CC BY
13
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Абатурова И.В., Лфаиасиадн Э.И. Комплексная оценка стспснн трсшнноватостн и прогноз устойчивости бортов проектируемых карьеров на стадиях разведки месторождении //Геология и разведка. -1992. -Х«6. - С.74-80.
2. Бармии E.H., Коломенский E.H. Опыт применения факторного анализа к оценке трещнноватости скальных массивов //Проблемы «шженерной геологин в связи с рациональным использованием геологической среды: Тсз.докл. Всесоюзн.научи.конф - Л„ 1976. - С.41-56
3 Вайнгкунас К.-А.К., Дончук A.A. Возможности предварительной оценки устойчивости массивов пород на стадии разведки месторождении //Инженерная геология - 1989 - Х«4. - С.54.
4. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология месторождений полезных ископаемых. - Л Недра. 1986. -
УДК 556.31
А.И.Семячков
МЕТОДИКА ПРОГНОЗА КАЧЕСТВА ТЕХНОГЕННЫХ ВОД
Свердловская область исторически основывается на горнорудной н металлургической промышленности. В результате длительной (около 300 лет) и интенсивной разработки месторождений и переработки минерального сырья в области накоплено 7,5 млрд тонн отходов, складированных в отвалах и хранилищах. Все эти образования, с одной стороны, содержат токсичные элементы, главным образом тяжелые металлы, в достаточно высоких концентрациях, с другой, - находящиеся в них отходы сильно диспергированы Это обуславливает интенсификацию процессов физико-химического взаимодействия техногенных образований (ТО) с окружающей средой [3]. Главным агентом взаимодействия техногенных образований с окружающей средой является вода с растворенными газами и химическими веществами. Процессы, происходящие в ТО. весьма разнообразны Основные из них: окисление, гидратация, растворение и выщелачивание В результате этих процессов в пределах техногенного образования могут формироваться техногенные воды (ТВ), существенно отличающиеся по составу от поверхностных и подземных вод данного района При неблагоприятных условиях (фильтрация через охраждающие дамбы и дно хранилищ, сток по пониженным частям рельефа в отвалах) техногенные воды окажут негативное воздействие на поверхностные и подземные.
I. Основные факторы н процессы, определяющие формирование качества ТВ
Основные факторы, определяющие качество техногенных вод, следующие:
1. Условия складирования отходов
2. Морфометрические параметры и расположение на рельефе техногенного образования
3. Химический состав отходов и конце!гграция потенциальных загрязняющих компонентов в отходах.
4. Минералогический состав отходов .
5. Гранулометрический состав отходов и их неоднородность.
6. Гидрометеорологические факторы
Можно выл слить: сухое (отвалы забалансовых руд) и мокрое (хвосто- и шламохранилнща) При сухом складировании основным агентом, формирующим качество техногенных вод, будут являться атмосферные осадки При мокром складировании главную роль в этом процессе в период эксплуатации объекта будут играть технические воды, ]3 после прекращения сто эксплуатации также атмосферные осадки,
Морфометрическне параметры техногенного образования также оказывают влияние на качество техногенных вод. При сухом складировании определяющим фактором является мощность ТО, Чем больше мощность ТО, тем больше время взаимодействия атмосферных вод и ТО и, следовательно, выше концентрация загрязняющего компонента в ТВ.
По расположению на рельефе можно выделить:
1. ТО, расположенное на водоразделе, где в формировании техногенных вод участвуют только атмосферные осадки при сухом складировании и техническая вода при мокром (Салдинекое шламохраннлище)
2. ТО, расположенное на склоне, где в формировании химического состава ТВ участвует также плоскостной сток по рельефу, затекающий а ТО (Тонский отвал ВГОК).
3. ТО, расположенное в русловой части временных или постоянных водотоков, где в формировании техногенных вод участвуют также поверхностные воды (Чсремшанское шламохраннлище, отвал мартеновских шлаков НТМК).
ТО Свердловской области можно подразделить: нерудные, рудные оксидные, рудные сульфидные.
К нерудным ТО относятся: асбестовые, флюсовых известняков, угольные, тальковые Основные загрязняющие компоненты находятся в структуре алюмосиликатов с невысоким содержанием и низкой степенью растворимости. Из этих образований вещества могут выноситься Са, Ре. Г. Повышенный вынос загрязняющих компонентов связан с дисперсностью
Рудные оксидные ТО - забалансовые руды, продукты обогащения, отходы металлургического производства. Основными 'загрязняющими компонентами, находящимися в виде оксидов и выносимыми из этих техногенных образовании, являются главные рудные элементы (Ре, Си, Ъъ, N1, Сг, А1), а также попутные элементы, находящиеся в парагенезисе с главными. Кроме того, из этих образований могут выноситься 80*. С1. Р
Рудные сульфидные ТО включают в себя сульфиды тяжелых металлов В результате процессов окисления они переходят в сульфаты с образованием серной кислоты, которая интенсифицирует процесс растворения.
Концентрация загрязняющих компонентов в ТО тесно связана с технологией разработки месторождений и технологией переработки минерального сырья Важно определить превышение этой концентрации над кларковым значением или региональным фоном. Кларк концентрации находится по следующей формуле:
КК=СУСФ(С%)
(I)
где С - концентрация загрязняющего компонента в ТО, г/т, С(С) - фоновое или кларковос содержание компонента в горных породах, г/т
Повышенный КК указывает на возможность формирования высоких концентраций загрязняющ»сх веществ в техногенных водах
Гидрометеорологические факторы включают в себя количество выпадающих осадков в мм/год в жидкой и твердой фазах, средняя интенсивность дождя, мм/мин. продолжительность дождя, ч, химический состав и рН осадков. Все эти данные имеются в УУГМС.
2. Процессы формирования химического состава ТВ
Растворение - процесс перехода вещества из твердой фазы в жидкую, сопровождаемый разрушением кристаллической структуры твердой фазы. Этим он отличается от процессов выщелачивания, определяющих избирательное извлечение какого-либо компонента из твердого вещества, сохраняющего при этом свою кристаллическую структуру (4. 6). Растворение и выщелачивание происходят в том случае, если химический потенциал компонента в твердой фазе выше химического потенциала этого компонента в жидкой фазе. Таким образом, движущей силой процесса растворения и выщелачивания является разность между концентрацией растворяющегося компонента у поверхности твердой фазы и его концентрацией в массе раствора Равновесие при растворении и выщелачивании наступает, когда химический потенциал растворенного компонента становится равным величине его потенциала в твердой фазе. Достигаемая при этом предельная концентрация компонента (С*) соответствует насыщению последнего и называется растворимостью. На растворимость веществ в воде влияют многие факторы: характер связей в структуре вещества, валентность элементов, составляющих это вещество, способность отдельных компонентов растворяющегося вещества к явлению комплексообразоаання. Такая многофакторность изменения растворимости веществ затрудняет ее предсказание, поэтому основная информация о растворимости веществ в воде получена экспериментальным путем [5] (см.табл. ).
Ориентировочные значения растворимости различных соединений в чистой воде г/кг при Т» 18-25 °С
Соединение Растворимость СоединенHC Растворимосп.
I. Оксиды HgS 5 «Г»
m 0.7 PbS 8-10'*
MoOj 2.0 AS2S> 0.0007
18.1 AS2SJ 0.003
658 MnS 0.007
CujO ИО* FeS O.OOS
РЬО 0.02 6'10-u
NiO 0.001 CoS 0.004
2. Гнлроксиды NiS 0.004
OKOHh 0.005 4. Сульфаты
Zn(OHb 0.003 HgS04 0.05
C<KOH)j 0.003 Pb>SO« 0.04
Pb(OH); 0.001 PbSO, 482
Pb(OH)4 710" CaSOj 2.06
Hr(OH) 2-10"* MgSO* 351
Cr(OHi3 110* FeSOi 263
Mn(OH)j 0.003 MnSO« 629
FeíOHb 0.006 ZnSO, 541
CctfOWr 0.002 CuSO< 205
Co(OH)i 0003 5. Карбонаты
NifOIí>j 0.001 MgCO, 0.02
3. Сульфиды CÜCOj 0.03
CujS 2110'" ZnCOi 0.02
CuS 3-ИГ? IlgCOj 6ИГ°
7.nS 110" FcCOj 6-10'
CdS МО* PbCO, 0.002
HftS 2 10'2"
Таблица показывает, что наибольшей растворимостью обладают сульфаты металлов. Очевидно, что максимальной концентрацией загрязняющих компонентов будут обладать воды. Нормирующиеся при окислении сульфидных минералов. В условиях техногенных отложений они гггновятся доступными для массированного воздействия атмосферных агентов (газов, ^¿створенного кислорода и воды), что приводит к переходу в раствор практически всех сульфидов тгжелых металлов, при избытке свободного кислорода из пирита образуется сильнейший ^кнеляюший агент Ре^БО^. В его присутствии заметно растворяются все сульфиды Исследования микробиологов показали, что в процессах окисления сульфидных минералов большая роль принадлежит микроорганизмам - тионовым и другим. Также возможно окисление сульфидных минералов электрохимическим путем Образуемая прн окислении сульфидов серная кислота может нейтрализоваться содержапимися в ТО карбонатами и еб дальнейшее воздействие -а процесс выщела'швання уменьшится.
Таким образом, разнообразие химических процессов, протекающих в ТО в системе минералы - вода - газы - живое вещество, существенно осложняет прогнозирование процессов еышелачнвания загрязняющих веществ из ТО. Такой прогноз возможен только на основе теории химической кинетики с использованием экперимситальной базы, приближенной к реальной обстановке.
3 . Основные дифференциальные уравнения растворения твердого тела в жидкости
В химической кинетике общепринятым уравнением растворения солей является следующее [1,2):
ш
где V - объём вещества, растворяющийся в жидкости за время I, дм 3; <х - плотность вещества в г/дм3; С„ - концентрация предельного насыщения жидкости веществом в г/дм3; С - концентрация вещества в жидкости в момент времени г, г/дм3; \У8 - площадь поверхности вещества, на которой происходит растворение вещества, дм2: К- коэффициент скорости растворения, дм /сут.
При фильтрации в пористой среде основное уравнение растворения и выноса веществ следующее:
У~ЛС.-сьЦ.о . (3)
где V - скорость фильтрации или инфильтрации, дм/сут; У - константа скорости растворения,!/сут, е°0 - удельное объемное содержание вещества в отходах в момент времени I
Приведенные дифференциальные уравнения не учитывают диффузионный процесс в связи с тем, что скорость фильтрации значительно больше скорости диффузии. Также в этом случае пренебрегаем дисперсионными эффектами, считая, что растворение и массоперенос идет во всех порах одинаково. Кроме того, данное уравнение относится к так называемому поверхностному распределению вещества в техногенном образовании, когда во всем объеме пространства имеет место равномерное содержание загрязняющего вещества и поверхность взаимодействия не уменьшается во времени.
4. Методика расчета качества техногенных вод
Основным»« прогнозируемыми характеристиками являются: С, - концентрация загрязняющего компонента в ТВ, г/дм3. \\\ - суммарный вынос ¡-го компонента в граммах за время I Процесс растворения и выщелачивания идет в две стадии:
Первая стадия - во входном сечении не сформировалась выщелоченная зона Концентрация зшрязняющего компонента в любом сечении ТО определится
С=С.( 1-е V),
где С* - максимальная растворимость элемента в воде, г/кг; V - скорость фильтрации воды через отходы, м/сут.; х - длина образца, м; у„ - константа скорости выщелачивания элемента из отходов, сут'
Суммарный объСм выноса компонента из техногенного образования с площади \ м" и рассчитывается по формуле
\У= Су/(1 - е (5)
где I - время фильтрации воды через отходы, сут,
Во вторую стадию концентрация вещссгв в потоке определится выражением
С=а(\-е у),
(6)
где I - длина зоны выщелачивания, м, рассчитывается по формуле
Рнс.1 Установка для определения
параметров выщела^шванкя: 1 - сосуд Ьойяя-
Морнотта с исходной водой, 2-образец из ТО, 3 - филырап
(7)
где время образования зоны выщелачивания в техногенных объектах в сут., рассчитывается по формуле
11 =
упСн *
где о - плотность элемента, г/дм3; £°0 - удельное объемнее вещества в отходах; уп - константа скорости выше -.а> поверхностном засолении, сут1
Общий объём выносимого вещества с площади I м* рассчнты формуле
-<х—О—
(9)
Приведенные выражения применимы как для сухих, так и для насыщенных ТО. Если концентрация компонента во входном сечении отличается от нуля, то вместо Сн следует применять выражение (См - С0), где С, - концентрация компонента во входном сечении
Время полного выщелачивания Т (сут.) элементов из ТО рассчитывается по следующей формуле:
Т = 1, С1уа+ V > / V
Приведенные выражения можно использовать для прогноза качества ТВ при "природном" выщелачивании ТО без участия технических вод. Это относится ко всем отвалам и
хвостохранилнща.м, выведенным из эксплуатации Для хвостохраннлнщ. находящихся в эксплуатации, качество техногенных вод определится зависимостью
Qi
! - ехр
9 " \ •
(Ю)
где Ci - концентрация загрязняющего компонента, посту пающего с пульпой. С; - концентрация загрязняющего компонента, поступающего с атмосферным}! осадками, Qi - расход воды, поступающей с пульпой; Q2 - количество атмосферных осадков, поступающих на площадь хвостохранилища; Qj - расход воды, забираемой из хвостохраннлища; W - объём воды в хвостохраннлище.
5. Методика определения параметров выщелачивания
Для прогноза качества ТВ необходимо определить следующие параметры [ 1, 7| уа - константа скорости выщелачивания, I/ сут;
Бо - начальный удельный объем вещества, дол Ед.
V - скорость фильтрации или инфильтрации, дм/сут;
а - плотность вещества, г/дм3;
Сп - содержание вещества в воде на пределе насыщения, г/дм3
Для определения параметра выщелачивания (константы скорости выщелачивания) необходимо провести фильтрационный опыт на специальном стсндс (рис.!) Навеску опытного материала объемом 500 мл помещают в фильтрационную колонку и фильтруют или инфильтруют через неё дистиллированную воду с рН, соответствующим рН осадков иди фильтрационных вод данного района. Интенсивность инфильтрации или скорость фильтрации должна бьггь приближена к реальной обстановке. С момента поступления фильтрата начинают отсчет времени и ведут отбор проб. Объём пробы зависит от концентрации и количества определяемых ингредиентов, аналитического способа их определения. Количество проб может быть 10 - 20 до полного или заметного снижения концентрации определяемых ингредиентов в фильтрате. Поэтому при проведении таких опытов необходимо иметь аналитическую базу и определять компоненты непосредственно в ходе опыта с построением графика в координатах C,-t, (рис.2,3), где Ci -концентрация ингредиента в фильтрате, мг/л; t, - время от начала поступления фильтрата до половинного наполнения ¡-й пробы, сут. который должен асимптотически приближаться к оси абсцисс.
Рис.2. График зависимости концентрации вещества в фильтрате от времени
Рис.3. График для определения параметров выщелачивания
Для расчета константы скорости выщелачивания строят график в координатах
В-С) График имеет вид прямой, которая на оси ординат отсекает отрезок В. Константу скорости выщелачивания определяют по следующему выражению;
2 V В
у =- , (II)
iVü
где V - скорость фильтрации или инфильтрации; 1 - длина образца
Начальный удельный объем вещества в ТО рассчитывается по формуле
Р
-----(1 - п )g, , (12)
о
где р - плотность ТО; а - плотность вещества; п - пористость ТО. g« - содержание исследуемого компонента в весовой форме, которое определяют до начала опыта с помощью валового химического анализа
Плотность ТО и пористость определяются обычными лабораторными методами, а плотность компонента - из специальных справочников.
Скорость фильтрации в лабораторных опытах находится по формуле
О
v=- , (13)
F
где Q - расход фильтрационного потока; F - площадь поперечного сечения образца
Максимальную растворимость или содержание вещества в воде на пределе насыщения можно определить опытным путем. Для этого измельченную навеску ТО заливают измеренным объемом исходной воды и помещают в аппарат для встряхивании, с периодическим определением количества растворяющегося вещества. Обработку породы водой продолжают до достижения максимального содержания в воде этого вещества В том случае, если выполнен минералогический анализ ТО, С„ можно определить исходя из растворимости соединения (см.таблицу) с пересчетом на исследуемое вещество.
Выводы
1. Установлены основные факторы, влияющие на формирование химического состава ТВ в различных ТО Свердловской области .
2. Предложены основные аналитические зависимости прогноза качества ТВ на основе уравнений химической кинетики в движущемся потоке жидкости.
3. Разрабатана методика определения параметров взаимодействия минеральное вещество -вода, позволяющая прогнозировать качество ТВ. Разработан специальный экологический стенд для определения этих параметров
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бочевер Ф.М., Лапшин Н.!1.,Орадовская А.Е. Защита подземных вод от загрязнения - М. Недра. 1979.-254 с.
2. Вернгмн 1I.IL , Васильев С.В. Гидродинамические и физнко-химнчсскне свойств;! горных пород -М . Недра. 1977.-271 с.
3 Гольдберг В.М. Взаимосвязь загрязнения подземных вод н природной среды. - Л Гндрометиздат. 1987. -247 с.
4. Зелнкмам А.П. , Вольдман F.ML, Бсливская JLB. Теория гидромсталлургичсских процессов. -U. Металлурги* ,1975. - 504 с.
5. Кнргинцсв А.Н., Трушникоиа Л.Н.. Лаврентьев BJY Растворимость неорганических веществ в »ас. - Л. Химия. 1972. - 248 с. "
6. Крайни» С.Р. Швец В.М Гидрохимия. -М.: Нелра.1992. -463 с.
7. Рекомендации по проведению гидрохимического опробования и физик» -химических «следований для оценки загрязнения подземных вод /ПНИИС - М.: Строкиздат, 1986. - 32 с
УДК 624.131
Э.И.Дфанасиадн, В.В.Бодин, О.Н.Грязнов, С. Г. Ду банковский, О.Б.Нещеткин
ИЗУЧЕНИЕ, ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ 3АКАРСТОВАННОСТИ КАРБОНАТНЫХ МАССИВОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТРАСС
При обосновании мероприятий по безопасному движению железнодорожного гранспорта на закарстованных территориях следует учитывать особенности геотехнической системы карбонатный массив - железная дорога" Главной проблемой в этих условиях является пространственно-временной прогноз развития карстовых провалов в зоне полотна железной дороги. Опыт наших работ, выполненных по заданию и при финансовой поддержке НШД КАРСТ на 94 км железной дороги Екатеринбург - Каменск-Уральский, позволяет рекомендовать рациональное сочетание карстологичсской съемки и сейсмических методов исследования
В геоморфологическом отношении ipacca железной дороги проходит по равнинной местности с глубоко врезанной долиной р. Каменки - левого притока р.Исети. В геологическом строении плошади принимают участие карбонатные отложения каменноугольного возраст, мезозойская кора выветривания и платформенные осадки нижнего мела - голоцена.
В ochooqiщи разреза эалега«от органогенные, слабо б»ггуминозные известняки верхнего подъяруса визейского яруса нижнего карбона. Хорошо обнаженные в скальных выходах борта долины р.Каменки и Синарского карьера известняки представлены массивными, участками шламово-деггритусовыми, оолитовыми, комковатыми, реже слоистыми разностями с многочисленными линзовидными включениями кремней. Общая мощность толщи 300-500 м.
Складчатые дислокации в массиве известняков выразились в развитии системы сопряженных антиклинальных и синклинальных симметричных складок близмеркдкональиого -северо-восточного простирания с наклоном крыльев в западных и восточных румбах под углами 40-45 и 45-50° В известняках фиксируется активная трещине.цтость. представленная сочетанием литогенстическнх, тектонических и экзогенных трещин. В группе лнтогенетичсских трещин преобладают системы близмериднональных трещин с отклонением к северо-востоку и северо-запад)' Первые характеризуются более широким распространением с вариациями азимутов падения 270-280® при пологих (25""), средних (45-50°) и крутых (70-85°) углах падения С трещинами З-СЗ падения сопряжена система крутых (70°) трещин ЮВ падения Системы трещин С-СЗ простирания различаются крутым (65-70°) падением на З-ЮЗ и крутым (75°) СВ падением Подчиненное значение имеют системы субширотных - северо-западных трещин при пологом падении к югу под утлом 40° (согласные со слоистостью) и субширотных - северо-восточных трещин с падением на ЮВ 150° под углом 55° Сочетание названных систем трещин при развития эрозионно-гравиташюнных процессов формируют крупноглыбовые вывалы, а процессы
