Радикальное повышение эффективности освоения минеральных ресурсов в сочетании с экологической безопасностью может быть достигнуто на основе принципиально нового подхода извлечения полезных компонентов из недр со стадией селективного формирования зон концентрации полезных компонентов непосредственно в массиве с задействованием механизмов флюидных массообменных процессов как движущей силы преобразования и переноса рудного вещества [5]. Большая часть созданных природой месторождений и рудопроявлений полезных ископаемых обязана как раз флюидному массопереносу [7]. Инициирование направленного процесса вещественного и структурного преобразования массива включает «открытие» системы: создание в выбранном участке недр неравновесного состояния, при котором потенциальная энергия недр приводит в направленное движение гомеостатические механизмы среды [3]. Изучению фильтрации водных растворов через горные техногенные объекты и изменения минералов, происходящее при этом, являются объектом изучения многих исследователей [2, 8, и др.]. Расчеты основных гидродинамических параметров приводятся в работах [1, 4, 6 и др.]
Данная работа посвящена исследованию процессов флюидного массопереноса в массиве пород. Инструментами в формировании зон концентрации служат закономерности движения флюидов в массиве и закономерности взаимодействия с поверхностью капилляров и закономерности осаждения при капиллярном подъеме растворов к дневной поверхности. Необходимо исследовать параметры испарения от различных факторов и вертикальную зональность осаждения цветных металлов в зоне аэрации массива.
Основная часть
Формирование зон концентрации в массиве обосновывается закономерностями движения растворов и осаждения из них солей. Одним из надежных механизмов осаждения солей цветных металлов из растворов является испарительный барьер. Он присутствует в приповерхностной зоне массива, если уровень «зеркала» обводненности связан с атмосферой через зону аэрации. Испарительный барьер меняет концентрацию постепенным полным испарением воды из него по мере подъема к поверхности при прохождении раствором зоны аэрации. С целью определения закономерностей распределения содержания по высоте при прохождении растворов разной концентрации по зоне аэрации была проведена серия экспериментальных исследований на специально разработанной и изготовленной установке восходящего капиллярного подъема флюидов в массиве. Установка представляет собой колонну, в нижнюю часть которой подается раствор (рис. 1). Раствор капиллярным подъемом двигался по массиву вверх к поверхности, проходя, при этом, испарительный барьер в зоне аэрации с полным испарением воды.
Поддержание постоянного уровня раствора в массиве осуществляется на основе принципа сосуда Мариотта, который был адаптирован к условиям эксперимента. В качестве флюида использовали растворы различной концентрации кобальта (II) азотнокислого 6-водного (10%, 50% и 80% его растворимости) и никеля (II) азотнокислого 6-водного (также 10%, 50% и 80% его растворимости). Для исключения реакционных накладок материал массива представлен инертным материалом, а именно очищенным кварцевым песком фракции -0,5+0,2 мм.
В ходе эксперимента фиксировались следующие кинетические параметры движения растворов: дата и время опробования, объем израсходованного раствора, температура окружающего воздуха, влажность воздуха, атмосферное давление. В начальный период, особенно в первые сутки для исследуемых площадей экспериментального массива
скорость движения составляет от 1200 до 4300 мл/ч*м2 с характерным постепенным снижением скорости капиллярного подъема растворов.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки капиллярного подъема растворов в приповерхностной зоне аэрации массива: 1 – емкость с раствором; 2 – регулятор уровня раствора; 3 – массив.
Для определения взаимосвязи скорости испарения от изучаемых параметров использован аппарат математической статистики. В результате применения множественной регрессии отобраны наиболее значимые факторы и получена зависимость скорости испарения (коэффициент множественной регрессии равен 0,86)
, мл/ч*м2
где 
– скорость испарения, мл/ч*м2; 
– влажность воздуха, %; 
– температура воздуха, оС; 
– продолжительность процесса, ч.
Таким образом, основными параметрами, влияющими на скорость испарения, являются влажность и температура окружающего воздуха, продолжительность процесса.
Первые кристаллы появились на поверхности массива через 39 дней при испарении раствора Co(NO3)2 80 % концентрации, что соответствует испарению раствора в количестве 23 мл/см2, для раствора с 50 % концентрацией – через 46 дней, что соответствует испарению раствора в количестве 25 мл/см2. Аналогичная картина наблюдается и для Ni(NiO3)2. Процесс появления кристаллов на поверхности массива показан на рис.2.
По окончании эксперимента отобраны пробы на содержание кобальта по зонам и влажности массива. Распределение содержания нитрата кобальта практически равномерное по всей высоте массива для 10% раствора и снижается от основания к поверхности на 20% и 80% для растворов в 50% и 80% (рис.3). Влажность массива в нижней части его близка к насыщению, что соответствует гидромиграционным процессам.
а) б)
Рис. 2. Появление кристаллов Ni(NiO3)2 (а) и Co(CoO3)2 (б) на поверхности массива.
Рис. 3. Распределение содержания нитрата кобальта и влажности по высоте массива для условий разной концентрации подаваемого раствора.
Выводы.
Установлены основные факторы, влияющие на скорость испарения растворов, и получена их количественная взаимосвязь.
Характер осаждения водорастворимых нитратов Ni и Co зависит от условий капиллярного подъема раствора в зоне аэрации при прохождении испарительного барьера. Осаждение происходит по всей зоне аэрации с линейным снижением содержания от «зеркала» обводненности к поверхности массива Такое распределение характерно как для концентрированных растворов, так и относительно бедных. Отличие распределений в зависимости от концентрированности исходных растворов состоит в разной интенсивности снижения концентраций в направлении дневной поверхности массива.
Чем выше исходная концентрация раствора, тем выше интенсивность снижения содержания от нижних слоев к верхним. И наоборот, чем ниже исходная концентрация исходного раствора, тем равномернее распределяется содержание нитратов по высоте в зоне аэрации.
Рецензенты:
Гилев А. В., д.т.н., профессор кафедры Горных машин и комплексов ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет", г. Красноярск;
Брагин В. И., д.т.н., профессор кафедры Обогащения полезных ископаемых ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет", г. Красноярск.