Условия накопления сапонитсодержащих осадков и технология их сгущения в хвостохранилище месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учреждение Российской академии наук

Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Специальность 25.00.08 - "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Условия накопления сапонитсодержащих осадков и технология их сгущения в хвостохранилище месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова

Карпенко Федор Сергеевич

Москва - 2009 г.

Диссертационная работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте Геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, академик РАН Осипов Виктор Иванович

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Соколов Вячеслав Николаевич

кандидат геолого-минералогических наук, доцент Огородникова Елена Николаевна

Ведущая организация - Московский государственный горный университет, кафедра геологии

Защита состоится 29 сентября 2009 г. в 14 часов на заседании совета Д 002.048.01 по защите диссертаций при Учреждении Российской академии наук Институте Геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН по адресу: 109004, Москва, ул. Николоямская, д. 51.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждении Российской академии наук Институте Геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН по адресу: 101000, Москва, Уланский пер., д. 13, стр. 2.

Просим Вас присылать отзывы (в 2-х экземплярах), заверенные печатью учреждения, на имя ученого секретаря совета по адресу: 101000, Москва, Уланский пер., д. 13, стр. 2, а/я 145, e-mail: dissert@geoenv.ru, факс 623-18-86.

Введение

Актуальность исследований. В начале 1980-х годов была открыта Архангельская алмазоносная провинция (ААП). В административном отношении провинция находится на территории Приморского района Архангельской области, в 100 км к северу от г. Архангельска и связана с ним автомобильной дорогой. В географическом плане район ААП расположен в пределах западной части Беломоро-Кулойского плато. Архангельская алмазоносная провинция является первой на территории Европы, а по своим запасам - второй сырьевой базой алмазов в России после месторождений Якутской алмазоносной провинции. В настоящее время Архангельская алмазоносная провинция включает два месторождения алмазов - им. М.В. Ломоносова и им. В.П. Гриба. В 1987 г. были утверждены запасы месторождения им. М.В. Ломоносова, по размеру которых оно относится к разряду крупных месторождений. Результаты минералогических исследований алмазов, их сортировки и оценки свидетельствуют о высоком качестве сырья, в котором на долю ювелирного ряда приходится более 60 %. Все это делает освоение алмазных месторождений Архангельской провинции важным и значимым. В 2005 г. на трубке Архангельская начались опытно-промышленные работы по добыче алмазов. Методики и технологии, апробируемые здесь, будут использованы при дальнейшем освоении других трубок месторождения. В связи с этим особое значение приобретает изучение особенностей его строения, оказывающих влияние на процесс его разработки.

Месторождение им. М.В. Ломоносова включает десять кимберлитовых трубок - Снегурочка, Архангельская, им. Карпинского-1, им. Карпинского-2, Пионерская, Поморская, им. Ломоносова, Кольцовская, Белая и Первомайская. Слагающие трубки породы имеют не совсем обычный состав и значительно отличаются от типичных кимберлитов Якутии и Южной Африки. Одна из важных особенностей состава - очень незначительное содержание в породах, слагающих трубки, минералов-спутников алмаза - пиропа и пикроильменита при повышенных содержаниях хромшпинелидов. Уже в середине 1980-х годов было обращено внимание на уникальность месторождения им. М.В. Ломоносова, обусловленную, с одной стороны высоким качеством алмазного сырья, и, с другой стороны, тем, что породы трубок месторождения практически полностью замещены глинистыми минералами (преимущественно сапонитом), а не представляют собой твердые массивные породы, как, например, в трубках Якутской провинции. Работы, проведенные в 2003-2005 гг. Институтом геоэкологии РАН (ИГЭ РАН) на трубке Архангельская, показали, что содержание сапонита в породах жерловой фации трубки практически не изменяется с глубиной и составляет около 90 %. В связи с этим крайне важно оценить, какое влияние оказывает сапонит на процесс переработки руды и дальнейшего складирования хвостов ее обогащения.

Сапонит (так называемый "мыльный камень") - высокомагнезиальный глинистый минерал, триоктаэдрический смектит, в структуре которого находятся 1-2 монослоя воды. Высокая физико-химическая активность сапонита приводит к тому, что в водной среде он образует тонкодисперсную суспензию, имеющую в естественных условиях очень низкие скорость седиментации и плотность образующегося осадка. В то же время, благодаря своему составу и свойствам, сапонит является минералом, который может широко применяться в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. сапонит минерал алмазный

Технологический процесс переработки руды построен таким образом, что после обогащения вмещающие породы, содержащие большое количество сапонита, смешиваются с водой, перемещаются по пульпопроводам и затем складируются в хвостохранилище, ограждающие дамбы которого намываются из этих же пород. Крайне низкая плотность сапонитового осадка вынуждает периодически увеличивать объем и площадь хвостохранилища в процессе разработки месторождения, что негативно влияет на экологическую обстановку и увеличивает риск загрязнения окружающей среды. Отлагаясь в породах, слагающих намывные дамбы, сапонит ухудшает их прочностные свойства, что ведет к снижению устойчивости дамб. Низкая скорость осаждения сапонитовой суспензии делает невозможным осветление воды в количестве, необходимом для обеспечения оборотного технологического водоснабжения, что требует увеличения количества дополнительной воды, вовлекаемой в технологический процесс.

Цели и задачи исследований. Перечисленные выше вопросы определяют основную цель исследования - изучение влияния сапонита на свойства вмещающих пород, выявление закономерностей изменения его свойств при технологической переработке кимберлитовой руды для разработки способа ускоренного осаждения и уплотнения (сгущения) осадка сапонита и его дальнейшего складирования. Решение этих проблем позволит учитывать изменение устойчивости грунтов при проектировании гидротехнических сооружений, максимально уменьшить площади хвостохранилищ, снизить тем самым неблагоприятное воздействие на природную среду при разработке месторождений. Это решение возможно лишь на основе изучения внутреннего строения отложений, накапливающихся в хвостохранилище, преобладающих в них типов структурных связей, физико-химических процессов, вызывающих их осаждение и уплотнение.

Для достижения этих целей необходимо решить следующие задачи:

- изучить строение и состав хвостов обогащения кимберлитовой руды, накапливающихся в пляжной и прудковой частях хвостохранилища;

- определить основные физико-химические процессы, происходящие в этих отложениях при привнесении туда сапонита - основного минерала, слагающего трубки месторождения;

- оценить влияние этих процессов на изменение физических и механических свойств отложений;

- найти оптимальные виды воздействия на пульпу, позволяющие вызвать ускоренную седиментацию и уплотнение ее твердой фазы;

- оценить возможности и разработать методику их практического применения.

Объект исследования. В процессе исследований изучались техногенные грунты - хвосты обогащения кимберлитовой руды, складируемые в хвостохранилище 1-ой очереди Ломоносовского ГОКа. Хвостохранилище является опытно-промышленным участком, на котором опробуются технологии, которые будут впоследствии применены при дальнейшей разработке месторождения. Хвосты обогащения, поступая в хвостохранилище, откладываются там в его пляжной и прудковой зонах. В пляжной зоне откладываются наиболее крупные фракции пород, которые формируют собственно пляж и ограждающие дамбы - т.н. защитный экран из хвостов. Наиболее тонкая фракция пород поступает и скапливается в прудковой части хвостохранилища, постепенно заполняя его.

Информационная база исследований. Основой для проведения данных исследований послужили результаты, полученные в ходе научно-исследовательских работ, проведенных в Институте геоэкологии Российской академии наук (ИГЭ РАН) на хвостохранилище Ломоносовского ГОКа в 2005-2007 гг., исполнителем которых являлся автор. В ходе работ были проведены полевые исследования (в 2005, 2006 и 2007 гг.), включавшие непосредственно геологические наблюдения и отбор проб, лабораторные исследования и обработка полученных материалов. За основу при проведении исследований были взяты методики испытаний и результаты, полученные при проведении научно-исследовательских работ ИГЭ РАН в 2003-2005 г.г. (В.И. Осипов и др., 2005) на трубке Архангельская месторождения им. М.В. Ломоносова и в расположенном в 5 км от нее хвостохранилище Поморского ГОКа. Также в настоящих исследованиях широко использовались многочисленные материалы по геологическому строению ААП и региона в целом, опубликованные в литературе.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

- изучено строение пляжной зоны хвостохранилища на трубке Архангельская месторождения им. М.В. Ломоносова, определены состав, физические и механические свойства слагающих ее отложений, показано, что эта зона сложена песчано-глинистыми породами, содержащими наряду с зернами песка глинистые микроагрегаты;

- установлены основные закономерности влияния сапонита на физические и прочностные свойства пород пляжной зоны, дан прогноз возможного изменения их свойств при дальнейшей эксплуатации месторождения, показано, что увеличение объема хвостохранилища приведет к снижению устойчивости ограждающих дамб;

- изучено строение прудковой части хвостохранилища и оценено его изменение по мере заполнения последнего;

- предложен оптимальный состав флокулянтов для ускоренного осаждения сапонита в прудковой зоне и осветления оборотной воды;

- на основе анализа физико-химических процессов взаимодействия частиц в дисперсной системе сапонит - вода предложен способ уплотнения (сгущения) осадка сапонита и его обезвоживания при циклическом замораживании - оттаивании суспензии и методика практического применения этого способа.

Основные защищаемые положения.

1. Пляжная зона и ограждающие дамбы хвостохранилища сложены намывными песчано-глинистыми породами. В составе намывных пород наряду с песчаными зернами присутствуют микроагрегаты глинистых минералов, обусловливающие их физические и механические свойства. Проведенные исследования показали, что присутствие сапонита в намывных отложениях отрицательно влияет на устойчивость дамб. Дополнительная нагрузка на дамбы при увеличении глубины хвостохранилища приведет к еще большему снижению их устойчивости. Это свидетельствует о том, что в процессе эксплуатации хвостохранилища, при увеличении глубины за счет наращивания высоты ограждающих дамб, снижается его экологическая безопасность.

2. В прудковой части хвостохранилища происходит быстрое накопление водной суспензии, дисперсная фаза которой состоит преимущественно из сапонита. Из-за развитого диффузного слоя частицы сапонита обладают высокой устойчивостью в водной среде - образующаяся суспензия характеризуется высокой устойчивостью и медленной седиментацией, при которой образуется очень рыхлый осадок. Суспензия может длительное время находиться в неосветленном состоянии, что приводит, с одной стороны, к нехватке осветленной воды для обеспечения оборотного водоснабжения, с другой - к быстрому заполнению прудковой части суспензией и слабоуплотненным осадком сапонита, объем которых может в 4 - 5 раз превысить запроектированный объем хвостохранилища.

3. Применение флокулянтов для осветления воды позволяет значительно увеличить скорость седиментации сапонита. Проведенные исследования эффективности действия флокулянтов позволили выделить их оптимальные марки и концентрации. При этом действие флокулянтов позволяет лишь незначительно повысить плотность образующего осадка, т.е. их применение позволит решить проблему ускоренного осветления оборотной воды, но практически не влияет на уменьшение объема осадков в хвостохранилище.

4. Уплотнение (сгущение) осадка сапонита и его дальнейшая утилизация возможна при замораживании и последующем оттаивании суспензии в прудковой части хвостохранилища, приводящему к разрушению диффузного слоя минеральных частиц, их агрегации и образованию ближних коагуляционных связей. При этом образуется осадок сапонита с плотностью скелета в 4 раза превышающей исходную, который может извлекаться из хвостохранилища и складироваться в специальных картах-хранилищах, где будет происходить его последующая дегидратация и консолидация.

5. Для реализации метода осаждения сапонита при замораживании - оттаивании суспензии предложена технологическая схема хвостохранилища, реализация которой позволит максимально снизить объем осадков в хвостохранилище и нагрузку на ограждающие дамбы, увеличить объем и скорость образования осветленной воды, утилизировать образующийся осадок, повысив тем самым экологическую безопасность хвостохранилища, используя лишь климатические условия района, без дополнительных энергозатрат.

Практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований позволят учитывать изменение устойчивости ограждающих дамб при проектировании новых хвостохранилищ, в частности 2-ой очереди Ломоносовского ГОКа. Применение предложенного способа уплотнения и обезвоживания осадка сапонита (в горном деле называемом сгущением хвостов) при замораживании - оттаивании суспензии в прудковой части значительно снизит объем хвостохранилища, необходимый для разработки месторождений. Все это позволит снизить риск неблагоприятного экологического воздействия на окружающую среду. Сгущение осадка сапонита и его последующая консолидация даст возможность его утилизации и дальнейшего использования в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Апробация результатов исследований. Основные результаты, полученные в ходе исследований, вошли в научно-технический отчет по работам, проведенным ИГЭ РАН на хвостохранилище Ломоносовского ГОКа в 2005-2007 гг. Кроме этого, результаты проведенных исследований были представлены к обсуждению на Сергеевских чтениях (Москва, ИГЭ РАН, 2007 г., в соавторстве с Евтюшиным А.С.) и секции "Геоэкология" Всероссийской конференции "Актуальные проблемы экологии и природопользования" 2008 г. на экологическом факультете Российского университета дружбы народов (в соавторстве с Цзян Чень, КНР). По результатам работ была опубликована статья в ведущем рецензируемом журнале, определенном ВАК.

Автор выражает глубокую благодарность академику РАН В.И. Осипову, под руководством которого проводились исследования, подготовка и написание работы. Также автор выражает благодарность за проведенные специальные исследования при выполнении работы ст.н.с. ИГЭ РАН к.г.-м.н. А.А. Каздыму, исследовавшего минералогический состав намывных пород в специально изготовленных шлифах, ст.н.с. кафедры геокриологии МГУ, к.г.-м.н. Р.Г. Мотенко, проводившей специальные исследования теплофизических свойств суспензии сапонита и доценту кафедры геокриологии МГУ, к.г.-м.н. С.Ю. Пармузину, выполнившему теплофизический расчет модели хвостохранилища. Искреннюю благодарность автор приносит сотрудникам лаборатории "Изучения состава и свойств грунтов" ИГЭ РАН за неоценимую помощь в решении теоретических вопросов и проведении экспериментальных исследований при подготовке работы. Особую признательность автор испытывает к к.г.-м.н. В.Г. Шлыкову, к сожалению безвременно ушедшему из жизни, результаты рентгенографических исследований которого послужили основой многих положений данной работы.

Содержание работы

Работа состоит из введения, 5-ти основных глав и заключения. Во введении даются основные сведения об объекте исследований, его актуальности, определяются основные цели и задачи исследований, их информационная база, показываются научная новизна и практическая значимость проведенных работ, приводятся данные об апробации их результатов, сформулированы основные защищаемые положения.

В главе 1 приводится литературный обзор, посвященный геологическому строению Архангельской алмазоносной провинции, входящих в нее месторождений им. М.В. Ломоносова и В. Гриба, рассматривается строение и состав кимберлитовых трубок, слагающих месторождение им. М.В. Ломоносова, история и схема его разработки.

В главе 2 описывается строение и свойства сапонита, возможности его практического использования, условия его залегания в породах трубки Архангельская и накопления в прудковой части хвостохранилища.

В главе 3 дается описание строения пляжной зоны хвостохранилища. Рассматривается состав и свойства накапливающихся здесь отложений, дается прогноз их изменения в процессе эксплуатации.

В главе 4 рассматривается строение прудковой части хвостохранилища, его изменение за время эксплуатации. Приводятся основные положения теории взаимодействия частиц в дисперсной системе, на основе которой определяются закономерности образования и накопления суспензии сапонита, рассматриваются возможные механизмы образования и уплотнения осадка из нее. Приводятся результаты экспериментальных исследований по осаждению сапонита с применением концентрационной коагуляции, флокуляции, воздействия электрическим током и метода температурного воздействия (замораживания - оттаивания суспензии).

В главе 5 приводится термодинамический расчет возможности замораживания - оттаивания суспензии сапонита в хвостохранилище в местных природных условиях. На основании проведенного расчета предлагается технологическая схема хвостохранилища, реализация которой позволит повысить экологическую безопасность хвостохранилища, используя лишь климатические условия района, без дополнительных энергозатрат.

В заключении сформулированы основные выводы из проведенной работы.

Объем работы составляет 155 страниц, включая 61 рисунок, 22 таблицы и список литературы из 141 наименования.

Первое защищаемое положение.

Пляжная зона и ограждающие дамбы хвостохранилища сложены намывными песчано-глинистыми породами. В составе намывных пород наряду с песчаными зернами присутствуют микроагрегаты глинистых минералов, обусловливающие их физические и механические свойства. Проведенные исследования показали, что присутствие сапонита в намывных отложениях отрицательно влияет на устойчивость дамб. Дополнительная нагрузка на дамбы при увеличении глубины хвостохранилища приведет к еще большему снижению их устойчивости. Это свидетельствует о том, что в процессе эксплуатации хвостохранилища, при увеличении глубины за счет наращивания высоты ограждающих дамб, снижается его экологическая безопасность.

Пляжная зона и ограждающие дамбы хвостохранилища сложена продуктами техногенной переработки кимберлитовых пород трубки "Архангельская". Эта толща не является однородной и сложена отложениями, по своему гранулометрическому составу соответствующими песчаным грунтам размерностью от пылеватых до крупных. Основная часть пляжной зоны сложена красновато-коричневыми рыхлыми отложениями, по своему гранулометрическому составу являющимися песками средней крупности и крупными, постоянно чередующимися как сверху вниз по разрезу, так и вдоль и вкрест простирания. В их минералогическом составе преобладает кварц (79 %), доломит (9 %), кальцит и микроклин (2 %), сапонит, встречаются гетит и каолинит, серпентин и серпентинизированный оливин. Физические и механические свойства отложений, слагающих пляжную зону, приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Физические и механические свойства отложений пляжной зоны

Влажность W, %

Плотность с, г/см 3

Плотность скелета грунта сd, г/см 3

Коэффициент пористости, д.е.

Степень водонасыщения, д.е.

Модуль общей деформации Ео, МПа

Прочность

Коэффициент фильтрации Kf, см/с

Коэффициент консолидации Cv, см 2/с

В тотальных напряжениях

В эффективных напряжениях

Угол внутреннего трения ц, град

Сцепление С, кПа

Угол внутреннего трения ц, град

Сцепление С, кПа

22,6

1,77

1,44

0,919

0,68

3,6

21

14

25

14

2,61·10-6

2,51·10-1

После сброса пульпы часть сапонита, содержащегося в ней, осаждается в пляжной зоне хвостохранилища. В процессе разработки месторождения его содержание в намывных отложениях увеличивается и может достигать 20 %. Концентрация сапонита оказывает значительное влияние на изменение свойств отложений пляжной зоны. Изменение физических свойств отложений показано на рис. 1 и в таблице 2.

Рис. 1. Зависимость физических свойств намывных отложений пляжной зоны хвостохранилища от содержания сапонита

Таблица 2.

Изменение физических свойств грунтов при добавлении в них сапонита

Содержание сапонита, %	Влажность W, %	Плотность с, г/см 3
0	22,6	1,77
5	27,7	1,77
10	34,8	1,76
20	51,9	1,69

Наиболее существенно при добавлении сапонита к намывным грунтам изменяется их влажность (более чем в 2 раза), при этом грунты становятся полностью водонасыщенными. Увеличение влажности грунтов приводит к уменьшению их прочности, что показано на рис 2. и в таблице 3.



Рис. 2. Изменение прочностных свойств намывных отложений пляжной зоны при изменении влажности

Таблица 3.

Зависимость прочностных свойств грунтов от влажности

влажность, %	прочностные свойства
	тотальные напряжения	эффективные напряжения
	угол внутреннего трения, ц,?	сцепление, КПа	угол внутреннего трения, ц,?	сцепление, КПа
22,6	21	14	25	14
27,7	19	11
34,8	18	8
51,9	18	3	18	3

Из приведенных материалов видно, что увеличение влажности намывных отложений, вызванное присутствием в них сапонита, обладающего аномально высокой влажностью, приводит к снижению их прочности, выражающемуся в некотором уменьшении угла внутреннего трения и значительном снижении сцепления.

Такое изменение свойств не характерно для песчаных грунтов, которым по своему гранулометрическому составу соответствуют рассматриваемые отложения. Общеизвестно, что сами по себе пески характеризуются низкими значениями сцепления. При добавлении в них глинистой составляющей (в данном случае сапонита) происходит увеличение количества контактов между минеральными частицами и увеличение связности системы. Это в свою очередь приводит к росту сцепления грунта. В случае добавления сапонита в намывные отложения наблюдается другой характер изменения сцепления - при увеличении глинистой составляющей оно падает. Очевидно это вызвано тем, что с увеличением глинистой составляющей в отложениях пляжной зоны происходит снижение плотности системы (уменьшение количества контактов) и значительное увеличение влажности осадка. Вода, попадая в намывные отложения при добавлении в них сапонита, располагается между минеральными частицами грунта, ослабляя связи между ними, что приводит к уменьшению сцепления между частицами и, соответственно, снижению прочности осадка.

Эксплуатация месторождения в существующем ныне технологическом цикле неминуемо приводит к необходимости постоянного увеличения емкости хвостохранилища. В настоящий момент оно происходит за счет увеличения глубины, т.е. путем наращивания высоты ограждающих дамб. Увеличение глубины хвостохранилища и объема складируемых там хвостов увеличит нагрузку на ограждающие дамбы, т.е. на грунты, слагающие их, будет действовать добавочное давление. Намывные грунты, содержащие сапонит, являются полностью водонасыщенными, следовательно добавочное давление будет воздействовать на содержащуюся в них поровую воду, вызывая избыточное поровое давление в грунтах. Повышение уровня воды в хвостохранилище также может привести к дополнительному повышению порового давления в грунтах, слагающих дамбы, за счет капиллярного поднятия воды. Повышение порового давления в дисперсных грунтах должно приводить к снижению эффективного давления, и следовательно к уменьшению прочности и устойчивости дисперсной системы. Изменение прочностных свойств грунтов при различном избыточном поровом давлении показано на рис. 3.



Рис. 3. Изменение прочностных свойств намывных грунтов при различном избыточном поровом давлении (уw)

Полученные результаты показывают, что увеличение порового давления приводит к снижению значений сцепления и угла внутреннего трения, что приведет к уменьшению прочности намывных грунтов, слагающих ограждающие дамбы и, следовательно, снижению их устойчивости при подъеме уровня хвостохранилища.

Проведенные исследования свойств намывных грунтов пляжной зоны хвостохранилища Ломоносовского ГОКа позволяют сделать следующие выводы.

Переработанные вмещающие породы, складирующиеся в пляжной зоне хвостохранилища при разработке месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова, обладают специфическими свойствами, отличающими их от обычных песчаных пород. Эти особенности связаны с минералогическим составом пород, в котором присутствуют глинистые минералы. Значительное влияние на прочность намывных пород оказывает их водная составляющая. Добавление в намывные породы сапонита приводит к значительному (более чем в 2 раза) увеличению их общей влажности. Вода при этом располагается между частицами и ослабляет связи между ними, что приводит к снижению прочности пород. Кроме того, возникающее в грунтах при увеличении высоты дамб поровое давление, еще более уменьшает прочность пород.

Второе защищаемое положение.

В прудковой части хвостохранилища происходит быстрое накопление водной суспензии, дисперсная фаза которой состоит преимущественно из сапонита. Из-за развитого диффузного слоя частицы сапонита обладают высокой устойчивостью в водной среде - образующаяся суспензия характеризуется высокой устойчивостью и медленной седиментацией, при которой образуется очень рыхлый осадок. Суспензия может длительное время находиться в неосветленном состоянии, что приводит, с одной стороны, к нехватке осветленной воды для обеспечения оборотного водоснабжения, с другой - к быстрому заполнению прудковой части суспензией и слабоуплотненным осадком сапонита, объем которых может в 4 - 5 раз превысить запроектированный объем хвостохранилища.

Основная часть глинистого материала, содержащегося в хвостах после обогащения кимберлитовой руды, после сброса в хвостохранилище накапливается в его прудковой зоне. По принятой технологической схеме здесь должно происходить осаждение минерального осадка и осветление оборотной воды (рис. 4).

Рис. 4. Схема складирования хвостов в прудковой зоне хвостохранилища Ломоносовского ГОКа

В реальности складывается совершенно другая ситуация, показанная на рис. 5. В связи со специфическими физико-химическими свойствами сапонита, преобладающего в этой фракции отложений хвостов, его осаждение практически не происходит, а образуется суспензия, обладающая крайне малой плотностью и высокой пористостью, очень медленно осаждающаяся в естественных условиях. Лишь незначительная часть материала, попадающего в прудковую часть хвостохранилища, осаждается в виде донных осадков.

Рис. 5. Схема распределения хвостов в прудковой зоне хвостохранилища Ломоносовского ГОКа (по состоянию на июль 2007 г.)

Основная часть хвостохранилища занята суспензией сапонита. Минералогический состав суспензии следующий - сапонит (87 %), кварц (5 %), иллит (3 %) и каолинит (2 %). Строение прудковой зоны по состоянию на апрель 2006 г. показано на рис. 6.



Рис. 6. Строение прудковой зоны хвостохранилища Ломоносовского ГОКа. Апрель 2006г.

До глубины 1,8 м хвостохранилище было занято полностью осветленной водой. Ниже, до глубины ~ 2,7 м находилась суспензия с плотностью скелета менее 0,1 г/см 3, которую можно назвать условно осветленной водой. Ниже, до глубины 5,2 м, хвостохранилище было заполнено суспензией со средней плотностью скелета 0,13 г/см 3.

В июле 2007 г. ситуация значительно изменилась. Строение прудковой зоны на этот период показано на рис. 7. Полностью осветленная вода уже отсутствовала. Зона условно осветленной воды распространялась до глубины 1,1 м. Основная часть прудковой зоны хвостохранилища до глубины 6,5 м была занята суспензией со средней влажностью 630 %, плотностью скелета 0,18 г/см 3 и пористостью 97 %. При этом общий уровень прудковой зоны повысился с абсолютной отметки 111 м в 2006 г. до 113 м в 2007 г. Такое изменение ситуации несомненно связано с увеличением общего количества сапонита в хвостохранилище в процессе разработки месторождения.



Рис. 7. Строение прудковой зоны хвостохранилища Ломоносовского ГОКа. Июль 2007 г.

Результаты проведенных ранее исследований свойств суспензии сапонита (А.А. Чистяков, 1994, В.И. Осипов и др., 2005) показывают, что максимальная величина плотности скелета, до которой осадок сапонита может уплотниться в естественных условиях за обозримый период времени ~ 0,2 г/см 3.

Средняя плотность скелета суспензии, накапливающейся в прудковой части хвостохранилища Ломоносовского ГОКа по состоянию на июль 2007 г. составляет 0,18 г/см 3. Глубина слоя суспензии с плотностью скелета менее 0,2 г/см 3, то есть область, в которой естественное осаждение сапонита еще может происходить, составляет < 3 м. Эти данные свидетельствуют о том, что в существующих ныне условиях не будет происходить ни осветления оборотной воды, ни сколько-нибудь значительного уменьшения объема осадка в прудковой части водохранилища. При этом скорость осаждения сапонита в естественных условиях крайне мала (по результатам исследований она составляет около 1 мм в сутки или около 0,4 м в год).

Проведенный расчет показал, что коэффициент разуплотнения при разработке месторождения составляет 4, т.е. объем хвостов, накапливающийся в хвостохранилище в 4 раза превышает объем извлеченной руды.

С учетом всего сказанного, уже в ближайшее время возникнет необходимость нового повышения уровня хвостохранилища, которое не сможет вместить все увеличивающееся количество сапонита, поступающего в него (по проведенным расчетам объем осадков в пляжной и прудковой зонах может в 4 - 5 раз превысить запроектированный объем хвостохранилища), что в конечном итоге приведет к снижению устойчивости ограждающих дамб. Выходом из сложившейся ситуации может быть уменьшение объема осадка, накапливающегося в прудковой части хвостохранилища за счет его уплотнения и обезвоживания (сгущения).

Третье защищаемое положение.

Применение флокулянтов для осветления воды позволяет значительно увеличить скорость седиментации сапонита. Проведенные исследования эффективности действия флокулянтов позволили выделить их оптимальные марки и концентрации. При этом действие флокулянтов позволяет лишь незначительно повысить плотность образующего осадка, т.е. их применение позволит решить проблему ускоренного осветления оборотной воды, но практически не влияет на уменьшение объема осадков в хвостохранилище.

Соединяясь с водой, сапонит образует суспензию, чрезвычайно медленно осаждающуюся и образующую осадок, имеющий очень низкую плотность и высокую пористость. Это может быть объяснено, очевидно, следующим образом. Частицы сапонита, обладающие очень высоким поверхностным ш-потенциалом, при попадании в дисперсную среду (в данном случае воду) образуют двойной электрический слой с развитым диффузным слоем. При этом электростатические силы отталкивания превышают молекулярные силы притяжения между частицами. Развитый диффузный слой (большая толщина ионной атмосферы) не позволяет частицам сблизиться между собой и образовать коагуляционный контакт. Исходя из этого, становится понятно, что для решения задачи осаждения осадка сапонита из суспензии надо преодолеть действие сил отталкивания между частицами, не позволяющих им сблизиться на расстояния, при которых между частицами начнут действовать силы притяжения. Для этого потребуется приложить к ним дополнительную энергию, которая понизит величину энергетического барьера и позволит частицам сапонита сблизиться между собой. Следовательно, для возникновения структурных связей в суспензии сапонита необходимо приложить к ней дополнительную энергию для того, чтобы разрушить гидратные пленки между частицами. Существует несколько способов приложения такой энергии - это введение в дисперсную систему коагулянтов или флокулянтов, воздействие на нее различными физическими полями (электрическим, магнитным), механическое воздействие (применение ультразвука, центрифугирование и др.), температурное воздействие. В горном деле для этого (сгущения хвостов) наиболее широко используются методы флокуляции и коагуляции.

Чтобы определить эффективность различных методов сгущения осадка сапонита, были проведены экспериментальные исследования. Всего было изучено действие 18 флокулянтов различного типа, неорганических коагулянтов AlCl3 и Al2SO4, а также воздействие электрического и магнитного полей.

Проведенные исследования показали, что применение флокулянтов значительно сокращает время образования осадка сапонита, но не приводит к существенному увеличению его плотности и уменьшению пористости, которые практически не отличаются от характеристик осадка, образующегося в естественных условиях. То есть действие флокулянтов ускоряет процесс уплотнения частиц суспензии сапонита под действием силы тяжести, но не может преодолеть действия сил отталкивания между частицами и сблизить их на расстояние, на котором может проявиться действие сил притяжения. Образующийся осадок не стабилен, при перемешивании опять образуется водная суспензия.

Наиболее эффективным для осветления воды оказалось действие анионных флокулянтов серии Праестол, производимых на Пермской фабрике компании "Москва - Штокхаузен - Пермь" № 2540 и фирмы Ciba серии Magnаfloc - Magnаfloc 156 в концентрации 0,005 - 0,0005 %. При концентрации флокулянтов 0,005 % увеличивается скорость опускания фронта флокуляции, но их концентрация 0,0005 % приводит к меньшим значениям условно конечного седиментационного объема осадка. Средняя скорость осаждения суспензии сапонита при применении флокулянтов Праестол № 2540 и Magnafloc 156 при концентрации 0,005 % составляет 30 см/час, при концентрации 0,0005 % - 25 см/час. Применение флокулянтов для осветления оборотной воды потребует минимального количества реагента, концентрация которого может варьировать в широком диапазоне (0,005-0,0005 %), что облегчает управление технологическим процессом осветления и снижает вероятность его сбоев в случае изменения технологических условий, количества и состава исходной пульпы и т.п.

Таким образом, можно говорить о том, что применение флокулянтов позволяет значительно ускорить осаждение суспензии (скорость почти в 6000 раз превышает скорость осаждения в естественных условиях), но не может решить проблему уплотнения осадка и уменьшения его объема. Средняя плотность скелета осадка при применении флокулянтов Праестол № 2540 и Magnafloc 156 при концентрации 0,005 % составляет 0,20 г/см 3, при концентрации 0,0005 % - 0,24 г/см 3, что лишь незначительно превышает плотность осадка, образующегося в естественных условиях.

Четвертое защищаемое положение.

Уплотнение (сгущение) осадка сапонита и его последующая утилизация возможна при замораживании и последующем оттаивании суспензии в прудковой части хвостохранилища, приводящему к разрушению диффузного слоя минеральных частиц, их агрегации и образованию ближних коагуляционных связей. При этом образуется осадок сапонита с плотностью скелета в 4 раза превышающей исходную, который может извлекаться из хвостохранилища и складироваться в специальных картах-хранилищах, где будет происходить его последующая дегидратация и консолидация.

Проведенные исследования показали, что обычные физико-химические методы, широко используемые в горном деле для сгущения хвостов, не позволяют решить проблему уплотнения и обезвоживания осадка сапонита. Решить ее можно с помощью температурного воздействия. Один возможный способ температурного воздействия - высушивание суспензии. Его применение потребует значительных дополнительных затрат (энергетических, создание специальных сушилок, измельчителей и т.п.). Другой возможный способ - учитывая особенности местного климата использовать действие на суспензию сапонита отрицательной температуры, т.е. ее замораживание.

Для изучения вопроса о том, как действие отрицательной температуры будет влиять на структурообразование сапонитовой суспензии, было проведено несколько серий опытов. В этих опытах моделировались различные условия замораживания и оттаивания, которые могут возникать в условиях местного климата. Испытаниям подвергались образцы естественной суспензии, отобранные в хвостохранилище.

В первой серии образцы суспензии подвергались многократному замораживанию и оттаиванию в быстром режиме. После окончания опытов измерялась влажность осадка, определялась его плотность скелета и пористость. Всего было выполнено более 50 опытов. Результаты испытаний, представленные в таблице 4, позволяют сделать следующие выводы. При промерзании сапонитовой суспензии происходит отделение воды от минеральной части и образование льда. Минеральная часть суспензии при оттаивании выпадает в осадок, который даже при перемешивании уже не соединяется с водой (взбалтывается и после этого быстро оседает). При многократном замораживании происходит постепенное уплотнение осадка, причем фактор многократности сказывается тем меньше, чем ниже температура замерзания. Средняя плотность скелета образовавшегося осадка составляет 0,53 г/см 3, что почти в 3 раза больше, чем плотность скелета начальной суспензии. Также важным является то, что испытания проводились в условиях быстрого замораживания и оттаивания, т.е. в условиях, когда в дисперсных породах могут формироваться наименее прочные связи и наиболее рыхлая структура.

Таблица 4

Основные физические свойства осадка сапонита, образованного при многократном замораживании - оттаивании суспензии

Температура замораживания, °С	Физические свойства осадка
	Влажность W, %	Плотность скелета сd, г/см 3	Пористость n, %
- 3,5	180,0	0,46	83,5
- 5	147,5	0,46	83,6
- 7	145,5	0,51	81,4
- 10	134,1	0,59	78,6
- 15	125,6	0,62	77,4
Среднее	146,7	0,53	80,9

Во второй сери опытов изучалась фильтрация воды из осадка сапонита при оттаивании. Результаты испытаний, приведенные в таблице 5, показывают, что возможность оттока воды из осадка сапонита приводит к его дальнейшему уплотнению, конечная плотность скелета осадка составляет 0,74 г/см 3, что более чем в 4 раза превышает среднюю плотность скелета исходной суспензии.

Таблица 5

Основные физические свойства осадка сапонита, образованного при многократном замораживании - оттаивании суспензии и последующей фильтрации воды из него

Влажность W, %	Плотность скелета сd, г/см 3	Пористость n, %	Коэффициент фильтрации Kf, м/с
98,9	0,74	73,2	1,83·10-4

Исследования консолидационных свойств сапонита, проведенные в третьей серии опытов, показали, что полученный в процессе циклического замораживания - оттаивания осадок способен консолидироваться под незначительной дополнительной нагрузкой. Результаты испытаний приведены в таблице 6.

Таблица 6

Основные физические свойства консолидированного осадка сапонита

Вертикальная нагрузка, МПа	Влажность W, %	Плотность скелета сd, г/см 3	Коэффициент пористости е, д.е.	Пористость n, %	Коэффициент фильтрации Kf, м/с	Коэффициент консолидации Cv, см 2/с
0,001	90,1	0,876	2,674	68,4	6,06·10-5	1,01·10-3
0,002	78,7	0,968	2,373	65,1	4,04·10-5	4,52·10-4
0,003	74,7	0,992	2,265	64,2	2,67·10-5	4,04·10-4
0,004	72,0	1,021	2,192	63,2	4,24·10-6	2,80·10-4
0,005	69,3	1,045	2,187	62,3	2,23·10-6	2,09·10-4
0,006	66,9	1,074	2,125	61,2	9,97·10-7	1,83·10-4
0,007	65,4	1,090	2,020	60,6	8,66·10-7	1,59·10-4
0,008	64,4	1,104	1,991	60,2	5,38·10-7	1,57·10-4

Эти испытания показали, что осадок сапонита, образованный в процессе замораживания - оттаивания, обладает способностью к дальнейшему уплотнению под действием дополнительной нагрузки, то есть при воздействии температурного фактора сапонитовая суспензия структурируется и приобретает свойства, присущие связным дисперсным грунтам. Плотность скелета осадка, полученного при замораживании - оттаивании суспензии превышает плотность скелета исходной суспензии ~ в 3 раза, после фильтрации воды - более чем в 4, а после консолидации осадка - более чем в 6 раз. Пористость осадка уменьшается с 97 % до 81, 73 и 60 % соответственно.

В целом, проведенные испытания доказали принципиальную возможность образования осадка сапонита из суспензии при ее замораживании и последующем оттаивании и определили основные свойства полученного осадка. Однако замораживание и оттаивание суспензии в них проводилось в быстрых условиях при всестороннем воздействии отрицательной температуры. Для определения того, как этот процесс может проходить в реальных условиях, была проведена серия опытов, моделирующих возможное замерзание и оттаивание сапонита в хвостохранилище (замораживание проводилось в медленном режиме, при этом воздействие холода могло происходить только сверху). Всего было проведено 3 серии таких опытов, результаты которых представлены в таблице 8.

Таблица 8

Основные физические и механические свойства осадка сапонита, образованного при медленном замораживании - оттаивании в дренированных условиях

Цикл	Влажность W, %	Плотность с, г/см 3	Плотность скелета сd, г/см 3	Коэффициент пористости е, д.е.	Пористость n, %	Предел текучести WL, %	Предел раскатывания WP, %	Число пластичности IP, %	Показатель текучести IL, д.е	Относительная деформация набухания, д.е.	Угол внутреннего трения ц, град	Сцепление С, кПа
1	102,0	1,37	0,68	3,025	75,5	77,4	36,6	40,8	1,60
2	101,1	1,39	0,69	2,950	75,1	77,4	36,6	40,8	1,58
3	100,0	1,40	0,70	2,900	74,7	77,4	36,6	40,8	1,55	0	5	9

Результаты испытаний показывают, что при медленном замораживании и оттаивании суспензии в дренированных условиях происходит образование более плотного осадка, чем при быстром замораживании. Характеристики физических свойств образовавшегося осадка совпадают с характеристиками, полученными при многократном быстром замораживании - оттаивании суспензии с последующей фильтрацией. При повторном медленном замораживании и оттаивании образованного осадка значительного изменения его свойств не происходит. Полученный осадок, так же, как и в предыдущих опытах, был испытан на консолидацию. После завершения этапа консолидации осадка были определены характеристики его физических и деформационных свойств, относительная деформация набухания, а также проведены сдвиговые консолидировано-недренированные испытания, по результатам которых были получены характеристики прочностных свойств. Результаты определений приведены в таблице 9.

Таблица 9

Основные физические и механические свойства консолидированного осадка сапонита, образованного при медленном замораживании - оттаивании в дренированных условиях

Влажность W, %	Плотность с, г/см 3	Плотность скелета сd, г/см 3	Коэффициент пористости е, д.е.	Пористость n, %	Предел текучести WL, %	Предел раскатывания WP, %	Число пластичности IP, %	Показатель текучести IL, д.е	Относительная деформация набухания, д.е.	Модуль общей деформации, МПа	Угол внутреннего трения ц, град	Сцепление С, кПа	Коэффициент консолидации Cv, м 2/с
46,4	1,65	1,13	1,458	59,2	74,5	32,9	41,6	0,32	0,28	0,5 - 1,9	13	12	9,9·10-5

Проведенные исследования показывают, что после температурного воздействия (замораживания - оттаивания) суспензия сапонита начинает структурироваться. Из нее выпадает осадок, способный к дальнейшей консолидации и уплотнению. Таким образом, можно утверждать, что в изучаемой дисперсной системе появляются структурные связи.

В целом, результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы. При замораживании дисперсной системы, которой является суспензия сапонита, происходит разрушение диффузного слоя частиц, препятствующего их сближению. Освобождающаяся при этом вода, замерзая, оказывает дополнительное уплотняющее действие на частицы дисперсной фазы, в результате чего они сближаются на расстояние, на котором проявляется действие сил притяжения между ними. В системе начинают проявляться структурные связи между частицами, вследствие чего она уже обладает такими свойствами, как структурная прочность, пластичность и некоторые другие.

В своих работах В.И. Осипов (В.И. Осипов 1976, 1984) показал, что физические и механические свойства глинистых пород обусловлены типом контактов, возникающих между частицами, и зависят от того, какую стадию литогенеза порода прошла за время своего формирования. Согласно классификации В.И. Осипова, свойства осадка сапонита, образующегося при медленном замораживании - оттаивании суспензии в дренированных условиях, обусловлены возникающими в нем дальними коагуляционными контактами между частицами, соответствующими контактам, возникающим в естественных осадках на стадии седиментогенеза. Свойства консолидированного осадка обусловлены действующими в нем как дальними, так и ближними коагуляционными контактами между частицами, соответствующими контактам, возникающим в естественных осадках на стадии раннего диагенеза. Исключение составляют высокие значения числа пластичности и, особенно, степени набухания, характерные для естественных пород, прошедших в своем формировании стадию позднего диагенеза. Очевидно это связано с особыми свойствами сапонита, слагающего рассматриваемый осадок, значительно отличающимися от свойств большинства других глинистых минералов, которые и характеризуют его как смектит.

Вышеизложенные данные позволяют утверждать, что циклическое замораживание и оттаивание суспензии сапонита приводит к разрушению диффузного слоя частиц дисперсной фазы и возникновению между ними дальних коагуляционных контактов. Эти процессы аналогичны происходящим в естественных глинистых грунтах на стадии седиментогенеза, при этом дисперсная система находится в дальнем энергетическом минимуме. При приложении к образовавшемуся осадку дополнительной нагрузки происходит дальнейшее сближение частиц между собой. Дисперсная система при этом оказывается в ближнем энергетическом минимуме, силы притяжения между частицами преобладают над силами отталкивания, гидратные пленки, препятствующие сближению частиц все более утончаются и между частицами возникают контакты ближнего коагуляционного типа. При этом формируется все более плотная и устойчивая структура породы, обладающей более высокими прочностными свойствами. Процессы, происходящие в осадке сапонита на этой стадии, соответствуют происходящим в естественных глинистых грунтах на стадии раннего диагенеза. Специфические свойства сапонита, главным образом его способность к внутрикристаллическому набуханию, обусловливают проявление у формирующего осадка свойств, характерных для пород прошедших стадию позднего диагенеза, а именно высокую пластичность и степень набухания.

Таким образом, можно утверждать, что применение способа замораживания - оттаивания суспензии сапонита позволяет разрушить диффузный слой частиц, препятствующий их сближению и образованию осадка и тем самым инициирует начало седиментогенеза сапонита. Важное значение при этом имеет режим замораживания и оттаивания: как видно из проведенных исследований, при медленном режиме с возможностью дренирования отделяющейся влаги образуется наиболее плотный осадок (плотность скелета осадка превышает плотность скелета исходной суспензии более чем в 4 раза). Образовавшийся осадок обладает способностью к дальнейшим диагенетическим изменениям - при приложении дополнительной гравитационной нагрузки происходит увеличение количества и площади контактов между частицами, упрочнение его структуры. Плотность скелета осадка при этом превышает плотность скелета исходной суспензии более чем в 6 раз, снижаются его влажность и пористость, улучшаются прочностные и деформационные свойства.

Пятое защищаемое положение.

Для реализации метода осаждения сапонита при замораживании - оттаивании суспензии предложена технологическая схема хвостохранилища, реализация которой позволит максимально снизить объем осадков в хвостохранилище и нагрузку на ограждающие дамбы, увеличить объем и скорость образования осветленной воды, утилизировать образующийся осадок, повысив тем самым экологическую безопасность хвостохранилища, используя лишь климатические условия района, без применения дополнительных энергозатрат.

Применение циклического замораживания и оттаивания сапонитовой суспензии и последующей консолидации образующегося осадка не только позволит значительно снизить объем складируемого в хвостохранилище сапонита (не изменяя его общее количество), но и даст возможность изымать его и утилизировать для дальнейшего использования в различных областях хозяйственной деятельности.

Для того, чтобы оценить возможность применения этого метода в природных условиях месторождения им. М.В. Ломоносова и практическую выгоду от его применения (в какой степени возможно уменьшить объем складируемых хвостов и, соответственно, необходимую для этого емкость хвостохранилища) были проведены специальные исследования теплофизических свойств сапонитовой суспензии. На основании полученных результатов и данных о местных климатических условиях был проведен теплофизический расчет динамики промерзания и оттаивания суспензии сапонита в хвостохранилище.

Проведенные исследования и расчеты показали, что если глубина накапливающегося в хвостохранилище слоя суспензии сапонита будет составлять 0,8-0,9 м в год, то при удалении снега с поверхности льда будет происходить полное промораживание суспензии в зимний период и ее оттаивание летом. Промораживание - оттаивание будет происходить лишь за счет изменения температуры воздуха, для этого не потребуется никаких дополнительных источников энергии.

При практическом применении метода замораживания - оттаивания суспензии сапонита должны быть учтены следующие условия:

- замораживание суспензии должно происходить медленно;

- оттаивание мерзлого грунта должно происходить в дренированных условиях - должен быть обеспечен свободный отток отделенной воды;

- для накопления осветленной воды нужно создать дополнительный резервуар;

- глубина накапливающейся в хвостохранилище суспензии не должна превышать 0,8 - 0,9 м в год;

- хвостохранилище должно состоять из двух частей, в которых поочередно будет происходить накопление суспензии, ее последующее замораживание и оттаивание и удаление отделенной воды;

- образующийся осадок сапонита должен извлекаться из хвостохранилища и накапливаться в специальных картах - хранилищах.

Первое условие будет обеспечиваться автоматически - хвостохранилище является закрытым бассейном и поступление холода возможно только сверху. Для обеспечения следующих условий необходимо внести некоторые изменения в технологическую схему эксплуатации хвостохранилища. Гипсометрически ниже основного хвостохранилища, за ограждающей дамбой необходимо создать пруд осветленной воды. В донной части основного хвостохранилища надо разместить дренажную систему, по которой отделенная от осадка сапонита вода будет сливаться в пруд осветленной воды и накапливаться там для использования в оборотном водоснабжении. Такая система в хвостохранилище Ломоносовского ГОКа существует. Само хвостохранилище должно быть разделено на две части разделительной дамбой. В одну часть хвостохранилища будет происходить сброс пульпы и накопление суспензии сапонита, в другой - ее замораживание зимой, оттаивание и слив отделенной воды в летний период. После замораживания и оттаивания суспензии здесь будет образовываться осадок сапонита со средней плотностью скелета 0,7 г/см 3. Этот осадок должен извлекаться из хвостохранилища, перекачиваться и складываться в специально устроенных картах - хранилищах, которыми могут служить естественные впадины рельефа. После этого в освободившуюся часть хвостохранилища может опять происходить сброс пульпы, в другой части в это время будет происходить замораживание накопленной ранее суспензии. Так этот цикл может постоянно повторяться, при этом части хвостохранилища ежегодно должны меняться. Принципиальная схема хвостохранилища, которая позволит практически применить способ замораживания - оттаивания суспензии для осаждения осадка сапонита, показана на рис. 8.