CC BY
158
УДК 622.852.2
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ХВОСТОХРАНИЛИЩ В КРИОЛИТОЗОНЕ
В.В. Бутюгин
Норильский индустриальный институт
ул. 50 лет Октября, д. 1, 663300, г. Норильск, Россия
Проблемы гидротехнических сооружений хвостохранилищ, связанные с обеспечением их промышленной и экологической безопасности в суровых климатических условиях севера, не снижают своей остроты, несмотря на формирующийся и совершенствующийся опыт их содержания. В работе на основе комплексного системного подхода продемонстрировано формирование нового подхода к решению проблем промышленной гидротехники, обеспечивающего и эффективность эксплуатации, и качество компонентов природной среды в Норильском промышленном районе
Гидротехнические сооружения хвостохранилищ имеют определенные особенности, обусловленные тем, что возводятся в значительно более сложных условиях и оказывают существенное влияние на состояние окружающей природной среды. При сравнительно небольшом объеме их негативное воздействие на окружающую среду весьма значительно и может во много раз превосходить влияние более масштабных гидротехнических объектов. Основными проблемами эксплуатации объектов такого рода являются:
фильтрация техногенных вод и загрязнение поверхностных и подземных
вод;
загрязнение атмосферы пылящими частицами и вредными испарениями; устойчивость подпорных сооружений.
Эти проблемы не новы и существуют на всех хвостохранилищах, шламонакопи-телях и гидроотвалах, однако в условиях Крайнего Севера они проявляются во много раз острее.
В настоящее время намывные хвостохранилшца в Норильском промышленном районе (НПР) представлены тремя объектами - хвостохранилшце №1, действующее хвостохранилшце "Лебяжье", его второе поле и связывающие их магистрали трубопроводов гидротранспорта хвостов и оборотного водоснабжения (рис. 1).
При этом все хвостохранилища являются единым комплексом инженерных сооружений и коммуникаций их связующих: на хвостохранилшце №1 производится гидромеханизированная разработка лежалых хвостов, для осуществления которой используется вода, подаваемая из хвостохранилища "Лебяжье". Отвальные хвосты хвостохранилища № 1 поступают на первое и второе поля хвостохранилища "Лебяжье" для строительства ограждающих дамб устойчивой конструкции. Вода со второго поля подается в первое и далее в хвостохранилшце № 1. Таким образом,
срыв работы или вывод любого звена из единого процесса складирования хвостов, намыва ограждающих дамб, вторичной переработки хвостов и обеспечения оборотного водоснабжения неизбежно приведет к остановке деятельности всей системы ГТС или нарушению ее нормального функционирования.______________
и о с.Купец
/г 1а,
орСКт! .НОУ
N
Умаега фянп.тмт *■ Т1<5
■ - магм
мз
И'..,'! 11
кк-щ* N«1
Рис. 1. Схема расположения хвостохранилищ
Если к этому добавить, что все хвостохранилища являются источниками потенциальной угрозы для особо чувствительной окружающей природной среды криоли-тозоны, то становится понятным, что их промышленная и экологическая безопасность должна обеспечиваться не стандартным регламентированным "Правилами безопасности..." [1] и перечнем контролируемых показателей, а исследованиями, включающими и научные разработки, и оригинальные методические подходы к наблюдениям, и поиски новых решений в технологических процессах складирования хвостов и обеспечении экологических функций окружающей природной среды.
Решение этих вопросов может быть осуществлено только на основе действительного комплексного подхода, базовым положением которого является концепция инженерно-геоэкологической системы (ИГЭС) [2].
Инженерно-геоэкологическая система - многокомпонентная, динамичная структура, существующая в неразрывном, эволюцинизирующем взаимодействии слагающих ее элементов и сопровождающаяся взаимообусловленными изменениями естественного хода развития и обмена веществом и энергией между инженерным
сооружением и природной средой [4]. В соответствии с данным положением, эффективная эксплуатация сооружения и его промышленная безопасность не могут быть обеспечены без знания природных условий его содержания и прогноза их изменений, так же как и состояние окружающей среды комфортное для обитания биоты в целом и жизнедеятельности человека в частности, не может оцениваться и обеспечиваться без знаний технологических процессов содержания ГТС.
Рассмотрим это положение более детально. Основным назначением ГТС как инженерной составляющей ИГЭС является складирование хвостов обогащения и создание необходимых объемов оборотного водоснабжения, что обеспечивается применяемой технологией эксплуатации, простой и низко затратной в реализации и при этом удовлетворяющей условиям устойчивости сооружения. Роль компонентов природной среды заключается либо в пассивном приспособлении к воздействиям со стороны инженерного сооружения в случае низкого уровня техногенеза, либо в активной ответной реакции, как правило, выражающейся в потере их экологических функций, а в условиях криолитозоны (при деградации мерзлоты) и в создании аварийных ситуаций на гидротехническом сооружении. Учитывая особенности проектирования хвостохранилищ, их размещение в недостаточно благоприятных инженерно-геологических условиях, отсутствие вариантов их переноса в более подходящее место и т.д., основной проблемой хвостохранилищ на период эксплуатации является использование такой технологии их содержания, которая бы с минимальным уроном окружающей среде обеспечивала жизнедеятельность обогатительного производства. Другими словами, хвостохранилище, выполняя проектные функции накопителя отходов, одновременно должно снижать свою роль как источника воздействий на окружающую среду.
На примере уникального хвостохранилища "Лебяжье" нами сделана попытка продемонстрировать, каким образом внедрение новых технологических принципов эксплуатации позволило существенно улучшить состояние окружающей природной среды на территории, прилегающей к накопителю.
Строительство хвостохранилища "Лебяжье" началось в 1976 г., с октября 1983 г. оно используется для складирования отходов обогащения, а с 1984 г. и в качестве бассейна оборотной воды. Применяемый ранее эстакадный способ намыва включал отсыпку пионерной дамбы по периметру хвостохранилища, устройство деревянной эстакады, на которую помещался деревянный пульпопровод (рис. 2).
В зимний период осуществлялось складирование хвостов под лед из сосредоточенных выпусков. После окончания намыва производилось строительство новой эстакады, монтаж деревянной трубы и последующий намыв очередного яруса. Хвосты при таком способе складирования растекались по релье-
„ , ~ „ ч „ фу, практически не образуя
гис. 2. Эстакадный способ намыва ограждающей дамбы „ _ „
ограждающей дамбы. Осо-
бенно большая часть отходов обогащения поступала в северном направлении, заполняя озера и естественные понижения местности. Единственным природоохранным мероприятием в то время являлась мерзлотная завеса, устроенная для снижения фильтрации по контуру низового откоса ограждающей дамбы. При значительной общей длине дамбы промораживания всех таликов в ее основании не произошло, а замораживающие колонки впоследствии вышли из строя.
Таким образом, эстакадный способ намыва на первоначальных этапах эксплуатации хвостохранилища выразился в существенном нарушении компонентов окружающей среды: изменении температурного режима вечномерзлых грунтов и активизации процессов их деградации, загрязнении земельных и водных ресурсов.
В 1981 г. для ограждения поступления пульпы на рельеф и создания емкости хвостохранилища с наружной стороны эстакады была произведена отсыпка призмы из крупнообломочного грунта. В результате этого мероприятия значительно снизилось поступление твердой фазы пульпы за пределы ограждающей дамбы, тем не менее, воздействия хвостохранилища на окружающую природную среду оставались значительными.
В 1997 г. в качестве опоры распределительного пульпопровода (вместо деревянной эстакады) было предложено использовать отсыпку из металлургического шлака, а деревянный намывной трубопровод заменить на металлическую (рис. 3).
С целью повышения интенсивности намыва и задержания максимального количества твердых частиц в пляжной зоне эквидистантно оси распределительного пульпопровода в пляжной зоне отсыпалась пульпоудерживающая призма (ПП) из крупнообломочного грунта.
Назначение ПП в управлении намывом следующее: размещение ПП на различных расстояниях от распределительного пульпопровода позволяет регулировать интенсивность намыва на отдельных участках; она способствует более интенсивной консолидации намытых хвостов и повышению устойчивости дамбы; позволяет формировать заданный рельеф дна прудка, что весьма важно при зимнем складировании хвостов под лед; способствуют более интенсивному промерзанию намывного массива, т.е. выполняет армирующую тело ограждающей дамбы функцию, что повышает его статическую и фильтрационную устойчивость и тем самым обеспечивает экологическую безопасность хвостохранилища. Реализация данного способа намыва уже в первые годы (1997-1998 гг.) обеспечила опережающий рост дамбы, увеличение объема отстойного пруда, при этом значительно снизилась фильтрация из хвостохранилища.
Несмотря на преимущества предложенной технологии, по сравнению с ранее использованными, в условиях планового увеличения объемов складируемых в хво-стохранилище "Лебяжье" хвостов, проектная (безопасная по критериям устойчиво-
Рис. 3. Металлический распределительный пульпопровод на шлаковой призме
сти) величина высоты ежегодного яруса намыва стала ограничивать возможности их складирования в хвостохранилище в полном объеме. Поэтому вопросы повышенной интенсивности намыва, формирования емкости для обеспечения оборотного водоснабжения и зимнего подледного складирования приобрели еще большее значение, особенно в области обеспечения статической и фильтрационной устойчивости.
Выход из данного положения может быть один - продление сроков намыва дамб вторичного обвалования, т.е. осуществление намыва при отрицательных температурах окружающего воздуха (ниже - 5°С). Это позволит увеличить емкость прудка, снизить сбросы техногенных вод на рельеф и т.д. В связи с этим в намывной сезон 2005 года был проведен эксперимент по зимнему и зенитному намыву. Основной
его идеей являлся намыв хвостов в зимний период времени на промороженный ярус летнего намыва, что позволит уложить в тело дамбы дополнительный объем хвостов, сохранив емкость прудка, а также снизить глубину оттаивания намытого слоя за счет его покрытия "предохранительным" слоем зимнего намыва.
На специально оборудованном участке были пробурены температурные скважины и расставлены мерные вешки для наблюдений за интенсивностью намыва, проведена геодезическая съемка поверхности участка (рис. 4).
Намыв осуществлялся циклично с остановками для отдыха пляжа, отбора проб, замеров температур, определения времени промерзания и т.д. Мощность слоя намытых хвостов для отдыха не превышала 0,3 м. Расход подаваемой пульпы регулировался задвижками, и определялся объемным способом. Полученные результаты явились основой для разработки новой для хвостохранилища "Лебяжье" технологии намыва ограждающей дамбы, реализованной в проекте эксплуатации сооружения.
Одновременно был проведен эксперимент и по зенитному намыву, который проводился по двум вариантам с использованием отсыпки дамбы вторичного обвалования из крупнообломочного грунта и ее формирования землеройной техникой из ранее намытых на пляж хвостов (рис. 5).
После намыва очередного яруса (п,4) отсыпается
Рис. 5. Принципиальная схема зенитного намыва ограждающей дамбы
Рис. 4. Участок зимнего намыва
призма из крупнообломочного грунта (5) объемом в 2-3 раза меньше чем традиционная (2). Выпуск (3) удлиняется (6) за отсыпанную призму (5) и через него намывается очередной ярус(7). После намыва яруса(7) на него как основание отсыпается новая призма (8) аналогичная(З). Выпуск вновь удлиняется(9) и намывается очередной ярус( 10). После этого на последнем ярусе намыва( 10) отсыпается призма (2) и на неё перекладывается пульпопровод (1)
Проведенные эксперименты показали высокую эффективность производства работ, сохранение мерзлого состояния дамбы, повышение фильтрационной устойчивости и соответственно экологической безопасности сооружения.
Фильтрационная устойчивость гидротехнических сооружений хвостохранилищ в криолитозоне является отдельным вопросом, которому до настоящего времени уделялось незначительное внимание. Учитывая, что в 20 веке ГТС накопителей строились и эксплуатировались без соответствующего противофильтрационного обоснования, в надежде на то, что в условиях вечной мерзлоты техногенная фильтрация будет со временем затухать из-за естественного промерзания основания и тела дамб (а этого не произошло) нами на протяжении ряда лет проводятся поиски мероприятий по снижению и предупреждению фильтрации из хвостохранилищ. Достаточно отметить, что уже реализация технологии управляемого намыва, а также эксперименты по зимнему и зенитному намыву позволили снизить фильтрационные потери из накопителей на -20%, что отмечается в результатах мониторинга геологической среды.
На строящемся хвосто-хранилище, с использованием опыта эксплуатации хвостохранилищ №1 и "Лебяжье", был принят ряд превентивных мер. На основание будущего сооружения, представляющее собой территорию, осложненную многочисленными озерами и протоками их соединяющими, и не промерзающими в зимний период времени, был намыт противофильтрационный экран из мелкодисперсных хвостов Талнахской обогатительной фабрики.
В конструкции ограждающей дамбы проектом были предусмотрены противо-фильтрационные элементы (рис. 6).
Для повышения фильтрационной устойчивости основания второго поля хвосто-хранилища на отдельных участках повышенной потенциальной фильтрации впервые для условий хвостохранилищ Норильского региона был проведен промышленный эксперимент по конусному намыву противофильтрационных эк-ранВезбршгаТ^ эксперимента показали, что конусный намыв позволяет производить круглогодичное складирование хвостов, с обеспечением промышленной и экологической безопасности эксплуатации.
Рис. 6. Устройство противофильтрационного экрана
Для снижения фильтрации из хвостохранилищ, повышения устойчивости ограждающих конструкций и учитывая многолетний научно-исследовательский опыт ученых Норильского индустриального института, был проведен эксперимент по использованию жидкой технической серы в качестве противофильтрационного материала. Жидкая сера (Ы 50°С) из специально изготовленной емкости выливалась на поверхность верхового откоса дамбы (рис. 8)
В течение нескольких минут поверхность откоса, покрытая расплавом приобрела, в зависимости от интенсивности подачи серы, водонепроницаемые свойства, а сам массив - значительную прочность (рис. 9).
Проведенный эксперимент показал возможность использования жидкой технической серы, являющейся побочным продуктом основного производства ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» для повышения статической и фильтрационной устойчивости гидротехнических сооружений хвостохранилищ и обеспечения их экологической безопасности.
[\
Таким образом, эксплуатация хвостохранилищ в Норильском регионе в настоящее время соответствует действующему законодательству в области промышлен-
Металлургический
шлак
Рис. 9. Принципиальная схема устройства противофипьтрационных экранов
Рис. 7. Характер поверхности конуса намыва
Рис. 8. Подача жидкой серы на откос дамбы
ной безопасности и охраны окружающей среды, при этом стратегия дальнейшего развития промышленной гидротехники определена, и пути решения их проблем продолжают совершенствоваться.
ЛИТЕРАТУРА
1. Правила безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов (ПБ 03-438-02). Серия 03. Выпуск 14/Колл.авт - М.: ГУП «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России». - 2002.-128 с.
2. Бутюгин В.В., Пыхтин Б.С., Гришаева Л.В. О контроле безопасности накопителей промышленных отходов и проблемах их эксплуатации //Гидротехническое строительство. - 2004. - № 1 - С. 45-49.
3. Бутюгин В.В., Гулан Е.А., Чекушина Е.В. Разработка инженерно-геоэкологической системы «хвостохранилище - биосфера» //Материалы Международной дистанционной конференции «Горное нефтяное и геоэкологическое образование в XXI веке». - М.: Изд-во РУДН. - 2004. - С. 295-298.
4. Воробьев А.Е., Чекушина Т.В., Каргинов К.Г., Погодин М.Л. Технология выщелачивания золота при отрицательной температуре окружающей среды /Под ред. проф. А.Е.Воробьева. - М.: Изд-во РУДН. - 2003. - 95 с.
GEOECOLOGICAL PRINCIPLES OF EXPLOITATION OF TAILING TIPS IN CRYOLITE ZONE
V.V. Butiugin
Industrial Institute of NoriFsk 50 years October str., 7, 663300. Noril’sk, Russia
Problems of hydroengineering constructions of tailing tips, concerned with supply of their industrial and ecological security, do not decrease their sharpness in severe north climate conditions, in spite of forming and perfecting experience of their maintenance. Forming of new approach to the decision of the problem of the industrial hydroengineering was demonstrated on basis of complex and systematic approach during the work, that provides with as efficiency of exploitation as quality of the components of natural environment in the Norilsk industrial region.
Бутюгин Вячеслав Викторович., канд. геол.-мин. наук, доцент Норильского индустриального института, соискатель степени докт.техн.наук кафедры Горного и нефтяного дела РУДН, автор более 200 научных трудов и инженерных разработок, развивает геоэкологическое направление в решении проблем хозяйственного освоения криолитозоны.
