Оценка и снижение негативного воздействия сульфидных отходов при освоении месторождения озерное



Скачать 286.46 Kb.
Дата25.04.2016
Размер286.46 Kb.
ТипАвтореферат


На правах рукописи

КУЛИКОВА Мария Алексеевна

ОЦЕНКА И СНИЖЕНИЕ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СУЛЬФИДНЫХ ОТХОДОВ ПРИ ОСВОЕНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ОЗЕРНОЕ


Специальность 25.00.36 – Геоэкология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2

010


Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете)
Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Пашкевич Мария Анатольевна
Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Холодняков Генрих Александрович



кандидат технических наук

Михайлова Надежда Викторовна



Ведущая организация - ООО "Санкт-Петербургская горная проектно-инжиниринговая компания" (ПитерГОРпроект)

Защита диссертации состоится 28 апреля 2010 года в 15 час. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 1160
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 26 марта 2010 года


УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор Э. И. БОГУСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Негативное воздействие горной промышленности на окружающую среду ежегодно возрастает. Это связано с объективнымм увеличением потребления человечеством материальных ресурсов. В условиях современного горного производства выход готовой продукции составляет менее 10%, остальной объем представлен отходами добычи и переработки, для складирования которых отводятся сотни тысяч гектаров земель. Минеральные отходы, как правило, содержат компоненты, которые, находясь на открытом воздухе и подвергаясь воздействиям климатических факторов, способны трансформироваться в новые соединения и мигрировать на десятки и сотни километров от источника.

Наиболее значительной техногенной нагрузке подвергается природная среда в районах складирования сульфидсодержащих отходов. Вследствие окисления сульфидной серы происходит формирование кислых дренажных вод и, соответственно, лито- и гидрогеохимических ореолов загрязнения с крайне низкими значениями показателя рН. Это приводит к уничтожению растительности, трансформации состава покровных отложений, поверхностных и подземных вод.

Поэтому на стадии проектирования и начальных стадиях разработки месторождений сульфидных руд необходимо проведение предстроительного мониторинга, а также создание и внедрение средозащитных мероприятий по предотвращению воздействия сульфидсодержащих отходов на приповерхностные отложения и природные воды.

В 2010 году планируется начало разработки месторождения полиметаллических сульфидных руд Озерное, расположенного в 350 км от особо охраняемой зоны озера Байкал. Разработка этого месторождения приведет к образованию более 600 млн. т отходов, содержащих сульфидную серу и тяжелые металлы, являющихся одновременно поллютантами и потенциальным минеральным сырьем. В этой связи возникает необходимость разработки методов оценки и прогноза формирования кислых дренажных вод в районах складирования минеральных отходов, а также методов предотвращения ацидификации.

Проблемы складирования минеральных отходов и их трансформации под воздействием внешних условий нашли отражение в трудах таких ученых и специалистов как М.А. Пашкевич, А.М. Гальперин, А.И. Семячков, А.Н. Попов, В.В. Балашенко. Большое внимание вопросам водной миграции загрязняющих компонентов с территории хранилищ отходов уделяли В.А. Мироненко, Н.И. Плотников, И.Н. Гавич, формированию и воздействию кислых дренажных вод A.А. Летел, Т.И. Моисеенко, Г.В. Калабин.

Тем не менее, несмотря на высокую экологическую опасность сульфидсодержащих техногенных массивов, до настоящего времени не разработаны методы комплексного экологического мониторинга хранимых отходов данного типа на стадии освоения месторождений, а также методы оценки и прогноза экологической ситуации в районах, предназначенных для складирования отходов, способы предотвращения потенциальной техногенной нагрузки.



Цель работы – оценка состояния компонентов окружающей среды и прогноз негативного воздействия на природные ресурсы при освоении и эксплуатации Озерного месторождения полезных ископаемых для разработки и внедрения комплекса средозащитных мероприятий.

Идея работы: эколого-техническая безопасность при разработке и освоении месторождений полиметаллических сульфидных руд рядом с особо охраняемой зоной озера Байкал должна обеспечиваться разработанной системой предстроительного и строительного экологического мониторинга и обоснованным выбором технологии складирования отходов.

Основные задачи работы:

  • разработка методики предстроительного мониторинга;

  • проведение первичных мониторинговых исследований для анализа ландшафтно-геохимической обстановки;

  • отбор проб с поверхности отвала и бортов разведочной выработки, донных отложений для оценки миграционной способности токсичных компонентов;

  • исследование процессов формирования ореолов и потоков загрязнения в районе расположения разведочной выработки для прогнозирования экологической ситуации при дальнейшей разработке месторождения Озерное;

  • разработка средозащитных мероприятий по снижению негативного воздействия на почву и водные ресурсы;

  • определение эколого-экономического эффекта от внедрения предложенных средозащитных мероприятий.

Научная новизна работы:

  • установлены закономерности трансформации сульфидсодержащих техногенных массивов вследствие гипергенных преобразований отходов разработки в зависимости от глубины залегания, технологии их складирования, а также от формы нахождения токсичных примесей;

  • установлены зависимости эффективности нейтрализации и очистки кислых дренажных вод от водородного показателя (pH) среды, окислительно-восстановительной обстановки, минерального и химического состава отходов, что позволяет выбрать технологию и параметры для формирования искусственного геохимического барьера.

Основные защищаемые положения:

  1. Оценка опасности негативного воздействия отходов добычи и переработки сульфидных руд должна производиться на стадии проектирования горных предприятий, исходя из содержания в хвостах тяжелых металлов, минерального состава отходов, миграционной способности компонентов.

  2. Класс опасности сульфидсодержащих отходов добычи, определяемый наличием значительного количества токсичных элементов (Pb, Zn, Cd, As), а также значениями формируемых отходами кислотного потенциала и потенциала нейтрализации, в связи с формированием кислых вод следует повысить с третьего или четвертого до первого.

  3. Для эффективной защиты окружающей среды от воздействия сульфидсодержащих отходов горного производства следует применять противофильтрационный экран из полимерных материалов, а также осуществлять предварительную нейтрализацию серы при складировании вскрышных пород и хвостов карбонатным материалом, удельный расход которого определяется содержанием в отходах сульфидной серы.

Методы исследований. В качестве основных методов исследований использовались аналитические, ландшафтно-геохимические, биоиндикационные, экспериментальные исследования в полевых и лабораторных условиях, методы математической статистики, аналогового и численного моделирования, рентгеноспектральный, атомно-абсорбционный, рентгенофлуоресцентный анализы минерального и химического составов складируемых в отвалах сульфидсодержащих отходов и формируемого карбонатного геохимического барьера.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обусловлена проведением достаточного объема полевых, аналитических и лабораторных исследований образцов с применением современного оборудования; подтверждается сходимостью экспериментальных данных с теоретическими исследованиями и исследованиями других авторов, экспериментальной проверкой основных рекомендаций.

Практическая значимость работы:

  • разработана методика проведения предстроительного мониторинга компонентов окружающей среды в районе строительства ГМК на базе месторождения Озерное;

  • произведена оценка загрязнения тяжелыми металлами и соединениями серы водных ресурсов в зоне предполагаемого воздействия Озерного ГМК;

  • разработано технологическое решение по минимизации техногенного воздействия складирования сульфидных и окисленных пород на окружающую их среду;

  • выполнено эколого-экономическое обоснование на основе комплексной оценки экологической опасности для способа безопасного складирования отходов добычи полиметаллических сульфидных руд, обеспечивающего снижение экологической нагрузки на окружающую природную среду.

Личный вклад автора работы заключается в постановке цели, формулировке задач и разработке методики исследований; проведении ландшафтно-геохимических и биоиндикационных исследований в зоне предполагаемого воздействия Озерного ГОКа; разработке методики и проведении лабораторных исследований состава и свойств сульфидсодержащих отходов добычи месторождения Озерное; выполнении теоретических и экспериментальных исследований по созданию карбонатного геохимического барьера; разработке направлений совершенствования технологии складирования сульфидсодержащих и окисленных руд для минимизации техногенного воздействия; эколого-экономической оценке предлагаемых технических средозащитных мероприятий.

Реализация результатов работы:

  • разработанные технические решения по предстроительному мониторингу и средозащитным мероприятиям предложены для использования при строительстве и освоении месторождения Озерное;

  • научные и практические результаты работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В.Плеханова (технического университета) при проведении занятий по дисциплинам: «Экология», «Геохимия окружающей среды», «Методы и приборы экологического контроля и экологический мониторинг».

Апробация работы. Основные положения работы, разрабо-танные в процессе ее выполнения, докладывались и обсуждались на международных и российских научных, научно-технических конференциях и симпозиумах, в том числе на: Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2005» (ЮРГТУ (НПИ)) (Новочеркасск, 2005г.); научном симпозиуме молодых ученых и специалистов «Актуальные проблемы и перспективы развития Северо-Запада» (Санкт-Петербург, 2005г.); Всероссийской научной конференции "Инженерные науки - защите окружающей среды" (Тула, 2006г.); Всероссийской конференции «Геология, полезные ископаемые и геоэкология Северо-Запада России» (Петрозаводск, 2006г.); Всероссийском  конкурсе студентов выпускного курса; Всероссийской студенческой олимпиаде “Конкурс дипломных проектов”; факультетских конференциях «Проблемы освоения полезных ископаемых» СПГГИ (ТУ); Международной конференции молодых ученых «Проблемы освоения полезных ископаемых»; международном форуме молодых ученых «Проблемы рационального природопользования» (Санкт-Петербург, 2007г.); международной конференции «59th Berg- und Huettenmaennischer Tag» (Германия, Фрайберг, 2008г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 30 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, включенных в перечень ВАК. Получен 1 патент на изобретение.


Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Содержит 262 страницы машинописного текста, 55 рисунков, 38 таблиц и список литературы из 97 наименований.


Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору М.А. Пашкевич  за помощь, текущие научные консультации и ценные советы, доцентам кафедры Геоэкологии Т.А. Петровой, А.Е. Исакову за полезные рекомендации, а также сотрудникам Отдела аналитических исследований ЦКП за помощь в проведении лабораторных исследований.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Оценка опасности негативного воздействия отходов добычи и переработки сульфидных руд должна производиться на стадии проектирования горных предприятий, исходя из содержания в хвостах тяжелых металлов, минерального состава отходов, миграционной способности компонентов.

Месторождение полиметаллических сульфидных руд Озёрное находится в республике Бурятия в 350 км от озера Байкал. Проект освоения месторождения включает: строительство карьера; строительство обогатительного комплекса, где будут применяться методы селективно-коллективной сепарации; организацию складирования отходов производства; развитие инфраструктуры района. В результате обогащения планируется получение цинкового, свинцового и пиритного концентратов.

Добыча и переработка свинцово-цинковых руд Озёрного месторождения предполагает размещение более 600 млн. т. отходов различных классов опасности на площади свыше 200 га. Проведенные технологические испытания позволили оценить содержание полезных компонентов в получаемом продукте и токсичных примесей в минеральных отходах (таблица 1).

При разработке Озерного месторождения произойдет формирование следующих техногенных массивов:



  • насыпных массивов, представленных вскрышными породами зоны окисления рудных тел, с содержанием водорастворимых форм свинца от 0,2 до 2,0 %, цинка – от 0,3 до 1,8 %;

  • насыпных массивов, представленных отвалами пустой породы с содержанием сульфидной серы до 7,2 %;

  • намывных массивов, представленных хвостами обогащения с содержанием сульфидной серы до 40,7 %;

  • техногенных наносов, формирующихся в результате пылесдувания с поверхностей хранения минеральных отходов.


Таблица 1. Содержание элементов в продуктах и отходах добычи и переработки для месторождения Озерное

Наименование

продуктов



Выход,

%


Содержание,%

Pb

Zn

S

Руда

100.0

0.85

4.73

20.12

Свинцовый концентрат

1.07

45.80

4.39

29.85

Цинковый концентрат

8.57

0.57

47.04

39.39

Пиритный концентрат

30.39

0.53

1.22

40.70

Отвальные хвосты (окисленные руды, сульфидные руды)

59.97

0.26

0.47

7.20

Сульфиды являются неустойчивыми в водных растворах, и в присутствии кислорода переходят в окисленные соединения – окислы, гидроокислы, сульфаты, карбонаты и т.п.

Складирование сульфидсодержащих отходов сопряжено с опасностью формирования кислых дренажных вод, вследствие инфильтрации поверхностных или подземных вод через массив отходов с окислением сульфидных минералов по следующей схеме:

пирит: 2FeS2 + 7O2 + 2H2O  2FeSO4 + 2H2SO4 (1)

4 FeSO4+ 2H2SO4 +O2→ 2Fe2(SO4)3 +2H2O (2)

сфалерит:

2ZnS+2Fe2(SO4)3+3O2+2H2O→2ZnSO4+4FeSO4+2H2SO4 (3)

галенит:


2PbS+2Fe2(SO4)3+3O2+2H2O→2PbSO4+4FeSO4+2H2SO4 (4)
Растворимость сульфатов металлов в несколько раз превосходит растворимость их сульфидов (таблица 2).

Таблица 2. Растворимость минеральных соединений в воде

при 18 – 25 С (pH = 3-4), г/кг

Элемент

Растворимость, г/кг

Сульфид S2-

Сульфат SO42-

Zn2+

1х10-7

541

Pb2+

8х10-9

0,04

Cd2+

1х10-8

76,4

Cu2+/ Cu+

3х10-4/2х10-2

205/ -

Hg2+/ Hg+

5х10-21/2х10-20

0,05/ -

Из данных таблицы следует, что окисление сульфидных минералов до сульфатов при хранении минеральных отходов, а также складированных вскрышных пород, содержащих сульфаты свинца и цинка, приведет к загрязнению поверхностных и подземных вод тяжелыми металлами, закислению почв с формированием на прилегающей территории высококонтрастных литохимических ореолов и гидрохимических потоков загрязнения и, как следствие, к угнетению и гибели биотических компонентов природной среды.

Исследования по определению потенциальной экологической опасности отходов включали отбор проб с отвала и бортов разведочной штольни месторождения Озерное (пройденной в 1963-1964 годах) на различной глубине залегания, отбор проб донных отложений ручья, дренирующего отвал, что позволило определить остаточные содержания свинца и цинка в отходах, а также оценить их миграционную способность.

Отобранные и подготовленные пробы анализировались в следующей последовательности:

1 этап. Проведение натурных исследований с применением портативного рентгенофлуоресцентного спектрометра для предварительной оценки содержания токсикантов;

2 этап. Проведение лабораторных исследований:

2.1) определение минерального состава образцов методом рентгеноспектрального фазового анализа;

2.2) определение валового элементного состава проб методом рентгеновской флуоресценции;

2.3) определения содержания основных токсикантов методом атомно-абсорбционной спектрометрии.

Проведенные исследования с применением рентгеновских методов анализа показали, что отходы разведочной штольни в основном состоят из пирита, сидерита, кальцита, доломита (таблица 3) с содержанием примесей Pb – 4,5-25 г/кг, Zn – 13-35 г/кг, S – 170-240 г/кг, As – 215-640 мг/кг, Cu – 180-320 мг/кг, Cd – 40-115 мг/кг. Перечисленные выше тяжелые металлы в основном находятся в сульфатной форме вследствие их нахождения в окислительной обстановке.



Таблица 3. Фазовый состав отходов штольни

месторождения Озерное по глубине залегания

Проба

0 – 0,4 м

1,2 - 1,6 м

2,2 – 2,6 м

Основные соединения

Пирит, кварц, сидерит, слюда, магнетит, доломит, гипс, каолинит, цинковый купорос, свинцовый купорос

Пирит, кварц, сидерит, слюда, магнетит, кальцит, каолинит

доломит, слюда



Пирит, кварц, сидерит, слюда, доломит, магнетит, кальцит, сфалерит, галенит

Примечание: жирным шрифтом выделены минералы, преобладающие в образцах.
Мониторинговые исследования позволили сделать вывод, что инфильтрация вод в окислительной обстановке через тело отвала инициирует процессы образования вод с пониженным pH и выщелачивание металлов, находящихся в отвале. Это приведет к формированию техногенных ореолов загрязнения, контрастных по цинку, свинцу и другим тяжелым металлам. Экологическая ситуация в регионе может усугубиться тем, что техногенные массивы будут дренироваться р. Гундуй-Холой, впадающей в р. Уда, которая в свою очередь относится к бассейну озера Байкал.

В качестве превентивных мероприятий на стадии, предшествующей разработке месторождения, необходимо проведение мониторинговых исследований в зоне предполагаемого техногенного воздействия, что позволит оценить фоновое состояние природной среды, а также впоследствии осуществлять контроль за изменением компонентов природной среды и своевременно внедрять средозащитные мероприятия. Предстроительный мониторинг экологических параметров компонентов природной среды месторождения Озерное необходимо вести в соответствии с разработанным регламентом (таблица 4). Он позволяет получить наиболее полную и достоверную информацию.



Таблица 4. Регламент контроля экологических параметров компонентов природной среды на этапе предстроительного и строительного мониторинга

Компонент природной среды

Контролируемые параметры

Периодичность и средства контроля

Атмосферный воздух

Концентрации в воздухе:

- NOx; SO2; CO2; углеводородов; взвешенных веществ. Метеопараметры: скорость ветра; направление ветра; температура; влажность воздуха.



Предстроительный мониторинг – 4 раза в год посезонно.

Строительный мониторинг - обеспечение постоянного контроля атмосферного воздуха путем установки газоанализаторов.

Растительный покров

- Общий контроль состояния растительности;

- видовое разнообразие, густота растительного покрова,

- нарушенность растительного покрова


Предстроительный мониторинг - 1 раз до начала освоения месторождения

Строительный мониторинг - ежесезонный контроль в период проведения строительных работ. Отбор проб и анализ в стационарной аналитической лаборатории.

Почвенный покров

- Морфологические особенности почвенного профиля;

- концентрация загрязняющих веществ в органогенном почвенном горизонте (нефтепродукты, Zn, Pb, Cu, Cd, As); концентрация загрязняющих веществ в иллювиальном почвенном горизонте (нефтепродукты, Zn, Pb, Cu, Cd, As);

- биологическая активность почвы ;

- зоны переувлажнения, засоления и дефляции



Предстроительный мониторинг - 1 раз до начала строительных работ (фоновый мониторинг). Анализ в стационарной аналитической лаборатории.

Строительный мониторинг – ежесезонный контроль в период проведения строительных работ. Отбор проб и анализ в стационарной аналитической лаборатории.

Продолжение таблицы 4

Компонент природной среды

Контролируемые параметры

Периодичность и средства контроля

Поверхностные, подземные воды и донные отложения

Общие показатели: рН, температура; уровень вод, общая минерализация, БПК, содержание растворенного кислорода, содержание взвешенных веществ, химический состав вод (анионно-катионный состав, содержание Ca2+, Mg2+, HCO32-, SO42-, Cl-, K+, Na+), концентрации потенциально загрязняющих веществ: нефтепродуктов, СПАВ, отдельных элементов (Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Cd, As); показатели агрессивности

Предстроительный мониторинг – контроль во время 7 основных фаз водного режима до начала строительных работ.

Строительный мониторинг – ежегодный контроль во время 7 основных фаз водного режима. Отбор проб на пунктах контроля поверхностных и подземных вод, анализ проб в стационарной аналитической лаборатории.

Сточные

воды


Объем сбрасываемых вод

Качество сбрасываемых сточных вод: рН; концентрации нефтепродуктов; взвешенных веществ; соединений Fe и Mn; тяжелых металлов (Cu, Zn, Pb, Cd, As); БПКполн.; соединений азота; соединений фосфора; СПАВ; общая минерализация.



Строительный мониторинг - постоянный контроль параметров сбрасываемых вод с последующим

анализом проб в стационарной аналитической лаборатории.




2. Класс опасности сульфидсодержащих отходов добычи, определяемый наличием значительного количества токсичных элементов (Pb, Zn, Cd, As), а также значениями формируемых кислотного потенциала и потенциала окисления, в связи с формированием кислых вод следует повысить с третьего или четвертого до первого.

Согласно проекту строительства отходы будущего ГОКа отнесены к IV и III классам опасности – соответственно малоопасные и умеренно опасные для окружающей природной среды (по нормативным методикам отходы добычи относятся к IVклассу опасности, а отходы обогащения - к III классу опасности) без учета содержаний в отходах соединений серы и тяжелых металлов, их миграционной способности.

В свою очередь, проведенные натурные наблюдения и экспериментальные исследования показали, что тяжелые металлы в кислотной, окислительной обстановке находятся (или переходят) в хорошо растворимые формы, что обеспечивает возможность миграции загрязняющих компонентов на значительные расстояния.

В результате оценки негативного воздействия техногенных массивов на поверхностные и подземные воды установлено, что формирование кислых дренажных вод и миграция загрязняющих компонентов определяется физико-химическими процессами метаморфизации инфильтрационных вод (растворение отходов, десорбция пород зоны аэрации).

Процесс образования кислых вод (скорость и пределы падения рН дренажных вод, вид зависимости концентрации ионов Н+ от времени рН = f (t)) определяется следующими факторами: гранулометрическим и минеральным составом отходов, концентрацией в них сульфидных минералов, активностью протекания биохимических процессов, содержанием в отходах нейтрализующих кислотность минералов и их типом (карбонаты, глинистые минералы).

Для прогноза формирования кислых дренажных вод применялся экспресс-метод кислотной индикации минеральных отходов.

Экспресс-метод определения риска формирования кислых дренажных вод базируется на определении:


  • кислотного потенциала породы (АР) – процентное содержание серной кислоты, формирующейся при химическом выветривании породы;

  • потенциала нейтрализации (NP) – содержание пород, нейтрализующих кислотность сульфидсодержащих пород;

  • коэффициентов потенциальной опасности кислотного заражения территории NNPк и NNP'к:

NNPк = AP – NP (5)

NNP'к = NP / AP (6)

В случае NNPк > 0 и NNP'к< 1 породы являются опасными по формированию кислых дренажных вод. Коэффициент корреляции между аналитическими данными, полученными экспресс-методом кислотной индикации, и натурными наблюдениями находится в диапазоне 0,9 – 0,97 в случае формирования породой высокого кислотного потенциала (АР >> NР), либо высокого потенциала нейтрализации (NР >> AР).

В результате оценки потенциальной опасности формирования кислых дренажных вод в техногенном отвале разведочной штольни месторождения Озерное на основе экспресс-метода выявлена высокая вероятность формирования кислых вод на территории складирования отходов добычи, причем вероятность равномерно увеличивается с глубиной залегания пород (таблица 5).



Таблица 5 – Результаты расчетов кислотного потенциала и потенциала нейтрализации для отходов добычи месторождения Озерное



Показатель

Глубина залегания образца, м

0

0,8

1,4

2,0

2,6

1

Sсульф, %

5,07

7,00

9,33

10,63

13,25

2

Кислотный потенциал АP, т/(103 т СаСО3)

15,6

21,9

29,2

33,2

41,4

3

Потенциал нейтрализации NP, т/(103 т СаСО3)

0

0,1

0,3

0,4

0,6

4

NNPк = AP – NP

15,6

21,8

28,9

32,8

40,8

5

NNP' = NP/AP

0

0,004

0,010

0,012

0,014

Возрастание величины кислотного потенциала отходов с увеличением глубины залегания происходит за счет сокращения доступа кислорода и наличия сульфидных соединений. Относительно низкий кислотный потенциал отходов залегающих в приповерхностных отложениях обусловлен уже свершившимся фактом окисления сульфидных руд и вымыванием тяжелых металлов.

Полевые исследования позволили установить степень вымываемости тяжелых металлов, находящихся в отвале разведочной выработки. Пробы отбирались с шагом 50 м по центру водотока, дренирующего отвал, и анализировались с помощью портативного рентгенофлуоресцентного спектрометра. Исследования проб донных отложений ручья показали наличие значительных содержаний тяжелых металлов в донных отложениях. Содержание свинца колеблется от 0,02 до 0,16 г/кг, цинка – от 0,02 до 0,8 г/кг, что в несколько раз превышает предельно допустимые значения. Проведенные исследования состава минеральных отходов с учетом климатических характеристик района расположения месторождения позволили установить, что из отвала ежегодно вымывается свинца – свыше 4,5 кг, цинка – свыше 7,5 кг.

Проведенные исследования позволяют с большой достоверностью смоделировать экологическую ситуацию при масштабной разработке месторождения Озерное. В результате будет произведена выемка большого объема окисленных руд и пустых сульфидных пород, находившихся до этого момента в восстановительной обстановке. Складирование сульфидсодержащих соединений на открытом воздухе обеспечит свободный доступ кислорода и атмосферной влаги, спровоцирует процессы окисления сульфидных минералов с образованием сульфатов тяжелых металлов. В результате указанных процессов произойдет образование и распространение вод с пониженным pH (2 - 3), выщелачивание цинка, свинца и других тяжелых металлов (рисунок 1).



Рисунок 1 - Зависимость способности сульфидных пород месторождения Озерное формировать кислоту от значений NP и AP
Уровень потенциальной техногенной нагрузки (рисунок 2) от складирования отходов при разработке месторождения Озерное, в связи с изменением их основных характеристик при хранении, позволяет отнести отходы окисленных руд, сульфидсодержащие отходы добычи к первому классу опасности для окружающей природной среды в соответствии со статьей 14 Федерального закона от 24 июня 1998 г. N 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» с изменениями на 9 мая 2005 года.
3. Для эффективной защиты окружающей среды от воздействия сульфидсодержащих отходов горного производства следует применять противофильтрационный экран из полимерных материалов, а также необходимо осуществлять предварительную нейтрализацию серы при складировании вскрышных пород и хвостов карбонатным материалом, удельный расход которого определяется содержанием в отходах сульфидной серы.

Анализы ландшафтно-геохимической обстановки, минерального и элементного состава отходов месторождения позволили установить, что при складировании отходов добычи надежная защита водных ресурсов, почвенного покрова, растительности от воздействия кислых вод и загрязнения тяжелыми металлами должна обеспечиваться (рисунок 3):



  1. строительством оградительной дамбы и созданием противофильтрационного экрана из полимерных материалов;

  2. проведением дренажной системы с отводом кислых вод из оснований будущих техногенных массивов, нейтрализацией этих вод и осаждением содержащихся в воде токсикантов с повышенной миграционной способностью;

  3. послойным добавлением карбонатного материала, обеспечивающего при складировании серосодержащих отходов нейтрализацию серной кислоты и осаждение тяжелых металлов;

  4. организацией системы мониторинговых наблюдений, позволяющей во время функционирования полигона оценить изменения состояния природных объектов для своевременного принятия мер по защите окружающей среды.

В результате проведенных исследований было установлено, что при низких значениях показателя рН в материале массива, металлы при вымывании находятся в легкорастворимой сульфатной форме и способны интенсивно мигрировать:

, (7)

Послойное добавление карбонатов позволит оптимизировать процесс инфильтрации ливневых вод через отвал, так как геохимические барьеры формируются прямо в теле отвала. Карбонатные барьеры предлагается выполнить из щебеня мергеля, содержащего около 40% CaCO3.

Экспериментально установлено, что взаимодействие известняка с кислыми дренажными водами приводит к повышению рН до 9 – 12, а также образованию и осаждению гидроксидов металлов:


  • нейтрализация кислых вод:

(8)

  • осаждение гидроксидов при рН > 6:

(9)

Осаждение новообразующейся минеральной фазы обуславливает значительное снижение концентраций металлов в воде, их аккумуляцию и возможность будущей переработки при создании оптимальной схемы извлечения.

Удельный расход карбонатного материала определяется по формуле:

(10)

где М – расход карбонатного материала, кг;



КS – коэффициент массопередачи кг/м2;

ΔСS – изменение концентрации серы в отходах до величины, позволяющей предотвратить негативное воздействие (СS=0,5 %);

F – площадь поверхности контакта, м2;

– содержание CaCO3 в карбонатном материале, %.

Предварительная оценка предотвращенного ущерба от внедрения комплекса средозащитных мероприятий в зоне потенциального воздействия отходов месторождения Озерное, составит около 20 млрд. руб. Расчеты показали, что стоимость строительства противофильтрационных экранов, дренажной системы хранилищ отходов, а также величины затрат на нейтрализацию серы и осаждение тяжелых металлов составят порядка 500 млн. рублей.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой решена актуальная научная и практическая задача разработки эффективных методов защиты водных и земельных ресурсов от потенциального воздействия минеральных отходов добычи полиметаллических руд месторождения Озерное.

На основе исследования процессов трансформации отходов разведочной штольни, их гипергенных преобразований установлены закономерности формирования кислых дренажных вод, выщелачивания тяжелых металлов и загрязнения ими природных вод в районе потенциального воздействия техногенных массивов, а также предложена оптимальная схема складирования отходов добычи месторождения Озерное.

Основные научные и практические выводы:



    1. В результате проведения натурных наблюдений и комплекса лабораторных исследований пород отвала разведочной выработки разработан регламент предстроительного мониторинга компонентов природной среды месторождения Озерное.

    2. Проведенная оценка ландшафтно-геохимической обстановки позволила установить, что в районе расположения отвала разведочной штольни месторождения существует опасность формирования кислых дренажных вод вследствие окисления сульфидных пород.

    3. Аналитические исследования проб, взятых с отвала и бортов разведочной выработки, образцов донных отложений показали, что ежегодно из тела отвала вымывается: свинца – свыше 4,5 кг, цинка – свыше 7,5 кг.

    4. Процессы выщелачивания тяжелых металлов из тела отвала разведочной штольни, а при масштабной разработке - из отвалов отходов добычи и обогащения приведут к формированию гидрохимических потоков и литохимических ореолов загрязнения, контрастных по Pb и Zn.

    5. Снизить техногенное воздействие отходов добычи на почву и водные ресурсы позволят следующие средозащитные мероприятия:

  • применение экрана из полимерных материалов,

  • нейтрализация серной кислоты карбонатным материалом, удельный расход которого прямопропорционален содержанию серы.

    1. Предотвращенный ущерб от внедрения комплекса средозащитных мероприятий составит около 20 млрд. руб.


ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В 30 ПЕЧАТНЫХ РАБОТАХ, ИЗ НИХ:

  1. Куликова М.А. Исследование степени загрязненности почвенно-растительного покрова в зоне воздействия горных предприятий // Сборник материалов Политехнического симпозиума: «Молодые ученые – промышленности Северо-Западного региона», СПб, 2006 г. С. 55-56.

  2. Куликова М.А. Оценка воздействия горнодобывающего предприятия на почвенно-растительный покров // Сборник материалов Одиннадцатого международного научного симпозиума М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр», Томск, 2008 г. С. 35.

  3. Куликова М.А., Исаков А.Е. Исследование процессов трансформации отходов сульфидных месторождений // Сборник по итогам проведения конференции МК-15-49, Пенза, 2009 г. С. 65-66.

  4. Куликова М.А. Оценка степени влияния горнодобывающих предприятий на почвенно-растительный покров // Сборник материалов III Международной научной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах», Белгород, 2008 г. С. 127-129.

  5. Куликова М.А. Экомониторинговые исследования в зоне воздействия предприятий по добыче свинцово-цинковых руд // Сборник материалов по итогам проведения конференции IV Всероссийской молодежной Научно-практической конференции «Проблемы недропользования», СПб, 2008 г. С. 74-79.

  6. Куликова М.А. Мониторинговые исследования отвалов сульфидных полиметаллических месторождений // Сборник материалов по итогам проведения конференции МНСК-2009, Новосибирск, 2009 г. С. 95-99.

  7. Куликова М.А. Исследование миграции тяжелых металлов с отвалов сульфидных месторождений // Сборник материалов международного научного симпозиума М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр», г. Томск, 2009 г. С. 181.

Error: Reference source not found

Error: Reference source not found – грунтовые воды, Error: Reference source not found – поверхностные воды, Error: Reference source not found – отходы, Error: Reference source not found – породы зоны аэрации, Error: Reference source not found – водовмещающие породы, Error: Reference source not found – атмосферные воды, Error: Reference source not found – дренажные воды, Error: Reference source not found – воды поверхностного стока.



Рисунок 2 – Схема негативного воздействия техногенного массива на природные воды



Рисунок 3 - Принципиальная схема складирования

отходов добычи месторождения Озерное

(1 – оградительная дамба, 2 – защитный подстилающий слой, 3 – полимерный материал, 4 – защитный грунтовый слой, 5 – отходы добычи, 6 – карбонатный материал, 7 – водосборный лоток, 8 – система трубчатого дренажа, 9 – защитная прокладка из геотекстильного материала)




Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал