Моделирование процесса рекультивации подземных вод после

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПОСЛЕ
ЗАВЕРШЕНИЯ ОТРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО БЛОКА МЕСТОРОЖДЕНИЯ
УРАНА МЕТОДОМ ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ
Теровская Т.С., Кеслер А.Г., Носков М.Д.
ФГОУ ВПО «Северский технологический институт» НИЯУ МИФИ, г. Северск
E-mail: [email protected]
В настоящее время возрастают требования к экологической безопасности добычи
энергетического сырья. Одним из способов добычи урана, который оказывает минимальный вред
окружающей среде, является метод скважинного подземного выщелачивания (СПВ).
Методом скважинного подземного выщелачивания разрабатывают экзогенные
месторождения урана, в которых рудное тело находится в хорошо проницаемом подземном
водоносном горизонте (продуктивном горизонте). Добыча урана методом СПВ осуществляется
непосредственно в области залегания рудного тела путем создания системы технологических
скважин [1]. Извлечение урана из рудного тела происходит с помощью системы (откачных и
закачных) скважин, объединенных в технологические блоки. Через нагнетательные скважины в
продуктивный горизонт поступает выщелачивающий раствор, содержащий реагенты, способные
растворять урановые минералы. В результате физико-химического взаимодействия урановых
минералов и вмещающих пород с выщелачивающим реагентом в подземном водоносном
горизонте образуется содержащий уран продуктивный раствор, который извлекается на
поверхность с помощью откачных скважин.
В отличие от открытого и шахтного способов отработки месторождений, СПВ урана не
сопровождается образованием отвалов пород и хвостохранилищ, осушением подземных
водоносных горизонтов, образованием сбросных вод гидрометаллургических заводов и др. Таким
образом, метод СПВ оказывает наименьшее влияние на окружающую среду. Однако в процессе
СПВ происходит накопление загрязняющих веществ в продуктивном горизонте, как вследствие
нагнетания выщелачивающих растворов, так и в результате взаимодействии рудовмещающей
породы с выщелачивающими реагентами.
В связи с большими глубинами залегания рудных тел, непосредственное наблюдение за
распространением загрязнений существенно затруднено. Одновременное протекание сложных
взаимосвязанных физико-химических и гидродинамических процессов при СПВ урана делает
невозможным аналитический расчет распространения загрязняющих веществ в подземных водах.
В связи с этим, в настоящей работе для исследований экологической нагрузки на подземную
гидросферу в процессе СПВ и после его завершения и выработки методики проведения
природоохранных мероприятий, использовался специализированный программный комплекс [2].
Программный комплекс представляет собой многопоточное, многооконное проблемноориентированное
программное
обеспечение.
Комплекс
состоит
из
геологической
геоинформационной,
технологической
и
моделирующей
систем.
Геологическая
геоинформационная система предназначена для ввода, хранения, обработки и визуализации
пространственно-временных и атрибутивных данных, характеризующих состояние продуктивного
горизонта в рассматриваемой области. Технологическая система предназначена для ввода,
хранения и визуализации данных о работе добычного комплекса. Технологическая система
позволяет создавать, хранить и визуализировать цифровые модели технологических объектов
(блоков, ячеек, нагнетательных и откачных скважин). Моделирующая система состоит из двух
блоков и описывает гидродинамические и физико-химические процессы, происходящие в
продуктивном горизонте при сернокислотном СПВ урана. Гидродинамический блок включает в
себя расчет распределения давления, скорости фильтрации растворов, конвективного
массопереноса и гидродинамической дисперсии. Моделирование гидродинамических процессов
выполняется с учетом режимов работы технологических скважин, неоднородности
фильтрационных параметров продуктивного горизонта и регионального потока подземных вод. В
физико-химический блок включены расчеты процессов выщелачивания урана при взаимодействии
рабочего раствора с урановыми минералами, потерь серной кислоты в результате взаимодействия
с кислотопоглощающими минералами, растворения-осаждения минералов, гомогенных и
гетерогенных окислительно-восстановительных процессов, сорбции, комплексообразования.
Также в моделирующую систему входит база данных по кинетическим коэффициентам и
параметрам равновесия, протекающих в системе физико-химических процессов.
В настоящей работе для оценки экологической нагрузки на подземную гидросферу в
процессе СПВ и после его завершения и выработки методики проведения природоохранных
мероприятий, было произведено моделирование процесса СПВ урана на реальном
технологическом блоке.
По результатам моделирования выявлено, что после завершения эксплуатации
технологического блока, серная кислота быстро нейтрализуется и незначительно выходит за
контур блока. Уран в жидкой фазе распространяется на небольшие расстояния от блока (20 м на
момент окончания эксплуатации блока, ПДК – 1,4 мг/дм3, рисунок 5, а), т.к. переходит в твердую
фазу при нейтрализации кислоты. Сульфат ион имеет наибольшую миграционную способность и
распространяется на большие расстояния, чем уран и кислота (40…80 м на момент окончания
эксплуатации блока, ПДК – 500 мг/дм3, рисунок 4, а), таким образом, по распределению сульфат
иона можно судить о степени загрязнения подземных вод. В течение работы технологического
блока область его распространения возрастает. После окончания отработки блока, при отсутствии
проведения процесса рекультивации подземных вод, ореол сульфат иона сносится региональным
потоком, со временем его концентрация становится меньше из-за разбавления пластовыми
водами.
Несмотря на возможность самостоятельного восстановления продуктивного горизонта от
сульфат иона и прочих загрязняющих компонентов, в некоторых случаях целесообразно поводить
рекультивацию подземных вод. Одним из методов рекультивации является откачка загрязненных
растворов до достижения в продуктивном пласте концентраций загрязняющих компонентов
значений ниже ПДК.
Выявлено, что для обеспечения эффективной откачки загрязненных растворов
целесообразно использовать все откачные и нагнетательные скважины, расположенные в
направлении течения подземных вод, с последующим их отключением в процессе рекультивации
при достижении в откачных растворах скважины концентраций загрязняющих компонентов ниже
ПДК. Это обеспечивает наименьшее время процесса рекультивации, оптимальный объем
откачных растворов и затрат на эксплуатацию скважин. На рисунках 1, 2 и 3 приведены
гистограмма зависимости числа работающих скважин и графики зависимости объема откачных
растворов, концентраций урана и сульфат иона от времени процесса рекультивации.
Рисунок 1 – Зависимость количества работающих скважин от времени
Рисунок 2 – Временная зависимость суммарного дебита
Продолжительность процесса рекультивации составила 18 мес. До начала рекультивации
на технологическом блоке было добыто 188,5 т урана, затрачено 1270 т серной кислоты. За время
проведения рекультивации подземных вод дополнительно извлечено 4,9 т урана, 320 т серной
кислоты и 1354,7 т сульфат иона.
На приведенных ниже рисунках 4, 5 показана динамика распределения сульфат иона и
урана в жидкой фазе в процессе рекультивации подземных вод. Интервал времени составляет 6
месяцев, стрелкой показано направление регионального потока, скорость которого составляет
1,5 м/год, кружками показаны работающие в процессе рекультивации скважины.
Для разработки методики рекультивации подземных вод целесообразно применять методы
компьютерного моделирования, т.к., даже при достижении в откачных растворах загрязняющих
компонентов значений ниже ПДК при рекультивации, в областях расположенных между
скважинами, могут оставаться воды с превышенным содержанием загрязняющих веществ, а
достоверный количественный расчет распространения загрязненных растворов невозможен,
непосредственное наблюдение – затруднено.
Таким образом, работа геотехнологического предприятия приводит к незначительным
загрязнениям подземных вод. Области загрязнения определяются распространением сульфат иона,
т.к. этот компонент имеет максимальную миграционную способность. При необходимости
образовавшиеся загрязнения в процессе СПВ урана возможно удалить, откачав ври этом около
10 % от объема откачных растворов.
а)
б)
а) для одной из скважин ранее работающей на закачку;
б) для одной из скважин ранее работающей на откачку
Рисунок 3 – Зависимость концентраций урана и сульфат иона от времени процесса рекультивации
a)
в)
б)
г)
а) концентрация сульфат иона на момент окончания эксплуатации блока;
б) концентрация сульфат иона спустя 6мес после окончания работы блока;
в) концентрация сульфат иона спустя 12 мес.; г) концентрация сульфат иона спустя 18 мес.
Рисунок 4 – Распределения сульфат иона на разный момент времени
a)
в)
б)
г)
а) концентрация урана на момент окончания эксплуатации блока;
б) концентрация урана спустя 6мес после окончания работы блока;
в) концентрация урана спустя 12 мес.; г) концентрация спустя 18 мес.
Рисунок 5 – Распределения урана в жидкой фазе на разный момент времени
Список литературы
1 Мамилов В.А., Петров Р.П., Шушания Г.Р. и др. Добыча урана методом подземного
выщелачивания. – М.: Атомиздат, 1980. – 248 с.
2 Жиганов А.Н., Истомин А.Д., Носков М.Д. и др. Программный комплекс для
моделирования процесса подземного выщелачивания урана. – М.: Руда и металлы, 2005. – С. 297306.