Способы образования и классификация техногенных месторождений

1.1 Способы образования и классификация техногенных месторождений

Множественность показателей, характеризующих ТМ, к которым относятся:

• условия образования,

• объёмы,

• вещественный состав,

• характер процессов, преобразующих первичное вещество,

• неоднородность влияния отдельных показателей на принятие технологических решений и экономических оценок и некоторые другие

предопределяют сложность их классификации и типизации.

По морфологическим признакам ТМ можно разделить на 2 типа:

1.Месторождения насыпные, представляющие собой холмы и терриконы. К этому типу относятся:

• терриконы угольных шахт и разрезов;

• отвалы рудников и карьеров руд цветных, чёрных и редких металлов, сложенные дезинтегрированными вскрышными и вмещающими породами, а так же убогими забалансовыми рудами;

• техногенные россыпи, образующиеся при разработке россыпных месторождений и из отходов золоторудных фабрик;

• шлакоотвалы цветной и чёрной металлургии.

2. Месторождения наливные, образующиеся при заполнении впадин земной поверхности. Представителями этого типа ТМ являются:

• отходы обогащения руд (шламо- и хвостохранилища горнообогатительных фабрик);

• шламоотвалы цветной и чёрной металлургии;

• золо- и шлакоотвалы энергетического комплекса, возникающие при гидравлическом удалении золы и шлаков с теплоэлектростанций;

• шламоотвалы химических производств.

По составу техногенные месторождения подразделяются на 4 типа:

1. Породные ТМ, состоящие из природных горных пород и представленные глыбово-щебенистым материалом и шламо- и хвостохранилищами обогатительных фабрик.

2. ТМ пирометаллургических процессов цветной и чёрной металлургии, сложенные шламами и шлаками.

3. ТМ теплоэлектростанций, сложенные золой и шлаками ТЭС.

4. ТМ химического производства (шламы).

По возможным областям использования ТМ подразделяются на 3 типа:

1. ТМ строительного сырья.

2. ТМ (по извлекаемому металлу) – медные, цинковые и т.д.

3. ТМ смешанного типа, т.е. пригодные для получения стройматериалов и металла.

Разработка месторождений первого типа обеспечивает освобождение площадей земли от техногенных отходов с последующей их рекультивацией, второго типа - позволяет осуществить доизвлечение металла, но не решает проблемы освобождения территории отвалов от отходов, так как вторичная переработка отвалов, учитывая низкое содержание в них полезных компонент, практически даёт то же самое количество отходов.

Третий тип техногенных месторождений позволяет осуществлять и рекультивацию земель и доизвлечение металла.

По экологическому воздействию среди техногенных месторождений выделяют:

1. Неопасные, представленные горными породами и глыбовощебенистыми и щебенистыми шлаками цветной и чёрной металлургии, слабо разрушающимися в течение хранения.

2. Поражающие атмосферу и гидросферу, если они сложены окисляющимися или глинизирующимися породами, окисляющимися шлаками и шламами, пылящими шламами и высохшей пульпой хвостохранилищ.

В настоящее время терминология, классификация ТМ, критерии принадлежности их к тому или иному типу меняются и дополняются по мере углубления исследований и практических работ в области разработки техногенных месторождений.

Наиболее удобной представляется классификация ТМ, в основу которой положены условия их формирования, так как они определяют обычно и морфологию, и вещественный состав, и возможные области использования, и экологическое воздействие на ОС (рис.1).

Пользуясь классификацией, представленной на рис.1, можно оценить основные характеристики любого типа месторождений. Например, ТМ горнодобывающих предприятий, возникающие при обогащении руд и представляющие собой хвостохранилища, относятся к месторождениям

• наливного типа (морфологический признак);

• по составу – породные;

• по возможным областям использования – смешанного типа, т.е. пригодные для доизвлечения металла и получения стройматериалов;

• по экологическому воздействию на окружающую среду – поражающие атмосферу (пыль) и гидросферу (фильтрация вод хвостохранилищ через защитные дамбы).

Вовлечение в переработку техногенного сырья обеспечивает:

1. Сокращение расходов на поиски новых и разведку эксплуатируемых месторождений.

2. Сохранение истощающихся минеральных ресурсов в недрах, так как запасов полезных компонент, накопившихся в отходах ГОК’ов, достаточно чтобы удовлетворить потребности на многие десятилетия вперёд.

3. Повышение производительности труда за счёт рентабельной переработки уже добытого сырья, являющегося, по существу, готовым полупродуктом и находящегося вблизи действующих предприятий, что особенно важно для тех из них, для которых вследствие истощения сырьевой базы оказываются незагруженными производственные мощности, и высвобождается рабочая сила.

4. Улучшение условий труда, так как техногенные месторождения расположены на поверхности Земли в отличие от всё более глубокозалегающих обычных месторождений полезных ископаемых.

Рис.1

5. Производство дешёвых стройматериалов (песок, щебень, гравий, цемент, абразивы, материал для отсыпки дорожного полотна, строительства плотин, дамб, и т.д.), а из шлаков - шлаковаты, шлакового литья (брусчатка, тюбинги, плитки, бордюрный камень и т.д.), литого шлакового щебня, стеклокерамических изделий, вяжущих добавок в цемент, минеральных добавок для улучшения почв, удобрений для сельского хозяйства и др.

6. Освобождение занимаемых им земель и их рекультивацию и ликвидацию источников загрязнения окружающей среды , улучшая тем самым экологическую обстановку вокруг действующих предприятий. Это относится к тем техногенным месторождениям, освоение которых сопровождается производством стройматериалов. Если же осуществляется только добыча металлов (цветных, редких и благородных), то из-за низкого их содержания количество техногенных отходов практически не уменьшается.

Глава 2. УСТАНОВКА ДЛЯ СВЕРХКРИТИЧЕСКОЙ ФЛЮИДНОЙ ЭКСТРАКЦИИ КОМПЛЕКСОВ УРАНА ИЗ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Украина обеспечена собственными урановыми ресурсами лишь на 30 %. В то же время в стране имеются техногенные месторождения с высокой концентрацией радиоактивных и токсичных компонентов, представляющие опасность для окружающей среды и здоровья населения. Так, в Днепродзержинске на площади 2,5 млн м2 расположено 7 хвостохранилищ, в которых накоплено около 42 млн т отходов переработки урана, содержащих уран, продукты его распада, мышьяк, селен, торий, радий и т. п.

В ряде промышленных регионов Украины радиоэкологическая обстановка определяется деятельностью угольных шахт. Например, в Донбассе за 200 лет добычи каменных углей и антрацитов образовано 1 257 терриконов общим объемом 1 056 519,9 тыс. м3. Угольные породы занимают 5 526,3 га. Отвалы, особенно горящие, являются источниками пыли и токсичных соединений. Исследования показали, что в отходах гравитационного и флотационного обогащения угля содержание урана составляет 15—150 г/т, тория — 20 г/т.

Таким образом, возникает необходимость в разработке технологий:

— уменьшения количества радиоактивных отходов в процессах получения и переработки ядерного топлива;

— глубокого извлечения актинидов и других элементов из техногенных месторождений.

Внедрение таких технологий позволит повысить объем производства ядерного топлива, а также решить экологические и социальные проблемы регионов.

В ННЦ ХФТИ создана экспериментальная установка СФЭ-U (рис. 1) для извлечения радионуклидов с использованием метода сверхкритической флюидной экстракции углекислым газом (СФЭ-СO2).

Рис. 1. Установка СФЭ-U

Сверхкритическая флюидная экстракция — новейший, перспективный, экологически чистый, сухой метод получения различных материалов из растительного, минерального и техногенного сырья с использованием экстрагентов, находящихся при температуре и давлении выше критических. Наиболее часто применяют углекислый газ, циркулирующий в замкнутом объеме без сброса в атмосферу. Он нетоксичен, неактивен, доступен, дешев и обладает невысокими критическими параметрами (температура 37 °С, давление 7,3 МПа). В отличие от традиционных методов жидкостной экстракции при СФЭ-СО2 экстрагируемое вещество не содержит следов экстрагента.

Содержание урана в материалах определяли гамма-спектрометром СЭГ-50(П) с детектором ДГДК-60В. Погрешность измерения концентраций излучающих изотопов 15 %. На этапе пробоподготовки и установления эффективности экстракции применяли рентгеновский флуоресцентный анализатор КРАБ-3УМ и спектрофотометр СФ-2000 с использованием реагента Арсеназо-III. Суммарная погрешность определения количества урана в образцах составила 10 %.

Модельными материалами служили граниты. Из пяти образцов выбраны № 2 и 4 (условно) с содержанием урана 5,5 и 3,1 мкг/г соответственно.

Образцы дробили, измельчали в порошок с размером зерна менее 50 мкм, после чего заливали 30%-й азотной кислотой в массовом соотношении 1: 1 и выдерживали в течение суток. Полученный раствор смешивали с 20%-м раствором ТБФ в уайтспирите и взбалтывали. После расслоения на лист фильтровальной бумаги диаметром 150 мм наносили 1 мл органической фазы, высушивали для удаления растворителя и помещали в экстракционную ячейку.

Экстракция включала две стадии: быструю (давление 90 атм, температура 38 °С, время 2 мин) и медленную (давление 185 атм, температура 45 °С, время 60 мин). После каждой стадии продукт сбрасывали на стопку из пяти пронумерованных бумажных фильтров. Содержимое каждого из них анализировали на рентгеновском анализаторе. Для получения спектров поглощения задержанного экстракта фильтры на 10 мин погружали в 0,005%-й водный раствор Арсеназо-Ш.

На рис. 2 и 3 представлены спектры поглощения комплексов Арсеназо-Ш с продуктами экстракции гранитов.

Рис. 2. Спектры оптического поглощения комплексов Арсеназо-Ш с продуктами СФЭ-СО2 гранита № 4

Анализ спектров свидетельствует, что основная часть комплексов урана извлекается при быстрой экстракции. Спектр поглощения (сплошная кривая на рис. 2 с характерной резонансной полосой 651 нм) совпадает со спектром поглощения комплекса Арсеназо-Ш—уранилнитрат и указывает на 6-валентное состояние урана в экстракте.

На рис. 3 видно количественное различие в спектрах поглощения продуктов быстрой и медленной стадий. По-видимому, изменение давления и температуры влияет на эффективность извлечения отдельных компонентов исходного материала, в результате чего примеси других элементов экстрагируются в ТБФ и дают дополнительные цветовые реакции с Арсеназо-Ш.

Рис. 3. Спектры оптического поглощения комплексов Арсеназо-Ш с продуктами СФЭ-СО2 гранита № 2

В таблице приведены результаты СФЭ-СО2 урана из исследованных образцов гранита.

 

Количество урана на фильтрах после экстракции

Образец	Экстракция	Количество урана, мкг		Суммарная эффективность, %
		СФ-2000	KPAБ-3УM
№ 2	медленная	10,8	0	36
	быстрая	6,9	42
№ 4	медленная	10,2	32	62
	быстрая	5,2	12

Полученные результаты дают основание считать СФЭ-СО2 перспективным методом извлечения комплексов урана из низкообогащенных отвалов урановой руды и техногенных месторождений и позволяют сформулировать основные требования к технологическим параметрам промышленной установки.

Глава 3. ОЧИСТКА НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ ОТ ОТЛОЖЕНИЙ СОЛЕЙ С ЕСТЕСТВЕННЫМИ РАДИОНУКЛИДАМИ

По литературным данным, на территории России складировано и несанкционированно захоронено не менее 200 млн т отходов добычи нефти и газа с повышенным содержанием естественных радионуклидов (ЕРН).

Содержащиеся в пластовых водах изотопы радия отлагаются на внутренних стенках трубопроводов и оборудования в результате процессов соосаждения и адсорбции и, главным образом, сокристаллизации с сульфатными осадками бария и стронция. Проблема отложения солей при добыче нефти актуальна для месторождений России, Казахстана, Белоруссии, Азербайджана, США, Канады, Великобритании, Вьетнама и других стран. Так, в Северном море в одной из скважин месторождения Mиллеpa за 24 часа добыча упала с 4 770 до 0 м3/сут.

Для обеспечения радиационной безопасности на нефтедобывающих предприятиях необходимо проводить систематическую очистку насосно-компрессорных труб (НКТ) и элементов погружных электроцентробежных насосов, запорной арматуры и другого технологического оборудования, загрязненного солями с ЕРН. Это весьма трудоемкая и дорогостоящая работа. Способы очистки выбирают в зависимости от характера отложений, их зон, состава, радиоактивности и прочих факторов. В основном используют химический и гидромеханический методы, а при невозможности дальнейшего использования радиоактивное оборудование плавят.

Согласно исследованиям компании «Schlumberger Cambridge Research», в условиях скважины использование гидродинамических методов ограничено, поскольку из-за значительного противодавления эффективность очистки снижается в четыре раза и более. Требуемые давления нагнетания с поверхности превышают 150—200 MПa. В таких случаях применяют гидроабразивные методы, позволяющие обеспечить скорость очистки 0,2—5,0 м/мин.

Для очистки извлеченных НКТ с осадками сульфата бария и ЕРН экономичнее использовать гидродинамические методы без добавок абразивов. Такой подход позволяет:

- удалять комплексные отложения (солевые, с органическими соединениями нефти и продуктами коррозии) без ограничений по их прочности, толщине и химическому составу (в том числе с естественными и искусственными радионуклидами);

- предохранять очищаемые НКТ от деформирования и разрушения, что обеспечивает возможность их дальнейшего использования;

- исключить образование пыли и аэрозолей с ЕРН;

- собирать удаленные отложения в компактном виде для захоронения в могильниках радиоактивных отходов;

- снизить себестоимость работ и упростить конструкции установок по сравнению с гидроабразивным методом очистки.

Проведены экспериментальные и опытно-промысловые исследования зависимости производительности очистки от конструктивных и технологических параметров оборудования, в результате чего определены их оптимальные значения и разработаны конструкции гидравлических распределителей и насадков. Они позволяют снизить время и повысить производительность очистки НКТ. Производительность установок гидродинамической очистки в зависимости от применяемых насосных агрегатов представлена в таблице. Определяющее значение имеют прочность отложений солей и их адгезия к поверхности НКТ.