CC BY
115
© В.Г. Язиков, В.Л. Забазнов, 2003
YAK 622.775
В. Г. Язиков, В.Л. Забазнов
ВОПРОСЫ ГЕОЭКОЛОГИИ ПРИ ПОАЗЕМНОМ СКВАЖИННОМ ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ YРАНА
Анализ достоверно разведанных урановых запасов мира, по их вкладу в общее производство урана показывает (Лаверов 1986, 1989; Underhill, 2000), что ведущими геолого-промышлен-ными типами в настоящее время являются месторождения «типа несогласия» (49%), брекчиевого комплекса (26%) и месторождения «песчаникового» типа (пластово-инфильтрационные) - 19%. В то же время, если верить прогнозам МАГАТЭ до 2025 г. (Underhill, 2000), то доля месторождений «песчаникового» типа в общем уровне производства составит 33%, при 17% месторождений «типа несогласия» и 9% месторождений брекчиевого комплекса.
Таким образом, роль месторождений «песчаникового» типа (пластово-инфильтрационных) с каждым годом приобретает все большую значимость. Отсюда становится понятным повышенный интерес к данному типу месторождений и необходимость дополнительного изучения способов их отработки методом подземного скважинного выщелачивания (ПСВ) и проведение исследований, направленных на минимизацию ущерба, который может быть нанесен природной среде при использовании этого метода.
Техногенные изменения геологической среды при ПСВ урана происходят в результате подачи в рудоносные водоносные горизонты технологических растворов и выщелачивания ими из вмещающих пород главных (породосоставляющих) и второстепенных элементов. При этом в области прямого техногенного воздействия в зависимости от мощности рудоносного горизонта происходит полное или частичное замещение природных вод технологическими растворами. В результате в недрах формируются техногенные воды сложного химического состава со специфическими, резко отличающимися от природных, физико-химическими свойствами. Они содержат большое число компонентов, концентрации которых многократно превышают их природный уровень. Размеры линз таких растворов в плане несколько превышают проекции площадей отрабатываемых рудных залежей на дневную поверхность.
Давая характеристику техногенным изменениям при ПСВ, необходимо подчеркнуть, что эта технология в общем лишь интенсифицирует естественные процессы изменения фазового состояния вещества вследствие резкой смены окислительно-восстановительной обстановки вмещающей гидрохимической среды. Все перешедшие в раствор элементы изначально присутствовали в рудном горизонте в твердой фазе. Привносимые же при этом количества сульфатов (кислотное выщелачивание) или карбонатов (содовое) ничтожно малы по сравнению с их природными объемами в водах и породах, вовлечен-
ных в процесс подземного выщелачивания. Другими словами, в этом сложном процессе имеет место не искусственное техногенное загрязнение среды, а только интенсивное на нее воздействие.
Известно также, что природные подземные воды вблизи и в пределах контуров рудных залежей и фронтального окончания зон пластового окисления изначально содержат в повышенных концентрациях 22^а, 210Ро, 230ТЬ, 210РЬ и непригодны для питьевого водоснабжения по ряду показателей. По сумме растворенных солей они в большинстве случаев солоноватые или соленые, а также в связи с эпигенетическими процессами формирования урановых полиэлементных рудных залежей всегда содержат экологически опасные концентрации стабильных (селен, мышьяк, бром, фтор, железо, марганец, хром, ванадий и молибден) элементов. Участки водоносных горизонтов артезианских бассейнов в зонах размещения урановорудных тел и примыкающих к ним зон пластового окисления должны исключаться из запасов хозяйственного водопользования.
В целом с позиции оценки вносимых нарушений в окружающую среду способ ПСВ характеризуется следующими особенностями:
• все производственные операции осуществляются на месте залегания руд без проведения значительных горно-подготовительных работ, т.е. использование этого способа не вносит существенных (сопоставимых с традиционными горными способами) механических нарушений поверхности и недр;
• на пластово-инфильтрационных месторождениях процесс ПСВ осуществляется в безотходном замкнутом цикле, основанном на естественном балансе между объемами закачиваемых и откачиваемых технологических растворов. При этом в области выщелачивания формируется замкнутый гидродинамический контур, препятствующий сообщению этой области с периферией. По границам этого контура формируется сильный кислотно-щелочной барьер, за пределами которого сколь-нибудь существенная фильтрация технологических растворов исключается;
• процессы ПСВ (как кислотного, так и карбонатного) вносят достаточно глубокие изменения в химический состав подземных вод в областях выщелачивания, вызывая увеличение общей минерализации, алюминия, железа, нитратов, тяжелых металлов, микроэлементов, а также радионуклидов в десятки раз.
И хотя эти нарушения пространственно строго ограничены и носят относительно кратковременный характер, тем не менее согласно действующим природоохранным законодательствам предприятия -недропользователи обязаны обеспечивать постоянный контроль за объектами добычи, а по завершении отработки месторождения - реализацию мероприятий по возврату этих объектов (водоносных горизонтов) практически в исходное состояние.
В настоящее время известны два основных направления в способах восстановления подземных вод от техногенных изменений. Первое направление включает способы, использующие физикохимические или биологические воздействия на водоносные горизонты и подземные воды с подъемом последних на поверхность. Второе - предусматривает очистку их преимущественно в недрах. Все эти технологии, к сожалению, сложно реализуемы, требуют значительных затрат и недостаточно эффективны, так как в конце концов предполагают опять же строительство и содержание хранилищ твердых радиоактивных отходов. Затраты на восстановление подземных вод указанными методами составляют от 17 до 50% в структуре себестоимости конечного продукта.
При оценке методов рекультивации подземных вод мы снова должны вернуться к вышеупомянутому принципиальному определению самого процесса ПВ как способа воздействия на гидрогеохимию водоносного горизонта.
Исходя из этого, правомерным и логичным становится утверждение о том, что, если прекратить подобное воздействие - начнется процесс восстановления естественных кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условий водоносного пласта и, соответственно, деминерализация подземных вод.
На основании этого, с середины 80-х годов, группой ведущих ученых всесоюзных институтов и производственников Ленинабадского горно-химического комбината, а в настоящее время НАК «Казатом-пром» ведутся теоретические и экспериментальные исследования по изучению поведения остаточных растворов ПСВ после завершения процесса добычи. Данные этих исследований показывают, что вмещающая оруденение эпигенетически зонированная гидрогеохимическая среда по отношению к техногенным воздействиям, даже столь интенсивным как ПСВ, обладает своего рода экологической инертностью, включающей как сопротивление им, так и тенденцию среды к самовосстановлению после прекращения указанных воздействий.
Подробно с результатами этих исследований можно ознакомиться в недавно вышедшей книге под редакцией и в соавторстве с академиком Н.П. Лаве-ровым «Подземное выщелачивание полиэлементных руд», 1998 г.
На многих опытных и промышленных участках установлено, что после прекращения процесса добычи в водоносных горизонтах, вмещающих ореолы остаточных растворов, происходит хотя и медленная, но необратимая нейтрализация продуктов ПСВ в подземных водах.
Основой протекания этого процесса является действие как природных геохимических барьеров, являющихся неотъемлемым фактором эпигенетической зональности областей локализации этих урановых месторождений, так и барьеров, искусственно созданных в процессе добычи.
Наиболее масштабные и детальные исследования естественных гидрогеохимических процессов и в целом механизма самовосстановления пластовых вод от продуктов сернокислотного выщелачивания
урана проведены на месторождениях Ирколь и Северный Карамурун (Казахстан), Южный Букинай (Узбекистан). Подобные наблюдения ведутся до настоящего времени на казахстанских месторождениях Южный Карамурун и Уванас.
В результате достаточно продолжительного мониторинга установлено, что снижение минерализации остаточных растворов в целом происходит вследствие гидравлической дисперсии, молекулярной диффузии, физико-химических реакций взаимодействия с вмещающими породами, механической сорбции и простого ионного обмена. Скорость и эффективность этого процесса зависит в первую очередь от сорбционно-емкостных свойств вмещающих водоносный горизонт пород. Наличие остаточных карбонатов значительно ускоряет естественную нейтрализацию после сернокислотного ПВ, положительными факторами также являются небольшая мощность рудовмещающего горизонта и значительная глубина его залегания, где повышенные температура и давление выступают как катализаторы этого процесса.
Убедительным и наглядным представляется авторам материал 13-летних наблюдений за процессом самовосстановления водоносного горизонта на примере месторождения Ирколь (Язиков, Забазнов, 2000).
Здесь на глубине 450 м был проведен в течение двух с половиной лет полномасштабный опыт по сернокислотному ПСВ. С полигона было добыто 51 т урана до степени его извлечения из руд 80%. После чего с 1985 по 1997 год каждые полгода проводилось систематическое опробование в сохранившихся технологических и наблюдательных скважинах, с определением концентрации в растворах значительного числа компонентов.
Основные параметры отработки опытного поли-
гона сернокислотным ПВ приведены ниже:
Площадь рудной залежи, м2..................7490
Площадь линзы остаточных растворов в границах
с М > 1, м2...............................19500
Количество горнорудной массы (ГРМ), тыс. т185
Запасы урана, т............................66.6
Температура подземных вод, 0С..............40
Извлеченные запасы, %......................80
Продолжительность отработки, сут............870
Число эксплуатационных скважин.............13
Сеть расположения эксплуатационных скважин...25 х 50 Средняя концентрация кислоты в рабочих растворах,
г/кг13.0
Объем закачанных растворов, тыс. м3..........298.5
Общий расход серной кислоты, т................3880
Ж: Т (к концу процесса).......................1.47
Удельный расход кислоты, кг/т.................19.1
Для иллюстрации изложенного материала приводятся графики поведения во времени основных, наиболее долгоживущих элементов-продуктов выщелачивания, собственно урана и изменением кислотной обстановки в бывшей области процесса. Исходные их концентрации и значения на момент окончания добычи были следующими: сульфаты - 6900 мг/л; нитраты - 360 мг/л;
рН - 2.5;
уран - 57 мг/л;
сумма солей - 15300 мг/л.
Практически полное самовосстановление остаточных растворов ПВ от основных элементов, таких как сульфат-ион, нитрат-ион, сумма других солей, включающая железо, алюминий, магний, группу тяжелых металлов, а также радионуклидов уран-радиевого ряда (рис. 5), произошло в течение 13-ти лет. рН среды за это время повысился до 7.5-8.0, окислительно-восстановительный потенциал снизился до уровня фоновых значений.
Таким образом, область водоносного рудовмещающего горизонта площадью около 20 тыс. м2 за этот период времени практически вернулась в свое исходное гидрогеохимическое состояние.
Единственным, достаточно существенным недостатком описанного процесса является его экстенсивность, когда для достижения фонового химического состава подземных вод требуются годы и даже десятки лет. Это обстоятельство послужило основанием для постановки на месторождениях Юж. Буки-най и Сев. Карамурун опытно-промышленных исследований по интенсификации этого процесса с использованием принудительной фильтрации остаточных растворов ПСВ за пределы области их первоначальной локализации.
Метод принудительной нейтрализации и разбавления остаточных растворов внутри рудоносного горизонта был апробирован под руководством Ю.В. Нестерова и В.В. Новосельцева в натурных условиях в пределах рудной залежи № 10 месторождения Южный Букинай (Лаверов, Абдульманов и др., 1998).
Главной задачей опыта было исследование естественных процессов нейтрализации, а также возможности их интенсификации. Залежь была вскрыта 230-ю технологическими скважинами и разрабатывалась сернокислотным способом ПВ в течение 8 лет с 1969 по 1976 гг.
Изучение ореола было начато практически сразу после отработки залежи и продолжалось 11 лет (1977-1987 гг.). В рудовмещающем подгоризонте к этому времени ореол остаточных растворов ПВ имел площадь 110 тыс.м2 (включая зону активного законтурного растекания). Макрокомпонентный его состав был аналогичен составу продуцирующих растворов и содержал:
• урана - до 26 мг/л (ср. около 16 мг/л),
• Б04 - от 2,4 до 13,0 г/л (ср. 10 г/л),
• С1 - до 2 г/л,
• И03 - от 66 до 130 мг/л (ср. 100 мг/л)
• Реобщ. - от 170 до 700 мг/л.
Общая минерализация составляла преимущественно 15 - 20 г/л (ср. - 18 г/л), рН от 1,5 до 2,5. Суммарная масса солей в ореоле составляла 6155 т (в т.ч. сульфатов около 3500 т, нитратов около 34 т, урана около 5 т).
За 11 лет наблюдений после прекращения ПВ:
• общая площадь ореола остаточных растворов сократилась более чем в 2 раза, «запасы» основных элементов в его пределах уменьшились в 3,6 раза (в т.ч. Б04 - 2,9 раза);
• средняя кислотность снизилась в 2,4 раза (рН возрос от 2,0 до 4,8);
• средняя минерализация - в 2 раза;
• уменьшение массы солей в ореоле происходило главным образом за счет сокращения его площади.
Вместе с тем темпы изменений также со временем снижались: для рН - от 1,7 в год до 0,16 в год, для минерализации - от 8,8 до 0,15-0,30 г/л в год.
В связи с этим с целью ускорения получения результатов исследований и для более быстрого перевода продуктов выщелачивания из жидкой фазы в твердую было организовано перемещение остаточных растворов в область неокисленных и неизмененных техногенезом пород и фильтрация (протяжка) их в указанных породах. С этой целью за пределами отработанной залежи была пробурена система специальных откачных, закачных и наблюдательных скважин. Расстояние от отработанной залежи до створа откачных скважин определялось на основе специальных расчетов, где были учтены концентрации растворенных элементов, восстановительные и сорбционные свойства пород области деминерализации и степень контрастности геохимических барьеров. Применялась также одновременная закачка получаемых объемов пластовой воды с противоположной стороны ореола или отдельных его частей.
Принудительное смещение линзы продолжалось в течение 20 месяцев (с 16.10.1987 по 20.06.1989 г.). За это время из горизонта было извлечено и вновь закачано 693 тыс. м3 пластовых вод, частично смешанных с остаточными растворами. В результате в гидродинамическом контуре опытного участка за период опытных работ сменилось 2,6 объема поро-вых растворов при Ж:Т= 0,32.
В химическом составе остаточных растворов в результате произошли следующие изменения. Средняя минерализация снизилась на 46 % и в среднем составила 4,4 г/л. Средняя концентрация БО4 уменьшилась на 86 % и была равна 2,1 г/л. Суммарная масса растворенных солей уменьшилась в 3,8 раза. Темпы повышения рН по сравнению с самопроизвольной нейтрализацией увеличились в 3 раза, снижения минерализации - в 5,4 раза и содержания БО4 - в 12,3 раза, сокращения площади ореола - в 3,5 раза.
В период максимальной нейтрализации и разбавления растворов к концу опыта средняя концентрация урана снизилась в 133 раза. Максимальные его концентрации, обнаруженные лишь в двух скважинах, не превысили 4-5 мг/л. Аналогично уменьшилась средняя концентрация Рв 210 - в 20 раз, и находилась на уровне 1,1 • 10-11 Ки/л. Наибольшую трансформацию претерпели ТЬ 230 и Ро 210. Средняя концентрация тория снизилась в 50 раз, полония - в 90. По завершении опыта средние концентрации всех перечисленных радионуклидов приблизились к уровню фоновых значений и не превышали ПДК. Исключение составил Ra 226 из-за его изначальной концентрации в природных водах, которая была выше предельно допустимых значений.
Таким образом, в результате принудительной фильтрации остаточных растворов рудовмещающий
водоносный горизонт в эксплуатационном контуре оказался практически полностью «очищенным» и от радиоактивных изотопов, извлеченных из вмещающих пород в процессе ПВ.
Из результатов эксперимента по принудительному смещению вод, подвергшихся техногенному воздействию в области неизмененных пород, следует важный вывод о том, что применение этого метода позволяет с высокими темпами практически полностью восстанавливать качество подземных вод почти до исходного состояния. Этот процесс происходит примерно в 40 раз быстрее, чем при самопроизвольной деминерализации растворов.
По программе этих же исследований в 1987-1989 гг. был реализован интересный опыт на месторождении Северный Карамурун под руководством В.В. Новосельцева, В.Я. Фарбера и В.В. Забазнова (Сводный отчет..., 1990).
Здесь вне функционирующего полигона ПВ был оборудован опытный участок из двух закачных, одной откачной и пяти наблюдателъных скважин, расположенных в 15-20 м друг от друга.
В закачные скважины в течение 42 дней подавался пакет маточных растворов ПВ, при одновременной откачке пластовой воды из откачной скважины, объемом 6000 м3. Химический состав (включая микрокомпоненты и естественные радионуклиды) поданных в горизонт растворов полностью соответствовал составу рабочих растворов на действующих полигонах ПВ, т.е. концентрации многих компонентов в них превышали изначальные на 1-2 порядка.
После завершения закачки пакета, в течение 7 месяцев из откачной скважины осуществлялась откачка с возвратом откачанной жидкости в пласт через закачные скважины (15450 мз).
Система наблюдательных скважин на опытном участке была организована таким образом, чтобы обеспечить контроль изменения концентраций в области фильтрации растворов, а также очертить положение контура, ограничивающего эту область, предварительно определенного математическим моделированием геофильтрации. Результаты опыта также вводились в модель, что позволило осущест-
вить ее адаптацию и более полно исследовать развитие гидродинамической ситуации, миграцию компонентов жидкой фазы и оценить гидрохимические изменения на участке.
В результате были установлены площадь гидродинамически активной области, объем вовлеченных в процесс пород (85800 м3) и их суммарный вес (137280 т). Суммарное количество поданных солей составило 69,9 т.
Анализ данных опробования наблюдательных скважин. свидетельствует о следующем. Наибольший рост содержаний имел место в первой от закачной скважине 1н, он отмечен через 3,5 месяца после пуска участка. Максимальные значения содержаний основных компонентов (минерализация, сульфат-ион, железо, алюминий и др.) оказались здесь в 1,54,8 раза ниже, чем в пакете. В остальных скважинах они были еще ниже, а в отканкой - никаких изменений химического (и радиологического) состава практически не произошло.
Сопоставлением входных и выходных значений содержаний отдельных компонентов не трудно было рассчитать, что из 69.9 т растворенных в пакете солей фильтрующей средой поглощено 56 т (в том числе 38,2 т из 41 т сульфатов). При этом одной тонной горнорудной массы поглощалось 0.41 кг солей (из них 0.28 кг сульфатов), что в 8-10 раз ниже значений соле- и сульфатоемкости пород, определенных лабораторными исследованиями. Последнее обстоятельство свидетельствует о том, что в процессе протяжки значительное место имело и разбавление пакета пластовыми водами. Так или иначе, на расстоянии 40 - 45 м от закачных скважин технологические растворы практически полностью нейтрализовались и деминерализовались, т.е. произошла их полная трансформация в природные подземные воды.
Очевидно, что на основании приведенных данных, естественную гидрогеохимическую нейтрализацию остаточных растворов сернокислотного ПСВ урана можно уверенно квалифицировать как способ рекультивации подземных вод рудовмещающих горизонтов.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лаверов Н.П., Абдульманов И.Г. и др. Подземное выщелачивание полиэлементных руд. - М.: Академия горных наук, 1998 - 446с.
2. Основы прогноза урановорудных провинций / Под ред.
Н.П.Лаверова. - М.: Недра, 1986 - 206 с.
3. Справочник геолога по поискам и разведке месторождений урана / Под ред. Н.П.Лаверова. - М.: Недра, 1989 - 270с.
4. «Экологическая обстановка в
Сыр-Дарьинской провинции в связи с разведкой и отработкой урановых месторождений подземного выщелачивания» / Сводный отчет ПГО «Краснохолмскгеология», ВНИИХТ,
ЛГХК, Экспедиция № 6 района. -Ташкент, 1990 - 120с.
5. Underhill D.H. Analysis of Uranium Supply to 2050 / International Symposium on the Production Cycle and the Environment, Vienna, Australia
2 - 6, October 2000 - IAEA - SM - P. 15-41.
6. Yazikov VG, Zabaznov VL Experience of restoration of Ore-Bearing aguifers after ln-Situ Leach (1SL) uranium Mining by Hydrogeochemical Methods. International Symposium on the Production Cycle and Environment, Vienna, Austria, 2-6 October 2000 -IAEA - SM - 362 - P.169-170.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Язиков B.r, Забазнов B.J1. - ИГД, Казахстан.
Win95
Файл: ЗАБАЗНОВ
Каталог: G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB7_03
Шаблон: C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.dotm
Заголовок: В современных условиях при наличии надежных конструкционных мате-
риалов, новейших технологий сооружения и оборудования эксплуатационных скважин, средств улавливания аэрозолей из откачных скважин, применения передвижных модульных установок для отработки уч Содержание:
Автор:
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания:
Число сохранений:
Дата сохранения:
Сохранил:
Полное время правки:
Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
03.06.2003 14:05:00 6
08.11.2008 23:09:00 Таня
14 мин.
08.11.2008 23:57:00 4
3 113 (прибл.)
17 750 (прибл.)
