Михаил Горбенко,
ученик 4 класса ГБОУ г. Москвы «Школа № 89 им. А.П. Маресьева», член Клуба юных геологов Межвузовского академического центра навигации по специальностям горногеологического профиля ГГМ РАН
Гуревич Ирина Викторовна,
куратор направления «Научные приключения» Клуба юных геологов Межвузовского академического центра навигации по специальностям горногеологического профиля ГГМ РАН
В августе 2021 года мне посчастливилось посетить карьер Оленегорского месторождения железистых кварцитов в Мурманской области. Всего за один день, проведенный в Оленегорске, благодаря замечательным людям, Селивановой Ксении – руководителю пресс-службы АО «Олкон», а также Кириченко Ольге из Центра культуры «Полярная звезда», я увидел работу одного из самых передовых добывающих предприятий России, увидел людей, искренне любящих свою профессию горняка, оценил впечатляющий масштаб преобразований, которые вносит в природу человек при добыче полезных ископаемых. Поэтому свой проект на конкурс «Богатство недр моей страны» я решил посвятить Оленегорскому месторождению. Также большую помощь при подготовке этого проекта мне оказала Гуревич Ирина Викторовна – научный сотрудник ГГМ им. В.И. Вернадского РАН.
Рис. 1. Сбор образцов на отвалах Оленегорского месторождения
На Оленегорском месторождении добывается 20% всей железной руды Северо-Запада России. При этом добыча на всех месторождениях Оленегорской группы, вместе с Костомукшским и Ковдорским месторождениями, составляет 19% от добычи сырой руды в России. Хотя по запасам Оленегорское месторождение составляет всего лишь 3% от всех разведанных запасов железной руды России, лидером здесь являются месторождения Курской магнитной аномалии [3, 13].
Месторождение было открыто Давидом Шифриным и Николаем Зонтовым, который на тот момент был студентом третьего курса Ленинградского горного института, в 1932 году, во время экспедиции Ленгеотреста, с помощью магнитометрии.
Оленегорское месторождение начали разрабатывать в 1949 году, в 1950 году построена рудно-обогатительная фабрика, а в 1955 году Оленегорская рудно-обогатительная фабрика выпустила первый железорудный концентрат и отправила его в Череповец. До сих пор Оленегорский ГОК является самым северным горным комбинатом в мире.
Геология месторождения
В России основные месторождения железистых кварцитов расположены в пределах Воронежского кристаллического массива (район Курской магнитной аномалии), Балтийского щита (Оленегорское на Кольском полуострове, Костомукшское в Карелии) и Алданского щита (Тарыннахское месторождение).
Возраст месторождений Оленегорской группы больше (2,7 млрд лет), чем у месторождений КМА, поэтому оленегорские кварциты дольше подвергались различным воздействиям, в результате рудные тела месторождений группы более прерывистые и сильнее деформированы.
Рис. 2. Образец железистого кварцита с Оленегорского месторождения
Месторождения Оленегорской группы относятся к Заимандровскому железорудному району (рис. 3), который расположен в центральной части Кольского полуострова. Общая площадь рудного района 250 км2. В настоящий момент разрабатываются 9 месторождений Заимандровского района:
Оленегорское (включая подземный рудник), Кировогорское, XV-летия Октября, имени профессора Баумана (законсервировано), Комсомольское, Куркенпахк, Восточное, Центральное и Печегубское. Руда, добытая на всех этих месторождениях, перерабатывается на Оленегорском ГОКе.
Рис. 3. Заимандровский железорудный район
Вскрышные породы Оленегорского месторождения представлены гнейсами, пегматитами и габбро-диабазами. Так как эти породы характеризуются незначительным водопоглощением и большой плотностью, то их используют для производства щебня.
При рассмотрении продольных разрезов Оленегорского месторождения было замечено, что по мере удаления от предполагаемого гидротермального источника происходит изменение состава рудного тела на протяжении 4-5 км: сначала магнетит-гематитовые породы, далее магнетит-силикатные и далее сульфидно-силикатные.
Рудное тело месторождения неоднородно по составу и представляет собой линзу. На поверхности протяжённость линзы составляет около 4 км, при этом её мощность неодинакова: от 20-30 м на флангах до 250-300 м в центре [2]. Примерно 1/3 от всего рудного тела составляют магнетит-гематитовые кварциты (зона 3, рис. 4, 5). Доля гематита составляет 12% от общей массы руды, причем на других месторождениях группы его практически нет. Часто гематитовые зерна объединяются в микро-полосы, идущие вдоль основных полос кварца. Также зерна гематита находятся в самом кварце. Гематит при производстве концентрата гораздо труднее извлекается из породы. Оленегорский ГОК был единственным в СССР, где было осуществлено промышленное извлечение гематита. Но применяемый способ гравитационного обогащения позволяет извлекать только 50% гематита, а остальное уходит в отвалы.
Рис. 4. Горизонтальный разрез Оленегорского месторождения по отметке – 85 м. 1 – амфиболовые гнейсы, амфиболиты, амфиболиты полосчатые и сланцеватые; 2 – магнетитовые железистые кварциты; 3 – магнетит-гематитовые железистые кварциты; 4 – пегматиты и пегматоидные граниты; 5 – зона метасоматических кварцитов с гранатом; 6 – диабазы, габбро-диабазы; 7 – сульфидно-магнетитовые железистые кварциты
Рудное тело месторождения обрамлено амфиболитами и амфиболитовыми гнейсами (зона 1). Эти породы самые древние на рассматриваемом месторождении, их возраст более 3 млрд лет. Резкой границы между рудой и обрамляющими породами не наблюдается.
Рудное тело пересекается микроклино-кварцевыми пегматитовыми жилами (зона 4), и их количество с глубиной возрастает. Они рассекают, а на нижних горизонтах практически уничтожают рудное тело. На отвалах рудника легко увидеть розовые куски этих пород (рис. 6). Возраст пегматитов, прорывающих рудные жилы, составляет 2,0-1,9 млрд лет, они моложе железистых кварцитов месторождения.
Рис. 6. Куски розового пегматита на отвалах Оленегорского месторождения
Попутными металлами Оленегорского месторождения являются золото, платина, палладий и германий. Золото здесь тонкое и мелкое, приурочено к зоне сульфидизации железных руд (зона 7). Его содержание невелико, от 0,6 до 1,3 г на тонну, максимальное содержание до 12 г на тонну. Также было обнаружено золото в отвальных хвостах месторождения, до 0,02 г на тонну, это резкое снижение объясняется тем, что зоны с сульфидно-силикатными кварцитами не входят в пределы отработки карьера [9]. А наиболее богатым этими ценными элементами из всех месторождений группы оказалось Печегубское месторождение, которое только сейчас начало разрабатываться.
Золото Оленегорского месторождения в настоящее время не имеет промышленного значения, но могло бы рассматриваться как попутный металл при обогащении руды. Германий используется для изготовления оптических элементов инфракрасной оптики, а также для перезаписываемых DVD-дисков. В ядерной физике широко используется для детекторов гамма-излучения. Этот полуметалл достаточно дорогой, но его содержание в руде составляет всего 4 г на тонну, поэтому его добыча здесь является нерентабельной [4]. В России германий получают из германиеносных углей Приморского края и Сахалинской области. Содержание германия в этих углях составляет 200 г на тонну.
Платина и палладий обнаружены в боковой зоне Оленегорского месторождения у зоны залегания пиритов и пирротинов (рис. 7). Содержание платины от 0,05 до 0,08 г на тонну, палладия до 0,3 г на тонну. В настоящий момент извлечение этих металлов на данном месторождении также является нерентабельным, особенно учитывая тот факт, что скоро будет начата разработка крупнейшего платиноносного месторождения Федорова тундра около поселка Ловозеро Кольского полуострова.
Сравнение с рудами других месторождений
Железистые кварциты широко распространены на древних щитах и платформах, а также на некоторых срединных массивах складчатых областей. Большинство кварцитов сформировались в архее и в раннем протерозое. Самыми крупными месторождениями железистых кварцитов по запасам являются месторождения Курской магнитной аномалии: Михайловское и Стойленское, разрабатываемые Металлоинвестом.
ПАО «Северсталь» разрабатывает три месторождения железистых кварцитов: Оленегорское, Костомукшское (Карелия) и Яковлевское (Белгородская область).
Также месторождения железистых кварцитов находятся в Республике Саха-Якутия (Тарыннахское и Горкитское), в Еврейской автономной области (Сутарское и Кимканское). Руды всех этих месторождений отличаются друг от друга. И руды Оленегорского месторождения среди всех вышеперечисленных являются одними из самых бедных по содержанию железа, но при этом это месторождение успешно разрабатывается, а на Оленегорском ГОКе получают лучший железорудный концентрат, с содержанием железа до 70,6% (табл. 1).
От руды до стали
Острая необходимость в создании новых технологий обогащения и дальнейшей переработки железных руд появилась после Великой Отечественной войны, так как для восстановления разрушенного народного хозяйства требовалось огромное количество металла. Увеличение количества производимого металла на уже действующих предприятиях было возможно только при повышении производительности доменных печей, что влекло за собой необходимость улучшения качества сырья.
Рис. 8. Оленегорский карьер
В результате непрерывной научной работы в 1950-х годах был осуществлен переход от упрощенных методов обогащения (сортировка, промывка) к методам глубокого обогащения. Одним из пионеров внедрения этих методов и стал Оленегорский ГОК.
Руда, добытая в Оленегорском районе, перерабатывается в железорудный концентрат на Оленегорском ГОКе. Потом концентрат поступает на Череповецкий металлургический комбинат (ЧерМК), принадлежащий ПАО «Северсталь».
До 1955 года половина всей добываемой руды в нашей стране добывалась подземным способом, в основном на Украине, в Криворожском бассейне, где добываемые руды можно было использовать даже без обогащения. Но к 1950-м годам эти месторождения уже были сильно истощены, а дальнейшее расширение шахт требовало значительных материальных ресурсов. После введения в строй новых месторождений железистых кварцитов доля подземной добычи снизилась до 13%. Открытая добыча – самый древний способ получения ресурсов, которая получила свое «второе рождение» по мере развития тяжелой техники.
Большое распространение способа открытой добычи сейчас объясняется его экономической эффективностью. По сравнению с шахтным способом добычи извлечение руды в карьерах в 2 раза дешевле. При этом производительность труда в карьерах выше в 2-3 раза.
Открытая добыча руды ведется на всех перечисленных месторождениях Заимандровского железорудного района; кроме того, на Оленегорском карьере разрабатывается подземный рудник для разработки руд вне борта карьера. Структура карьера имеет ступенчатую форму, высота каждой ступени 15 метров. При этом верхние слои состоят из вскрышной породы, добыча осуществляется на нижних слоях.
Современная техника позволяет вести открытые горные работы на больших глубинах, при этом глубина карьеров может достигать 500 м. Дальнейшее увеличение глубины резко увеличивает расстояние по транспортировке и приводит к увеличению стоимости добываемой руды.
Для откалывания кусков руды используют буро-взрывной способ. Бурение производится специальными буровыми станками шарошечного типа СБШ-250 «Универсал», которые позволяют пробурить шурф длиной до 60 метров. В этих станках бурение осуществляется специальным шарошечным долотом, скалывающим породу.
Рис. 9. Информационные плакаты у борта Оленегорского карьера
На Оленегорском комбинате с 1988 года работает специализированный цех для производства жидкого горючего вещества на основе аммиачной селитры, которое заливается в пробуренные шурфы.
Взрывные работы в карьере осуществляются раз в неделю, но при этом в целях безопасности свободное перемещение транспортных средств и людей даже вокруг карьера строго запрещено в любое время. В 2017 году был взорван самый большой блок за всю историю разработки, вес блока составил 385 тысяч тонн, при этом понадобилось бурение 390 шурфов и 300 тонн взрывчатки. Сейчас непосредственно сам подрыв осуществляется дистанционно, с помощью радиоуправления, поэтому взрывникам нет необходимости находиться в самом карьере.
Для транспортировки руды в карьере используют автомобильный транспорт: самосвалы Caterpillar-777e (грузоподъемность 97 т) и БелАЗ-75710 – самый большой карьерный самосвал в мире грузоподъемностью до 500 тонн. Также в Оленегорском руднике транспортировка руды, добываемой подземным способом, осуществляется крутонаклонным конвейером с площадки выгрузки подземного рудника и станции первичного дробления на отметке -65 м до станции вторичного дробления на отметке +60 м. Это первый подобный конвейер в мире, используемый при добыче железной руды. Второй такой конвейер запущен недавно на Михайловском месторождении. В год на конвейере поднимается 5,7 миллионов тонн руды, из них 2 миллиона из подземного рудника.
Рис. 10. Крутонаклонный конвейер на Оленегорском месторождении
Крупность дробления руды для дальнейшего извлечения железа зависит от степени метаморфизации пород. Так как породы Оленегорского месторождения относят к умеренно- и сильнометаморфизованным, то измельчать их надо больше, чем, например, руды, добываемые на КМА.
С 1981 года первичное дробление руды осуществляется непосредственно в карьере. Фактически, в настоящее время это уже стало стандартном для железорудной добычи, так как уже раздробленную породу можно дальше транспортировать конвейерным способом и удобнее перевозить автомобильным транспортом. В Оленегорском карьере руда проходит еще и вторичное дробление до кусков размером 100 мм. А на Оленегорском ГОКе после каждой стадии измельчения, кроме первичной, идет просеивание породы на специальных грохотах, что позволяет впоследствии избежать переизмельчения магнетита.
Из раздробленной руды магнетит извлекается путем магнитной сепарации. Выделяют сухую и мокрую магнитную сепарацию. Сухая сепарация применяется для первичного обогащения крупнокусковой руды (до 300 мм) с целью вывода немагнитного продукта перед измельчением. На Оленегорском ГОКе установлены 4 сухих магнитных сепаратора, один из которых в начале 2022 года был заменен на двухбарабанный сепаратор, не имеющий аналогов в мире. Дальнейшее использование двухбарабанных сепараторов позволит отказаться от менее эффективного грохочения.
Рис. 11. Дробильный комплекс (первая стадия) в Оленегорском карьере
После отделения немагнитного продукта происходит дальнейшее измельчение руды до размера 6 мм. Для этого специально для Оленегорского ГОКа была спроектирована и установлена уникальная бесцапфовая мельница, имеющая размер барабана 3,6х6 м. Дальнейшая обработка происходит с использованием мокрой магнитно-гравитационной сепарации (магнитно-гравитационный сепаратор МГС2.0). Эта технология была разработана еще в 1980 году, но внедрить ее смогли только на Оленегорском ГОКе.
Для извлечения гематита из хвостов после мокрой магнитной сепарации на комбинате внедрили винтовую сепарацию. В винтовом сепараторе пульпа стекает по специальным желобам, причем гематит оседает на внутреннем борте желоба, а остальные породы – на внешнем. Общее содержание железа в обрабатываемых хвостах не превышает 10%, при этом с помощью винтовой сепарации получается гематитовый концентрат с содержанием гематита до 65%.
Для удаления примесей кальция и магния в концентрате производят его обработку азотной кислотой. Образующиеся при этом соли азотной кислоты (нитраты) сливаются в специальный пруд-отстойник.
Экологические проблемы Оленегорского месторождения
Достаточно посмотреть на спутниковые снимки (рис. 12), чтобы оценить масштабы Оленегорского карьера и его отвалов. Всего за несколько десятилетий фактически сформирован новый рельеф местности и уничтожена существовавшая ранее растительность. Горы Оленьей, где в 1932 году было открыто месторождение, теперь не существует. На месте Хариусного озера находится хвостохранилище Оленегорского ГОКа.
Но самой главной проблемой всех железорудных месторождений, разрабатываемых открытым способом, являются интенсивно пылящие поверхности хвостохранилищ, отвалов. Кроме того, при дроблении руды также образуется много пыли.
На производстве пыль от дробления улавливается специальными аспирационными системами, также на складе ГОКа установлена система пылеподавления, распыляющая воду и связывающая частицы пыли. Но так как в хвостохранилищах хранится уже измельченная порода, то, особенно в весенне-летний период, ветер поднимает пыль в воздух, и возникают настоящие пылевые бури, доходящие до города Оленегорска. По оценкам, общий объем уносимой пыли составляет до 20 тысяч тонн в год. Для предотвращения пылеуноса поверхности хвостохранилища обрабатывают специальным закрепляющим реагентом. Кроме того, в тех местах, где не происходит появление новых слоев отработанной породы, специалисты комбината каждое лето засеивают отвалы хвостохранилища семенами волосенца. Засевание отвалов травой снижает концентрацию пыли в воздухе в 5 раз. Уже засажено более 20 гектаров.
Рис. 12. Вид Оленегорского карьера со спутника
Как уже говорилось выше, в процессе обогащения руды используется много воды. Первоначально воду брали из оз. Имандра, но с 1955 года функционирует замкнутая система оборотного водоснабжения, то есть использованная вода сначала сливается в отстойник, а после очистки поступает вновь на производство. И каждый раз на дно пруда-отстойника осаждаются вредные вещества. Также в воде пруда содержится много нитратов, образующихся при обработке концентрата азотной кислотой. Для поглощения соединений азота на поверхности пруда устанавливаются специальные фито-платы, которые представляют собой деревянные ящики, в которые посажено до 30 различных видов болотных растений. Корни растений погружены в воду, из которой они и забирают азот. Таким способом удалось добиться снижения содержания нитратов в пруду на 43%.
Еще в 30-х годах академик Ферсман выдвинул идею комплексного исследования добываемого минерального сырья. В настоящее время, по мере углубления существующих карьеров и одновременного с этим ухудшения качества добываемой руды, этот вопрос стоит очень остро [10]. Отходы производства являются ценными минеральными ресурсами, так как содержат еще остатки неизвлеченного железа, а также примеси других ценных элементов. Всего в Оленегорском районе зарегистрировано пять техногенных месторождений, четыре из которых возникли у разрабатываемых карьеров, а одно – у дробильно-обогатительной фабрики. Самым крупным является Оленегорское техногенное месторождение. Уровень переработки минерального сырья этих месторождений очень низкий, всего 3-4% от общего объема отходов. Извлечение железа из таких некондиционных руд в несколько раз более выгодно, чем выпуск такого же количества концентрата за счет разработки нового месторождения. При этом решаются задачи сохранения недр, восстановления земельных угодий и снижения уровня загрязнения окружающей среды.
Поэтому актуальным является внедрение на Оленегорском ГОКе технологий, позволяющих извлекать остатки гематита, а также золота, меди, платины и палладия. Особенно это становится актуальным в свете того, что по текущим оценкам запасов месторождений Оленегорской группы ГОК сможет работать на имеющемся сырье до 2038 года.
Рис. 13. Отвалы Оленегорского месторождения
Список литературы
1. М.С. Афанасьев, Л.Я. Харитонов. Геология СССР. 28 том. Мурманская область, часть 2. Москва, 1958 г.
2. П.М. Горяйнов. Геология и генезис железисто – кремнистых формаций Кольского полуострова. Ленинград, издательство «Наука», 1967 г.
3. Под редакцией В.П. Орлова. Железорудная база России. Москва, 1998 г.
4. Б.В. Гавриленко. Кладовые недр Кольского края. Апатиты, 2004 г.
5. Турецкая Н.Ю, Прокопьев С.А., Прокопьев Е.С. Винтовая сепарация в обогащении железосодержащих руд. Иркутск. 2020 г.
6. П.М. Горяйнов, М.С. Точилин. Геология и Генезис железных руд Приимандровского района Кольского полуострова. Издательство «Наука», Ленинград, 1964 г.
7. Т.Н. Попович. Полвека у горы Оленьей. МИПП «Север», 2013 г.
8. Бергман И.А. Железисто-кремнистый рудогенез раннего докембрия. Москва, 2012 г.
9. Старостин В.И., Пелымский Г.А., Леоненко Е.И. Золото в месторождениях железистых кварцитов Восточно-Европейской платформы. Университет России.
10. Пирогов Б.И. Современные проблемы технологической минералогии на горно-обогатительном комбинате (на примере железных руд). ФГУП «ВИМС».
11. Д.А. Додин, Т.С. Додина, К.К. Золоев. Платина России: состояние и перспективы, Санкт – Петербург, 2003 г.
12. П.М. Горяинов, Н.Л. Балабонин. Структурно-вещественные парагенезисы железных руд докембрия Кольского полуострова. Издательство «Наука», Ленинград, 1988 г.
13. Государственный доклад «О состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2016 и 2017 годах», 2017.
14. Информационно-технический справочник «Добыча и обогащение железных руд». Русская сталь, 2017 г.
15. А.Е. Пелевин. Магнитные и электрические методы обогащения: магнитные методы обогащения. Екатеринбург, 2018 г.
