СПОСОБ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ НА МЕСТЕ СКЛАДИРОВАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК E21B43/28 E21C41/00 

Способ обезвреживания техногенных образований на месте хранения относится к горной промышленности и может быть использован для улучшения экологической обстановки в районах горнодобывающих предприятий при одновременном извлечении из складированных на неподготовленное естественное или некачественное искусственное основание техногенных образований (отходов, отвалов) полезных компонентов методами геотехнологии.

Известна отработка отвалов окисленных забалансовых медных руд Кальмакырского рудника, складированных на неподготовленное естественное основание (Ю.А.Шурыгин, Б.Д.Халезов и др. "Выщелачивание окисленных забалансовых руд". // Цв. металлургия, 1973, №6, с.11-12). Согласно сообщению отвал был уложен на лессовое основание мощностью 5-8 м, подстилаемое коренными породами, с последующим орошением отвала раствором серной кислоты и контролем за просачиванием выщелачивающих растворов с использованием наблюдательных скважин глубиной 5-8 м и не вскрывших водоносный горизонт.

Уже на начальной стадии испытаний наблюдалось просачивание растворов в грунт. Несмотря на то что подотвальные растворы на этой стадии не просочились в водоносный горизонт, загрязнению подвергся уже значительный объем подстилающей горной массы. О дальнейших результатах эксперимента и способах рекультивации загрязненных пород ничего не сообщается.

Известен опыт кучного выщелачивания забалансовых медных руд и минерализованных пород Коунрадского месторождения ПО "Балхашмедь", отсыпанных на естественном основании, включающий орошение заскладированных руд с поверхности слабыми растворами серной кислоты, сбор просочившихся через отвал подотвальных вод, их обезмеживание цементацией, регенерацию и возврат на выщелачивание.

При этом инфильтрация подотвальных вод в водоносный горизонт привела к подъему уровня грунтовых вод и их загрязнению тяжелыми металлами в пределах всего горного отвода, что делает данный способ в экологическом плане неприемлемым и на стадии рекультивации требующим значительных затрат (А.И.Ройгбаум, Л.Д.Шевелева, В.И.Менжулин, С.К.Айткулов "Охрана подземных вод при геотехнологической переработке руд цветных металлов". // Цв. металлы, 1992, №4, с.32-34).

Задачей изобретения является предотвращение загрязнения подземных вод подотвальными растворами и рекультивация водоносного горизонта до его естественного состояния при одновременном обезвреживании техногенных образований.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является улучшение экологической обстановки в районе хранения техногенных образований, решение задачи их рационального использования, переработки подотвальных растворов, повышение уровня экологической безопасности применяемых технологий, снижение токсичности техногенных образований на последующие периоды.

Технический результат достигается тем, что способ обезвреживания техногенных образований (ТО), расположенных на неподготовленном основании, включает создание откачных скважин в водоносном горизонте под основанием ТО, обустройство в водоносном горизонте развивающейся сети наблюдательных скважин для ведения мониторинга подземных вод, сбор подотвальных вод, извлечение из подотвальных вод полезных компонентов с получением маточных растворов, откачку на поверхность через откачные скважины загрязненных подземных вод в объемах, обеспечивающих создание гидродинамической воронки, исключающей растекание загрязненных подземных вод за пределы контура ТО, частичное их испарение на поверхности, формирование на основе маточных растворов и части оставшихся после испарения откачанных загрязненных подземных вод выщелачивающих растворов путем их доукрепления выщелачивающими реагентами, выщелачивание ТО путем его орошения полученными выщелачивающими растворами, при этом после завершения выщелачивания ТО доводят водоносный горизонт до его естественного состояния путем откачки загрязненных подземных вод из водоносного горизонта и перевода их и подотвальных вод в экологически безвредное состояние.

Извлечение полезных компонентов из подотвальных вод может быть осуществлено электролизом, гальванокоагуляцией, осадительными, сорбционными, экстракционными или цементационными способами.

В основание ТО можно закачивать вещество, образующее нерастворимое соединение с выщелачивающим реагентом.

Принципиальная схема обезвреживания техногенного образования на месте его складирования приведена на фиг.1.

На принципиальной схеме обезвреживания техногенного образования на месте его складирования (фиг.1) указаны:

1 - техногенное образование на месте его складирования;

2 - скважины, используемые для создания малопроницаемого основания;

3 - откачные скважины для создания депрессионной воронки;

4 - насос подачи растворов для создания малопроницаемого основания;

5 - созданное малопроницаемое основание;

6 - инфильтрующийся поток подотвальных растворов;

7 - узел приготовления выщелачивающего раствора;

8 - выщелачивающий реагент;

9 - линия подачи выщелачивающего раствора с распылителями;

9' - линия подачи выщелачивающего раствора в массив техногенного образования;

10 - коллектор подотвальных растворов;

11 - узел извлечения полезных компонентов из подотвальных растворов;

12 - линия маточных растворов с распылителями;

13 - отстойник растворов;

14 - водонепроницаемое основание отстойника;

15 - линия подачи откачиваемых пластовых вод на испарение;

15^I - дополнительная линия подачи откачиваемых пластовых вод на испарение;

16 - градирня;

УГВ - уровень грунтовых вод.

Способ осуществляют следующим образом.

Подлежащее обезвреживанию техногенное образование 1, уложенное на неподготовленное естественное основание, разбуривают системой скважин 2 до его подошвы и насосом 4 под давлением подают в них вещество, образующее нерастворимое соединение с выщелачивающим реагентом, в количестве, достаточном для создания малопроницаемого основания 5 и определяемом опытным путем.

Такая предварительная операция способствует значительному уменьшению инфильтрующегося потока 6 в пластовые воды и интенсификации последующей рекультивации загрязненных подземных вод. В случае незначительной инфильтрации подотвальных растворов эту операцию не проводят.

Также сооружают откачные скважины 3 под основанием техногенного образования, фильтры которых устанавливают в загрязненном водоносном горизонте, и обустраивают систему экологического мониторинга подземных вод по развивающейся сети наблюдательных скважин, сооружаемых преимущественно по направлению естественного потока подземных вод. Загрязненные подземные воды частично испаряют и используют при приготовлении выщелачивающего раствора.

Интенсифицируют процесс обезвреживания техногенного образования путем его орошения выщелачивающим раствором, формируемым из маточных растворов, накопленных в отстойнике 13, части загрязненных подземных вод и выщелачивающего реагента 8. Формирование выщелачивающего раствора осуществляют на узле приготовления 7.

Раствор выщелачивания по нагнетательной линии 9 подают на орошение техногенного образования, используя распылители. При необходимости раствор можно подавать по линии 9^I непосредственно в массив техногенного образования. Также возможен вариант одновременной подачи раствора по линиям 9 и 9^I.

Вытекающие из-под техногенного образования подотвальные растворы по коллектору 10 подают на узел извлечения полезных компонентов 11, откуда по линии 12, оборудованной распылителями, маточный раствор возвращают в отстойник 13 после испарения части раствора.

Для предотвращения растекания инфильтрующихся в подземные воды подотвальных растворов и очистки ранее загрязненных вод осуществляют их откачку из откачных скважин 3 в объемах, обеспечивающих создание гидродинамической воронки. Оставшиеся после испарения откачные загрязненные воды направляют в отстойник 13.

Испаряют часть подземных вод с использованием испарителей на линии 15. Для интенсификации процесса испарения дополнительно подключают градирню 16, оборудованную массообменной насадкой и вентилятором.

Также для интенсификации процесса испарения и связанного с этим увеличения объема откачки загрязненных пластовых вод возможно покрытие поверхности техногенного образования материалом, имеющим низкую отражательную способность, например порошкообразным углем или другим аналогичным материалом или использование других приемов интенсификации процесса испарения.

На фиг.2 приведена схема водного баланса при обезвреживании техногенного образования.

Как видно из приведенной схемы,

V_атм. - объем выпадающих атмосферных осадков, приходящийся на техногенное образование и определяемый по среднегодовой норме выпадающих в данной местности осадков, м³;

V_исп. - объем испаряющегося раствора с поверхности техногенного образования, определяемый опытным путем, м³;

V_под. - объем подотвальных растворов, вытекающих из-под техногенного образования и определяемый путем замеров, м³;

V_инф. - объем инфильтрующихся в подземный горизонт подотвальных растворов, м³.

Для формирования гидродинамической депрессионной воронки необходимо откачивать на поверхность количество подземных вод, превышающее инфильтрующийся поток подотвальных растворов и подлежащее дополнительному испарению:

V_отк. - объем откачиваемых подземных вод, необходимый для создания гидродинамической депрессионной воронки, м³;

ΔV - избыток откачиваемых подземных вод, подлежащий дополнительному испарению, м³.

Избыток откачиваемых подземных вод ΔV должен обеспечивать создание гидродинамической воронки с устойчивой геометрией. Для этого целесообразно откачивать такой избыток подземных вод (ΔV), который равен притоку естественных вод в загрязненную часть водоносного горизонта под отвалом.

Приток естественных вод и, собственно, избыточный откачиваемый объем может быть рассчитан по формуле:

К_ф - коэффициент фильтрации водоносного горизонта, м/сутки;

I - гидравлический уклон естественного потока, ед.;

n - пористость пород водоносного горизонта, ед.;

m - мощность загрязненной части водоносного горизонта, подлежащей рекультивации, м;

L - ширина загрязненного фронта естественного потока, м.

При этом значения К_ф, n и I определяют опытным путем. Значения m и L определяют путем поинтервального опробования и анализа загрязненных подземных вод в выработках 3 и в скважинах мониторинга, пробуренных по профилю, перпендикулярному естественному потоку подземных вод.

После несложных преобразований получаем многофактурную формулу расчета откачиваемых подземных вод:

По окончании обезвреживания техногенного образования и рекультивации подземных вод оставшиеся в отстойнике 3 растворы переводят в экологически безопасное состояние, например цементацией, сорбцией, коагуляцией и т.д.

В ходе обезвреживания техногенных образований в водоносном горизонте обустраивают систему экологического мониторинга подземных вод по развивающейся сети наблюдательных скважин, один профиль которых располагается в направлении движения естественного потока подземных вод, а другой - в направлении, перпендикулярном движению подземных вод. Система используется для контроля состава подземных вод в ходе обезвреживания, рекультивации водоносного горизонта и размеров депрессионной воронки.

Возможность реализации данного способа иллюстрируют следующим примером.

Пример. Техногенное образование, представленное отвалом пиритных огарков, уложенное на неподготовленное естественное основание, обезвреживали путем выщелачивания подотвальными растворами в присутствии серной кислоты. Выщелачивание вели в теплое время года в течение семи месяцев. За это время концентрация вредных веществ в загрязненных пластовых водах снизилась на 25-35%, а расстояние от отвала до границы загрязненных подземных вод сократилось на 80 м, что свидетельствует об эффективности предлагаемого технического решения.

Использование: в горной промышленности, а именно может быть использован для извлечения из складированных на неподготовленное естественное или некачественное искусственное основание техногенных образований (отходов, отвалов) полезных компонентов методами геотехнологии. Техническим результатом является улучшение экологической обстановки в районе складирования техногенных образований (ТО), решение задачи их рационального использования, переработки подотвальных растворов. Способ включает создание откачных скважин в водоносном горизонте под основанием ТО, обустройство в водоносном горизонте развивающейся сети наблюдательных скважин для ведения мониторинга подземных вод, сбор подотвальных вод, извлечение из подотвальных вод полезных компонентов с получением маточных растворов. Загрязненные подземные воды откачивают на поверхность через откачные скважины в объемах, обеспечивающих создание гидродинамической воронки, исключающей растекание загрязненных подземных вод за пределы контура ТО, частично их испаряют на поверхности. На основе маточных растворов и части оставшихся после испарения откачанных загрязненных подземных вод формируют выщелачивающие растворы путем их доукрепления выщелачивающими реагентами. Выщелачивание ТО ведут путем его орошения полученными выщелачивающими растворами. После завершения выщелачивания ТО доводят водоносный горизонт до его естественного состояния путем откачки загрязненных подземных вод из водоносного горизонта и перевода их и подотвальных вод в экологически безвредное состояние. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обезвреживания техногенных образований (ТО), расположенных на неподготовленном основании, включающий создание откачных скважин в водоносном горизонте под основанием ТО, обустройство в водоносном горизонте развивающейся сети наблюдательных скважин для ведения мониторинга подземных вод, сбор подотвальных вод, извлечение из подотвальных вод полезных компонентов с получением маточных растворов, откачку на поверхность через откачные скважины загрязненных подземных вод в объемах, обеспечивающих создание гидродинамической воронки, исключающей растекание загрязненных подземных вод за пределы контура ТО, частичное их испарение на поверхности, формирование на основе маточных растворов и части оставшихся после испарения откачанных загрязненных подземных вод выщелачивающих растворов путем их доукрепления выщелачивающими реагентами, выщелачивание ТО путем его орошения полученными выщелачивающими растворами, при этом после завершения выщелачивания ТО доводят водоносный горизонт до его естественного состояния путем откачки загрязненных подземных вод из водоносного горизонта и перевода их и подотвальных вод в экологически безвредное состояние.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что извлечение полезных компонентов из подотвальных вод осуществляют электролизом, гальванокоагуляцией, осадительными, сорбционными, экстракционными или цементационными способами.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в основание ТО закачивают вещество, образующее нерастворимое соединение с выщелачивающим реагентом.