Подземное выщелачивание. Его достоинства и недостатки

             ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Озерский технологический институт

(филиал)

ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

(ОТИ МИФИ)

Кафедра: ХиХТ

Реферат

по дисциплине: Радиоэкология

Тема: «Подземное выщелачивание. Его достоинства и недостатки»

2012 г.

Введение

В современной промышленности в силу отсутствия богатых урановых руд (исключения составляют канадские месторождения «несогласия», где концентрация урана доходит до 30% и австралийских с содержанием урана до 3%) используется способ подземного выщелачивания руд. Это – один из самых рентабельных и экологически чистых способов добычи не требует ни карьеров, ни шахт [1].

При большой территориальной рассредоточенности рудных скоплений, небольших локальных рудных запасов, особенно в месторождениях, размещенных в пластах песчаниковых отложений, а также при очень крутопадающих ураноносных пластах невыгодно и дорого строить открытые карьеры или шахты по добычи урановой руды [2].

Сущность подземного выщелачивания полезных ископаемых заключается в избирательном переводе полезного компонента в жидкую фазу путем управляемого движения растворителя по руде в естественном залегании и подготовленному к растворению и подъему насыщенного металлом раствора на поверхность [3].

Предварительная подготовка идет непосредственно под землей. Способ применим в тяжелых климатических условиях и вечной мерзлоты. Технология абсолютно закрытая, герметичная. Недра практически не разрушаются и даже полностью восстанавливаются в течение нескольких лет [1].

Подземное скважинное выщелачивание (ПСВ) металлов, в частности урана, является самой передовой горной технологией для добычи.

Данный метод осуществляется нагнетанием химического реагента, способным переводить минералы полезного ископаемого в растворимую форму, через скважины, пробуренные с поверхности в пласт полезного ископаемого. Раствор, пройдя часть рудного пласта, через другие скважины поднимается на поверхность и далее по трубопроводу транспортируется к установкам для переработки.

Эффективность геотехнологии подземного скважинного выщелачивания определяется, прежде всего, интеллектуальным уровнем рудников подземного скважинного выщелачивания. Самое главное при ПСВ – нет необходимости присутствовать человеку в подземном пространстве [3].

Подземное выщелачивание

При подземном выщелачивании исключаются такие дорогос­тоящие операции, как выемка руды из подземных блоков, подъем ее на поверхность, измельчение и т.д. Однако, основное различие между подземным выщелачиванием и процессами с выщелачива­нием в заводских условиях состоит в том, что в первом случае хвосты остаются под землей и не влияют на здоровье людей.

Подземное выщелачивание урана начало применяться в СССР с 1965 г., а сейчас им добывается до 30% урана от общего его производства. Этим способом разрабатываются месторождения, за­легающие в рыхлых или слабометаморфизованных растворопроницаемых (с коэффициентом фильтрации от 0,50 до 10–15 м/сутки) песчано-глинистых (сильнообводненных) отложениях. Руды этих месторождений бедные. Содержание урана в рудах, как пра­вило, не превышает 0,03–0,05%. Разработка таких месторождений традиционными способами до 60-х годов представлялась экономически нецелесообразной и технически невозможной из-за слож­ных горнотехнических и гидрогеологических условий и больших глубин их залегания (от 200–300 до 500–600 м). Однако внедрение способа подземного выщелачивания урана в практику показало не только его высокую рентабельность и экономичность, но также и значительно лучшую экологичность. Подземное выщелачивание по существу безотходное производство, работающее в замкнутом гидродинамическом цикле и осуществляемое на месте залегания урановых рудных тел без нарушения их естественного залегания.

Выщелачивание урана осуществляется путем избирательного перевода его в раствор (сернокислотный или карбонатный) на ме­сте залегания руд. При этом раствор реагента подается в проница­емый рудовмещающий пласт через закачные скважины, фильтру­ется по этому пласту в сторону откачных скважин, а затем по ним поднимается на поверхность, где подвергается технологическому переделу на сорбционных колоннах. Затем после сорбции урана раствор доукрепляется и снова направляется в рудовмещающий пласт для дальнейшего выщелачивания урана. После заданного извлечения (80–90%) урана из недр в работу включаются новые рудные пласты. В отличие от подземных и открытых горных работ здесь не образуются громадные отвалы пород и обширные хвостохранилища, не происходит осушения водоносных горизонтов на огромных площадях, нет шахтных и сбросных вод гидрометаллур­гических заводов, загрязняющих поверхность, атмосферу и ис­точники водоснабжения. Поэтому вредное влияние подземного выщелачивания на состояние окружающей среды, особенно поверхности, по сравнению с горномеханическим способом добычи не­сравненно меньше [4].

Рис.1. Схема подземного выщелачивания [3]

Известны случаи, когда подземное выщелачивание применя­лось в истощенных рудниках, где подземная добыча руды была экономически невыгодна. Возможность отработки месторождений с бедными рудами, а также с рудами, которые находятся в слож­ных горно-геологических и гидрогеологических условиях, позво­ляет в значительной мере расширить сырьевую базу урановой от­расли. Другие преимущества подземного выщелачивания перед горномеханическим методом:

1. Более низкие (в 2–3 раза) капиталовложения на строительство рудников.

2. Более высокая производительность труда.

3. Высокое извлечение (85–90%) урана из недр.

4. Себестоимость добычи урана на 30-50% ниже.

5. Более быстрый (2–3 года) ввод месторождений в разработку.

6. Исключение опасных и трудоемких работ.

7. Более благоприятные условия охраны окружающей среды: при подземном выщелачивании более 90% активности радия и его продуктов распада не выносится на поверхность, а остаются на месте залегания.

8. Большая возможность автоматизировать систему управления добычей урана.

При подземном выщелачивании загрязнение обычно сводится к воздействию на земную поверхность и водоносный горизонт вредных для здоровья и живой природы химически активных ве­ществ, используемых и образующихся в процессе извлечения ура­на из недр. Это загрязнение носит локальный характер, но тем не менее может принести вред народному хозяйству и поэтому строго контролируется как в процессе эксплуатации месторождения, так и после его завершения, когда обязательно проводится рекульти­вация поверхности и предусматриваются специальные мероприятия по очистке подземных вод.

Наибольшую опасность для окружающей среды при подзем­ном выщелачивании представляет загрязнение земной поверхно­сти и в особенности почвы, которое связано с утечками раство­ров при нарушении целостности труб, прокачках скважин, разливах и т.д.

На поверхность земли с растворами попадает серная кислота и ее соли, нитраты, радионуклиды (уран, торий, радий, полоний и др.). В результате почва может стать непригодной для жизни расте­ний, либо эти растения приобретут опасные для человека и живот­ных свойства. Радикальным направлением по снижению и предотв­ращению загрязнения поверхности является постоянный контроль за соблюдением безаварийных условий работы всего поверхностно­го комплекса и борьба с проливами растворов при прокачке сква­жин и нарушении целостности трубопроводов. В настоящее время для рекультивации почвы на добычных участках подземного выще­лачивания разработаны и внедряются два способа.

По первому способу до начала работ снимается слой почвы мощностью до 0,5 м и вывозится за пределы участка. Загрязнен­ный в процессе работ грунт нейтрализуется известью, а затем уда­ляется для захоронения в специальных траншеях.

Второй способ рекультивации поверхности основан на приме­нении электросорбционной технологии с промывкой пород и на­ложении электрического поля. Способ может быть рекомендован при условии, когда грунт подстилается водоупорными глинами. Самоочищение почвы и миграция загрязняющих компонентов в подпочвенные слои осуществляются крайне медленно, и в лучшем случае на это потребуется несколько десятков лет. Поэтому ре­культивация почвы, особенно плодородной, является необходи­мым условием при подземном выщелачивании.

Как было указано выше, подземное выщелачивание связано с введением в продуктивный водоносный горизонт химических реа­гентов и поэтому непременно сопровождается загрязнением под­земных вод в районе действия технологических скважин.

При сернокислотном выщелачивании в подземные воды по­ступают ионы: SO42–, NO3–, Са2+, Mg2+, Al3+, Fe3+, Fe2+, Na+, К+ и др., а также радионуклиды. В раствор в той или иной степени переходят почти все имеющиеся в породах элементы в количе­ствах, превышающих предельно допустимые концентрации (ПДК) для питьевого водоснабжения. Вследствие этого общая минерали­зация подземных вод возрастает от 0,7–5 г/л до 15–25 г/л.

В случае применения карбонатного реагента, оказывающего селективное воздействие на урановые руды, количество поступаю­щих в подземные воды элементов резко сокращается. В растворе отмечаются повышенные количества Са2+, NH4+, К+, Na+, а также естественных радионуклидов и селена, имеющих большую мигра­ционную способность в щелочной среде.

Однако загрязнение подземных вод носит локальный характер и распространяется на относительно небольшое расстояние от кон­туров рудных тел. Это обеспечивается тем, что эксплуатация бло­ков и участков подземного выщелачивания проводится в сбалан­сированном режиме (дебит откачки равен дебиту закачки) или с некоторым дебалансом в сторону откачки (за счет потерь части растворов). В результате этого вокруг участков подземного выще­лачивания формируются небольшие гидродинамические воронки, которые ограничивают распространение растворов за пределы руд­ников подземного выщелачивания и образуется стабилизирован­ный во времени гидродинамический контур искусственно создан­ного потока растворов.

В процессе сернокислотного подземного выщелачивания отме­чается зональность в распределении ореолов загрязнения отдель­ных компонентов. В особенности это относится к тем из них, концентрация которых в растворах контролируется величиной pH. Это зональность основных макрокомпонентов загрязнения имеет следующий вид: U6+ > Fe3+ > Al3+ > Fe2+ > Са2+ > NO3– > SO42–. Остальные макро- и микрокомпоненты, в том числе радионук­лиды, распространены в пределах сульфатного ореола, по разви­тию которого можно судить об общем загрязнении водоносных горизонтов при подземном выщелачивании. Установлено, что миг­рация химических и радиоактивных элементов происходит как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. В неболь­ших по мощности водоносных горизонтах (10–30 м) происходит практически полное загрязнение пласта.

Снижение концентрации загрязняющих компонентов в недрах происходит под действием химического взаимодействия их с ми­нералами пород и нейтрализации среды, ионообменных процессов, сорбции, диффузии и фильтрационной дисперсии. Все без исклю­чения компоненты загрязнения уменьшают свою концентрацию в растворах в направлении потока и за счет разбавления подземны­ми водами (фильтрационной макро- и микродисперсии). Макси­мальное удаление границы ореола загрязнения от геометрических контуров рудников подземного выщелачивания составляет 50–80 м (реже доходит до 100 м).

Ожидается, что после отработки рудников подземного выще­лачивания и восстановления естественного режима фильтрации ореол загрязненных растворов с небольшим остаточным содержанием сво­бодной серной кислоты (2–3 г/л) начнет медленно (со скоростью 3–10 м/год) перемещаться потоком подземных вод. Путь и время нейтрализации кислотных потоков рассчитываются по соответствую­щим формулам и для разных месторождений колеблются в значи­тельных пределах (от 7–34 лет) в зависимости от минералогического и гранулометрического состава водоносного продуктивного горизон­та, а также от размера отрабатываемого участка или рудной залежи.