Введение

Материалы, оставшиеся после отделения ценных минералов от руды.

В горнодобывающей промышленности хвосты или хвостовые отходы – это материалы, оставшиеся после процесса отделения ценной фракции от бесполезной фракции (пустой породы) руды. Хвосты отличаются от вскрышных пород, которые представляют собой пустую породу или другой материал, покрывающий месторождение руды или минерала и удаляемый в процессе добычи без переработки. Извлечение минералов из руды может осуществляться двумя способами: разработка россыпей, использующая воду и гравитацию для концентрации ценных минералов, или разработка твердых пород, которая измельчает породу, содержащую руду, а затем полагается на химические реакции для концентрации целевого материала. В последнем случае извлечение минералов из руды требует измельчения, то есть раздробления руды на мелкие частицы для облегчения извлечения целевых элементов. Вследствие этого измельчения хвосты состоят из суспензии мелких частиц, размер которых варьируется от песчинки до нескольких микрометров. Хвосты, вероятно, являются опасным источником токсичных химических веществ, таких как тяжелые металлы, сульфиды и радиоактивные элементы. Эти химические вещества особенно опасны при хранении в воде в прудах за хвостохранилищами. Эти пруды также уязвимы к серьезным прорывам или утечкам из плотин, вызывающим экологические катастрофы, такие как катастрофа на горе Полли в Британской Колумбии. Из-за этих и других экологических проблем, таких как загрязнение грунтовых вод, токсичные выбросы и гибель птиц, хвостовые отвалы и пруды подвергаются более тщательному контролю, особенно в развитых странах, но первый стандарт ООН по управлению хвостовыми отходами был установлен только в 2020 году. Эти хвосты содержат большое количество пирита (FeS2) и сульфида железа (FeS), которые отбраковываются из искомых руд меди и никеля, а также угля. Хотя под землей они безвредны, эти минералы реагируют с воздухом в присутствии микроорганизмов, что при неправильном управлении приводит к кислотному дренажу рудников.

Добыча фосфатных пород

По оценкам, ежегодно образуется от 100 до 280 миллионов тонн фосфогипсовых отходов в результате переработки фосфатной руды для производства фосфатных удобрений. Помимо своей бесполезности и обилия, фосфогипс радиоактивен из-за содержания в нем природного урана и тория, а также их дочерних изотопов. В зависимости от рыночной цены урана, извлечение урана может быть экономически целесообразным даже без дополнительных стимулов, таких как снижение вреда, который радиоактивные тяжелые металлы наносят окружающей среде.

Алюминий

Бокситные отходы — это побочный продукт, образующийся в процессе промышленного производства алюминия. Утилизация примерно 77 миллионов тонн, производимых ежегодно, является одной из наиболее значительных проблем для алюминиевой горнодобывающей промышленности.

Экономика

В начале добычи часто не предпринимались достаточных мер для обеспечения экологической безопасности хвостохранилищ после закрытия. Современные горные предприятия, особенно в юрисдикциях с хорошо развитым горным законодательством и те, которые управляются ответственными горнодобывающими компаниями, часто включают в свои затраты и деятельность реабилитацию и надлежащее закрытие хвостохранилищ. Например, провинция Квебек (Канада) требует не только предоставления плана закрытия перед началом горнодобывающей деятельности, но и внесения финансовой гарантии в размере 100% от расчетной стоимости реабилитации. Хвостохранилища часто являются наиболее значительным экологическим риском для горнодобывающего проекта. Горные отходы (хвосты) могут обладать экономической ценностью в контексте секвестрации углерода благодаря большой площади поверхности минералов.

Опасения по поводу окружающей среды

Доля хвостов к руде может варьироваться от 90 до 98% для некоторых медных руд и от 20–50% для других (менее ценных) минералов. Отвергнутые минералы и породы, высвобожденные в процессе добычи и переработки, могут нанести вред окружающей среде, высвобождая токсичные металлы (арсен и ртуть – два основных виновника), вызывая кислотный дренаж (обычно в результате действия микроорганизмов на сульфидные руды) или повреждая водную фауну, зависящую от чистой воды (в отличие от взвешенных веществ). Хвостохранилища также могут быть источником кислотного дренажа, что требует постоянного мониторинга и очистки воды, проходящей через плотину хвостохранилища; стоимость ликвидации последствий добычи обычно в 10 раз превышает оценки горнодобывающей промышленности, если речь идет о кислотном дренаже. К другим катастрофам, вызванным разрушением плотин хвостохранилищ, относятся разлив цианида в Байя-Маре в 2000 году и авария на алюминиевом заводе в Аджке. В 2015 году обрушение плотины хвостохранилища рудника Германо в штате Минас-Жерайс, Бразилия, стало крупнейшей экологической катастрофой в стране. Разрушение плотины привело к гибели 19 человек в результате затопления отходами хвостохранилища ниже по течению и затронуло около 400 км речной системы Досе токсичными стоками, которые достигли Атлантического океана.

Права человека

Осадочные месторождения, как правило, располагаются в сельской местности или вблизи уязвимых сообществ, таких как коренные народы. Глобальный отраслевой стандарт по управлению хвостохранилищами рекомендует проводить "процедуру всесторонней проверки соблюдения прав человека для выявления и устранения рисков для тех, кто наиболее уязвим в случае аварии на хвостохранилище или ее потенциального возникновения".

Способы хранения

Исторически отходы обогащения сбрасывались наиболее удобным способом, например, в текущие водоемы или в дренажные системы. В связи с опасениями по поводу загрязнения воды этими отложениями и другими проблемами, стали использоваться хвостохранилища – специальные пруды для их размещения. Задача устойчивого управления отходами обогащения и вскрышными породами состоит в их утилизации таким образом, чтобы материал был инертным или, если это невозможно, стабильным и изолированным, с минимизацией потребления воды и энергии, а также площади, занимаемой отходами, и переходе к поиску альтернативных способов их использования. Данная пульпа представляет собой разбавленный поток твердых частиц отходов обогащения в воде, направляемый в зону хранения отходов. Современный проектировщик хвостохранилищ располагает широким спектром продуктов для хвостохранилищ, выбор которых зависит от количества воды, удаляемой из пульпы перед сбросом. Все чаще для хвостохранилищ требуются специальные барьеры, такие как битумные геомембраны (BGM), для удержания жидких шламов и предотвращения негативного воздействия на окружающую среду. Удаление воды не только может улучшить систему хранения в некоторых случаях (например, при сухом складировании, см. ниже), но и способствует восстановлению воды, что является важной проблемой, поскольку многие горнодобывающие предприятия расположены в засушливых регионах. Однако в 1994 году Агентство по охране окружающей среды США (EPA) отметило в описании хвостохранилищ, что методы обезвоживания могут быть непомерно дорогими, за исключением особых случаев. По оценкам 2000 года, в мире насчитывалось около 3500 действующих хвостохранилищ.

Сухое складирование

Отходы не обязательно должны храниться в прудах или сбрасываться в океаны, реки или ручьи в виде шламов. Всё шире распространяется практика обезвоживания хвостовых отходов с использованием вакуумных или пресс-фильтров, что позволяет затем их складировать в штабеля. Это позволяет экономить воду, что потенциально снижает воздействие на окружающую среду за счет уменьшения возможных скоростей фильтрации, занимаемой площади, обеспечивает плотное и стабильное состояние отходов и устраняет долгосрочную ответственность, связанную с прудами после завершения добычи. Однако, несмотря на потенциальные преимущества сухой укладки отходов, эти системы часто оказываются экономически невыгодными из-за увеличения капитальных затрат на приобретение и установку фильтрующего оборудования, а также роста эксплуатационных расходов (в основном связанных с потреблением электроэнергии и расходными материалами, такими как фильтровальная ткань) таких систем.

Хранение в подземных работах

В то время как размещение отходов в отработанных открытых карьерах обычно является простой операцией, размещение в подземных пустотах более сложно. Распространенный современный подход заключается в смешивании определенного количества хвостов обогащения с отходами горной массы и цементом, создавая продукт, который можно использовать для закладки подземных пустот и камер выемки. Обычно это называют HDPF – High Density Paste Fill (высокоплотная пастообразная закладка). HDPF – более дорогостоящий способ утилизации хвостов, чем хранение в хвостохранилищах, однако он имеет множество других преимуществ – не только экологических, но и значительно повышает устойчивость подземных выработок, обеспечивая передачу напряжений в горном массиве через пустоты – вместо обхода их – что может вызывать горно-индуцированную сейсмичность, как это произошло в результате катастрофы на шахте Биконсфилд.

Речные хвостовые отходы

Обычно называется RTD – Riverine Tailings Disposal. В большинстве случаев это не самая экологически безопасная практика, однако она широко использовалась в прошлом, что приводило к серьезным экологическим катастрофам, таким как ущерб, нанесенный компанией Mount Lyell Mining and Railway Company реке Кинг в Тасмании, или отравление, вызванное шахтой Panguna на острове Бугенвилл, которое привело к масштабным гражданским беспорядкам и, в конечном итоге, к окончательному закрытию шахты. Если плотность и температура отходов не контролируются, они могут распространяться на большие расстояния или даже всплывать на поверхность. Этот метод используется на золотой шахте на острове Лихир; экологи оценивают ее систему утилизации отходов как крайне вредную, в то время как владельцы утверждают обратное.

Различные методы

В настоящее время прилагаются значительные усилия и проводятся исследования для обнаружения и совершенствования более эффективных методов утилизации отходов обогащения. Исследования на золотом руднике Поргера сосредоточены на разработке метода смешивания продуктов обогащения с крупнообломочными пустыми породами и шламами для создания продукта, который можно хранить на поверхности в виде обычных отвалов или штабелей. Это позволит прекратить текущую практику сброса отходов в реки. Предстоит еще большая работа. Однако совместная утилизация уже успешно реализована рядом компаний, включая AMEC, например, на руднике Elkview в Британской Колумбии.

Микробиологическая рекультивация прудов

При добыче нефти из нефтяных песков также образуются отходы производства, состоящие из воды, ила, глины и других растворителей. Данные твердые вещества под действием силы тяжести переходят в состояние зрелых мелких отходов. Foght et al (1985) оценили, что в пруду-отстойнике содержится 103 анаэробных гетеротрофов и 104 сульфатредуцирующих прокариот на миллилитр, используя традиционные методы определения наиболее вероятного числа. Фогт провел эксперимент с двумя прудами-отстойниками, и анализ архей, бактерий и газов, выделяемых из этих прудов, показал наличие метаногенов. С увеличением глубины количество выделяемого CH4 фактически уменьшалось. Сиддике (2006, 2007) утверждает, что метаногены в пруду-отстойнике живут и размножаются посредством анаэробного разложения, в результате чего молекулярная масса снижается от нефти до алифатических и ароматических углеводородов, углекислого газа и метана. Эти археи и бактерии способны разлагать нефть, которая ранее считалась отходом при переработке. Оба этих продукта полезны: алифатические и ароматические углеводороды, а также метан могут использоваться в качестве топлива в быту. Иными словами, эти метаногены повышают коэффициент полезного использования. Более того, эти метаногены изменяют структуру пруда-отстойника и способствуют повторному использованию поровой воды для переработки нефтяных песков. Благодаря метаболизму архей и бактерий и выделению пузырьков в отходах производства, поровой воде легче проходить через грунт. Ускоряя уплотнение зрелых мелких отходов, они обеспечивают более быстрое осаждение твердых частиц, что позволяет быстрее рекультивировать отходы. Кроме того, воду, выделяемую из отходов производства, можно использовать в процессе переработки нефти. Снижение потребности в воде также способствует защите окружающей среды от засухи.

Переработка

По мере совершенствования технологий добычи и роста цен на минеральное сырье, становится обычным делом повторная переработка хвостов с использованием новых методов или более глубокая переработка старыми методами для извлечения дополнительных минералов. В 1990-х годах компания KalTails Mining успешно перерабатывала обширные отвалы хвостов в Калгурли / Боулдер (Западная Австралия). В течение последних 20 лет установка PET4K Processing Plant используется в различных странах для рекультивации загрязненных хвостохранилищ.

Международная политика

ООН и бизнес-сообщества разработали международный стандарт по управлению отвалами горных работ в 2020 году после катастрофического обрушения плотины Брумадиньо. Программа была инициирована Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП), Международным советом по горнодобывающей промышленности и металлургии (МГММ) и Принципами ответственного инвестирования.