Закономерности формирования медьсодержащих стоков на горных предприятиях

© И.В. Шалрунова, А.С. Самойлова,

Н.Н. Орехова, 2008

УДК 622.5:628.33

И.В. Шадрунова, А.С. Самойлова, Н.Н. Орехова

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МЕДЬСОДЕРЖАЩИХ СТОКОВ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Семинар № 19

Мониторинг техногенных стоков горных предприятий Южного и Среднего Урала, проведённый лабораторией «Комплексного освоения техногенных месторождений» Магнитогорского государственного технического университета выявил существенные различия составов медьсодержащих сточных вод. Объектами исследований являлись техногенные воды разработки Октябрьского, Бурибаевского, Сибайского, Учалинского, Узельгинского, Молодёжного, Камаганского, Гайского, Берёзов-ского и других месторождений. Структура образования техногенных вод представлена на рисунке.

Карьерные и шахтные воды характеризуются широтой диапазона рН среды (табл. 1) могут быть как сильнокислыми, так нейтральными и даже слабощелочными, с минерализацией от 300 до 4000 мг/дм3 .Содержание меди колеблется в пределах от 0,01 (рудничная месторождения «Камаган») до 70 мг/дм3 (шахтная месторождения «Учалинское»). Подотвальные воды содержат до 300 мг/дм3 меди и до 600 мг/дм3 цинка, общая минерализация стоков может достигать 36000 мг/дм3 (Маканское месторождение). рН среды от очень кислой до кислой (1,75-4,7) (табл. 2).

По характеру своего воздействия факторы, определяющие формирование водообильности и состава тех-

ногенных вод, целесообразно разделить на следующие группы:

1. физико-географические (рельеф, климат, выветривание);

2. геологические (морфология рудных тел, состав горных пород, тектоническое строение, гидрогеологические условия);

3. физико-химические (химические свойства элементов, кислотнощелочные и окислительно-восстановительные условия, смешение вод и катионный обмен);

4. антропогенные (все факторы, связанные с деятельностью человека).

Влияние физико-географических факторов. Рельеф соотносится с качеством подземных вод следующим образом. В пределах возвышенностей и водораздельных пространств снижение напоров в этажнорасположенных водоносных горизонтах происходит как в восходящем так и в нисходящем направлении. Для возвышенностей характерны пресные гидрокарбонатно кальциевые воды. В пределах долин напорные воды имеют повышенную минерализацию и сульфатно-гидрокарбонатный магниевокальциевый состав.

Климатические условия оказывают влияние на интенсивность физикохимических процессов, на процессы концентрирования, разбавления и т.д. Влияние климатических параметров на формирование химического состава

Рис. 1. Структура образование минерализованных медьсодержащих техногенных вод на горных предприятиях

306

Таблица 1

Показатели качества рудничных вод горных предприятий

Показатели ГОКи

Сибайский филиал УГОК УГОК Березовское РУ Бурибаевское РУ Гайский ГОК

Шахтная вола Сибайский рулник Рулничная вола Кама-ганский карьер Рулничные волы Учалинский карьер Карьерные волы Моло-лежное месторож-ление Шахтная вола ш «Южная» Шахтная вола ш «Северная» Рулничные волы Октябрьское месторо-жление Рулничная вола

Взв. в-ва мг/дм3 20,6 25,500 275,0 н/д 21,9 16,9 н/д 56,6

Сухой остаток, мг/дм3 1257,0 303,00 2660,0 400,0 711,0 595,0 3860,0 4025,0

Сульфаты, мг/дм3 606,8 111,38 1532,4 н/д 342 190 1818,0 1916,0

Хлориды, мг/дм3 54,2 49,63 115,8 42,6 44,0 50,2 709,0 1164,0

Медь, мг/дм3 0,042 0,014 67,0 0,38 0,52 0,001 16,0 0,369

Цинк, мг/дм3 0,227 1,611 189,0 10,8 0,120 0,01 18,0 0,075

Железо, мг/дм3 0,436 0,067 240 н/д 6,6 1,4 37,5 0,067

рН Кальций, мг-экв/дм3 8,1 5,4 6,00 2,40 4,7 - 7,15 20,0 5,8 н/д 7,8 96,93 8,2 180 3,5 н/д 7,1 29,04

Таблица 2

Показатели качества подотвальных вод горных предприятий

Показатели

ГОКи

Сибайский филиал УГОК

Сибайского и Камаганского месторождений

УГОК

Учалинского

месторожле-

Бурибаевское РУ

Маканского ме-сторожления

Гайский ГОК

Гайского ме-сторожления

Сухой оста-

ток,мг/дм3

Сульфаты,

мг/дм3

Хлориды,

мг/дм3

Медь, мг/дм3 Цинк, мг/дм3 Железо,

мг/дм3

рН

Жесткость,

мг-экв/дм3

н/д

10793,4

1773.0

350.0

600.0

373,7

3,3

288,0

28852

12573,6

86,8

234.7 340,52

448,0

3,3

184.8

35794.0

18069.0

106.4

382.0

159.5

849.0 1,75

356.6

12246.9

7033.9

582,6

219,23

160,4

785,1

2,64

44,02

стоков изучалось на водах Сибайско-го филиала УГОК, Учалинского, Бу-рибаевского. Берёзовского ГОКов.

Снижение температуры воздуха зимой сопровождается промерзанием почвы и изменением условий питания поверхностных и подземных вод. Снижаются объемы сбросных шахтных и карьерных вод. Отсутствие пополнения запасов вод за счет атмосферных осадков приводит к повышению минерализации всех типов вод. Из-за низкой интенсивности естественного выщелачивания металлов из руды и вмещающих пород при низких температурах происходит снижение концентрации ионов меди в техногенных стоках

Среднегодовое количество осадков колеблется от 300 до 600 мм. Причем осадки теплого периода года с апреля по октябрь составляют примерно 75 % от годовой суммы. В период активного таяния снежного покрова и усиленного стока из-за большого разбавления наблюдается сни-

жение минерализации, как в шахтных, так и подотвальных водах. Талые воды с повышенным содержанием гидрокарбоната, приводят к снижению кислотности среды и замедлению процессов окисления сульфидной минерализации, как в отвалах, так и в шахтной воде. Наиболее выраженным является сезонное снижение содержания меди в подотвальных водах.

В периоды малого количества осадков и высокой температуры окружающей среды отмечается сильное испарение, что приводит к повышению минерализации и содержания цветных металлов в подотвальных и поверхностных водах.

Однако, уровень трансформации химического состава шахтных и подотвальных вод зависит и от интенсивности процессов выветривания горных пород под действием осадков. В отвалах под влиянием выпадающих атмосферных осадков образующиеся временные поверхностные потоки нередко имеют повышенную минера-

ния

лизацию, кислую среду и значительное содержание цветных металлов, в том числе меди.

Фактор сезонности является определяющим в формировании объемов и химического состава подотвальных вод и существенным для шахтных и карьерных вод. Повышенная концентрация в них меди отмечается в период с июля по октябрь. В год раннего паводка и засушливого лета - с мая по ноябрь [1] .

Влияние геологических факторов. На образование техногенных стоков влияют морфолого-тектонические условия, динамический режим водоносных горизонтов, их взаимодействие и связь с поверхностными водами, интенсивность водообмена.

Так в гидрогеологическом строении Сибайского месторождения принимают участие два основных водоносных горизонта, гидравлически связанных между собой. Значительная водообильность и трещиноватость пород прослеживается на глубину свыше 230 м, причем наибольший приток наблюдается из зон тектонических нарушений. Общий водопри-ток составляет 700 м3/ч.

На Узельгинском месторождении выделяют две гидрогеологические зоны. Обе зоны образуют единый водоносный горизонт до глубины 202 м, с общим зеркалом подземных вод в пятидесяти метрах ниже дневной поверхности. Воды в районе непосредственной добычи полезных ископаемых в горных выработках относятся к типу сульфатно-хлоридно-кальциевых или магниевых. Содержание меди в них достигает 175 мг/дм3.

Характерными для гидрогеологических условий Октябрьского месторождения являются незначительное количество статических и динамических запасов подземных вод и хорошая гидравлическая связь по отдель-

ным тектоническим трещинам. Это обусловливает высокую миграционную способность растворенных ионов меди в массиве по ослабленным зонам. Воды относятся к сульфатнокальциевому или магниевому типу, характеризуется очень высоким содержанием меди, железа и цинка. Скорость движения воды в породах зоны аэрации и зоны насыщения обуславливает состав и концентрацию растворенных компонентов в воде. Высокая скорость фильтрации воды и интенсивный дренаж обусловливает кратковременность контакта растворов с породами, и низкую концентрацию растворенных компонентов. При застойном гидродинамическом режиме в зоне выветривания формируются водные растворы с высоким содержанием компонентов.

В трещиноватых рудах и породах окисление также идет значительно быстрее за счёт большей площади реагирования, чем в сплошных средах.

Ведущий фактор в формировании гидрохимических типов подземных и поверхностных вод является литоло-го-минералогический состав рудного тела, а в степени минерализации и насыщения вод ионами металлов -физико-химические факторы.

Влияние физико-химических факторов выражается в механизмах участия полезного ископаемого и вмещающих пород в формировании химического состава вод.

Например, процессы окисления идут значительно быстрее в карбонатах, чем в силикатах. В зоне окисления богатой кислородом все сульфиды окисляются в сульфаты. Здесь развивается свободная серная кислота, которая является чрезвычайно сильным реагентом и быстро разлагает минералы, и горные породы, придает рудничным водам кислый характер [2].

Например, на участках омывающих окисленные рудные тела Гайского месторождения, воды кислые с рН=2,4...3. В кислых шахтных водах содержится до 250 мг/дм3 меди. При этом рудничные воды Гайского шахтного поля чрезвычайно разнообразны по химическому составу. Часто на расстоянии нескольких метров в одной и той же горной выработке подземные воды могут быть от кислых (рН = 2,0...3,5) до слабощелочных (рН = 8,2). В восточной части Гайского месторождениия подземные воды гидро-карбонатно-хлоридные натриево-кальциевые с рН = 6,9...7,1.В югозападной части - хлоридно-суль-фатные натриево-кальциевые с рН = 6,7... 8,4. Здесь воды обогащены хлорид - и сульфат-ионами за счет выщелачивания их из осадочных отложений. А в центральной части рудного поля подземные воды слабо щелочные сульфатно-хлоридные натриево-

кальциевые с рН = 7,1...8,6.. Водородный показатель среды и концентрация меди находятся в тесной корреляционной зависимости. Для глубоких слабо щелочных вод характерны пониженные содержания меди (0,06 мг/дм3), цинка (0,5 мг/дм3).

Физико-химическими процессами, связанными с минералогическими особенностями рудных тел, и условя-ми и средой их нахождения определяется компонентный состав стоков, скорость выщелачивания, степень минерализации, содержание сульфатных ионов в водах. Обогащение вод ионами меди осуществляется путем выщелачивания их из вторичных сульфидов, оксидов и карбонатов меди. На химический состав природных и техногенных вод влияет количество пирита и легкорастворимых соединений цветных металлов в омываемой водами горной массе. Продукты окисления пирита - Н2804 и Ре2(804)3

- являются сильнейшими растворителями большинства минералов, слагающих рудную массу и боковые породы. Структурные и текстурные особенности рудных тел, скорость фильтрации, условия залегания и характер боковых пород определяют катионные и анионные части техногенных вод.

На современном этапе развития горных предприятий наиболее значимыми факторами формирования техногенных вод являются антропогенные факторы.

При вскрытии рудных тел колчеданных месторождений горными выработками они становятся доступными агентам гипергенеза. При этом изменяются минерализация рудных залежей и геохимические ореолы. Водные потоки могут дренировать рудные тела, геохимические ореолы и зоны окисления.

При разработках колчеданных месторождений сульфидные руды вступают в непосредственное соприкосновение с кислородом воздуха. Глубина зоны окисления сульфидных месторождений определяется нижней границей, до которой доходит свободный кислород. Положение этой границы не постоянно. Для одного и того же месторождения и его отдельных участков глубина зоны окисления увеличивается по мере отработки и ведения осушительных работ. Например, в карьерах Сибая и Учалов она достигает 600-700 м. При глубоком водоотливе кислород вместе с потоками подземных вод может достигать глубоких горизонтов 1000 м и глубже.

Структурные особенности медных и медно-цинковых руд уральских месторождений обусловливают невысокие фильтрационные свойства рудного массива, однако под действием техногенных факторов формируются условия для хорошей проницаемости

минералов и особых окислительновосстановительных условий для процессов окисления, вторичного суль-фидообразования или выщелачивания.

Средний годовой водоприток в большинстве случаев формируется из притока естественных ресурсов под-земых вод, атмосферных осадков, поглощения поверхностного стока в результате инфильтрации вод рек, озёр и хвостохранилищ. В процентном распределении составляющих общего водопритока важную роль играет глубина карьера. Так в первые годы водоприток карьера Барсучий лог в основном формировался за счет только дождевых вод. При углубке дна карьера ниже абсолютной отметки горизонта +236м водоприток начал формироваться за счет отработки естественных запасов подземных вод и привлечения речного стока [3].

Источником значительного количества высокоминерализованных сточных вод являются отвалы. Масса отвалов вскрышных пород и забалансовых руд Учалинского ГОКа, включая Сибайский филиал на данный момент превышает 1 млрд т горной массы.

При хранении медьсодержащих техногенных продуктов происходит их естественное выщелачивание и образование подотвальных вод в результате дренажа дождевых снеговых и грунтовых вод, насыщающих отвалы. При низком топографическом расположении отвалов из за насыщения их грунтовыми водами подот-вальные воды образуются круглогодично. В результате выветривания и естественного выщелачивания в отвалах происходят изменения минерального, гранулометрического, химического и фазового составов

На скорость окисления сульфидов в отвалах, влияют следующие факторы: температура среды, крупность зе-

рен сульфидов, растворимость образующегося сульфата, скорости движения фильтрующихся через отвал вод и др.

Ускорение реакции окисления обязано так же гальваническим процессам - электрическому току, образующемуся вследствие разности потенциалов на контакте разных минералов.

Интенсивность и направленность процессов формирующих состав стоков зависит от стадии техногенеза. Практически для всех изученных месторождений рудничные воды сильно минерализованы, постоянно в лабильной форме наблюдаются Ре2+,

ре3+, Мп2+, Си2+, гп2+, рь2+, са2+ . в

окислительных условиях максимальной подвижностью обладают главные рудные элементы - железо, медь, цинк, что характерно для стадии зрелого техногенеза в системе «Сульфиды - раствор»

Формирование подотвальных вод характеризуется появлением линз рассолов инфильтрующихся с поверхности, высокой минерализацией, накоплением железа, цинка и кадмия, что характерно для стадии зрелого техногенеза в системе «сульфиды - рассол -гидросульфаты».

Таким образом, формирование химического состава техногенных вод определяют три группы факторов: геологические, физико-химические и антропогенные. При этом вклад антропогенных факторов непрерывно возрастает, что обуславливает рост содержания металлов в сточных водах.

Стоки, формирующиеся на техногенных месторождениях (карьеры, отвалы), часто находятся за пределами санитарной зоны предприятий, обычно не локализованы, содержание цветных металлов в них превышает ПДК в сотни, тысячи раз.

В заключении следует отметить, что стоки различных цехов горнорудного производства, значительно отличаются по содержанию металлов и не должны смешиваться. Их следует перерабатывать селективно на локальных очистных установках, разработанных для более полной

1. Шадрунова И. В.. Емельяненко Е.А. Влияние климатических условий на формирование медьсодержащих стоков горных предприятий/ Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: Материалы Междунар. науч.-техн. конференции. - Екатеринбург, 2004. - С. 162-167.

утилизации ценных компонентов. Неэффективным является смешение стоков даже внутри одной шахты или карьера, целесообразно разделение потоков на условно чистые воды и медьсодержащие стоки, требующие очистки и утилизации из них меди.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Плотников НИ. Техногенные изменения гидрогеологических условий. - М.: Недра, 1989. - 268с.

3. Шадрунова И.В., Самойлова А.С., Глухова А.Ю. Гидроминеральные техногенные медьсодержащие георесурсы. Монография. Магнитогорск: ООО «МиниТип», 2006.-156 с. ЕЕЕ

— Коротко об авторах

Шадрунова И.В. - доктор технических наук, профессор кафедры ОПИ,

Самойлова А.С. - доктор технических наук, доцент кафедры ГиГ,

Орехова Н.Н.- - кандидат технических наук, доцент кафедры ОПИ,

ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет».

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 18 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Ж. Аренс.

ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТ] ЕТ

АБРАМОВ

Баир

Намжилович

Условия, источники образования и закономерности размещения благород-но-металльного оруднения Кодаро-Удоканской зоны Средневитимского фрагменты Муйской зоны