Введение к работе
Аістуальность работы
Важным условием хранения техногенных отходов минерального сырья на горных предприятиях является минимизация их негативного влияния на подземные воды. Загрязнение подземных вод имеет место не только в местах расположения собственно горнодобывающих предприятий (шахт, карьеров), но также в зонах отвалов пустых пород, гидротехнических сооружений (хвостохранилищ, отстойников технических и рудничных вод, гидроотвалов, водохранилищ). Основной причиной этого является миграция загрязнителей с фильтрационными потерями из хранилищ. Так как полностью устранить фильтрационные потери хвосто- и шламохранилищ, а также инфильтрационные потоки в отвалах невозможно, для предприятий по добыче руд цветных, редких и благородных металлов актуальны эколого-инженерные защитные технологии, способные ограничить миграцию и обеспечить локализацию загрязнителей в пределах, либо в ближайшей окрестности хранилищ техногенного минерального сырья.
Направление современных отечественных и зарубежных разработок показывает, что для этих целей перспективны технологии in-situ, которые основаны на осаждении и локализации загрязнителей в подземных условиях - в горных породах - с использованием природных процессов окисления, восстановления и сорбции, интенсифицируемых путем разнообразных физико-химических воздействий на пласт, сочетаний нагнетаний и откачек. Согласно отечественным и зарубежным источникам, правильная организация геохимических процессов в технологиях in-situ обеспечивает качественную очистку фильтрующихся в горных породах промстоков с минимальными затратами материальных средств и энергии. Исследования в данной области, предусматривают следующее: - разработку способов создания оптимальных условий для скорейшей самоочистки подземных вод, сорбции загрязнений фильтрующими породами; - управление фильтрационными процессами; - применение выявленных закономерностей и явлений в природоохранных инженерных технологиях.
С целью формирования искусственных геохимических барьеров на пути фильтрационных промстоков проще и экономичнее применять в качестве окислителя растворенный в воде кислород. Но при больших загрязнениях окисляющая способность аэрированной воды недостаточна - из-за низкой растворимости в воде кислорода. По этой причине применяют более сильные окислители: перекись водорода, озон, хлор, фтор и др., технически и экологически небезопасные. D этой связи актуальны исследования способов повышения окислительной способности аэрированной воды, что в настоящей работе предлагается осуществлять путем ее электрохимической обработки в проточных мембранных электрохимических реакторах. Существенно, что предлагаемый способ является экологически безопасным, т.к. окислительная способность аэрированной воды повышается за счет придания ей свойств активного переносчика атомарного кислорода (образования его) в ходе безреагентной электрохимической обработки. Одновременно исследуется возможность применения электрохимической обработки не только с целью изменения окислительно-восстановительных свойств фильтрационных вод, но также горных пород, с которыми они контактируют.
Акту&тьность изучения процессов, определяющих интенсивность миграции соединений железа из хранилищ, а также разработка инженерно-экологического способа ее профилактики, обусловлена тем, что именно окисление и локальная миграция элемента Fe из сульфидных и сульфосолевых минералов (пирита, пирротина, арсенопирита, халькопирита и др.), инициирует формирование в хранилищах техногенного минерального сырья общего окисляющего комплекса для сульфидных минералов руд цветных металлов, блеклых руд, стибнита и др.
Цель работы заключается в снижении загрязнения зоны свободного водообмена при разработке месторождений сульфидных руд цветных металлов миграционно-активными формами железа, путем электрохимической обработки локальных участков хранилищ минерального сырья и подстилающих их пород на пути движения фильтрационных стоков.
Идея работы состоит в том, что миграции железа и сопутствующих ему металлов из минерального сырья, нарушенного взрывными работами и складированного в отвачы, могут быть существенно снижены за счет использования безреагентного метода - электрохимического корректирования окислительно-восстановительных параметров (ОВП и рН) водной фазы горных пород; при этом электрохимическая обработка водной фазы минеральной среды, в одних случаях способствует подавлению жизнедеятельности железо и серо- окисляющих бактерий, в других - ускоряет формирование сорбционно-активной гидроокиси железа, с участием которой в горных породах растворимые соединения железа легко осаждаются в малорастворимых и нетоксичных формах в локальной зоне под землей.
Методы исследований
При решении поставленных задач применялся комплексный метод исследований, который включал экспериментальное, технологическое и математическое моделирование. Методами лабораторного и технологического моделирования изучалось влияние электрохимической обработки на ускорение окисления и сорбирования растворенного железа из воды в породах, поднятых из водоносных пластов. С применением математического моделирования прогнозировались процессы осадконакопления в фильтрующих породах и динамика соответствующих изменений проницаемости пород вблизи скважин. Методами теории вероятности и статистики оценивалась достоверность полученных результатов, рассчитывался объем экспериментов.
Научные положения, защищаемые автором:
-
Орошение сульфидсодержащих пород в хранилищах минерального сырья водой, прошедшей безреагентную электрохимическую обработку, обеспечивает снижение интенсивности миграции в окружающую среду железа и сопутствующего ему мышьяка в 3-4 раза.
-
Эффективность обезжелезивания стоков из отвалов и хвостохранилиш, определяемая количеством удаленного из воды железа, при фильтровании через песчаные породы, как в наземных сооружениях, так и в пласте, увеличивается на 40-60%, если очищаемые воды наряду с аэрацией подвергать обработке в анодной камере мембранного электрокорректора.
-
Метод прогнозирования снижения производительности скважин на основе математической модели, в динамике рассматривающей закономерные уменьшения
проницаемости электрохимически активированных пород вокруг скважин, используемых в целях формирования окислительных геохимических барьеров. Научная значимость работы состоит в следующем:
-
Предложена систематизация техногенных форм миграций железа в подземные водные объекты в районах действующих и прекративших свою деятельность карьеров по добыче руд цветных металлов. Формы миграции железа систематизированы на основе совместного рассмотрения горно-обогатительных и геоэкологических процессов, определяющих распространения железа и его соединений в окружающей среде.
-
Впервые предложен метод подавления миграции железа, сопутствующих ему металлов и мышьяка, из минеральной массы техногенных хранилищ на основе безреагентной электрохимической обработки. Содержание миграционных форм железа в водной фазе отвалов снижается на порядок, если орошать их водой, которой приданы восстановительные свойства путем электрохимической обработки ее в катодной камере мембранного электрокорректора.
3. Установлено, что электрохимическая обработка загрязненных стоков
хранилищ техногенного минерального сырья способна увеличивать окислительно-
восстановительные и сорбционные способности фильтрующих горных пород. Это
проявляется в ускоренном осаждении вредных примесей на них, что целесообразно
использовать в системах безреагентной очистки производственных стоков,
предусматривающих аэрацию и фильтрование через осадочные породы. Для
придания воде свойств переносчика активного атомарного кислорода (образования
его) достаточно обработать ее в анодной камере мембранного электрокорректора.
4. Предложен метод прогнозирования снижения производительности
нагнетательных и дренажных скважин, применяемых для формирования
геохимических барьеров на пути фильтрационных промстоков, отличающийся тем,
что текущую производительность предлагается рассчитывать с использованием
математической модели, учитывающей динамику закономерных уменьшений
проницаемости пород вокруг скважин в процессе осадконакопления гидроксидов
железа.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена большим объемом экспериментов, проверкой результатов исследований в реальных производственных условиях, применением методов математического моделирования и обработки результатов экспериментов.
Практическая значимость работы
1. Обоснован состав эколого-защитной технологии снижения загрязнения зоны свободного водообмена в районах хранилищ руд цветных металлов, на основе экологически безопасного безреагентного метода подавления миграций растворимых соединений железа. Технология предусматривает формирование в водно-минеральной среде отвалов и в подстилающих породах, на пути инфильтрационных потоков, последовательно чередующихся искусственных восстановительных и окислительных геохимических барьеров. Барьеры предлагается создавать путем орошения минеральной среды техногенных хранилищ и закачки в подстилающие осадочные породы воды с резко выраженными окислительно-восстановительными свойствами (ОВП и рН), получаемой электрохимическими методами.
-
Экспериментально обоснована перспективность применения проточных мембранных электрохимических реакторов в качестве технических средств, с помощью которых создаются условия для безопасного хранения некондиционного минерального сырья: придание воде восстановительных свойств в мембранном электрохимическом реакторе способствует подавлению жизнедеятельности железо-и серо- окисляющих бактерий, а придание ей окислительных свойств усиливает окислительно-сорбционные способности фильтрующих пород. Эффективность электрохимической активации применительно к пластовому обезжелезиванию подземных вод оценивается тем, что при комбинированном - циклическом режиме работы скважины соотношение объемов откачиваемой Q„,ma4 и закачиваемой Q„Ktr< воды увеличивается на 60%.
-
Предложен алгоритм прогноза уменьшений дебитов нагнетательных и откачных скважин, используемых в предлагаемой технологии обезжелезивания фильтрационных стоков с хранилищ минерального сырья.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международных научных конференциях РГГРУ в 2003-2006 г.
Реализация результатов работы.
Разработаны рекомендации по снижения миграций железа и сопутствующих ему металлов для конкретных условий Северного рудоуправления НГМК. В соответствии с договором с ООО «Геохим» общие рекомендации переданы в ОАО «Союзгеопром» для использования: в проектах по восстановлению качества подземных вод; при проведении работ по снижению вредного влияния горнодобывающих и обогатительных предприятий на подземные водные объекты.
Результаты исследований используются в учебном процессе при чтении лекций по курсам «Гидрофизические процессы геологоразведочных и горных работ», «Комплексное использование водных ресурсов при освоении недр», «Проектирование систем водоснабжения и водоподготовки горных предприятий»
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 статьях.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на о ^ страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 115 наименований, включает 8 таблиц, 3 ^рисунков.
Автор благодарит коллектив кафедры Гидравлики и гидрофизических процессов геологоразведочных и горных работ РГГРУ за методическую, а сотрудников НПО Комплексное водоснабжение объектов за техническую и практическую помощь при проведении исследований.
