CC BY
26
© М.А. Ивочкина, 2013
УДК 624.131 М.А. Ивочкина
ИНЖЕРНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ВОСКРЕСЕНСКИХ ОТВАЛОВ ФОСФОГИПСА
Рассмотрены особенности инженерно-геологических условий формирования отвала фосфогипса в г. Воскресенск. Отмечено, отходы производства фосфорных удобрений получаются двух разновидностей: дигидрат и полугидрат сульфата кальция. Рассмотрен фазовый переход полугидрата сульфата кальция в дигидрат. Приведены результаты изучения физико-механических свойств пород фосфогипса и естественного основания отвала.
Ключевые слова: дигидрат фосфогипса, полугидрат фосфогипса, отвалы, инженерно-геологические условия, физико-механические свойства.
Развитие горнодобывающей, металлургической, химической промышленности и энергетики неизбежно приводит к ежегодному образованию миллиардов кубометров промышленных отходов, одним из которых является крупнотоннажный сульфатный отход производства — фосфогипс, образующийся при производстве фосфорсодержащих минеральных удобрений. [1] В России и в большинстве зарубежных стран, где есть производство фосфорной кислоты, переработка фосфогипса, являющегося ценным строительным материалом, не рентабельна. В связи с чем, большую его часть (более 90 %) направляют для хранения в отвалы — специально спроектированные объекты размещения. Обычно предприятия по производству фосфорных удобрений расположены в пределах развитых густонаселенных промышленных регионов: Московская, Ленинградская, Саратовская области, г. Череповецк и т.д. Здесь под отвалы фосфогипсов из сферы лесного и сельского хозяйства изымаются значительные площади ценных земель. Важной проблемой
при этом является обеспечение устойчивости отвальных сооружений, сформированных при максимально возможных параметрах. Решение проблемы оптимизации параметров горнотехнических сооружений требует выполнение специальных инженерно-геологических исследований, учитывающих особенности их формирования в конкретных условиях.
Наиболее остро проблема размещения отходов производства фосфорной кислоты стоит в г. Воскре-сенск Московской области, где уже более 75 лет работает Воскресенский химкомбинат. За это время было полностью заполнено 3 отвальных сооружения: два гидроотвала и один сухой отвал. В настоящее время отходы отсыпаются в сухой отвал №2, высота которого достигает 80 метров. Это самое крупное горнотехническое сооружение химической промышленности, сложенное фосфогип-сами. Дальнейшее его наращивание предопределило выполнение специальных инженерно-геологических исследований, оценки и прогноза устойчивости откосов. [2]
Предприятие ОАО «ВМУ» в различные годы своей деятельности размешало в отвалы два вида гипсовых отходов: дигидрат и полугидрат сульфата кальция. После закрытия старых горнотехнических сооружений на первых этапах сушествуюший отвал П2 принимал отходы в виде ди-гидрата сульфата кальция. Высота отвала при этом достигла 30 метров. Затем произошло изменение технологии производства с переходом на образование отходов в виде полугидратов сульфата кальция. Данные обстоятельства предопределили создание двухслойной системы отвала, где нижняя часть сложена дигидратом, а верхняя часть — из дигидратов, образовавшихся при перекристализации полугидратов сульфата кальция.
Отвал фосфогипса №2 сформирован по классической схеме веерного размешения от периферии к центру поярусно путем разгрузки самосвалов частично под откос, частично на верхнюю плошадку и далее сталкиванием породы бульдозером. Специальная укатка пород при складировании откосов не применялась, уплотнение отсыпанных масс происходило в процессе их хранения под действием веса вышележашей породной толши. Фактические углы наклона откосов изменяются от 25 до 34 градусов. По укрупненным подсчетам объемы за-складированных отходов в отвал по состоянию на 2011 год оцениваются порядком 22 млн м .
Фосфогипс образуется при производстве экстракционной фосфорной кислоты и сложных концентрированных удобрений. В настояшее время сушествует два способа получения фосфорной кислоты: полугидратный и дигидратный способы, соответственно, одно- и двухстадийный. На
предприятии ОАО «ВМУ» в настоя-шее время фосфогипс полугидрат получают одностадийным способом. Он вывозится на отвал, там складируется и затем претерпевает изменения под действием свободной воды, посту-паюшей с технологии производства и атмосферных осадков.
По теории А. Ёе Шателье при смешении с водой полугидрат сульфата кальция растворяется с образованием насышенного водного раствора. В растворе он взаимодействует с водой и переходит в дигидрат. Так как растворимость полугидрата в воде, в пересчете на СаБ04, составляет около 8 г/л, а дигидрата — 2 г/л, то раствор становится пересышенным по отношению к дигидрату. Поэтому в жидкой фазе возникают условия для образования зародышей кристаллов дигидрата и выпадения их из раствора. Это вызывает уменьшение концентрации полугидрата в жидкой фазе и создает условия для растворения новых порций этого вешества и образования пересышенного раствора СаБ04-2Н20. Кристаллы дигидрата растут, переплетаются, срастаются, обусловливая схватывание и твердение смеси. Прочность породы растет. Однако, при отвалообразовании наблюдается постепенный рост высоты сооружения и отсыпанные ранее породы оказываются погребенными под другими, отсыпанными на поздних этапах. Давление растет, происходит нарушение структуры твердеюшего вяжушего, сопровождаясь образованием микротрешиноватости, дальнейшим уплотнением материала и возрастанием показателей его прочности. При этом возрастает сцепление не так значительно, как это происходит при твердении полугидратов при гидратации.
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 65 60 Рис. 1. Изменение влажности н сцепления фосфогипсов и юрских глин по глубине
Изучение прочностных показателей техногенных пород в отвалах ВМУ, сформированных из отходов производства фосфорных удобрений производилось с применением лабораторных и полевых испытаний.
Лабораторное изучение фосфогипсов производилось с целью определения расчетных параметров сопротивления сдвигу для использования в расчетах устойчивости отвалов. Необходимость использования натурного опробования фосфогипсов в массиве обусловлена тем, что отбор монолитов из них невозможен ввиду трещиноватости техногенного массива. Изучение прочности фосфогипсов методом вращательного среза позволяет оценить прочность пород с учетом имеющейся трещиноватости, а сопоставление этих результатов с лабораторными данными — не ошибиться в выборе расчетных параметров в сторону завышения последних.
Обработка данных сдвигов в интервале нагрузок 0—15 кг/см2 посредством построения обобщенного графика (т - о) позволяет получить осредненные для всего отвального массива параметры прочности фос-фогипса: угол внутреннего трения ф= = 350 и сцепление 0.27 кг/см2.
Анализ проведенных лабораторных и натурных испытаний выявил тенденцию увеличения сцепления фосфогипсов с глубиной, а именно: верхняя часть разреза отвального тела до глубины примерно 20 м характеризуется средним сцеплением 0.25 кг/см2; центральная часть толщи до глубины 49.0 м характеризуется средним сцеплением порядка 0.45 кг/см2; в нижней части отвального тела (на глубине 49.0-63.5м) сцепление фосфогипсов увеличивается в среднем до 0.55 кг/см2 (рис. 1). [2]
Дифференциация техногенного массива по прочностным показателям
объясняется, вероятно, двумя факторами: во-первых, различием в напряженном состоянии, что обуславливает распространение в верхней части менее уплотненных пород. Прежде всего, заметим, что по характеру нарастания чувствительности фосфогипсов с глубиной можно говорить о том, что со временем и под действием давления вышележащих слоев происходит литификация (цементация) фосфо-гипсов в массиве за счет формирования более прочной структуры. Нарастание прочности в процессе литифи-кации фосфогипсов идет за счет увеличения структурной составляющей сцепления. Во-вторых, обводненностью фосфогипсов в нижней части отвала. Фосфогипсы, залегающие ниже депрессионной поверхности техногенного водоносного горизонта, находятся в пластифицированном состоянии, что придает им дополнительное коагуляционное сцепление. Влажность этих грунтов повышенная: если выше уровня грунтовых (техногенных) вод средняя влажность фос-фогипсов составляет 13-16 %, то ниже УГВ их влажность в среднем 24 — 26 %. [2]
Непосредственное основание отвалов, определяющее условия их устойчивости, в пределах исследованной территории представлено глинами юрскими. Анализ результатов лабораторных испытаний позволяет отметить, что юрские глины в пределах исследованной территории неоднородны по своим механическим свойствам. По своим прочностным свойствам они отличаются друг от друга, главным образом по величине сцепления 1,6 — 1,8 кг/см2. Следует заметить, что разница не большая, но прослеживается четкая тенденция в снижении сцепления при возрастании
нагрузки от вышележащих породных слоев. [2]
Данная тенденция говорит о том, что под воздействием нагрузок от отвалов в глинах происходит разрушение жестких структурных связей, сопровождающееся понижением прочностных свойств пород. Породы при этом уплотняются и впитывают небольшое дополнительное количество влаги, что подтверждается данными изучения физических свойств глин.
Сдвиговые испытания глин при скорости деформирования 2 мм/мин дают мгновенную прочность пород — максимальное значение сопротивления сдвигу, которое может быть реализовано при нагружении пород непрерывно возрастающей нагрузкой. В действительности глинистые породы, находясь в основании отвальных сооружений в течение длительного времени подвергаются действию касательных напряжений, не превышающих их мгновенную прочность (в допредельной области деформирования). Под воздействием горизонтальных и вертикальных нагрузок от отвалов глинистые породы претерпевают необратимые структурно — текстурные преобразования, способные привести к снижению их прочности, а, следовательно, и к понижению степени устойчивости отвалов. [2]
Сдвиговые испытания юрских глин при различных скоростях деформирования позволили установить, что при увеличении длительности деформирования сопротивление сдвигу этих пород снижается.
Наименьшие значения прочности зарегистрированы при скорости среза 0.001 мм/мин. Соответствующая этой скорости величина сопротивления сдвигу может рассматриваться как длительная прочность пород т . [2]
Сравнительный анализ параметров сопротивления сдвигу юрских глин, показывает, что нарушение структуры глин в ходе деформирования приводит к падению прочности, и это падение связано в основном с уменьшением сцепления. Остаточная прочность пород нарушенной структуры тост составляет 24^67 % от мгновенной тмгн, свойственной породам в ненарушенном состоянии, а остаточное сцепление С* составляет 20^60 % от первоначального сцепления глин. [2]
При формировании отвалов из пород и материалов, содержащих различные виды воды, особенно гравитационную, в техногенном массиве может сформироваться техногенный водоносный горизонт с безнапорным режимом фильтрации. Установлено, что в отвал в настоящее время складируются полугидраты, характеризующиеся пониженным относительно ди-гидратов содержанием воды. Кроме того, при переходе полугидратов в ди-гидраты процесс перекристализации требует определенного количества воды (обычно на это идет вся свободная вода). Поэтому в отвалах наблюдается недостаток питания, техногенный во-
доносный горизонт характеризуется низкими уровнями даже в центральной части отвала, а в краевых — весьма низким, совпадающим с границей техногенных и естественных пород.
Выполненные инженерно-геологические исследования на территории отвального хозяйства ВМУ позволили уточнить строение техногенного массива и основания, обосновать параметры физико-механических свойств техногенных и естественных пород, гидрогеологическую структуру горнотехнического сооружения. Это позволило, в конечном итоге, разработать гидрогеомеханическую модель объекта, необходимую для выполнения расчетов устойчивости при его наращивании. Расчеты устойчивости по разработанной модели позволили обосновать увеличение высоты существующего отвала до 120 метров. Кроме того, изучение деформационного поведения пород отвалов, сложенных полугидратами фосфогипса, позволило рассчитать осадку техногенного массива и его уплотнение. Это, в конечном итоге, позволит дополнительно разместить в сооружение объемы отходов производства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ёычко Ю.М. Использование промышленных отходов для устройства оснований зданий и сооружений. Обзор. М., ВНИИИС, 1982.
2. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Выполнить изучение инженерно-геологических условий и разработать рекомендации по оптимизации параметров отвалов ООО «Воскресенские минеральные удобрения». — М., 2011. и'.'-1^
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Ивочкина Мария Александровна — аспирант, ivochkinamary@gmail.com,
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Научный центр геомеханики и
проблем горного производства.
