CC BY
45
УДК 550.84.09(571.51) И.Н. Целюк, Д.И. Целюк
СИСТЕМА КОМПЛЕКСНОГО АНАЛИЗА НАМЫВНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ КАК ОСНОВА ПРОГНОЗА И ОЦЕНКИ ИХ ТЕХНОГЕННОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ*
В статье рассматриваются вопросы комплексного анализа по воздействию намывных отвалов промышленных отходов предприятий горнорудного производства на окружающую среду. Изучены вещества горнорудного комплекса, складированного в намывных отвалах, а также особенности изменения их химического и минерального состава в толще массивов техногенных отложений.
Ключевые слова: окружающая среда, вещественный состав, техногенная нагрузка, горнорудное производство.
I.N. Tselyuk, D.I. Tselyuk
COMPLEX ANALYSIS SYSTEM OF THE ALLUVIAL TECHNOGENIC CONSTRUCTIONS OF THE MINING ENTERPRISES AS THE BASIS FOR FORECAST AND ESTIMATION OF THEIR TECHNOGENIC INFLUENCE
ON ENVIRONMENT
The issues of complex analysis on influence of the industrial waste alluvial dumps of the mining production enterprises on environment are considered in the article. Mining complex substances being stored in the alluvial dumps and change peculiarities of their chemical and mineral structure in the technogenic alluviation rock mass are studied.
Key words: environment, material structure, technogenic loading, mining production.
В Российской Федерации хвостохранилища являются одними из крупнейших искусственно образованных источников загрязнения природных водных объектов. Формирующиеся в результате использования больших объемов технологических вод они представляют собой крупные техногенные бассейны, где в толще хвостов под постоянным гидростатическим напором происходит формирование токсичного фильтрата.
На сегодняшний день оценка воздействия техногенных объектов сводится к определению класса опасности отходов и производственному контролю за загрязнением водной среды по гидропостам. Однако для решения вопросов о масштабах техногенной нагрузки как в настоящее время, так и в ближайшей перспективе, необходимо проведение системного подхода. Исследования должны охватывать все звенья техногенных систем, включающих изучение вещественного состава отходов; изучение техногенных вод (пульпы, осветленных вод пруда отстойника, техногенных вод в теле лежалых хвостов, дренажных вод), изучение поверхностных водотоков в зоне воздействия техногенных объектов.
Таким образом, целью статьи является обоснование применения комплексного анализа воздействия намывных отвалов промышленных отходов предприятий горнорудного производства на окружающую среду. При этом к основным решаемым задачам относится изучение вещества горнорудного комплекса, складированного в намывных отвалах, выявление особенностей изменения их химического и минерального состава в толще массивов техногенных отложений, определение групп элементов, способных мигрировать в водные объекты, оказывая на них техногенную нагрузку.
Достижение цели и решение поставленных задач выполнялось путем изучения нами хвостохранилища золотоизвлекающей фабрики ООО «Соврудник», которое является одним из самых крупных техногенных объектов в Восточной Сибири. Объект расположен в Северо-Енисейском районе, в пгт Северо-Енисейский, в долине р. Безымянка. Предприятие специализируется на добыче рудного золота. В результате длительной эксплуатации фабрики вблизи пгт Северо-Енисейский сформировано хвостохранилище, в которое уложено более 6,2 млн м3 хвостов. Площадь, занимаемая ложем хвостохранилища, составляет 0,4 млн м2, максимальная высота 45-50 м, длина 2500 м. Изучение особенностей распределения вещественного состава выполнялось в процессе обследования толщи хвостов, размещенных в хвостохранилище. Для получения фактического материала, отражающего особенности поведения вещества, слагающего толщу хвостов, выполне-
*
Работа выполнена при финансовой поддержке Краевого государственного автономного учреждения «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности» (Соглашение № 01/10 от 27 мая 2010 г.).
но бурение массива на всю его мощность с заглублением в подстилающие их грунты на 2 м. Бурение выполнялось в пляжной зоне хвостохранилища. Общая мощность вскрытия техногенных отложений составила от 15 до 21 м. Отбор проб проведен по всему разрезу через 0,5 м.
Анализ проб выполнялся в аккредитованных лабораториях Института химии и химической технологии СО РАН и ГПМ «ШИИГиМС». Для исследования минерального состава применялись методы рентгенофазового анализа (РФА), оптической и электронной микроскопии. Химический состав определялся в аккредитованной аналитической лаборатории ГПЮ< «ШИИГиМС». Всего исследованию подвергнуто 280 проб техногенных грунтов и 70 проб техногенных вод, отобранных из хвостохранилища. Способ накопления хвостов на хвостохранилище ООО «Соврудник» представляет собой замкнутую гидравлическую систему. Оно осуществляется путем подачи пульпы в хранилище через пульпопроводы. Жидкая составляющая пульпы относится к сульфатно-кальциево-магниевому типу, имеет химически нейтральную среду с показателем рН 6,9-7 ед. Среди элементов в ней отличаются высокими содержаниями кальций, магний, калий натрий и марганец. Содержание остальных элементов в жидкой фазе не превышает 1 мг/л. В твердой фазе присутствуют в основном кремний (75 %) и железо (14 %), содержание остальных элементов менее 5 %. В хвостохранилище происходит разделение пульпы путем отделения от водной среды тяжелой фракции и осаждения ее на дно отстойника. Исследования осветленных вод показали, что по химическому составу они подобны жидкой фазе сбрасываемой пульпы. Воды представляют собой сульфатно-магниево-кальциевый тип с показателем рН
7,5 ед. Содержание Ag, Au, As, В, Ba, Co, Cr, Cu, Li, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb Ti, V, W, Zn в жидкой фазе составляет менее 1 мг/л (табл. 1).
Таблица 1
Среднее содержание элементов в водной среде пульпы и осветленных водах пруда отстойника, мг/л
Среда Элемент
As Fe Zn Co Ni Mn Pb Li
Пульпа G,G16 G,G7 G,GG4 G,G12 G,G7 5,15 G,GGG16 G,G23
Пруд осветленных вод G,G12 G,G7 G,GG69 G,G69 G,15 4,4G G,GGG2 G,G11
Хвосты представляют собой песчано-пылеватые отложения. При приближении к зоне пруда отстойника частицы приобретают более окатанную форму. Основная масса хвостов постепенно становится мелкозернистой с размерами частиц 0,1-0,01 мм. Применяемые способы намыва хвостов в хвостохранилище приводят к образованию градационной слоистости. Сформированные анизотропные толщи хвостов располагаются горизонтально, с незначительным уклоном, направленным в сторону пруда отстойника осветленных вод.
По результатам лабораторных исследований физико-механических параметров, гранулометрический состав хвостов представлен частицами размером от 2,0 до 0,005 мм. Однако основными фракции являются размером от 0,25 до 0,01 мм. Общие их содержание составляет до 80 %. Значения пористости изменятся от 35 до 55 %. Плотность грунта составляет 2,0 г/см3 при плотности частиц 2,8-3 г/см3.
По минеральному составу основными породообразующими минералами хвостов пляжной зоны являются слюдистые образования и кварц. Доля кварца достигает 60 %, мусковита и хлорита до 35 %. В подчиненных количествах до 5 % присутствуют сульфиды. Хвосты нижних горизонтов пляжной зоны относятся к сульфидному типу с содержанием сульфидов до 33,9 % и включают пирит, арсенопирит, галенит, сфалерит, пирротин. Характерной особенностью хвостов нижней части разреза является наличие горизонта, претерпевающего интенсивное гипергенное преобразование, в котором развиты вторичные минералы лимонит, скородит (питтицит), англезит, а также новообразованные формы гематита, сульфатов железа и свинца, самородной серы, гипса, гидроокислов железа.
Хвосты, подверженные гипергенному изменению, включают следующие микроэлементы: Ад, Аи, As, В, Ва, Со, Сг, Си, и, Мп, Мо, N РЬ, Sb Д V, W, Zn. Максимальное значение валовых концентраций, лежащих в пределах 0,1-1 %, характерно для мышьяка, марганца, титана. В концентрациях 0,01-0,1 % присутствует бор, барий, свинец, сурьма, ванадий цинк. В интервале от 0,001 до 0,01 % находится кобальт, хром, медь, литий, никель, вольфрам. Интервал концентраций порядка 0,0001-0,001 % представляют серебро, золото молибден (рис.).
І а- І I ■ё во С 0,035 2,6 Ї 0,054 3,9 -ё 0,2 18.3 £ <0,01 0,043 <3 0,0007 0.025 О 0,0023 0,01 3 0,0022 0,046 <0,001 0,002 Ї 0,033 0,14 3® і 0.00018 0.0004 35 0,0016 0,029 £ 0,0015 0,12 Р= 0,31 1,1 > 0,0038 0,01 5? & <0,0003 0,0067 3* Й 0,012 0,11
| 1,0 2,0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 і г 1 [ г к | [ |
Диаграмма распределения микроэлементов в вертикальном разрезе техногенного массива
Исследования техногенных вод в теле хвостохранилища показали, что техногенный водоносный горизонт не является гомогенной средой. Верхние слои техногенного горизонта имеют слабо подкисленные воды с показателем рН 5,5-6 ед., что в 1,3 раза меньше показателя рН осветленных вод и пульпы. В нижних слоях техногенных вод, сопряженных с гипергенно преобразованными отходами, их качество существенно изменяется. Воды относятся к сульфатно-кальциевому типу. Содержание сульфатов в них по сравнению с пульпой и водами пруда отстойника увеличивается в 4 раза, достигая величины 5150 мг/л. Химическая среда из нейтральной переходит в кислую с показателем рН 4,5 ед. В техногенных водах на порядок уменьшается количество азотистых соединений, в два раз снижается концентрация калия и натрия. Среди элементов резко возрастает концентрация железа до 3 мг/л, никеля до 2,1 мг/л, мышьяка до 352 мг/л. На порядок увеличивается содержания цинка, меди, свинца, лития (табл. 2).
Таблица 2
Среднее содержание элементов в техногенном водоносном горизонте хвостохранилища, мг/л
Среда Элемент
As Fe Zn Co № Mn Pb и
Воды верхних слоев техногенного водоносного горизонта 0,23 1,12 0,01 0,021 0,04 5,41 0,0005 0,023
Воды, сопряженные с преобразованными отходами 352,6 3,09 0,49 0,197 2,15 8,14 0,0019 0,048
С целью выявления причин изменения качества техногенных вод в хвостохранилище были выполнены работы по исследованию поровых водных вытяжек из состава отходов по всей мощности вскрытого техногенного массива. Результаты исследований представлены в табл. 3.
Таблица 3
Среднее содержание элементов в водных вытяжках из лежалых хвостов
Интервал рН SO4 Fe Li Cu Zn Ni Mn As
м ед. ммоль/100 г мг/кг
0,0-6,0 5,7 0,98 0,32 0,04 0,01 0,1 0,23 4,2 3,75
6,0-14,0 3,8 1,3 49,9 0,12 2,29 3,11 1,78 11,3 369,2
Водные вытяжки из нижних горизонтов хвостов, сопряженных с горизонтом гипергенного преобразования, обладают кислой средой, а содержание целого ряда элементов в них увеличивается на несколько порядков по сравнению с их концентрацией в водных вытяжках из верхних горизонтов.
Изучение показало, что хвосты не являются стабильной системой, а представляют собой активно изменяющуюся гетерогенную среду, в пределах которой происходит разложение одних веществ и образование новых компонентов. В хвостах присутствует ряд микроэлементов, главным образом тяжелых металлов, способных мигрировать в окружающую среду. Одним из путей миграции элементов является их вынос в составе фильтрационных утечек техногенных вод из системы хвостохранилища.
С целью выявления степени миграции геохимических элементов из массива хвостохранилища по методике [1] выполнено определение доли водорастворимых форм в процентном соотношении от валового содержания элементов, способных переходить в растворенное состояние. По результатам расчетов миграционными способностями обладает группа элементов, включающая Fe, Cu, Zn, Mn, Co, Ni, Li, As, Ti. Доля растворения элементов в среднем достигает 5,5 %. Переходя в техногенный водоносный горизонт, они сохраняют свои активные миграционные способности и в составе техногенных вод способны мигрировать из хвостохранилища. Элементы V, Mo, Pb, Cr, Sr, Ba относятся к малоподвижным. Полученные данные подтверждаются результатами расчетов коэффициента распределения (Красп) [2], который представляет собой логарифм отношения содержания металла в твердом веществе к таковому в сосуществующем растворе. Чем ниже значение (Красп), тем более мобилен элемент в данной системе. Полученные результаты для Fe, Cu, Zn, Co, Ni, Li, As, Ti по всему вертикальному разрезу показали, что с приближением к основанию массива Красп уменьшается. Это свидетельствует об увеличении доли элемента в растворе в сравнении с твердым веществом, а также об увеличении подвижности элементов в нижних горизонтах отходов. Для V, Mo, Pb, Cr, Sr, Ba поведение Красп носит противоположный характер, указывая на их слабые миграционные свойства.
Миграция Fe, Cu, Zn, Co, Ni, Li, As, Ti подтверждается наличием их высоких концентраций в дренажном фильтрате, высачивающимся через основание восточной дамбы хвостохранилища в дренажный канал. По химическому составу дренажные воды сопоставимы с техногенными водами из основания массива хвостов пляжной зоны. Исследования показали, что они имеют сульфатно-кальциевый тип, кислую среду с рН
4,5 ед., высокие содержания сульфатов до 1400 мг/л, железа - до 26, никеля - до 1,1, кобальта - до 1,22, цинка - до 1,71, мышьяка - до 0,5, меди и титана - до 0,3, лития - до 0,1 мг/л.
Проведенные исследования на хвостохранилище ООО «Соврудник» показали, что объекты такого типа представляют собой сложные системы, а формирующиеся в них техногенные воды могут являться потенциальным источником техногенной нагрузки на окружающую среду. В рамках современного подхода необходимо своевременно проводить предложенные комплексные исследования таких систем с целью прогнозирования и принятия мер по снижению и предотвращению негативного воздействия на природные объекты.
Литература
1. Бортникова С.Б., Гаськова О.Л., Бессонова Е.П. Геохимия техногенных систем / Ин-т геологии и минералогии СО РАН. - Новосибирск: Гео, 2006. - 169 с.
2. Partioning of zinc between the water column and the oxic sediments in lakes / A. Tessier, R. Cardigan, B. Dubreul [at el] // Geochim. Cosmochim. Acta. - 1989. - № 3. - P. 1511-1522.
---------♦'-----------
