Техногенные объекты из хвостов обогащения являются специфическими образованиями, их особенностями являются вещественный состав, условия накопления и хранения, набор остаточных реагентов и влияние отдельных микроорганизмов на сам техногенный объект. Повторная отработка техногенных объектов может производиться традиционным способом обогащения, кучным выщелачиванием. Особый интерес представляет разработка таких техногенных месторождений на базе новых физико-химических геотехнологий. В результате природного воздействия на массив техногенного объекта происходит естественное геодинамическое движение флюидов. Так как среда массива хвостохранилищ является агрессивной, то вследствие движения флюидов происходят сложные физико-химические превращения, и некоторые элементы могут переходить в раствор, из которого в дальнейшем можно извлечь полезные компоненты. Набольшую целесообразность для такого извлечения представляют благородные металлы, потому что в связи с их высокой ценностью эффективное промышленное извлечение возможно с небольшими содержаниями этих металлов в растворах. Можно задать внешнее управляющее воздействие на геофлюидные и физико-химические процессы в массиве с целью их активации и возможности разработки новых технологий извлечения полезных компонентов.
Для извлечения полезных компонентов из техногенных залежей предлагается два варианта инфильтрационной технологии [2]: с использованием гигроскопического слоя (рис.1 а) и канав для сбора раствора (рис. 1 б). Суть первой технологии заключается в следующем: раствор по скважинам закачивается в массив хвостохранилища, поднимаясь вверх, растворяет требуемые компоненты, проходит через геохимический барьер и по капиллярам накапливается в гигроскопическом материале. Продукционный раствор после отжатия направляется на переработку.
Вторая технология отличается от первой тем, что раствор собирается по канавам в зумпф и затем также направляется на переработку.
Наука о динамике флюидов в геологических средах является довольно непростой, Математическая структура связей может широко варьироваться для разных явлений. Но всегда эти величины должны отражать причинную обусловленность явления. Если подбирать отдельные геологические характеристики и их комбинации в соответствии с физическим подтекстом, то и на языке геологических характеристик можно дать описание, весьма близкое к причинно-следственному [1, 4, 7, 8]. Не все еще представления о роли и механике воды в геологических процессах окончательно оформились, некоторые остаются неоднозначными. В научной литературе приводится множество методик и зависимостей на одни и те же явления и процессы, практика применения которых дает иногда очень большой разброс значений. Поэтому вначале необходимо оценить и выбрать наиболее достоверные методы изучения.
а)
б)
Рис. 1. Технология инфильтрационного извлечения полезных компонентов из хвостов обогащения с использованием гигроскопического слоя (а) и с применением канав (б): 1 - массив; 2 - дренажное основание; 3 - геохимический барьер; 4 - уровень заполнения; 5 - гигроскопический слой; 6 - подача растворов и поддержание уровня; 7 - каналы сбора продукционного раствора.
С целью изучения закономерностей протекания геофлюидных процессов и их параметров и физико-химических превращений в материале хвостов обогащения была создана лабораторная установка (рис. 2). К отводам присоединены гибкие трубки, через которые можно отбирать пробы контактного раствора, профильтрованного через слой твердой фазы. В качестве объекта исследования использовался материал лежалых хвостов Норильского комбината. Высота слоя материала, который был помещен в цилиндрическую емкость, составила 86 см. В нижнюю часть колонны подается вода, высота столба воды регулируется.
Рис. 2. Лабораторная установка
Чтобы определить динамику движения подземных вод в техногенной залежи, необходимо знать емкостные параметры пород. К ним в частности относится эффективный диаметр частиц [1], слагающих реальную пористую среду, и определяемую по формуле
где gi- удельное содержание i-й фракции (в долях единицы от общего содержания); u - количество фракций; di - средний диаметр i-й фракции.
Распределение частиц по размерам для одного из отвалов лежалых пород приведено на рис. 1.
Способность породы пропускать флюиды характеризуется проницаемостью
,
Выше уровня основного зеркала воды в массиве находится водонасыщенный капиллярный слой. Высоту подъема флюида для капилляра можно определить по следующему выражению
,
где α - поверхностное натяжение, Дж/м2; θ - краевой угол смачивания; ρ - плотность жидкости; r - радиус капилляра, м.
Выполненные расчеты фильтрационных параметров горных пород хвостохранилища (табл.) хорошо согласуются с данными, приведенными в различных литературных источниках.
|
Таблица. Емкостные параметры пород хвостохранилища |
|
|
Наименование показателя |
Значения показателя |
|
Средневзвешенный диаметр зерен, мм |
0,238 |
|
Эффективный диаметр частиц, мм |
0,060 |
|
Гидравлический радиус, мкм |
3,1 |
|
Проницаемость, дарси |
0,456 |
|
Высота поднятия столба воды, м |
0,498 |
Показателем свободной энергии грунтовой влаги является зависимость величины всасывающего давления (ψ ) от влажности породы. По данным экспериментальных наблюдений зависимость всасывающего давления ( ψ) от влажности может быть получена, если известно распределение влажности в капиллярной зоне при стационарном режиме и отсутствии инфильтрации. В капиллярной кайме при отсутствии питания или испарения всасывающее давление ψ равно высоте над свободной поверхностью воды. По натурным замерам получили зависимость W(Zo), где Zo - ордината данной точки относительно уровня грунтовых вод (гравитационной зоны). Зависимость всасывающего давления исследуемой породы от влажности (W) в зоне капиллярной каймы описывается уравнением
и приведена на рис. 3. Динамика изменения соответствует данным, приведенным Пашковским И. С. [6].
Рис. 3. Изменение всасывающего давления от влажности породы
Влагоперенос при неполном водонасыщении можно определить также по основной гидрофизической характеристике породы, используя зависимость М. Ван Генухтена
где hk - параметр, характеризующий высоту капиллярного подъема воды в породе; n - параметр, n= 1,1-1,9 [5].
Следует отметить, что выше были рассмотрены лишь простейшие структурные модели пористых сред, для которых наиболее просто вычислить фильтрационно-емкостные характеристики с помощью геометрических и гидравлических соотношений, не привлекая стохастических и иных методов.
Нами были проведены эксперименты по изучению влагопереноса с использованием сред с различными фильтрационными характеристиками: порода хвостохранилища и гигроскопичный материал, который располагался сверху. Первый режим соответствовал уровню грунтовых вод на границе между породой и гигроскопическим материалом. Второй - уровень грунтовых вод находится ниже границы на 5 см, третий - ниже на 13 см. Высота гигроскопического слоя составляет 25 мм.
Изучался параметр водовместимости гироскопического материала с целью возможного использования его в расчетах по геотехнологии добычи. Характер изменения удельной водовместимости от уровня грунтовых вод представлен на рис. 4.
С понижением уровня грунтовых вод высота удельная водовместимость снижается, а по мере насыщения гироскопического материала влагой происходит снижение скорости влагонасыщения.
Предварительные расчеты показали, что в сутки на площади 1 га в микрофибре будет накапливаться 102 т раствора (на уровне гравитационной зоны), 51 т (при высоте капиллярной каймы 5 см), 23 т (при высоте капиллярной каймы 13 см).
Рис. 4. Изменение удельной водовместимости гигроскопического материала для различного положения уровня грунтовых вод
С целью изучения динамики скорости фильтрации проведены режимные испытания при превышении уровня подаваемой воды относительно поверхности материала хвостов обогащения 35 мм, результаты которых приведены на рис. 5.
Рис.5. Динамика скорости прохождения раствора при давлении воды 35 мм
Как видно из рис.5, при небольшом напоре скорость фильтрации с течением времени снижается: в начальный период (первые 40 суток) она составляет 4,9 мл/ч, в последний период - 2,4 мл/ч. Снижение скорости фильтрации с течением времени объясняется уплотнением породы и кольматацией пор в массиве.
Таким образом, изучены основные параметры и закономерности геофлюидных процессов в материале хвостов обогащения, с целью использования в дальнейшем в расчетах инфильтрационной технологии добычи полезных ископаемых.
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.
Установлено изменение удельной водовместимости гигроскопического материала при различном положении уровня грунтовых вод.
Изучена динамика скорости прохождения раствора через слой породы хвостохранилища с течением времени при малых значениях напора. Процесс стабилизируется примерно через 80 суток.
Рецензенты:
- Брагин В.И., д.т.н., профессор, зав. кафедрой, Сибирский федеральный университет, г. Красноярск.
- Гилев А.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой, Сибирский федеральный университет, г. Красноярск.
Работа получена 22.09.2011.
td width=Библиографическая ссылка
Вашлаев И.И., Михайлов А.Г. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕНОСА БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ ФЛЮИДАМИ В МАССИВЕ ТЕХНОГЕННОГО ОБЪЕКТА // Современные проблемы науки и образования. – 2011. – № 5. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=4793 (дата обращения: 20.04.2024).