григорян С. В. Геохимические методы поисков и разведки месторождений твердых полезных ископаемых. – М.: Недра, 1975.

    3. Справочник металлурга по цветным металлам. – М.: Металлургия, 1999.