Рассмотрен процесс формирования гидротехногенных потоков на территории горных предприятий, занимающихся переработкой медноколчеданных месторождений. Проанализированы условия, влияющие на процесс формирования и миграции катионов металлов в условиях ГОКов Южного Урала. Проанализирована скорость естественного выщелачивания металлов из перерабатываемых руд в различное время года.
Ключевые слова: формирование, техногенные гидроресурсы, факторы, влияние, рельеф, климат, миграция, катионы металлов.
Урал является крупнейшей колчеданной провинцией мира. Здесь более сотни месторождений и рудопроявлений, насчитывающих более 1,8 млрд.т медных и медно-цинковых руд. Южный Урал, являясь важнейшей составляющей Уральского промышленного региона, имеет наиболее явно выраженную техногеосферу, так как характеризуется чрезвычайно высокой концентрацией промышленного производства.
В результате деятельности ГОКов помимо добычи и обогащения полезных ископаемых, происходит образование специфического сернокислого техногенного ландшафта, который приводит к загрязнению атмосферы, почвы, поверхностных и подземных вод, накапливанию твердых и жидких отходов. Жидкие отходы характерно образуются из отработанных хвостов, карьеров, рудных отвалов [1].
Пирит и другие сульфидные минералы окисляются в отвалах и хвостохранилищах под влиянием аэрации, атмосферных осадков, солнечной радиации, образуют сульфатные соединения, которые, мигрируя, оседают в почве, поверхностных и подземных водах. Образование значительных объемов (до 40 тыс. м3/сут.) техногенных вод в зоне техногенеза горнорудного профиля позволяет рассматривать их как техногенные гидроминеральные ресурсы, вовлечение которых в переработку увеличит минерально-сырьевую базу и позволит наиболее полно использовать природные ресурсы. Сброс неочищенных техногенных стоков на земную поверхность приводит к накоплению в окружающих водных объектах тяжелых металлов, таких как медь, цинк, железо, марганец многие из которых обладают кумулятивным действием, а также общетоксичными, эмбриотропными и мутагенными свойствами [2,3].
На химический состав техногенных вод оказывает воздействие рельеф местности, а также региональные и локальные факторы, которые, формируя стоки и водообмен, влияют на солевой состав природных и техногенных вод. Местность преимущественного расположения основных медно-колчеданных месторождений Южного Урала равнинная или холмистая с незначительными отклонениями в высотах, поэтому подземные воды имеют преимущественно сульфатно- гидрокарбонатно-кальциево-магниевый или натриевый состав, повышенную минерализацию [4].
При формировании гидротехногенных потоков необходимо учитывать и локальные и региональные факторы. К локальным факторам относятся характер и распределение остаточной минерализации полезного ископаемого в рудной и породной массе, находящейся в отвалах. К региональным факторам, проявляющимся на всех медно-колчеданных месторождениях Южного Урала, относят климат, морфолого-тектонические, общие особенности металлогении и химизма вод данной области.
Одним из важнейших условий формирования состава подземных вод является климат. Так, снижение температуры воздуха зимой сопровождается промерзанием почвы и изменением условий питания подземных вод. Повышение температуры весной сопровождается таянием снежного покрова и интенсивной инфильтрацией талых вод, наблюдается снижение минерализации подземных вод и увеличение содержания гидрокарбоната. В зимние месяцы во многих районах установлено повышение минерализации и изменение состава грунтовых вод, обусловленное отсутствием пополнения горизонта за счет атмосферных осадков. Сопоставление режимов уровня и химического состава грунтовых вод с характером выпадения атмосферных осадков показало, что осадки зимнего периода являются наиболее эффективными: как правило, весной под влиянием инфильтрации талых вод происходит снижение минерализации грунтовых вод. Однако резко континентальный климат вносит свои особенности, характерные только для районов Южного Зауралья, которые были изучены для полного представления механизма образования цинксодержащих техногенных вод.
Климат в местах расположения основных медно-колчеданных месторождений Южного Урала континентальный. Зима холодная с сильными ветрами. Лето жаркое, сухое. Среднегодовая температура воздуха в районе составляет примерно 3°С. Абсолютный максимум температуры около +38°С, минимум — минус 42°С.
Проведенные исследования показали, что в зимний период в связи с отсутствием пополнения запасов поверхностных и грунтовых вод за счет атмосферных осадков снижаются объемы сбросных шахтных и карьерных вод. Зависимость среднемесячной величины осадков и доли месячных осадков от месяцев года представлена на рис. 1. Подотвальные воды, питающиеся за счет осадков, с декабря по середину марта практически отсутствуют, сток перемерзает (рис. 1).
Низкая скорость естественного выщелачивания металлов из руды и слабый катионный обмен во вмещающих породах в холодный период приводят к снижению концентрации цинка (рис. 2).
Рис. 1. Зависимость среднемесячной величины осадков и доля месячных стоков в суммарном годовом объеме: 1 — среднемесячная величина осадков; 2 — подотвальная вода
Малая увлажненность местности, высокая температура, сильное испарение в летний период способствуют повышению общей минерализации подотвальных и поверхностных вод, кислотности среды и концентрации цинка в техногенных водах. Зависимости концентрации цинка и меди и кислотности от времени года представлены на рис. 2.
Рис. 2. Графики зависимости изменения концентрации катионов: 1 — рН; 2 — концентрация цинка, мг/дм3; 3 — концентрация меди, мг/дм3
Усиленный сток в период активного таяния снежного покрова способствует снижению общей минерализации как в шахтных, карьерных, так и в подотвальных водах.
Из-за большого разбавления талыми водами в период таяния снега минерализация стоков может составлять менее 10 г/дм3. Талые воды отличаются повышенным содержанием гидрокарбонат–иона, нейтральной средой, что ведет к замедлению процессов окисления сульфидной минерализации в отвалах и снижению концентрации ионов цинка в техногенных водах. Зависимость изменения концентрации ионов цинка от времени года (с 2003 по 2008 г.) представлена на рис. 3.
Рис. 3. Изменение концентрации цинка подотвальных вод Учалинского месторождения, в зависимости от сезонности с 2007 по 2012 г.: 1–2012 г.; 2–2011 г.; 3–2010 г.; 4–2009 г.; 5–2008 г.; 4–2007 г.
Фактор сезонности является главным фактором в формировании объемов водопритока.
На формирование природных и техногенных вод горнорудных предприятий большое влияние оказывают региональные и локальные факторы.
К региональным факторам, проявляющимся на всех медноколчеданных месторождениях Южного Урала, относят климат, морфолого-тектонические, общие особенности металлогении и химизма вод данной области. Локальные факторы индивидуальны для каждого рассматриваемого месторождения: характер залегания рудного тела, его минеральный состав, структурные и текстурные особенности, условия залегания и характер боковых пород при формировании подземных и грунтовых вод. При формировании поверхностных подотвальных вод к локальным факторам относится также характер и распределение остаточной минерализации полезного ископаемого в рудной и породной массе, находящейся в отвалах. Поэтому для исследования процессов, участвующих в формировании техногенных вод Бурибаевского, Учалинского, Сибайского и других медноколчеданных месторождений Южного Урала, изучается влияние региональных факторов.
Таким образом, проведенный анализ условий формирования гидротехногенных цинксодержащих георесурсов горнорудных предприятий медноколчеданного комплекса Южного Урала показал, что:
- на медноколчеданных месторождениях уральского региона под действием природных условий независимо от влияния техногенных факторов формируются кислые сульфатные воды, концентрация цинка в которых зависит от климатических явлений, от морфолого-тектонических факторов, литолого-минералогического состава рудных тел и вмещающих пород;
- качественный и количественный анализ техногенных вод, формирующихся на территории горнорудных предприятий, показал, что исследуемые рудничные воды характеризуются значительным различием по содержанию цинка и других сопутствующих компонентов. Поэтому с целью предотвращения разубоживания концентрированных марганецсодержащих вод необходимо проводить предварительное разделение образующихся техногенных потоков на цинксодержащие и условно чистые. Это позволит более эффективно и экономически выгодно извлекать цинк из гидротехногенных потоков.
Литература:
1. Абдрахманов Р. Ф., Ахметов Р. М. Влияние техногенеза на поверхностные и подземные воды Башкирского Зауралья и их охрана от загрязнения и истощения // Геологический сборник. 2006 № 6 Информационные материалы. С. 266–269.
2. Мишурина О. А., Медяник Н. Л. Комплексные исследования и технологические решения по извлечению марганца из гидротехногенных ресурсов ГОКов Южного Урала // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) = Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2009. № 8. С. 198–203.
3. Мишурина О. А., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р. Особенности химических способов извлечения марганца из технических растворов // Молодой учёный, 2013, № 3 С. 84–86.
4. Шадрунова И. В. Емельяненко Е. А. Влияние климатических условий на формирование медьсодержащих стоков горных предприятий/ Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: Материалы Междунар. науч.-техн. конференции. Екатеринбург, 2004. С.162–167.
