Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Процессы структурообразования и консолидации техногенных сапонитовых осадков (в связи с созданием хвостохранилища Поморского ГОКа)

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Процессы структурообразования и консолидации техногенных сапонитовых осадков (в связи с созданием хвостохранилища Поморского ГОКа)"

6 од

„ ___, МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

3 МАЙ 199*

имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ГЕОЛОГИЧЕСКШ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра инженерной геологии и охраны геологической среда

На правей рукописи УДК 624.131.439.

ЧИСТЯКОВ Алексей Андреевич

ПРОЦЕССЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ И КОНСОЛИДАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ САПОНИТОВЫХ ОСАДКОВ

(в связи с созданием хвостохранилища Поморского ГОКа)

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 1994

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среда Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научные руководители:

доктор геолого-минералогических наук, профессор, академик РАН Осипов В.И.,

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт промышленной технологии (ВНИПИпт).

Защита состоится п ШОНлЦ 1994 рода в 14-30 на заседании диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций К 053.05.06. в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: Москва, Воробьевы горы, геологический факультет, аудитория .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, зона "А", 6 этаж.

Автореферат разослан "2.9 "¿ЫфбдИ " 1994 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учереждения, просим направлять по адресу: 119899 ГСП Москва, Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, ученому се!фетарю диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций К 053.05.06. В.Н. Соколову.

Ученый секретарь диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций К 053.05.06., доктор

доктор геолого-минералогических наук Соколов В.Н.

Официальные оппоненты

доктор геолого-минералогических наук, профессор Зиангиров P.C. (ПНШИС), кандидат геолого-минералогических наук Поляков A.C. (МГУ).

геолого-минералогиче ских наук

Соколов В.Н,

ОСзая хврлктерзстпиа работа

Актуальность темы. Сапонит является основной минеральной компонентой отходов недавно открытого Архангельского месторождения полезных ископаемых. Попадая при обогащении в водную среду, минерал образует тонкодисперснув пульпу чрезвычайно устойчивую к осаждении, что существенно затрудняет процесс очистки технологической воды. Низкая скорость седиментации сапонитовых частиц и малая плотность образуемого ими осадка при промышленной разработке месторождения создадут необходимость строительства крупного хвостохранилща, что приведет к чрезвычайно неблагоприятным последствиям для окружающей среды. В связи с этим возникает необходимость разработки способа ускоренной седиментации сапонитовой пульпы, позволяющего существенно оптимизировать процесс очистки технологической вода от тонкодисперсных частиц и уменьшить объем осадка. Это даст возможность повторно использовать в технологическом цикле осветляемую воду и значительно сократит емкость хвостохранилища.

Помимо практического интереса изучение процессов структу-рообразования сапонитовых осадков имеет важное теоретическое значение. В большинстве проводимых до настоящего времени исследований изучались процессы структурообразования в водных дисперсиях каолинита, монтмориллонита и гидрослюды. Оценка микроструктур осадков этих минералов осуществлялась в основном на качественном уровне. Изучение процессов структурообразования в суспензиях достаточно редкого минерала сапонита позволило расширить знания о закономерностях развития этого процесса. Применение методов математической обработки РЭМ изображений дало возможность проследить изменения микроструктуры сапонитовых осадков в зависимости от различных фазико-химичэских факторов не только на качественном уровне, но и количественно оценить их влияние на параметры микроструктуры.

Одной из самых важных проблем при создании хвостохранилшц является расчет объема отходов, образующихся в процессе обогащения. Прогноз консолидации сапонитового осадка за время разработки месторождения позволил провести более точные расчеты необходимой емкости хвостохранилища Поморского ГОКа.

-г -

Цель работы заключалась в комплексном исследовании процессов структурообразования глинистых осадков на стадии седименто-генеза в зависиюти от различных физико-иамяческих факторов и прогнозе консолидации сапонитовой толщ в процессе ее накопления в хвостохранилище.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Установление закономерностей процессов коагуляции и седиментации сапонитовых суспензий с целью разработки способа ускоренной очистки технологических вод Поморского ГОКа.

2. Разработка способа компрессионных испытаний нелятифици-рованных, высокопористых, водонасыщенных глинистых осадков.

3. Прогноз консолидации толщи сапонитового осадка с учетом увеличения его мощности во времени.

4. Проведение научно-обоснованных расчетов объема осадка в хвостохранилище Поморского ГОКа с учетом специфики процессов его седиментации и консолидации.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые проведено комплексное исследование процессов структурообразования техногенных сапонитовых осадков под воздействием различных физико-химических факторов, проведена количественная оценка изданенай макроструктур осадков в зависимости от условий их седиментации. Выявлены закономерности процессов коагуляции и седиментации сапонитовых суспензий под воздействием природных коагулянтов - подземных минерализованных вод. Определены компрессионные характеристики сапонитового осадка с применением оригинального способа "беспташовых" испытаний. Впервые проведено математическое моделирование и выявлены закономерности процесса консолидации толщи техногенного сапонитового осадка под собственным весом в процессе его накопления.

Основные защищаемые положения:

1. Впервые установлены зависимости процессов структурообразования техногенных сапонитовых осадков от комплекса физико-химический факторов.

2. Разработан (в соавторстве) новый экологически безвредный способ ускоренной очистки сапонитовой пульпы с помощью природных подземных минерализованных вод.

3. Разработан новый "бесштамповый" способ компрессионных испытаний слабых, высокопористых, водонасыщенных, тонкодасперс-ных осадков.

4. Впервые выполнен прогноз консолидации сапонитового осадка под собственным весом с учетом увеличения его мощности во времени.

Метода исследования. Основные положения а выводы диссертационной работы обосновываются теоретическими и окспершенталь-ными исследованиями, которые автор проводил в течение четырех лет на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды геологического факультета ИГУ им. Ы.В. Ломоносова, а таю» в Инженерно-геологическом и геоэкологическом научном центре РАН.

За это время автором был выполнен комплекс экспериментальных исследований по изучению состава, свойств а микроструктуры большого числа образцов сапонитовых осадков, полученных в лабораторных и промышленных условиях. Проведено около двухсот пятидесяти лабораторных опытов по моделированию процессов структу-рообразования в глинистых суспензиях в зависимости от различных физико-химических факторов. В процессе лабораторных исследований использовались современные методы и методики, включающие просвечивающую и внсокоразрешащую растровую электронную микроскопию, комплекс для анализа РЭП изобретений (РЭМ - микро ЭВЫ), рентгеноструктурный, термический и другие виды анализов. Помимо лабораторных исследований был осуществлен полупроизводственный эксперимент на горно-обогатительной фабрике в поселке Поморье, по проверке разработанного автором совместно с В.И. Осиновым способа ускоренной очистки сапонитовой пульпы. Компрессионные исследования сапонитового осадка производились на 60 образцах с использованием разработанного автором нового способа "бесштам-повых" испытаний. При обработке экспериментальных данных использовалось математическое моделирование с применением точных расчетных методов.

Практическое значение работы заключается в том, что в ней на основании установленных закономерностей процессов структуро-образования сапонитовых осадков разработан новый экономичный и экологически чистый способ очистки технологических вод горнообогатительного комбината, который могет быть использован при

разработке Архангельского месторождения алмазов. Экономический эффект от внедрения этого способа то сравнению о часто используемым методом очистки сточных вод с применением полиакриламида может составить до 800 млн.руб. (по ценам 1987 г.). Разработанная методика расчета объемов отходов ГОКа, учитывающая специфику процессов структурообразования и консолидации сапонитового осадка, позволяет научно обосновать необходимую емкость проектируемого хвостохранилища.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывалисьобсуждались на научно-практической конференции "Экологические проблемы региона и основные направления рационального природопользования, расширенного воспроизводства природных ресурсов" (Архангельск, 1991 г.), на 16, 18 и 20 конференциях молодых ученых геологического факультета МГУ (1989, 1991, 1993 гг.).

По твмз диссертации опубликовано 4 научных статьи. Структура и объем работы. Диссертация излояена на 180 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков и 20 таблиц, состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 170 наименований.

Работа осуществлялась под научным руководством академика в.И. Осипова и д.г.м.н. В.Н. Соколова, которым автор приносит глубокую благодарность. Особую признательность автор выражает З.Г. Тер-Мартиросяну, Р.И. Злочевской, В.А. Королеву, Л.Э. Ро-оту за консультации и помощь, оказанные в процессе написания работа. Автор также благодарит В.Г. Шлыкова, З.А. Кривошееву, H.A. Румянцеву и Т.В. Малахову за оказанную помощь в проведении экспериментальных исследований.

Содержание работы Глава 1. Современные првдстевяэнпя о процессах структурообразования в суспензиях глшшстих шшаралов.

В главе изложены основные положения теории коагуляции и устойчивости суспензий глинистых минералов, дан краткий обзор различных подходов к понятиям "структура" и "микроструктура" грунта, рассмотрены основные типы микроструктур глинистых пород и факторы, определяющие их формирование.

Основные положения теория коагуляции и устойчивости тонко-даспзрсных систем были изложены в теории ДЛ®0 (Дерягин - Ландау - Фервей - Овербек). В последующих работах П.А. Ребиндера, В.Д. Ландау, А.К. ЛиЕсшца, В.М. Муллера, Ван Офена, О.Г. Усьярова, И.Ф. Ефремова, Н.В. Чураева,. Урьева Н.Б. и других исследователей было выявлено влияние на коагуляцию размара и формы коллоидных частиц, концентрации электролита, потенциала поверхности частиц и концентрации дисперсной фазы.

Значительный вклад в изучение поцэссов структурообрвзова-ния в водных суспензиях глинистых минералов и исследования микроструктур глинистых грунтов внесли к. Казагранде, И.В. Попов, Ъ'.м. Сергеев, Т. Лэмб, Г.Г. Ильинская, П. Смарт, В.И. Осипов, Р.И. Злочевская, Ф.Д. Овчаренко, H.H. Круглицккй, Р. Пуп, В.Н. Соколов, В.А. Королев, H.A. Румянцева и другие ученые.

При выделении различных типов структуры грунтов основными критериями для их выделения являются: морфометрические (размер, форма, характер поверхности структурных элементов и их количественное соотношение), геометрические (пространственная композиция структуры) и энергетические (тип структурных связей и общая энергия структуры).

На основании перечисленных критериев В.И. Осиновым и В.Н. Соколовым было предложено следующее определение структуры породы (грунта): структура - это пространственная организация вещества породы, характеризующаяся совокупностью морфометричес-ких, геометрических и энергетических признаков и определяющаяся составом, количественным соотношением и, взаимодействием компонентов порода. Структуры, изменяодиеся во времени под воздействием внутренних и внешних взаимодействий и обладающие способностью переходить из одного состояния в другое, получили название динамических .

Сепонитовый осадок в хвостохраншшще обладает ярко выраженной динамической структурой. Процесс его формирования включает две стадия - седиментации тонкодасгорсных частиц из пульпы и дальнейшее уплотнение осадка под силой собственного веса (стадия раннего диагенеза). Изменение структуры осадка при зтом проявляется в уменьшении пористости, увеличении отнопения твердой фазы к яидкой компоненте, плотности, а такте сил сцепления

- б -

мозду структурными элементами.

Глаза 2. Эаспвршашгальша есслздозсеш прсцзссеа стр71стуроо0разоз£а1я в сапокптокаг оссдаах

Задачами исследований являлась: 1) установление зависимостей скорости седиментации, объема, свойств и какроструктурл сагонитовах осадаов от концентрации хлорида натрая в дисперсионном раствора, концентрации и дисперсности сешншювых чостац в исходных суспензиях, температуры, рН сидкой фазы; 2) Разработка способа ускоренного осагдеыия сапоннтовой пульпы с помоцьг подземных шнералйзовашых вод.

Лабораторные суспензия приготавливались на осноеэ осадка из прудаовой зоны хвостохранаяща. Его макэральшЗ состав представлен практически полностью сапонитов (92 %) с нзболишм количеством гндрослздн ели серпантина (до 8 й). Емкость обдшна равна 46,47 кг.бкв/100 г. В состав о&звнах катионов входят Са= 21,13 мг.8кв/100 г, У3=1б,14 кг.8кв/100 г, На=9,2 ыг.ЭКВ/100 г.

Влияние концентрации хлорида натрия, тоняаратуру, дисперсно ста и содерзаяия твердой фазы на процессы структурообразования изучалось на 1 8 и 3 5 глззшсто-пылэватнх сапонитовых ж глинистых Ка-сапоннтошх суспэнзгях. Глинасто-шкэватне препараты имели природный обионннй комплекс, содержание глинистых частиц в них составляло 46%, пыяеватнх - 645. Седнаэнтацяя 1 % глинисто-пылеватых суспэнзиЕ осуществлялась при температурах 4°С, 20°с и 40°С, остальных - только при 20°С. Влияния рН дисперсионной среда изучалось на 0,5 %, 1,0 % и 3,0 % сапоштошх суспензиях. Для создавая кислой среды в суспензия добавлялся раствор борной кислоты, а садочной - раствор буры.

Для хцзиготовления исходных суспензий, навеска сапонитового порошка диспергировалась ультразвуком в дистиллированной воде. Но истечении 1 суток суспензия снова диспергировалась, в нее добавлялись электролит в количестве, необходимом для создания определенной концентрации, и дастшшроваиная вода для доведения суммарного объема суспензии до 50 ил. Данная методика использовалась во всех экспериментах кроме опытов по седиментации сапонитовых суспензий в растворах природных минерализованных вод, где предварительное набухание н даспергация минеральной фазы

роизводились в растворах коагулянта.

четырехмесячные исследования 1* и 3» Иа-сапонитовых гли-истых суспензий показали, что порог коагуляции 1* и 3* глиниста натриево-сапонитовых суспензий достигается в интервале кон-энтраций хлорида натрия от 0,01 до 0,05 Н. При концентрации лорида натрия ниже порогового значения натриево-сапонитовыэ /спензни сохраняют свою кинетическую устойчивость и не подвер-эны процессам быстрой коагуляции. Компактный осадок, занимаю-ий 5-10 % от первоначального объема суспензий, образуется в эзультате раздельного осаждения слабо взаимодействующих друг с ругом глинистых частиц и ультрамнхроагрегатов. При концентрата хлорида натрия выше порогового значения (0,05-0,5 Н), сус-энзии, в результате быстрой коагуляции глинистых частиц, груктурируются и переходят в гелеобразноэ состояние. Дальней-зе уменьшение объема структурированных суспензий происходит аагодаря процессам синерезиса под действием силы тяжести. Рост знцентрацин электролита в интервале значений вниз порога коа-гляцга сопровождается увеличением конечных сэдаментацконных Зъенов (до 85 %, при концентрации КаС1=0,5 Н).

Наиболее интенспвноо уменьшение седпментационшх объемов % глинисто-пылеватых суспензий при всех концентрациях элек-хэлита и температурах наблюдается в течение горзых суток. В >следупще двое суток уменьшение седамэнтационных объемов не юЕышает 5 %. Поело этого седакентационныэ объеш практически шюстьв стабилизируются. У глинксто-пылэватых суспензий также ¡Олюдается закономерное увеличение конечных седиментационных ¡ъемов с ростом парализации суспензий (от 0,005 до 3,0 Н), > по сравнению с глинистыми Ыа-сапонитовыма суспензиями осаждав глинисто-пылеватых суспензий происходит значительно быст-ю, а порог коагуляции достигается при меньших концентрациях 1лн в растворе (0,005 Н). Таким образом наличие в обменном шлексе двухвалентных катионов, увеличение среднего размера неральных частиц и неоднородности гранулометрического состава 1врдой фазы в суспензиях приводит к снижению их коагуляционной ¡тойчивостп.

Скорость уплотнения слабоструктурированного осадка и его ночпыЗ объем определяются балансом сил, действупцих на мине-

ральше частица, а именно, соотношением силы гравитации, вызы-вавдой уплотнение осадка, и препятствующими этому процессу силами сцепления между частицами и силами вязкого трения. Рост концентрации электролита вызывает уменьшение сил электростатического отталкивания между частицами и увеличение сил сцепленш мевд ними. Это приводит к росту прочности дисперсной системы £ .целом. Увеличение концентрации соли в суспензии повышает так же вязкость раствора, что затрудняет его отжатие из порового пространства осадка. Наличие этих двух факторов объясняет наблюдаемое в глинистых На-сапонитовых и глинисто-пылеватых суспензии закономерное уменьшение скорости уплотнения структурированные осадков и увеличение их конечных объемов с ростом концентрации хлорида натрия в растворе при всех изучаемых температурах.

Увеличение температура от 4°С до 40°С 1% глинисто- пылева-тых суспензий приводит к росту скорости их коагуляции и осазде-ния, что вызывает увеличение объема осветленного раствора и уменьшение конечных объемов осадков (табл. 1). Это обусловлено ростом кинетической энергии сапонитових частиц, сокращением толщины гидратных оболочек вокруг них, а также уменьшением вязкости дисперсионного раствора.

Таблица 1.

Объем осветленного раствора 1 % глинисто-шлэватых суспензий при разных температурах (после 1 суток).

т°с Концентрация КаС1, Н

0,005 0,5 1,0 3,0

4 78 74 72 63

20 80 76 74 65

40 83 78 76 70

Примечание: объем осветленного раствора указан в % от начального объема суспензий (50 мл.).

Увеличение концетрации сапонитовых частиц до 3% в глинисто-пылеватых суспензиях приводит к существенному увеличению времени стабилизации седаыентационных объемов. В отличии от 1% у 3% суспензий объемы осадков стабилизировались лишь после 3-х месяцев.

Структурно-реологические исследования сапонитовых осадков,

полученных при разных концентрациях хлорида натрия показали, что с ростом концентрации электролита в растворе, несмотря на уменьшение их плотности скелета, у осадков наблюдается закономерное увеличение предельного напряжения сдвига, что обусловлено увеличением сил сцепления меаду минеральными частицами.

У На-сапонитовых осадков, выпавших из суспензий с 3% содержанием минеральных частиц, в 0,05 Н растворе хлорида натрия предельное напряжение сдвига составляет 7,0 дин/см2,а в 0,1 Н - 15,0 дин/см^. У глинисто- пылеватнх осадков с природным обменным комплексом прочность сдвига меняется от 16 Дин/см2, при концентрации хлорида натрия 0,005 Н, до 37,5 Дин/см2, при концентрации соли 0,5 Н. Сравнение прочности глинистых Na-сапонитовых и глинисто-пылеватнх осадков, содержащих в обменном комплексе двухвалентные катионы (Ca,Mg), показывает, что у вторых она значительно выше, чем у первых при одинаковых концентрациях хлорида натрия в растворе (0,05 и 0.1 Н).

Изучение седиментации На-сапонитовых суспензий с разной концэнтрацией минеральных частиц при рН=2,5 и рН=8,5 показало, что при одинаковой массе грунта и начальных объемах суспензий, в кислой сроде формируются более рыхлые и пористые осадки, за-нимаыкие объем примерно в 1,3 раза больше , чем в щелочной среде. Вязкость осадков полученных в кислой среде в 2,3 раза больше, чем в щелочной. Это подтверздает известное положение о том, что в кислой среда за счет перезарядки боковых сколов минеральных частиц идет форглированиэ более прочной структуры, чем в щелочной.

Микроструктурные исследования На-сапонитовых осадков выявили четкую взаимосвязь меаду микроструктурой, объемом, свойствами сапонитовых осадков и физико-химическими условиями их формирования. Для Na-сапонитовых осадков, полученных в дистиллированной воде (С=0), характерна диспергирований- коагулированная микроструктура, сложенная отдельными частицами и ультрамик-роагрегатами, взаимодействующими по типу базис-скол, скол-скол.

Повышение концентрации хлорида натрия до 0,005 Н приводит к формированию специфической структурной сетки, в узлах которой располагаются более крупные структурные элементы (микроагрегаты), а каркас сложен отдельными частицами п ультрамикроагрега-

тами. Дальнейшее увеличение концентрации соли до 0,01 Н приводит к укрупнению микроагрегатов и формированию более четко выраженной структурной сетки.

При концентрациях электролита выше порога коагуляции (0,05-0,5 Н) происходит быстрая коагуляция глинистых частиц с образованием пространственной структурной сетки ячеистого типа. Стенки ячеек сложены листообразными микроагрегатами размером 4,5-6 мкм, контактирующими по типу базис-скол.

Количетвэнный анализ микроструктур Ыа-сапонитовых осадков, позволил выделить в поровоы пространстве осадков четыре основные категории микропор (табл.2.).

Таблица 2.

Характеристика пористости осадков Иа-сапонита, полученных из 1 % глинистых суспензий в растворах ЫаС1 разных концентраций, растворах борной кислоты (рН=2,5) и буры (рН=8,5).

Конц. ИаС1 Н. Межчастичные и межультрамикро-агрегатные тонкие микропоры (1<1,0 мкм), %. Межультрамикро-агрегатные и мажмикроагрегатные мелкие микропоры (й=1,0-2,6 мкм), % Меодикрс микрс мелкие й< 10 мкм агрегатные шоры, %. крупные й=10-100 мкм

0 10 30 60 0

0,005 13 21 66 0

0,01 11 15 74 0

0,1. 5 10 70 15

0,5 3 2 21 74

рн

2,5 5 15 45 35

8,5 8 17 62 13

Осадки, полученные при концентрациях соли ниже порога коагуляции (0-0,01 Н), характеризуются близкими значениями доли межчастичных и мекультрамикроагрегатных тонких микропор в поро-вом пространстве: 10-13 %. Возрастание содержания электролита в 1 % суспензиях в диапазоне концентраций ниже порога коагуляции приводит к увеличению степени агрегированности сапонитовых час-

тиц в осадке, что сопровождается уменьшением доли мелких меж-ультрамикроагрегатных микропор с 30 % (в дистиллированной воде) до 15 % (в 0,01 Н растворе N801). Уменьшение вклада мекультра-мияроагрэгатных компенсируется увеличением содержания мэхмикро-агрегатных мелких микропор от 60 % до 74 %, соответственно.

Преодоление порога коагуляции приводит к возникновению новой категории крупных мехмикроагрегатных микропор, не свойственных для осадков, полученных при более низких концентрациях электролита. В 0,1 Н растворе КаС1 их вклад в величину обшей пористости составил 15 %, в 0,5 Н растворе КаС1 - 74 %. Вклад тонких микропор в величину общей пористости при преодолении порога коагуляции существенно снижается до 5-3 %. Содержание мелких. межультрамикроагрегатных микропор также уменьшается до 2-Ю %.

Влияние рН среды на микроструктуру Ка-сапониговых осадков проявляется в следующем. В щелочной среде осадок имеет однородную мелкоячеистую микроструктуру, сложенную листообразными микроагрегатами удлиненной пластинчатой формы длиной до 3 мкм и толщиной до 0,3 мкм. Шжроагрегаты контактируют мезду собой по типу базис-скол, скол-скол. Поровое пространство слагается различными категория™ пор от тонки межчасгачных и межультрамикроагрегатных (8Ж) до крупных межмикроагрегатшх пор с эквивалентным диаметром до 15 мкм (13%).

Изменение рН дисперсионной среды с щелочной на кислую приводит к существенному преобразованию микруструктуры сапонитовых осадков, которое проявляется в изменении характера взаимодействия структурных элементов и увеличении среднего размера пор. В кислой среде микроструктура сложена крупными хлопьевидными микроагрегатами (флокулами) размером от 30 до 70 мкм. В свою очередь флокулы образованы тонкими листообразными сапонитовыми частицами и ультрамикроагрегатами длиной до 3-5 мкм и толщиной до 0,2-0,3 мкм. Существенную долю в поровом пространстве осадка составляют крупные межмикроагрегатнные микропоры с эквивалентным диаметром до 30 мкм, содержание которых, по сравнению с осадками в щелочной среде, увеличивается с 13 % до 35 Ж.

С целью разработки способа ускоренной очистки сапонитовой Пульпы с помощью природных подземшх. минерализовании вод был

проведен комплекс, лабораторных и голевых экспериментов. Химический состав используемых в опытах подземных минерализованных вод показан в таблице 3.

Таблица 3.

Химический состав подземных вод.

Скважина Формула Курлова Сквашна Формула Курлова

4-Э (С? иг + С2о1+ок) 3 4 НС051С142307 126 (Уши) 4 01898011 М

Наб5Са31МеЗ '"17,° Ма58Са2?1%15

8-3 (Сгиж- +• С2о1+ок) С172НС018307СОЗ м 138 (Ш-С2) <1 3 С187Б0 12НС0 1 '1

,э Ыв89СабЫй5 ""¿0,5 на70Са16%14

183 (Уша) 4 3 01633036.5НС00.5 "32,0 Ка79Са12^ Класс по Толсткшну: 4-Э - нормально-пресная; остальные - слабо-соленые

Примечание: В скобках под номером сквашнн указан возраст водо-вмещавдих пород.

Эксперименты показали, что порог коагуляции &% сапоннто-вых суспензий, приготовленных в растворах природных канерзлазо-ванных вод, достигается пра концентрата! солей в дисперсионное среде 0,25-1,0 г/л. Средняя скорость осеэтлзняя сапошповах суспензий, приготовлэншх в растворах минерализованных вод, в течение первых суток достигала 0,38 га/час, а величина осветленного столба еадкости составляла до 70 % от первоначального объема суспензий. Средняя скорость седдаэнтации 6 % пульпы в производственном хвостохраннищэ на обогатительной фабрика но прашиаяа 0,004 см/час.

Воздействие минерализованных вод на процессы структурооб-разованыя в глинистой пульпе осуществляется за счет повышения содержания катионов в растворе. Это вызывает обменные реакции, сокращение толщины диффузного слоя частиц и, в конечной итоге, уменьшение (или полное уничтожение) энергетического барьера отталкивания между частицами. Это в свою очередь, приводит к нарушению их устойчивости и коагуляции.

ПолупропзводственннЯ эксперимент, прове двшшЗ на обогатительной фабрике в поселке Поморье, подтвердил еФ£шстпеностъ использования подземных минерализования. вод для очистка сепояа-товой пульпы. Средняя .концентрация твердых частиц в пульпе при ео минерализация 1,1 г/л (за счет добавления вода из скв. 8-Э) в экспериментальном отстойнике уменьшалась более чем в 10 раз в течение 1 суток. Аналогичная степень очистки в производственном хвостохраиллйщя (без добавления минерализованных еод) достигалась в течение нескольких г'осгадзв. Объем п степень очистки пульпы позволяли в случае необходимости создать земгшутыЗ цикл водооборота.

В цромыэленшх условиях способ предлагается осуществлять зледуадим образом. В техпологпчэскуэ воду, пспользутауэсл для эбогащения руды, даоавляхяся кэстееэ годакгннв 1£тэралзпогапвнэ зода для создания коаценграцш солза 1-2 r/л, что соответствует торогу коагуляции сапонитовой пульпы. Послэ завергешя сбогати-гельного процесса пульпу отстаивают, а осЕатлзпнуя соду нпого-тоатсо попользуют в обогатаголыюм процесса зля сбрзснгазт за ¡рэдэла хвостограяшшда.

Для сравнения эффективности цртаэтатм нпвэралэзовзшгшс юд для очистка сапоютовоЗ пульпы,, бела проведана серия jsböo-шорных опытов по изучена ::оагул::р;,,гг.эго воздействия на сапо-ттовне сусгоязил традшцтошга щштэшядвхся для очистка щжзз-юявах л сточных под флокулянтов - плазов хяорздсв кэталяов IDEM) я псшхакралвкида (ПМ). Эксаержзитн гоксэалз, что прз акцентрацйях. ПАА от 0,05 до 0,14 г/л обгон оовотляешго раст-срз послэ надела отстоя составлял ко болзо 6- 83 от пэрзсна-альзого СбХЕПЗ суспэнзяз. Црз нспользовалзя ПШ СУСЭСТЕаЕЕ09 Еэлнченпэ скорости осаздэняя сепоппгогых суспзнзнЗ (до 0,39 н/ч в течения п-эрхж суток) нобладалось иря кспцэнтрэд-а ПШ=1 /л. Совместное испольповшго ПАА з ШН (црз Ешцентрацгл ДА = 0,005 г/л и 11X11=0s2 г/л) пэ дало удовлетворительного ус-оренпя осаздепия сапонатовой пульпы.

Расчет окадаемого эконокзчвсйого &*фзэта от пркзнония эдзо?»2шх минерализованиях еод для очистки сапонптовоИ пульпы место ПАА показал, что на Архангельском сэсторозщэппа его еэ-¿чяна кок?! составить до 800'мш. руб.. в ценах 1337 г.

Глава 3. Теорэтичаскив представлении! о яшшкеях уплотнвеия глинистых грунтов.

В главе изложены основные теоретические положения теории фильтрационной консолидации глинистых грунтов, дан обзор основных расчетных показателей сжимаемости пород, рассмотрены частные и общее дифференциальное уравнения состояния уплотнявшегося грунта, приводится подробное решение дифференциального уравнения простейшей одномерной задачи фильтрационной консолидации (случай равномерной, постоянной во времени нагрузки), основанное на анализе литературных источников.

Активные исследования консолидации глинистых грунтов в строительных целях начались с 20-х годов. Изучением этого процесса занимались: К. Терцаги, H.U. Герсеванов, Р.И. Гибсон, В.А. Флорин, H.A. Цытович, Д. Тейлор, М.Е. Харр, Е.М. Сергеев, В.Д. Ломтадзе, Н.Я. Денисов, P.O. Зиангиров, A.A. Гальперин, З.Г. Тер-Ыартиросян, D.K. Зарецкий, Ы.В. Малышев и другие исследователи.

Основоположниками теории фильтрационной или первичной консолидации считаются К.Терцаги и Н.М.Герсеванов, которые первые дали решение теории уплотнения двухфазной грунтовой массы при одномерном уплотнении. Несмотря на то, что математические решения теории фильтрационной консолидации были получены для идеальной "грунтовой массы", они достаточно хорошо описывают поведение природных грунтов. Точность расчетного прогноза уплотнения слоя грунта, основанного на решениях теории фильтрационной консолидации будет определяться степенью соответствия свойсте грунта исходным положениям (требованиям) данной теории, а также правильностью выбора алгоритма расчета, начальных и граничны? условий.

Исследуемый нами высокогористый, полностью водавасыташ и практически не имещий структурной прочности тонкодисперсны! сапонитовый осадок по своим свойствам соответствует определено "х'рунтовой массы". Экспериментальные исследования также показали, что за время заполнения хвостохранилища уплотнение сапонитового осадка не выйдет за рамки стадии первичной консолидации, Поэтому все расчеты основывались на решениях, полученных дш этой стадии консолидации грунта.

Глава 4. Консолидация сапонитового осадка.

Проведенные автором полевые и лабораторные исследования садка в современном хвостохранилшце установили, что, песчаные встицы размером 0,5-0,05 мм и значительная часть крупнопылева-ах частиц размером 0,05-0,01 мм, составляющие около 50 % твер-□й фазы исходной пульпы, достаточно быстро осаждаются в непо-редственной близости от места ее сброса, преимущественно в эрвом и частично во втором отстойниках, где они формируют от-осительно плотный осадок (рок>=1»31 г/см3). Тонкодисперсные апонитовые частицы (составляющие также около 50% твердой фазы ульпы) выносятся в наиболее удаленную от места сброса пульпы рудковую зону, где они осаадаются отдельно от песчаных частиц формируют высокопористый гелеобразный осадок (рск =0,14 /см3). Для прогнозных расчетов объема осадка в проектируемом востохранилище, можно с достаточной степенью точности считать, то в нем также будут формироваться независимо друг от друга ва типа осадков - песчаный и пылевато-глинистый (сапонитовый). то позволило рассчитать объем отходов в планируемом хвостохра-илище Поморского ГОКа. Общий объем отходов составит 1,9765 ч3, из них объем песчаного осадка - 0,1908 км3, тонкодисперс-ого (сапонитового) - 1,7857 юл3.

При компрессионных испытаниях сапонитового осадка в стан-вртном одометре происходили перекос штампа, выпор грунта, про-ав тонкодисперсных частиц сквозь бумажные фильтры и ивы прибо-а. Поэтому для осуществления испытаний слабосвязного, высоко-эристого, водонасыценного, тонкодисперсного сапонитового осада, обладающего текучей консистенцией, был разработан ориги-альный способ "бесштамповых" компрессионных испытаний. .

Суть способа заключается в том, что нагрузка на грунт поедается не с помощью штампа, а саатым воздухом, который нагне-ается в герметичную камеру одометра над образцом, в результате его создается необходимое давление уплотнения. В качестве ос-овн установки для компрессионных испытаний использовался одо-егр типа "Агт11е1<Г. Методика проведения компрессионных испы-аний была следующей. На дно камеры помещались фильтры из бума-и и из пористого металла. Далее к штуцеру поддона камеры рези-овым шлангом подсоединялась измерительная бюретка, с помощью

которой определялось количество отжимаемой из образца поровс воды. Так как испытанию подвергался полностью водонасыщеннъ грунт, то по объему отжатой из него воды можно было определят скорость и величину деформации образца. С целью обеспеченв сплошности потока отжимаемой вода измерительная система запол нялась водой. После этого осадок, полученный из 6% суспензии лабораторных условиях, помещался на дно компрессионной камеры Плотность скелета сапонитового осадка равнялась плотности ске лета осадка в действущем хвостохранилище и составляла 0,1 г/см3, коэффициент пористости равнялся 18. Высота образца со ставляла 1.5 см. Затем камера закрывалась герметичной крепкой Необходимое для испытаний уплотнявдее далекие создавалось ежа там воздухом, который подавался в компрессионную камеру от бал лона со сжатым воздухом через штуцер в крышке прибора. В про цессв эксперимента объем отжимаемой воды фиксировался по бюрет ке каждые 30 секунд.

Испытания проводились в интервале нагрузок от 0,009 ЫПа д 0,131 ЫПа с шагом 0,008-0,009 МПа. Шаг нагрузки соответствуе давлению, испытываемому грунтом от вышележащего слоя мощность; 10 м. Максимальная нагрузка равнялась давлению, испытываем; грунтом на глубине 150 м. Нагрузки (ов), соответствующие разни мощностям осадка (Ъ.) над расчетной точкой, вычислялись с учета полного взвешивания скелета грунта в воде. Коэффициенты консолидации осадка определялись методом Казагранде (табл. 4).

Для расчета уплотнения толщи сапонитового осадка был выбран один из вариантов хвостохранилища в депрессии озера Тов-ское, который ва конкретном натурном примере позволил продемонстрировать динамику консолидации сапонитового осадка в процесс« заполнения хвостохранилища.

Глубина модельного хвостохранилища (150м) значителън< меньше его площади, поэтому прогноз консолидации сапонитового осадка можно производить на основании решения одномерной задач! консолидации с учетом увеличения во времени мощности уплотняющегося слоя грунта. Решение осуществлялось методом конечныз разностей при следующих граничных условиях: 1) верхняя, смещающаяся граничная поверхность при любой толщине ело; водопроницаемая (уравнение 3); 2) нижняя, неподвижная гранична?

поверхность водонепроницаемая (уравнение 4). Уравнение консолидации в конечных разностях (1), начальные (2) и граничные (3, 4) условия для рассматриваемого случая имеют вид:

' Ht+1<]c=(1-2a)Htfk + At пггвзз./7вода+ « Л.к-1 > <1 >

. при t=1 Н10= дй; Ы1+1= 0 (2)

при t=k Htik = О (3)

при k=-1; Hti_1t=Htt+1 (4).

где t - расчетный момент времени; 1с - номер расчетного узла; Н-дополнительный напор в расчетной точке к в момент времени t. с -At 5

а= — = —, где с„ - приведенный коэффициент консолида-Ah2 дг.щ2 7

ц;ги грунта; га - скорость увеличения мощности грунта; At- интервал между расчетными моменташ временя.

Начальные условия определялись для момента времени t=l, так как при t=0 слоя нэ существует и каких-либо начальных условий определить невозможно.

Осадка слоя грунта S(t) в какой-либо ксмэнт времени шглт быть определена через значения полной осадки грунта и степени его консолидации U(t) а расчетпнй момент врэг«зня. Полная осадка сапонитового грунта определялась методом послойного сукгирования по результатам коштрессиояных испытаний (табл.4).

Для расчета значений функции U(t) необходимо знать распределение дополнительных напоров Н по глубине сапонитового осадка. Распределение дополнительных напоров коеэт быть определено из решения уравнения консолидации. Для расчета распределения дополнительных напоров толща сапонитового осадке была разделена на 15 слоев мощностью ( Ah ) по 10 м. Узловые точки, для которых определись значения функции Н (t,z) располагались на границах выделенных слоев. Величины уплотнящнх нагрузок в каздой расчетной точке (1) равны весу вышележащих слоев и соответствовали значениям нагрузок Р(1), при которых проводились компрессионные испытания сапонитового осадка. Количество расчетных моментов времени принималось равным числу узловых точек (15).

Таблица 4.

Расчет уплотнения толщи сапонитового осадка за время заполнения хвостохранилища.

м 0 ША СУ м2/год Полная осадка толщи грунта со Средняя степень» консо-идятрт и Осадка за время накопления, Ы. Расчетные параметры в ур-и консолидации в конечных разностях.

10 0,009 2,37 7,76 0 0 АЬ = 10 м

20 0.018 3,47 15,87 0,0028 0,04 дг = 0,2 года

30 0,026 4,54 24,28 о.ооеб 0,06 су= 4,05 мг/год

40 0,035 5,52 32,83 0,0021 0.07 ш = 50 м/год

50 0,044 6,62 41,46 0,0018 0,07 а = 0,008

60 0,053 7,73 50,13 0,0047 0,23 ДЬ = 10 Ы

70 0,062 8,58 58,84 0,0063 0,37 дг = 1,0 год

80 0,070 9,27 67,53 0,0071 0,47 су= 6,75 м^год

90 0,079 10,00 76,34 0,0072 0,55 Ш = 10 м/год

100 0,087 10,55 85,12 0,0073 0,62 а =0,068

110 0,096 11,15 93.93 0,0090 0,92 ЛЬ = 10 м

120 0,105 11,56 102,76 0,0118 1,21 Л! = 2,35 год

130 0,114 12,20 111,60 0,0129 1,44 ст= 8,95 ы2/г0д

140 0,122 12,60 120,45 0,0137 1,65 т = 4,25 м/год

150 0,131 13,00 129,31 0,0142 1,83 а =0,211

Безразмерный коэффициент а, входящий в правую часть уравнения консолидации в конечных разностях, зависит от приведенного коэффициента консолидации грунта (су), величины промеаутка времени лг, через которое рассчитывается распределение напоров, и скорости увеличения мощности (т) грунта. Значения приведенного коэффициента консолидации для выделенных трех временных интервалов н соответствующих им мощностям сапонитового осадка определялись по результатам компрессионных испытаний. Общее

ремя зепсшеяая хвостохракпдпца кото праблтагано подразделить а трл вргнэишх отрезка, в пределах. которых зависимость кош-ости осадка от врокэни будет блкзка к „танойноЭ. Это позволило прэделлть скорости увелзчэпяя толсцпш слоя осадка ш и значения г, а чорзз пгсх рассчитать значения а для всех выделенных нтврвалов вргшнл: (и мощностей осадка) (табл. 4).

Начальное п граничные значения напоров определялась ::з раоэа условий. Далее, увеличивая число слоев от одного до нтиадцатл и подставляя значения а в уравнение (1), било рас-штано распределение напоров Н(1;,1) по глубине осадка для каз-зго ксг.:энта образования очередного расчетного слоя (ДЬ=10 м).

По значениям Н(I,1) была построены впзра дополнительных лоров для кездого расчетного комэнта времена (1^). Значения

)эдней степени яонсолндацил и± толщ сапсЕггового осадка для ¡счетных иомэнтоз врзгйш рассчитывалась как отношение площади срч напрягопза з сколете осадкав з заданный шглопт нрвтаз t1 шгащада коночной опгрц пзпрягэнпЭ в сколете сапонитового

:адка. По значениям и1 и вычислялись величины осадки 3(1) шсентоеоЗ толщ для расчетных моментов времени (табл. 4).

Расчета показала, что за время заполнения изостохраналища коло 18 лет) осадка сапоштовой толща под собственным веем в "с?.; глубоком касте составит всего 1.83 м. В перефэрпйннх час-х хвостохранялэца, где уоцкость сапонитового осадка суцест-нно сокращается, величина его уплотнения будет иметь еще ньпнэ значения.

Для проверки достоверности получовшх результатов уплотне-э сйпоннтоеого осадка было определено более простым способом баз учета увеличения мощности уплотняшегося слоя. Расчеты лазали, что величина уплотнения сапоннтовой толки за время юлнешя хвостохранплища в этом случае составит 2,87 м. Время "полюй" теоретической консолидации 150 метровой толщи сапо-гавого осадка, определенной кетодом обратных расчетов (исходя

предположения, что и=0,95) составит около 3 ООО лет.

Полученные результаты позволила сделать вывод, что шкеко-суцественного уплотнения сапонитового осадка за время работы Са не произойдет и, следовательно, расчет объема отходов иоа-

не производить без учета их консолидации.

Выполненный автором расчет объема отходов Поморского ГОК; основанный на результатах исследований процессов структурообр зовання и консолидации сапонитового осадка, позволил оцени вместимость предложенных к настоящему времени вариантов хвост хранилища. Белореченское хвостохранилище вместит до 24 % отх дов, Товское - около 80 %, Золотицкое и в долине ручья Безымя ного -10%, каадое.

Заключение

В процессе исследований получены следующие результат определяющие теоретическую и практическую значимость диссерт ционной работы:

1. Проведено комплексное изучение процессов структурообразоь ния и консолидации сапонитовых осадков в связи с пробле* складирования и утилизации отходов Поморского ГОКа.

2. Исследованы состав и свойства отходов ГОКа.

3. Получены экспериментальные зависимости объема и свойств тс ногенных сапонитовых осадков от концентрации электролита в да персионном растворе, рН жидкой фазы, концентрации и дисперснс тм минеральных частиц, температуры. Результаты исслвдоваз позволяют прогнозировать скорость седиментации и объем сапоз тового осадка в планируемом хвостохранилище.

4. Установлена взаимосвязь микроструктуры сапонитовых осадко] их объемом и свойствами в широком диапозоне концентраций хло; да натрия, а также при различных значениях рН дисперсион» раствора.

5. Впервые выявлены закономерности процессов коагуляции и се, ментации сапонитовых суспензий под воздействием природных к гулянтов - подземных минерализованных вод.

6. Предложен новый экологически безвредный способ ускорен очистки сапонитовой пульпы с помощью подземных минерализован вод. Основными преимуществами данного способа являются: высо эффективность, экологическая безопасность, обеспеченность не ходимыми запасами подземных минерализованных вод в районе м торовдения для функционирования производства, отсутствие дои нительных затрат на специальную добычу и транспортировку коа

ита ввиду того, что подзешшэ минерализованные воды будут от-тваться для осушения горных выработок. Возможный экономичес-гй эффект от внедрения данного способа составит до 800 млн.руб ценах 1987 г.

, Разработан новый, оригинальный способ "бесштамповых" комиссионных испытаний слабых, высокопористых, водонасыщенных, )нк0дисперсных осадков. Суть способа заключается в том, что ¡грузка на грунт передается не с помощью штампа, а сжатым возком, который нагнетается в герметичную камеру специального юметра над образцом, в результате чего создается необходимое эвление уплотнения. Разработанный метод позволил определить зраметры сжимаемости сапонитовых осадков, пористость которых эевышала 90 %, а влажность составляла сотни весовых процентов. . Выполнен прогноз консолидации толщи сапонитового осадка под збственным весом с учетом увеличения его мощности во времени. . На основании установленных закономерностей процессов струк-/рообразования и консолидации сапонитового осадка произведен зсчет общего объема отходов Архангельского местороадения, а зк т дана оценка вместимости предлохйнннх к настоящему време-1 вариантов хвостохранилпща Поморского ГОКа.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих )учных работах:

. Касаткин Ф.Г., Варга A.A., Чистяков A.A. и др. Происхождение зер Беломорско-Кулойского плато. // Известия ВУЗов. 1993. # 5, . 7-15.

. Осипов В.И., Чистяков A.A., Касаткин Ф.Г. Некоторые вопросы краны окружающей среды при разработке местороадения алмазов в рхангельской области. // Тез. док. научно-практической конф. экологические проблемы региона и основные направления рацио-эльного природопользования, расширенного воспроизводства при-эдаых ресурсов". г.Архангельск, 1991г. С. 65-67. . Осипов В.И., Чистяков A.A., Касаткин Ф.Г. Принципы размеще-ля и экологической безопасности хвостохранилища Поморского ЭКа.// Геоэкология, 1984, й 1, с. 28-55. . Чистяков A.A. Процессы структурообразования в глинистых са-энитовых суспезиях под воздействием одновалентного электроли-

та. // Материалы 18 научной ковф. мол. ученых геол. фак. МГУ. Секция: Инженерной геологии и охраны геологической среда, Ыосква, 16 апр. 1991/МГУ, - М.,1991. с. 16-20. - Дэн. в ВИНИТИ 15.11.91 - И 4317-В91.