Глава 12. Контроль поверхностных вод – водный баланс

(Ян Хатчисон)

12.1. ВВЕДЕНИЕ.

В этой главе описываются способы, используемые при проектировании процессов выщелачивания для уменьшения потерь растворов из штабелей КВ и бассейнов, а также ущерба от размыва во время паводков или продолжительных дождей. В общих чертах намечены методы проектирования в периоды продолжительной засухи, когда ощутим недостаток воды. В деталях рассмотрены сезонные операции, такие как зимние остановки и защита при весеннем снеготаянии. Затрагиваются основные вопросы сооружения емкостей для продуктивных и маточных растворов. Цель настоящих заметок - обеспечить проектировщиков и исполнителей доступным методом совершенствования конструктивных параметров, ко­торый позволит эффективно и просто управлять поверхностным стоком, не прибегая к громоздким и сложным расчетам.

В разделе 12.2 затронут ряд вопросов, связанных как с дождями и паводками, так и с засушливыми периодами. Определение проектных параметров стока рассматривается в разделе 12.3. Баланс оборотных растворов и определение размеров емкостей описаны в разделе 12.4. Вопросы сооружения емкостей включены в раздел 12.5. Раздел 12.6 составляют рабочие примеры.

12.2. ПРОЦЕССЫ ОСАДКОНАКОПЛЕНИЯ - СТОКА

Для проектирования оборудования кучного выщелачивания важны два типа процессов осадконакопления - стока. Первый из них, кратко­срочные процессы, - сильный дождь или снеготаяние, протекающие за несколько минут или часов, которые могут привести к размыву и переполнению емкостей и сточных канав. Характерные результаты та­ких процессов следующие:

- размывание подъездных путей;

- повреждение сточных канав;

- загрязнение сточными водами оборотных растворов;

- повреждение емкостей для технологических растворов за счет подмыва стен или переполнения и размыва;

- потери оборотных технологических растворов, вследствие прорывов в сточных канавах и емкостях;

- размыв выщелачиваемой руды и, как следствие загрязнение технологических растворов механическими взвесями.

Другая группа процессов осадконакопления – стока, вызывающих сложности - это долговременные (измеряемые месяцами) влажные или засушливые периоды. Продолжительные дожди могут вызвать чрез­мерное накопление технологических растворов, увеличивая опасность переполнения емкостей. Засушливые периоды вызывают, потери технологических растворов за счет испарения, что может привести к искусственному водному дефициту, если нет соответствующего ко­личества легко доступных запасов пресной воды.

Климатические процессы, обуславливающие осадконакопление - т.е. совершенно случайные во времени. Следовательно, невозможно предсказать события, которые должны произойти. Принимая это во внимание, предлагается статистический подход. Чтобы исключить чрезмерно защищенные конструкции и предложить стандартизированные методы решения, выбираются в основном те экстремальные события, которые имеют общую заданную вероятность появления. Например, бассейн для продуктивных растворов должен, быть сооружен с достаточным запасом высоты надводного борта (объема накопления выше нормального предела рабочего уровня), чтобы заведомо вместить количество осадков, вероятность появления которого составляет не менее одного процента ежегодно.

Другой способ описания этого события – 1 за 100 лет (результат деления 1 на 0,01).

В ряде случаев, требования органов государственного управ­ления предписывают частоту осадочных явлений, которой проектиров­щики обязаны руководствоваться при учете местных особенностей проекта. Таблица 12.1 содержит типичный набор данных, который может быть использован для целей кучного выщелачивания. Очевидно, что более ограничительные нормативные требования будут значитель­но снижать ценность информации, представленной в таблице.

В Критерии выбора оборудования для KB , приведенные в таб­лице 12.1. также зависят от продолжительности проектируемых явлений. Поскольку размеры надводного борта выражаются в размере суммарного количества осадков, должна быть известна продолжитель­ность явления для подсчета этого количества.

ПРОГНОЗИРУЕМЫЕ ПАВОДКОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

(КРАТКОСРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ)

Осадки или снеготаяние

Осадки - ключевой элемент при определении интенсивности накопления воды во время краткосрочных процессов. NOAA (национальной гидрометеорологической комиссией министерства торговых связей США, 1973) был проведен обширный статистический анализ регионального осадконакопления. Ею выпущена целая серия атласов, в которых представлены карты всех западных штатов с изоб­ражением изолиний от 6 до 24 различных явлений, повторяющихся раз в 2,5,10,25,50 и 100 лет. Дан также способ определения количества осадков для промежуточных значений продолжительности явлений. Ис­пользуя эти карты, которые можно найти в наиболее посещаемых библиотеках, довольно просто дать подходящие оценки предполагае­мых явлений. Для очень непродолжительных явлений приведены данные, позволяющие определить суммы осадков с точностью до пятиминутных интервалов.

В общем случае, для сооружений, представляющих интерес (таких как штабели KB для выщелачивания или бассейны для продук­тивных и маточных растворов) величины ожидаемого количества осад­ков могут использоваться непосредственно или быть представлены как эффективная площадь при заполнении заданного объема. Это предпо­лагает отсутствие потерь. В ряде случаев, когда дождевая вода собирается в естественные водосборники, более правильно рассматривать остаточный объем осадков с учетом инфильтрационных потерь. В руководстве по гидро­логии SCS (службы землеустройства министерства торговых связей США) описано» как это делается. Книга содержит количественную классификацию типов грунтов (таблица 12.2.), соответствующие диаграммы

Таблица 12.1.

Прогнозируемые явления и критерии для кучного выщелачивания

(Примечание: местные специфические условия или эксплуатационные требования могут обусловить более строгие критерии).

Сооружения	Прогнозируемое явление	Рекомендации
Коммуникации и дренажные канавы	1 паводок в 10-50 лет	Сокращение капитальных затрат. Обеспечение аварийным оборудованием на случай паводка
Дренажные канавы вокруг штабеля КВ за пределами бассейнов с маточными и продуктивными растворами	1 паводок в 100 лет	Уменьшение риска повреждения штабелей, последующих потерь технологических растворов и загрязнения окружающей среды
Штабели и бассейны продуктивных и маточных растворов	Максимум от: средних гидрогеологических явлений и кратковременных штормовых явлений (*), повторяющихся 1 раз в 100 лет. Долговременных осадков, происходящих в течении нескольких месяцев и лет и повторяющихся 1 раз в 100 лет	Уменьшение риска переполнения и последующих потерь технологических растворов и загрязнения окружающей среды

* Имеется в виду продолжительность явления в 1,7,15,30 и 60 суток в наихудшем случае. Продолжительность менее 24 часов не рассматривается.

количества осадков (таблица 12.3.) и результирующие суммы остаточных объемов осадков (рисунки 12.1 и 12.2). Так как эти гидрологические характеристики были разработаны для целей агротехники, категории, представленные в таблице 12.3., не идеальны для горного дела.

Для областей, где процессы снеготаяния и снегопада преобла­дают над дождевыми явлениями, предложенный подход должен быть несколько изменен. Обычно не существует доступных региональных карт снежной обстановки. Проектировщики должны, главным образом, использовать информацию, предоставляемую службой землеустройства или другими организациями, такими как коммунальный надзор или исследовательские отделения местных университетов. В слу­чае неудачи следует прибегнуть к анализу данных наблюдений снежной обстановки. Такая информация обычно существует в табличной форме (12.4.А). Данные, собранные с нескольких станций территории позволяют проектировщикам оценивать среднюю величину глубины снежного покрова. Это может быть применено к местным условиям, таким как, например, снежные наносы. Знание обстановки и местных особенностей очень важно при даче оценок.

Используя данные более длительных наблюдений SCS, проектировщик может провести частотный анализ сезонных величин водно­го эквивалента. Под "водным эквивалентом" понимается количество воды, содержащееся в снежных осадках и выраженных в единицах дли­ны. SCS получает эти цифры путем взвешивания образцов снежного покрова. Плотность снега различна. В общем случае, содержание воды колеблется от 10 процентов объема свежевыпавшего снега, до 30 процентов объема весеннего наста. Частотный анализ состоит в выде­лении экстремальных сезонных оценок и их классификации е возрастающем порядке. Периоды повторяемости величин определяются из формулы Уэйбула (Линсли, Коулер и Паулус, 1982).

(1)

где, n – годовое число событий, m - ранг события (-1 для наибольшего)

Таблица 12.2.

Гидрологическая классификация типов грунтов

(выдержка из главы 7 Руководства по гидрологии SCS)

Гидрологический тип грунта	Определение
А	Низкая способность стока. Грунты, имеющие высокую инфильтрационную способность даже в случае водонасыщения. Состоят преимущественно из глубоко и полностью дренированных песков и гравия.
В	Грунты, имеющие среднюю инфильтрационную способность в случае водонасыщения. Состоят преимущественно из довольно хорошо и глубоко дренированных среднезернистых песков.
С	Грунты, имеющие плохие инфильтрационные свойства в водонасыщенном состоянии. Преимущественно подстилаются водоупором, препятствующим движению воды вниз, и состоят из пылеватых и глинистых пород.
D	Высокая способность стока. Грунты, обладающие очень плохой инфильтрационной способностью в водонасыщенном состоянии. Представлены, главным образом, глинистыми, набухающими породами с высоко залегающим водоупором, с линзами и прослоями глин вблизи поверхности и тонкозернистыми породами из почти непроницаемого материала.

Количество осадков в дюймах

Рис.12.1.

Литературный источник

Рис. 12.2

Литературный источник:

Мосkus, Victor: Estimating direct runotf amounts from storm

rainfall: Central Technikal Unit, October, 1955

Таблица 12.3.

Параметры стоков для гидрологических наземных комплексов

(Выдержка из таблицы 9.1. Руководства по гидрогеологии SCS).

Землеиспользование	Гидрологические условия	Гидрологическая группа грунтов
		А	В	С	D
Пастбища	Бедные	68	79	86	89
	Довольно хорошие	49	69	79	84
	Хорошие	39	61	74	80
Луга	Хорошие	30	58	71	78
Леса	Бедные	45	66	77	83
	Довольно хорошие	36	60	73	79
	Хорошие	25	55	70	77
Хозяйственные постройки на фермах		55	74	82	86
Дороги	Грунтовые	72	82	87	89
	Асфальтированные	74	84	90	92

Таблица 12.4.А

Типичный набор данных SCS о снежной обстановке

Таблица 12.4 В

Типичные данные о частоте повторяемости снежной обстановки

Пример: пологовое ущелье, Колорадо

Год	Максимальное значение водного эквивалента		Ранг	Период повторяемости (годы **)
	Месяц	Дюймы
1971	Апрель	22,5	2	3
1972	Апрель	17,3	4	1,5
1973	Май	16,8	5	1,2
1974	Май	22,7	1	6
1975	Апрель	18,6	3	2

* по таблице 12.4 А

* по уравнению (1)

Полученная информация выносится на вероятностную бумагу и точки соединяются кривой. Типичный пример показан в таблице 12.4В и на рисунке 12.3.

Использую такую кривую, проектировщик может интерполировать необходимые значения водного эквивалента, например, его «значение», повторяющееся 1 раз в 100 лет. Известное или вычисленное отношение среднегодовой глубины снежного покрова на участке строительства к величине, определенной SCS, может быть использовано для преобразования данных SCS в данные по участку, т.е.

(2)

где SD1 – искомое значение глубины снежного покрова на участке строительства;

SD2 – прогнозируемая глубина снежного покрова по данным SCS;

SM1 – максимальная среднегодовая глубина снежного покрова на участке строительства;

SM2 – максимальная глубина снежного покрова по данным SCS.

Полученные значения величины водного эквивалента могут быть приспособлены для расчета объема стока при учете потерь и распространении значения глубины на действующую площадь. Если необходимо знать скорость потока, то можно предположить, что снег тает в течении нескольких дней ил по мере накопления на участке. Хотя эти два предположения могут оказаться недостаточно обоснованными, тем не менее они дают аппроксимированные рабочие параметры, которые соответствуют прогнозируемым процессам. В некоторых случаях могут быть предприняты более обширные исследования, чтобы точнее определить потери, происходящие во время таяния снега за счет инфильтрации и сублимации, а также интенсивность снеготаяния.

Рис. 12.3.

Вероятностная кривая плотности снега

Месячные данные осадконакопления необходимы для оценки вместимости бассейнов относительно среднесезонных флуктуаций. Наиболее подходящая информация - это среднемесячные оценки количества осадков, которые могут быть получены из публикаций NOAA или местных метеорологических служб. Среднемесячная характеристика для участка строительства может быть принята на основании данных по прилегающим территориям. Эти цифры можно получить через отношение среднегодового количества осадков па участке строительства к среднегодовому количеству осадков в масштабе используемых данных. Оценки среднегодовых осадков обычно можно взять из публикуемых карт или сообщений, представляемых местными метеорологами или агентствами по эксплуатации водных ресурсов.

12.3.2. Испарение

Потери воды при кучном выщелачивании складываются из испарения с открытых поверхностей, разбрызгивания и испарения при транспортировке растворов. Количественные оценки годовых скоростей испарения необходимы для определения суммы водного баланса. В тех случа­ях, когда сезонные флуктуации циркулирующего объема воды значительны, могут потребоваться месячные оценки.

Испаряемость с открытых водных поверхностей может быть получены главным образом по данным испарения из лотков класса А в районе проекта. Рекомендуемый переводный коэффициент для учета испарения из больших бассейнов (для продуктивных растворов) – 0,75 по отношению и данным испарения из лотков. Среднемесячные данные по испарению могут, как правило, быть получены из тех же источников, что и данные по осадконакоплению. Если эти источники не доступны, могут быть использованы региональные карты, одна из которых приведена на рисунке 12.4. Так как эти данные относят­ся к мелководным озерам, то их корректировка не требуется.

Распыляемые потери зависят, главным образом, от размеров капель, температуры, влажности и силы ветра. В основном разносимые ветром потери брызг могут быть снижены за счет использования капель большего размера, т.е. большего диаметра форсунки со слабым давлением, а также за счет уменьшение разбрызгивания во время сильного ветра. Потери, связанные с испарением брызг были получены при раз­личных ирригационных испытаниях. Испытания проводились при широ­ком спектре температур, движения ветра, рабочего давления, влаж­ности, диаметров насадок и конструкций разбрызгивателей. Харак­тер испарения растворов от разбрызгивателей до штабеля КB соот­ветствует условиям испытания. Рисунок 12.5. может быть использован для оценки потерь распыления при известных климатических и тех­нологических условиях. Данные по испарению из лотков также могут быть использова­ны для оценки потерь испарения при орошении штабелей. Данных, свя­зывающих испарение из системы орошения с измеренными в лотках немного. Эта связь зависит от климата, конструкции системы орошения и размеров капель. Наблюдения таковы, что системы орошения, специально предназначенные для распыления воды (как отдельные узлы орошения штабелей КВ) могут увеличивать потери на испарение по сравнение с измеренными в лотках класса А в два и более раз во влажном и до шести раз в сухом климатах. Потери от испарения в системах орошения объектов KB не должны быть такими высокими.

12.3.3. Гидрография потоков

В некоторых случаях важно вычислить максимальную интенсивность стока, т.е. предельную скорость потока. Это требуется для определения водопроводимости таких устройств как дренажи, отводные канавы вокруг участка кучного выщелачивания.

Рис. 12.4.

Среднегодовое испарение (в дюймах) с поверхности мелководных озер в западных штатах (метеорологическая служба США).

Рис. 12.5.

Потери испарения из систем орошения

К этому есть два подхода. Первый простой, но не достаточно обоснованный, называется методом рациональных функций. Он описан Ben Te Чоу. (1984) и приведен здесь. С некоторыми изменениями этот метод применим, главным образом в качестве способа проектирования небольших дренажей (площадью менее 5-10 акров). В большинстве случаев нужные размеры дренажа, получаемые этим способом, обуславливают применяемую конструкцию и повышают проектные требования. Прежде всего, метод содержит определение времени сосредоточения для исследуемого бассейна стока. Этот термин означает время достижения сточными водами наиболее удаленной части бассейна при заданных условиях. Время определяется из уравнения (3),

часов, (3)

где L - длина бассейна стока в футах, измеренная по наибольшему пути потока;

S - Средний уклон бассейна в долях единицы.

При известном времени сосредоточения, с помощью процедуры, описанной в разделе 12.3.1., можно определить количество осадков, выпавших за этот период. Тогда соответствующий расход потока можно определить по следующей формуле:

(4)

где Q – проектный расход потока в куб.вутах/с;

С – безразмерный коэффициент стока, описанный в таблице 12.5.;

I – интенсивность осадконакопления в дюймах /I = Рс/Тс;

Рс – количество осадков в дюймах за время Тс;

Тс – время сосредоточения в долях часа;

А – площадь дренажа в акрах.

Более точный метод – единый графический метод SCS. Он описан в книгах «Сооружение малых плотин» (U.S.B.R., 1977) и «Руководство по Гидрологии» (1972), которые легко доступны. Этот метод используется для расчета дренажей площадью более 5-10 акров (2-4 гектара) и, что более важно, позволяет точнее определить проектный расход потока. Существует пакет программ для микро ЭВМ, упрощающий реализацию этого метода. Если существует количественная информация о паводковых явлениях, метод может использоваться для определения расхода потока больших сточных областей. Однако применение этого метода требуется, главным образом, в тех случаях, когда участки кучного выщелачивания сооружаются вблизи больших рек или заливов. Такие ситуации возникают очень редко и поэтому в данной работе опущены.

12.3.4. Гидравлические аспекты проектирования

Расчет объема емкостей относительно прост. Искомый объем вычисляется путем умножения общей площади коллекторов на величи­ну количества осадков или водного эквивалента, как описано выше. Таким образом, могут быть спроектированы вмещающие емкости. Такой простой подход применен как для пространства внутри штабеля КВ, так и для бассейнов продуктивных и маточных растворов. Более точ­ный метод определения высоты надводного борта последних рассмат­ривается ниже в разделе 12.4.

Проектирование открытых каналов для движения растворов проводится на основании хорошо известной формулы Маннинга:

(3)

где V- средняя скорость потока, в Футах/с;

h - коэффициент шероховатости, Маннинга (см.таблицу 12.6.);

п – гидравлический радиус в футах ( = А/Р, где А – площадь поперечного сечения потока в кв футах

Р - периметр смачивания, в футах

(Для широких мелких каналов с соотношением к глубине более 4, Р заменяется глубиной);

S - гидравлический уклон канала, д.е.

Вен Те Чеу(1959) дал классификацию коэффициентов шероховатости "п" по Маннингу. Некоторые его значения приведены в таблице 12.6. Во многих работах содержатся диаграммы, упрощающие применение этого уравнения. Хороший пример найден в министерстве транспортных путей СШA (I950). Типичная диаграмма из этого сбор­ника приведена на рисунке 12.6.

Таблица 12.5.

Значение коэффициента стока, С

(Выдержка из таблицы 14-1, Ven Te Chow, 1964)

Тип дренируемой площади	Коэффициент стока, С
Сельский: Пригороды	0,25-0,40
Промышленный: Малозастроенные площади Густозастроенные площади Парки и кладбища Спортивные площадки Неиспользуемые территории	0,50-0,80 0,60-0,90 0,10-0,25 0,20-0,35 0,10-0,30
Улицы: Асфальтированные Бетонированные Мощеные Аллеи и тропинки	0,70-0,95 0,80-0,85 0,70-0,85 0,75-0,85

Таблица 12.6.

Значения коэффициента шероховатости, п

(Выдержка из таблицы 5-6, Ven Te Chow, 1959)

Тип канала и описание	Минимум	Среднее	Максимум
Облицованные и встроенные
Металлические
Гладкое стальное покрытие
неокрашенное	0,011	0,012	0,014
покрашенное	0,012	0,013	0,017
Рифленое покрытие	0,021	0,025	0,030
Неметаллические
Цементное покрытие
без примесей	0,010	0,011	0,013
с известью	0,011	0,013	0,013
Бетонное покрытие
полностью заглаженное	0,011	0,013	0,015
не полностью заглаженное	0,014	0,017	0,020
торкретированное	0,018	0,022
на неоднородной основе	0,022	0,027
Гравийное ложе с бортами из
неоднородных камней с известью	0,020	0,023	0,026
сухой кладки или насыпи	0,023	0,053	0,036
Асфальтовое покрытие
гладкое	0,013	0,013
шероховатое	0,016	0,016
Травяные борта	0,030	……	0,500
Копанные
Земляные однородные, прямые
чистые в результате эрозии	0,018	0,022	0,023
гравийные однородные, чистые	0,022	0,025	0,030
поросшие невысокой травой	0,022	0,027	0,033
Земляные извилистые
без растительности	0,023	0,025	0,030
С травой и сорняками	0,025	0,030	0,033
глубокие с густыми водорослями	0,030	0,035	0,040
с земляным дном и каменными бортами	0,028	0,030	0,035
с каменным дном и заросшими бортами	0,025	0,035	0,040
с каменным дном и чистыми бортами	0,030	0,040	0,050
Прорубленные в скальной породе
гладкие и однородные	0,025	0,035	0,040
зубчатые неоднородные	0,035	0,040	0,050
Поросшие водорослями и кустарником
Водоросли, высотой с глубину потока	0,050	0,080	0,120
Чистое дно, на бортах кустарник	0,040	0,050	0,080
То же, но зацветшие	0,045	0,070	0,110
Густо заросшие дно и борта	0,080	0,100	0,110

Рис. 12.6.

Типичная номограмма для решения уравнения Маннинга

Обычно размеры каналов проектируются с минимальным запасом высоты надводного борта в шесть дюймов (150мм). Как отмечалось выше, во многих случаях малые размеры каналов обуславливают кон­структивные особенности.

При проектировании потокопроводящих каналов следует учитывать их устойчивость относительно размыва. Вен Те Чоу (1959) опре­делял максимальные критические скорости потока в канале для раз­личных типов грунтов. Эти критерии даны в таблице 12.7. Как пра­вило, уклоны каналов выбираются из интервала от четверти до полупроцента с целью как уменьшить уклон, так и предотвратить осажден из-за низких скоростей потока. Иногда требуются погружные колена. В этих случаях поверхность канала перекрывается защитными пластиковыми листами с засыпкой грунтом или асфальтироанием. Наиболее часто употребляемая часть растворов может заключаться в структур с повышенной пропускной способностью для увеличения объема их отбора. В этом случае сооружаются каналы с большим уклоном. Обширная литература посвящена сооружению насыпей. Из-за большого объема этот материал не приводится в данной работе.

ВОДНЫЙ БАЛАНС И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ БАССЕЙНОВ

Общие положения

Водный баланс процесса кучного выщелачивания содержат две основные составляющие. Это технологический оборот и оборот природной воды. Технологический оборот относительно постоянен и представ­ляет собой лоток технологических растворов в системе. Он включает в себя составную воду, реагентное дополнение, воду для промывки штабеля КВ и начальный запас. В определенных случаях для поддержа­ния соответствующего водного баланса могут быть предусмотрены сбросы. Цикл природных вод накладывается на технологический оборот и включает в себя случайные по времени дождевые осадки, снеготая­ние и испарение. Рисунок 12.7. иллюстрирует водооборот.

Таблица 12.7.

Рекомендуемые Фортиером и Скоби максимально допустимые скорости течения и соответствующие характеристики силы трения, принятые U.S.B.R.

для прямых каналов с малыми уклонами в результате старения русла

(выдержка из Ven Te Chow, 1959)

Материал	п	Чистая вода V, футы/с	Вода, несущая коллоидные частицы V, футы/с
Тонкозернистый песок, коллоидный	0,020	1,50	2,50
Супеси, неколлоидные	0,020	1,75	2,50
Иловые глины, неколлоидные	0,020	2,00	3,00
Аллювиальные глины, неколлоидные	0,020	2,00	3,50
Обычные жирные глины	0,020	2,50	3,50
Плотные глины, очень коллоидные	0,025	3,75	5,00
Аллювиальные глины, коллоидные	0,025	3,75	5,00
Сланцы	0,025	6,00	6,00
Мелкий гравий	0,020	2,50	5,00
Комья глин размером с булыжник, неколлоидные	0,030	3,75	5,00
Комья илов, размером с булыжник, неколлоидные	0,030	4,00	5,50
Грубый гравий, неколлоидный	0,025	4,00	6,00
Булыжник и галька	0,035	5,00	5,50

В течение года работы, вода, циркулирующая внутри комплекса кучного выщелачивания, накапливается в разных приспособлениях. Например, во время запуска вода подается в систему для заполне­ния бассейна маточных растворов, чтобы начать выщелачивание. Изначально, большая часть применяемого реагента находится в руде во влагонасыщенном состоянии. По мере увлажнения выше полевой влагоемкости (способности породы удерживать воду, стекающую под дейст­вием силы тяжести) реагент начинает собираться по периметру штабеля КВ. Испарение из бассейна и системы орошения уменьшают количество воды в системе. Атмосферные осадки, напротив - накаплива­ют. Реагент в воду добавляется также в жидком виде. Во время зимних или других запланированных остановок вода, собирающаяся в породе, стекает и собирается в бассейны. Во многих случаях порода должна быть промыта водой или химическим раствором для нейт­рализации загрязненных веществ, находящихся в породе. Это требует значительного количества воды в обороте.

Основной вопрос проектирования рабочего оборудования - это определить, каков средний общий водный баланс, т.е. накапливает система воду или отдает ее. Накапливающие системы, такие, как работающие во влажном климате или требующие промывок породы, после выщелачивания, должны содержать какие-нибудь сбросные системы для поддержания баланса. Водоотдающие системы кучного выщелачивания, наоборот, требуют постоянного пополнения водой. Такие проблемы возникают в сухих климатических условиях. В разделе 12.4.2 средний баланс рассматривается более детально. Второй важный вопрос, связанный с оборотом технологических растворов при кучном выщелачивании – это определение размеров емкостей. Бассейны для продуктивных и маточных растворов могут быть довольно дорогими и обычно требуют большой системы обвязки. Их размеры должны соответствовать флуктуациям объема воды в системе, вызванных экстремальными атмосферными осадками или сне­готаянием, а также учитывать сброс или промывку. В разделе 12.4.3. содержится описание метода определения размеров бассейнов.

12.4.2. Средний водный баланс

Составляющие водного баланса показаны на рисунке 12.7. Краткое описание оценки каждого из этих составляющих следующее:

а) Период водного баланса. Т

Период, за который оценивается составляющие водного баланса важная величина. Он должен быть достаточным, чтобы полностью включить в себя цикл выщелачивание – и отмывки. Для расширяющихся штабелей KB этот период равен фактическому времени выщелачивания - отмывки. Для перманентных штабелей, имеющих несколько сегментов породы, независимо выщелачиваемых, промываемых или загружаемых, период будет наиболее долгим, включающим весь перечень названных циклов. Далее в тексте период водного баланса обозначается символом Т.

б) Объем осадков по штабель КВ, Р

Эта величина вычисляется путем умножения величины среднего количества осадков, выпавших за период Т, на общую площадь бурта

в) Объем испарения из штабеля КВ, Е

Как описано в разделе 12.3.2 объем испарения за период Т может быть вычислен умножением величины испарения из лотков клас­са А на переводный коэффициент и величину орошаемой площади, а также может быть определен по графикам. При вычислении объема испарения следует учитывать только фактическое время выщелачива­ния или отмывки.

г) Объем воды для отмывки. R

Обычно, количество воды и реагента, требуемых для отмывки, устанавливается при лабораторных испытаниях.

В зависимости от типа цианида и других компонентов количество промывочной жидкости может составить от семи до восьми поровых объемов.

Рис. 12.7.

Водный оборот в процессе кучного выщелачивания

Здесь предполагается, что это количество может быть больше из-за необходимости использования гипохлоритов и пероксидов для интенсификации распада цианида. Могут рассматриваться также новые технологии с использованием оборотных растворов или цианидоразрушающих бактерий.

д) Емкость пород, S

По мере смены периодов выщелачивания, промывки и сброса растворов влажность пород в штабеле меняется. Изменение влагоемкости породы влияет на количество подаваемых и дренируемых растворов. Очевидно, что часть растворов, содержащихся в штабеле не может , быть сдренирована. Различные типы влажности пород показаны на рисунке 12.8. и описаны ниже.

Естественная влажность, WCп, выражается в весовых процентах от массы породы и соответствует влажности добываемой руды. Она составляет несколько процентов.

Влажность агломерата. WCа - общее количество воды в аг­ломерате. Обычно она выше естественней влажности из-за добавок воды и извести.

Полевая влагоемкость, WCf .- специфическая способность породы удерживать максимальное количество воды в противовес гравитации. Другими словами - это та вода, которая нe может быть сдренирована из отвала.

Влажность при выщелачивании, WC значительно выше полевой влагоемкости, так как включает количество стекающих растворов.

Разность между полевой влагоемкостью и естественной влажностью характеризует постоянные потери воды, которые должны быть включены в сумму водного баланса. Они вычисляются по следующей формуле:

S = 0,00166 Wo (WCf – WCп),

где Wo – масса выщелачиваемой руды, т/сут,

WCf – полевая влагоемкость, %

WCп – естественная влажность, %.

е) Объем испарения из бассейнов продуктивных и маточных растворов, ЕР.

Эта величина вычисляется умножением площади бассейнов на величину испарения с открытых поверхностей за период Т, аналогично объему осадков. В ряде случае интенсивность испарения может приниматься с учетом химического состава растворов.

ж) Рабочий объем воды в бассейнах, SР

В бассейнах необходимо иметь запас воды, потребной для работы насосов плюс недельный запас, обеспечивающий работу системы.

з) Вода в оборудовании, SРR

Этот объем соответствует емкости коммуникаций. Его величина несоизмеримо мала и учитывается здесь только для полноты представления.

и) Реагентные добавки, RA

Эта величина равна сумме объемов регента и добавляемой вместе с ним воды за период Т.

к) Объем сброса. BL

Это количество маточных растворов для разубоживания, необхо­димо, чтобы предотвратить накопление некоторых компонентов, мешающих при их переработке.

л) Общий водный баланс, BР

Исходя из определений вышеописанных величин общий баланс системы выражается следующим уравнением:

BF = Р - Е + R - ЕР - BL + RА - $ (7)

Отрицательное значение величины водного баланса означает, что система требует добавочного объема воды равного- BF. Поло­жительное значение указывает на то, что система накапливает воду, излишки которой должны сбрасываться. Это может быть достиг­нуто путем накопления и разгрузки бассейна маточных растворов. Приведенные выше данные могут быть использованы для определения количества воды, требуемого для начала процесса:

Рис. 12.8.

Состояние влажности породы в отвале

12.4.3. Определение емкости бассейнов

Как отмечалось выше, очень важно учесть количество воды собирающейся в системе во время относительно редких гидрологи­ческих явлений, и проходящей, главным образом, через бассейны продуктивных и маточных растворов. Эти расчеты должны включать также условия во время зимних остановок (если потребуется). Строгость проектных расчетов зависит как от стоимости продукции, так и от природоохранных требований. Типичные флуктуации уровня воды в бассейнах показаны на рисунках 12.9А и В. Рисунок 12.9А изображает условия зимней остановки. Нормальный рабочий объем меняется в соответствии с условиями осадконакопления и испарения. Для целей проектирования его следует оценивать поквартально или помесячно. Водный баланс достигается за год путей дополнения и сброса воды. В примере показа­на зимняя остановка с января по март, во время которой сдренированные растворы должны быть собраны в бассейны. В зависимости от технологических требований это может быть бассейн маточных, продуктивных или и тех и других растворов. Последнее требование - предусмотреть экстремальное явление. Как показано на рисунке 12.9А, критический максимум подъема уровня в бассейне возникает в конце марта. .

На рисунке 12.9 В показаны изменения объема воды в бассейне для схемы, включающий цикл отмывки. Со временем объем отмывочной воды входит в оборотный цикл, за счет чего достигается баланс. В случае применения цикла отмывки в расчете объема бассейна сле­дует учесть кратковременные повышения уровня. Необходимо отметить, что общее повышение объема воды в бассейне равно сумме объемов сдренированной воды и той, что используется при отмывке.

В более сухом климате кучного выщелачивание проводится, как правило, с большим отрицательным водным балансом, так как про­должительность штормовых явлений относительно мала и составляет от 1 до 60 суток. Это значит, что только в эти периоды, когда осадки значительно превосходят испарение из системы необходи­мо сбрасывать соответствующие объемы воды.

Рис. 12.9 А

Гидрограф бассейна

Рис. 12.9 В

Гидрограф бассейна

Так как критические ситуации зависят от климатических усло­вий и конфигурации участка, необходимо четко предусмотреть наибо­лее тяжелые из них. Например, случаи, возникшие в Северной Ка­лифорнии, вызвали остановку процесса кучного выщелачивания на несколько месяцев до окончания дождей.. Долгосрочное осадконакопление может быть оценено способом, аналогичным тому, что приводится в разделе 12.3.1. Квартальные годовые или двухгодичные данные обрабатываются, классифицируются по рангу и представляются в виде вероятностного графика. Общее количество осадков, соответствующее условиям проекта (т.е. явле­ния, повторяющиеся раз в 50 или 100 лет) получается путем интер­поляции и используется для расчета увеличения объема воды при отработке.

Невнимательное отношение к прогнозированию критических ситуаций и несоблюдение требований регулировки баланса может привести к сооружению бассейнов как чрезмерно больших, так и катастрофически малых объемов. Это показано на рисунке 12.10.

а) Случай 1 - Чрезмерно большие сооружения

Предположим, что шестичасовое явление принято как критичес­кое (PМР). Расчет водного баланса показывает, что критическая продолжительность, скажем 15 суток. На рисунке 12.10 показано, что период повторяемости не превышает одного года, т.е. вероятность превышения уровня составляет не более 0,1 процента.

б) Случай 2 - недостаточно большие размеры

Предположим, что за критическое принято явление продолжитель­ностью в 24 часа, повторявшихся один раз в 100 лет. Вместе с тем отработка ведется во влажном климате, и критическая продолжитель­ность составляет 60 суток. На рисунке 12.10 показано, что период повторяемости такого явления - 25 лет. Это значит, что перепол­нение возникает с четырехпроцентной вероятностью в год. Учитывая продолжительность отработки более 20 лет, вероятность возрастает до 80%. При любых условиях - это неоправданный риск.

В заключении следует отметить, что процесс кучного выщелачивания должен вестись таким образом, чтобы исключить вероятность переполнения бассейнов. Это особенно относится к системам с вод­ным балансом, близким к нулю. В случае использования отмывки рабо­чий уровень бассейнов возрастает, и высоты надводного борта может не хватить на случай штормового явления.

12.4.4. Вопросы технологии

В этом разделе кратко рассмотрены некоторые детали техно­логии, которые могли бы решить ряд проблем водного баланса. Две главные проблемы - запасы воды в сухом климате и таяние снега и льда в районах суровых зим.

Для сохранения воды должны быть уменьшены потери испарения. В некоторых случаях оросительные системы могут быть модифицирова­ны за счет использования форсунок, дающих большие размеры капель, В других случаях можно проводить орошение в ночное или наиболее холодное время суток.

Проблемы водонакопления, связанные с таянием снега можно ре­шить перекрыв наиболее уязвимые участки пластиковыми щитами. Во время весеннего снеготаяния вода будет стекать по ним в естественные водотоки, минуя штабель КВ. Нередко используется черный краситель в воде. За счет этого формируется черный ледяной покров. Он поглощает солнечную энергию более интенсивно и тает практически по мере образования, что уменьшает объем воды во время весеннего таяния.

12.5. УСЛОВИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БАССЕЙНОВ

Проектные требования к бассейнам для продуктивных и маточ­ных растворов представлены на рисунке 12.11. Бассейны должны иметь достаточную емкость для того, чтобы вместить:

Продолжительность предполагаемых осадочных явлений

Рис. 12.10.

Критерии предполагаемых осадочных явлений

- минимальный рабочий объем, достаточный для начала работы насосов;

- сдренированный из штабеля объем воды;

- нормальные сезонные флуктуации объема воды (основанные на гидрологических расчетах);

- аварийные увеличения объема воды (основанные на частотном анализе).

Как видно из рисунка 12.11, емкость бассейна для продуктивных растворов может быть уменьшена, так как в случае паводка мож­но спустить воду в бассейн для маточного раствора. В некоторых случаях необходимо предусмотреть третью емкость для исключения ущерба окружающей среде. Но проектировать для этого специальный бассейн - необязательно.

Методы, которые могут быть использованы для расчета бассей­нов, изложенные в разделе 12.6. - рабочие примеры. Некоторые ти­пичные расчетные схемы представлены на рисунках I2.12. ABC.

12.6. РАБОЧИЕ ПРИМЕРЫ

12.6.1. Средний баланс массы

Представим горную компанию ХУZ , которая планирует производство 500000 тонн в год. Выщелачивание должно пройти в три стадии по одному году, как показано на рисунке 12.13. Этот пример дан в привычных для США единицах измерения.

Представлены следующие исходные данные для проведения производственного процесса:

ежегодные осадки - 8 дюймов,

ежегодные испарения - 50 дюймов,

цикл выщелачивания: загрузка - 10 суток

орошение – 90 суток

отмывка – 10 суток.

Сумма 110 суток х 3 стадии = 330 суток/год

Рис. 12.1

К проекту бассейнов

Естественная влажность породы 5%

Полная влагоемкость 15%

Скорость орошения 0,003 гал/мин/фут2

Размеры бассейнов:

маточного раствора 100 х 100 футов

продуктивного раствора 150 х 250 футов

Расход орошения в течении 90 суток

Годовые компоненты водного баланса таковы:

Осадки, Р = 1/3(1/3 + 2/3 + 1) х 10 акров 8 дюймов/12 х 0,62 = 3 гал/мин

Примечание: 0,62 – переводный коэффициент из акры фут/год в гал/мин

Испарение,

Испарение,

Вода для отмывки, средний расход,

Испарение из бассейнов,

площ.бассейнов

Интенсивность накопления воды в породе,

Рабочий объем бассейнов (3 фута глубиной) = 3 фута (250 х 150 х 100 х 100) = 3,3 АF = 1 миллион галлонов

Рис.12.12А.

К проекту бассейнов

Рис. 12.12 В.

К проекту бассейнов

Рис. 12.12 С.

К проекту бассейнов

Рис. 12.13.

Годовая программа кучного выщелачивания

горной компании XYZ

Баланс Приток Сток

галлоны/мин 3 (Р) 38(ЕI)

40 (R)

2/5 2/80 (ЕР)

добавить 98/103 23(S)/103

Начальное количество воды ≈ 1 х 106галлонов

Рабочее количество = 98 гал/мин.

Аварийные потери: 100 год/24 часа РРТ = 3 дюйма

объем = 10 = 2,5 АF

Бассейн продуктивных растворов:

Минимальная рабочая глубина 3,0 футов

Сезонные колебания ± 1,0 футов

Аварийные подачи = + 3,0 футов

«Сухой» борт 0,5

Общая глубина 7,5 фута

осадков составляет более 30 дюймов, т.е. производство работает во влажном климате.

Решено определить размеры бассейнов с учетом явлений, повторяющихся раз в 100 лет. Для определения критерия продолжитель­ности паводка были приняты следующие условия: года 1,2,3 и 5 -осреднены и сделан расчет 24-часового паводка, повторяющегося 1 раз в 100 лет. Год 4 считается первым в столетнем цикле влаж­ным годом (годовые осадки в три раза превышают средние). Состав­лен месячный баланс для периода из этих пяти лет. На рисунке 12.15 показано, что критическим является событие, повторяющееся один paз в 100 лет под которое и должны проектироваться бассейны.

Следует заметить, что данный проект имеет положительный баланс массы за счет промывки, и что приток и разгрузка долж­ны быть компенсированы. Защитные покрытия могут быть использованы для сооружения различных типов бассейнов разных размеров. В этом частном примере общая емкость бассейнов около 14 миллионов галлонов и расход воды 125 галлонов в минуту. В заключитель­ной части проектирования рекомендуется проверить дополнительный водный баланс со средними климатическими условиями и промежуточными кратковременными паводками периодичностью 7,15 и 30 суток.

В данном случае если компания ABC расположена а сухом климате, критические события будут другими. В таблице 12.9 и на рисунке 12.16 показаны типичные явления сухого климата. Рисунок 12.16 иллюстрирует, что средние климатические условия в совокуп­ности с краткосрочными явлениями определяют проектируемые критические ситуации. Из-за громоздкости табл. 12.8, как и 12.9 (см. далее) - каж­дая из них более 10-15 страниц - здесь они не приводятся.

Рис. 12.14. К проекту АВС

Рис. 12.15

Горная компания АВС, общая емкость бассейнов

Рис. 12.16.

Горная компания АВС, общая емкость бассейнов