Воздействие на подземные воды

Подземное выщелачивание связано с введением в продуктивный водоносный горизонт химических реагентов и поэтому непременно сопровождается изменением гидрохимической обстановки подземных вод в районе действия технологических скважин. В особенности оно значительно при использовании растворов серной кислоты, когда резко снижается рН среды (с 7 - 8 до 1 - 2) и выщелачиванию, помимо урановых, подвергаются и другие минералы. В первую очередь это относится к карбонатам (в особенности каль­циевым), в меньшей мере - к глинистым минералам, сульфидам, слюдам, полевым шпатам и другим, наиболее устойчив к выщелачиванию кварц.

Таким образом, основная операция при извлечении урана из руд, а именно выщелачивание, определяет состав получаемых продуктивных рас­творов. В зависимости от используемого реагента на дальнейшую операцию сорбции урана поступают сернокислые или бикарбонатные растворы, общий компонентный состав которых определяется, как было указано, продуктами сложного химического взаимодействия рудных минералов и вмещающих пород с выщелачивающим реагентом. Одновременно, состав продуктивных растворов зависит и от применяемого метода десорбции урана, так как при контакте ионообменной смолы с технологическим раствором происходит вытеснение анионов элемента, например нитрат-ионов при нитратной схеме де­сорбции.

При сернокислотном выщелачивании в продуктивный раствор переходят уран, большая часть первоначально находившихся в породе кальция и магния, до 10% железа и около 5% алюминия. В таких растворах фиксируются устойчивые содержания марганца (130-300 мг/л), магния (400-600 мг/л), алюминия (500-1500 мг/л), кальция (500-600 мг/л), железа (II) до 1000 мг/л, железа (III) до 450 мг/л, SiO₂, радионуклидов и микроэлементов Zn, Cu, Ni, Se, Be, V, Со, Сг, Ti и т.п.

Содержания в песчано-глинистых отложениях твердых компонентов, продуцирующихся в технологические растворы, обычно составляют (%): Аl₂О₃ = 4,8 - 6,9; Мn0₂ = 0,1 - 0,2; СаО = 0,5 – 1,0; МоО = 0,2 - 0,9; FeO =0,2 -0,5; Fe₂0₃ = 0,7 - 1,5; Сu (II) = 0,01; Zn = 0,005; Со = 0,006 – 0,01 и т.д.

Для примера масштабности процесса приведем такие цифры: с площади ячейки ПВ размером около 5000 м², приходящейся на одну откачную скважину при эффективной мощности горизонта в 20 м из одного порового объема может быть переведено в раствор 42 т алюминия, 6 т марганца, 22 т магния, 23 т кальция. Кроме этого в раствор перейдет ряд тяжелых металлов, таких как бериллий, мышьяк, свинец, медь, цинк, кадмий, кобальт, хром и др. Однако низкие (в основном меньше 0,01%) исходные содержания этих металлов в урановорудных залежах определяют и незначительные их концентрации в растворах ПВ. Так, например, концентрации этих металлов в растворах на месторождениях Карамурунского рудного района следующие, мг/л: Be = 0,01 – 0,87; As = до 0,2; Рb = 0,07 – 1,7; Сu = 0,1 - 0,8; Zn = 1,7 - 6.9; Cd до 0,1; Со до 2,9; Сг до 0,8. Тем не менее, изучение поведения и учет концентраций перечисленных компонентов при подземном выщелачивании является обязательным природоохранным мероприятием.

Изменения химического состава подземных вод рудовмещающих горизонтов, вносимые ПСВ, иллюстрируются в таблице 6.3.3.

Таблица 6.3.3

Химический и радиохимический составы природных подземных вод и остаточных растворов (сернокислотная схема)

(по данным Язикова и др., 2001)

Общая минерализация растворов вцентральной части техногенного ореола определяется также и концентрацией закачиваемого реагента, составляя при сернокислотном выщелачивании обычно 15-25 г/л. К периферии ореола она снижается и достигает фоновых значений. Величина рН изменяется от нейтральных значений на границе ореола до 1-2 в средней его части. При карбонатном выщелачивании в подземные воды рудовмещающих горизонтов поступают преимущественно ионы аммония, бикарбоната, хлора, отчасти сульфата, бериллия, мышьяка, селена, радия-226, тория-230, радона-222.

Реакция среды становится слабощелочной. При использовании бикарбонатного реагента, оказывающего более селективное воздействие на урановые руды, по сравнению с кислотным выщелачиванием, количество поступающих в техногенные воды компонентов сокращается. Однако, несмотря на это, карбонатное выщелачивание нельзя признать экологически менее вредным, поскольку в этом процессе в раствор переходят значительные объемы радия, нередко селена, обладающих большой миграционной способностью в щелочной среде. Так, опыт эксплуатации месторождений в США по карбонатной схеме показал, что серьезную проблему при последующем восстановлении горизонтов представляет очистка их от аммония и радия. Последний даже приходится переводить в твердое состояние и хранить в виде радиоактивных отходов неопределенное время.

При работе участков ПСВ в сбалансированном режиме граница ореола технологических растворов определяется положением внешних линий их тока, которые выходят из крайних закачных скважин, огибают участок с флангов и подходят к боковым откачным скважинам. Значительного его распространения при правильной работе полигонов обычно не бывает как за счет стабилизирующегося во времени гидродинамического режима участка, так и возникающего по его периферии сильного кислотно-щелочного барьера, в области которого проницаемость водоносного горизонта заметно снижается. Максимальное удаление границы техногенного ореола от геометрического контура промышленного участка, например, с сетью скважин 25x50 м составляет около 50-80 м.

Таким образом, на промышленных полигонах ПСВ размер техногенного ореола определяется в первую очередь площадью отрабатываемой рудной залежи. Нарушение баланса растворов в сторону откачки над закачкой или наоборот соответственно незначительно уменьшает или увеличивает его размеры в пределах ±50 м.

Наряду с выше указанными проблемами, существует также ряд геоэкологических проблем загрязнения подземных вод, которые связаны в первую очередь за счет буровых работ: эксплуатационно-разведочное бурение с целью уточнения морфологии рудных залежей; сооружение эксплуатационных (технологических) скважин двух видов - 1) закачные – скважины, в которые закачивают серную кислоту 2) откачные – скважины, из которых откачивают рудосодержащий раствор, а также технологического процесса: стадия закисления - заполнение порового пространства рудоносного горизонта выщелачивающим раствором с заданными свойствами, который переводит «связанный» уран в растворимую форму. Время протекания процесса несколько месяцев. Стадия заканчивается появлением в продуктивных растворах устойчивых содержаний урана. Стадия добычи - процесс подземного скважинного сернокислотного выщелачивания урана, подъём продуктивных обогащённых ураном растворов на поверхность и их транспортировка на последующую переработку с целью извлечения металла (рис. 6.3.4).

В процессе отработки методом подземного выщелачивания используется раствор серной кислоты 20 г/л на начальной стадии, 2 г/л на конечной стадии и 0,5 г/л после отмывки. При этом содержание сульфата после отмывки остается высоким и равным примерно 5 г/л, что в 2 раза превышает естественную концентрацию сульфата. Таким образом, если не снизить дополнительно сульфатность, то сульфатное пятно будет двигаться и растекаться по площади, стремясь снизиться по концентрации до естественной.

Для того, чтобы снизить отрицательное воздействие на водоносный горизонт на завершающей стадии отработки выполняется отмывка, т.е. выщелачивающие растворы не подвергаются дополнительному подкислению.