CC BY
35
8. Алейников С.М., Кутенков Е.В. Развитие метода специальной аппроксиамции в контактных задачах теории упругости // Труды Всероссийской конференции “Математическое моделирование и краевые задачи”. 2004 г. Самара, 2004. С. 9-13.
9. Алейников С.М., Кутенков Е.В. Аппроксимация ядер упругих слоистых оснований // Труды Всероссийской конференции “Математическое моделирование и краевые задачи”, Самара, 2005. С. 17-20.
10.Круподеров А.В., Журавков М.А. Решение задачи о воздействии нормальной нагрузки на многослойное трансверсально-изотропное основание с помощью использования преобразования Фурье в объемной постановке // Труды VI Международного симпозиума по трибофатике МСТФ 2010, Минск 25 окт.-1 нояб. 2010 г. 4.2/ Минск: БГУ, 2010. С. 359-364.
11.Ding H., Chen W., Zhang L. Elasticity of transversely isotropic materials. Springer, 2006. 444 p.
12.Johnson, K. L. Contact Mechanics. Cambridge University Press, 1985. 438 p.
A. V. Krupoderov
FUNDAMENTAL SOLUTIONS FOR TRANSVERSELY ISOTROPIC MULTILAYERED
The problem of act of normal loading on transversely isotropic half-space consisted from horizontal layers in is solved. The layers are unbounded. Problem is solved in 3D. The method of solution is based on using of Fourier transform.
Keywords: stress-strain state, transversely isotropic half-space, concentratedforce.
Получено 20.04.11
УДК 622.793.2
И.В. Пестряк, канд. техн. наук, доц.,
О.В. Морозова, асп. (Россия, Москва, МГГУ)
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ОБОРТНЫХ ВОД ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Проведенными исследованиями обоснована возможность снижения концентрации меди в стоках лежалых хвостов обогатительных фабрик до 0,15 и менее мг/л иона меди, что приемлемо для использования таких вод в технологических процессах измельчения и флотации.
Ключевые слова: горно-обогатительное производство, флотация, технологические процессы.
Стоки хвостохранилищ обогатительных фабрик одновременно представляют собой источник ценных компонентов и источник загрязнения окружающей среды. Негативное воздействие обусловлено загрязнени-
ем природных вод продуктами окисления минералов тяжелых металлов: меди, свинца, цинка и железа. Необходимо отметить, что максимальные концентрации ионов тяжелых металлов содержатся в дренажных водах, скапливающихся в фильтрационных слоях [1]. Единственно верным путем снижения нагрузки на экосистему является использование стоков в качестве технологической воды на обогатительном производстве.
Причиной снижения щелочности поровых вод являются продолжающиеся процессы окисления сульфидных минералов: пирита, халькопирита, сфалерита, галенита и других. Основной вклад дает пирит, поскольку он является преобладающим по массовой доле и содержит максимальное количество серы (до 60 %). Согласно реакции 1 моль кислорода обеспечивает появление 1,25 молей иона водорода:
2Бе82 + 6О2 + 7Н20 -► 2Бе(ОН)з + 8Н+ + 480/-. (1)
При концентрации кислорода в воде 3,2 мг/л (10-5 моль/л) максимальное количество ионов водорода составит 10-4,88 моль/л, что соответствует pH около 4,9. Действительно, pH фильтратов неэксплуатируемых хво-стохранилищ снижается до величины 5,5...6,0, что близко к оценочному значению [2]. Отклонения обусловлены возможностью протекания реакции окисления сульфидной серы до сульфитного иона и связыванием ионов водорода реакцией гидролиза карбонатных ионов [3].
В условиях повышенной концентрации водородных ионов происходит реакция растворения карбонатных и гидоксокарбонатных минералов:
при pH больше 6,33
СаСОз + Н+ = Са2++ НСОз-, (1)
М^СОз + Н+ = Mg2++ НСОз-, (2)
СаМ^(СОз)2 + 2Н+ = Са2++ Mg2++ 2НСОз-, (3)
Си2(ОН)2СОз + 3Н+ = 2Си2++ НСОз- + 2Н2О. (4)
при pH меньше 6,33
СаСОз + 2Н+ = Са2++ Н2СО3, (5)
MgCOз + 2Н+ = Mg2++ Н2СО3, (б)
CaMg(COз)2 + 4Н+ = Са2++ Mg2++ 2Н2СО3, (7)
Си2(ОН)2СОз + 6Н+ = 2Си2++ Н2СО3 + 2Н2О . (8)
Последовательность протекания реакций и достижимые концентрации ионов металлов можно оценить, используя диаграмму термодинамической стабильности соединений в координатах pH - Сме в предположении постоянства соотношений между концентрациями ионов металлов и кислотных остатков в жидкой фазе, задаваемых стехиометрическими коэффициентами в уравнении реакции:
[Са2+] = [НГОТ],
[М^2+] = [нсо3-],
[Са2+] + [Мв2+] =2 [НСОз-],
2[Си2+] = [НСОз"].
Рассчитанные для указанных условий диаграммы представлены на рис.1. Анализ полученных диаграмм позволяет заключить, что последовательность протекания реакций в области pH более 7 следующая: СаСО3, MgCOз, CaMg(COз)2 , Си2(ОН)2СО3. Это означает, что в условиях постепенного снижения щелочности фильтрата первоначально будут растворяться карбонаты кальция и магния. Увеличение концентрации карбонатных ионов уменьшает концентрацию ионов меди.
В области pH менее 6,5 последовательность протекания реакций растворения иная: СаСО3, Си2(ОН)2СО3, MgCOз, CaMg(COз)2. Это означает, что при более интенсивном закислении поровых вод, растворение магнезита и доломита будет происходить после растворения гидроксокарбо-ната меди. Другим выводом является то, что при pH менее 6,5 карбонатные породы не будут связывать ионы меди в нерастворимые соединения, т.е. эффективность т.н. «природных» фильтров существенно снижается.
Рис. 1. Диаграмма термодинамической стабильности карбонатов кальция и магния и гидроксокарбоната меди при варьировании
щелочности фильтрата
Для проверки результатов расчетов были поставлены опыты по фильтрации стоков лежалых песков хвостохранилища одной из обогатительных фабрик. Минеральный состав песков представлен в табл. 1.
Таблица 1
Минеральный состав лежалых хвостов
Минерал Содержание, % Минерал Содержание, %
Кварц, опал, халцедон 30,3 Магнетит, гематит 0,73
Серицит, мусковит 25,0 Хлорит 0,41
Плагиоклаз 22,5 Гипс 0,27
Полевые шпаты 7,53 Гетит 0,12
кальцит 3,23 Сидерит 0,12
Глинистые минералы 1,73 Гидроксокарбонаты меди 0,06
Пирит 1,57 Халькопирит 0,05
авгит 0,99 Тальк 0,05
Доломит 0,98 Сфалерит 0,05
Результаты опытов, представленные в табл. 2, показывают, что в присутствии карбонатных породных минералов (кальцита, доломита и магнезита) осаждение меди добавками щелочи при pH более 8 обеспечивает получение стоков, пригодных для использования в качестве технологической воды в процессах измельчения и флотации.
Таблица 2
Результаты опытов по очистке фильтратов лежалыххвостов в присутствии карбонатных минералов
№ опыта Концентрация щелочи/кислоты, моль/л pH раствора Концентрация ионов, мг/л
начальное конечное Ca Mg2+ ^2+ HCOз- + ТО32-
1 NaOH, 10-4 9,9 8,7 14,1 4,8 0,028 28,5
2 NaOH, 10-6 8,1 8,0 30,2 6,4 0,15 34,8
3 - 6,8 6,6 46,7 8,8 0,28 44,7
4 H2SO4, 10-6 6,1 6,0 52,1 8,4 0,46 54,5
5 H2SO4, 10-5 5,3 6,2 56,2 10,2 0,92 71,2
С практической точки зрения, полученные результаты обосновывают возможность снижения концентрации меди в стоках лежалых хвостов обогатительных фабрик с получением фильтратов, содержащих 0,15 и менее мг/л иона меди, что приемлемо для использования таких вод в технологических процессах измельчения и флотации.
В отсутствие достаточного количества карбонатных ионов эффективность очистки от ионов меди существенно снижается (табл. 3).
Таблица 3
Результаты опытов по очистке фильтратов лежалыххвостов в отсутствии карбонатных минералов
№ опыта Концентрация щелочи/кислоты, моль/л pH раствора Концентрация ионов, мг/л
начальное конечное Са Мм2+ Си ИСОэ" + СОэ2-
1 №ОИ, 10-4 10,2 8,9 44,1 24,4 0,96 7,2
2 №ОИ, 10-6 8,6 8,0 60,2 13,3 2,00 12,2
3 - 6,9 6,7 88,5 20,3 3,18 20,4
4 И28О4, 10-6 5,5 5,4 92,1 19,4 5,22 22,2
5 И28О4, 10-5 5,1 5,2 96,1 19,2 7,92 21,2
В таких условиях становится необходимым проведение очистки сточных вод другими способами, например с применением сорбционной технологии.
При проведении лабораторных исследований сорбционной технологии очистки фильтратов были определены технологические возможности процесса сорбции ионов меди на катионообменных сорбентах.
С целью определения возможных результатов при сорбции и выбора ионита были проведены исследования по сорбционному извлечению меди ионитами марок КУ-2-8 и КБ-4 при различной продолжительности процесса сорбции.
Эксперименты проводились в статическом режиме на не рассеянных смолах по стандартной методике [4]. Результаты, представленные на рис. 2, показывают, что остаточная концентрация меди в процессе сорбции снижается со временем, достигая значений 0,06...0,09 мг/л.
При использовании слабокислотного катионита КБ-4 степень извлечение меди выше, и составляет при продолжительности сорбции более 1 часа около 99,8 %. Дальнейшее увеличение времени сорбции не изменяет остаточную концентрацию металла. При проведении экспериментов на смоле КБ-4 достигнута меньшая остаточная концентрация ионов меди (0,04 мг/л) и соответственно большее извлечение меди (99,85 %).
Возможность достижения высокой степени извлечения металлов катионитом КУ-2х8 из фильтратов хвостохранилища (без предварительной подготовки последних) дали основание выбору по катионита КУ-2х8 для проведения дальнейших исследований по оптимизации процессов очистки реальных фильтратов хвостохранилища ГОКа «Эрдэнэт». Состав фильтратов и полученные результаты опытов представлены в табл. 4.
Опыты проводились в динамическом режиме на полупромышленной сорбционной установке объемом 5 л. Время сорбции составляло 10.40 мин.
Рис. 2. Изменение остаточной концентрации иона меди в фильтрате при проведении процесса сорбции в статическихусловиях:
1 - с использованием катионита КУ-2-8; 2 - с использованием
катионита КБ-4
Анализ полученных результатов (см. табл. 3) принципиально соответствует данным, полученным при лабораторных опытах, и подтверждает возможность извлечения меди из фильтратов хвостохранилища на 95,0.98,0 % до технологически приемлемого уровня 0,08.0,15 мг/л.
Таблица 4
Результаты опытов по сорбционному извлечениюмеди из фильтратов
хвостохранилища ГОКа «Эрдэнэт»
Па раметры исходного фильтрата Время сорбции, мин Остат. конц.меди, мг/л Извлечение меди, %
pH Концентрация, мг/л
меди железа кальция
6,15 1,8 0,39 44,3 10 0,25 97,4
20 0,16 97,6
30 0,09 98,8
40 0,08 98,8
6,87 0,77 0,17 24.5 10 0,15 99,5
20 0,095 99,2
30 0,075 99,6
40 0,062 99,6
Оценка эффективности разработанной технологии проводилась в полупромышленных условиях на обогатительной фабрике ГОКа «Эрдэ-
нэт». Результаты испытаний (табл. 5) показали эффективность осадительно-сорбционной технологии кондиционирования оборотных вод.
Таблица 5
Результатыукрупненных экспериментов по флотации медно-молибденовыхруд на оборотной воде, полученной врезультате очистки фильтратов хвостохранилища
№№ Условия опыта Концентрация ионов меди Расходы реагентов, г/т Извлечения металлов,%
1 На чистой технологической воде 0,002 Собиратель - 15,2 Вспениватель - 10,5 Cu - 85,5 Mo - 55,3
2 На оборотной воде без кондиционирования 5,2 Собиратель - 17,5 Вспениватель - 12,5 Cu - 84,5 Mo - 51,5
3 На оборотной воде после щелочного осаждения без карбонатов 1,7 Собиратель - 17,0 Вспениватель - 12,2 Cu - 84,9 Mo - 52,7
4 На оборотной воде после щелочного осаждения с карбонатами 1,0 Собиратель - 16,5 Вспениватель - 12,0 Cu - 85,2 Mo - 53,8
5 На оборотной воде после щелочного осаждения и сорбции 0,15 Собиратель - 15,7 Вспениватель - 11,0 Cu - 85,3 Mo - 54,1
Выбор конкретной технологии определяется соотношением стоимости дополнительно извлекаемых компонентов и затрат на очистку. Предварительный сравнительный анализ результатов показал, что варианты 4 и 5 (после щелочного осаждения с карбонатами) показывают близкие результаты и могут быть предложены для практического использования.
Применение разработанной технологии очистки позволило за счет возврата стоков в качестве технологической воды на обогатительное производство снизить концентрации растворенной меди в приповерхностных грунтовых водах на 50.70 %, приведя их в соответствие с требованиями норм по ПДК.
Список литературы
1. Айриянц А.А., Бортникова С.Б. Хранилище сульфидсодержащих отходов обогащения как источник тяжелых металлов (Zn, Pb, Cu, Cd) в окружающей среде // Химия в интересах устойчивого развития. 2000, Т.8. С. 315-326.
2. В.З. Хвосты и хвостохранилища обогатительных фабрик /Козин и [др.] // Изв. вузов. Горный журнал. 1996. №3/4. С. 103-116.
3. Макаров Д.В. Методы снижения негативного влияния на окружающую среду сульфидсодержащих отходов горнопромышленного комплекса // Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования. М.: Академия наук о Земле, 2002. Т.З. С.67-69.
4. Кунаев А.М., Дадабаев А.Ю., Тарасова Э.Т. Ионообменные процессы в гидрометаллургии цветных металлов. Алма-Ата: Наука Каз. ССР, 1986 . 246 с.
I.V. Pestryak, O.V. Morozova
DEVELOPING OF ORE-DRESSING WORKS CIRCULATING WATER CONDITIONING TECHNOLOGY
Grounded possibility of copper concentration reduction by carried out research in stale tail flows of ore-dressing works down to 0,15 and lesser mg/l copper ion, that is acceptable to use these water in technological processes of decomposition andflotation.
Keywords: ore-dressing works, flotation, technological processes.
Получено 20.04.11
УДК 622.251.5:622.831
М.Г. Попов, канд. техн. наук, ассист., [email protected] (Россия, Санкт-Петербург, СПГГУ)
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ «КРЕПЬ-МАССИВ» СТВОЛА БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Построена пространственная конечно-элементная модель породного массива. Выполнено моделирование пространственного напряженно-деформированного состояния массива вокруг незакрепленного ствола. Приведены результаты численного моделирования напряженно-деформируемого состояния системы «крепь-массив».
Ключевые слова: ствол, крепь, смещения, напряжения, массив
При строительстве подземных сооружений в условиях Санкт-Петербурга возникает множество проблем, связанных с наличием водонасыщенных грунтов и плотной застройкой.
Целью математического моделирования было изучение параметров напряженно-деформированного состояния крепи ствола на различных глубинах. Решение подобных пространственных задач не имеет точных аналитических решений, поэтому в данном случае применялось математическое моделирование, основанное на методе конечных элементов.
Деформационные характеристики материалов, использованных при моделировании, представлены в табл. 1.
Модель представляет собой участок массива, сложенного кембрийскими глинами, размером 120x120x100 м со стволом без крепления, проведение которого заканчивается на глубине 50 м.
Размеры модели подбирались, исходя из условия незначительности влияния граничных условий на картину распределения напряжений и деформаций. Общий вид и сетка разбивки модели представлены на рис. 1.
Для исследования напряжённо-деформированного состояния принята линейная модель деформирования массива. Граничные условия задавались следующим образом: по боковым граням запрещались
