CC BY
558
------------------------------------ © Ю.В. Кириченко, М.П.Зайцев,
А.Н. Кравченко, 2006
УДК 622.002.68
Ю.В. Кириченко, М.П. Зайцев, А.Н. Кравченко
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ХВОСТОХРАНИЛИЩ
Семинар № 1
0бразование, накопление и использование отходов связано с решением экономических, экологических, технологических, организационных и социально-эстетических задач, решение которых базируется на учете инженерно-геологических особенностей объекта. Отходами гор-ного производства в горнодобывающей промышленности необходимо признать остатки сырья, исходного материала или полуфабрикатов, образовавшиеся при их переработке с целью получения готовой продукции. Вскрышные породы (также являющиеся отходами производства) в данном случае не рассматриваются. Причем сырье может подвергаться механическому, физико-химическому и т.п. воздействию, в результате которого отходы могут получать свойства, отличные от свойств исходного материала.
Применительно к черной и цветной металлургии отходы производс-тва образуются после физико-хими-ческой переработке руды (исходного материала) на обогатительных фабриках. Анализ схем обогащения показывают, что за рубежом (кроме СНГ) повышение содержания железа в концентратах достигается с помощью специальных способов их доводки (тонкое грохочение, флотация, дешламация и комбинирование этих процессов), а в РФ - путем более тонкого их измельчения и обогаще-
ния мокрой магнитной сепарации в комплексе с дешламацией (табл. 1).
Отсюда видно, что отходов (хвостов) обогащения на горных предприятиях РФ значительно больше и проблема их утилизации носит глобальный характер.
В общей сложности в техногенные намывные массивы вторичных материальных ресурсов - непосредственно хвостохранилища и их разновидности -золоотвалы и шламохранилища на территории РФ складировано более 6 млрд м3 отложений и более 4 млрд м3 воды. При этом используются как естественные емкости - природные понижения рельефа (котловины, озера, болота), для которых характерно отсутствие ограждающих дамб, так и искусственные, складирование хвостов в которые обусловлено созданием ограждающих сооружений или упорных призм (плотин). Техногенные массивы отходов обогащения также делятся по количеству ярусов дамб на одноярусные и многоярусные. По способу намыва хво-стохранилища делятся на намывные и наливные. Причем на намывных хвосто-хранилищах ограждающие сооружения обычно возводят посредством намыва хвостов с естественным отмывом мелких фракций. Ограждающие дамбы наливных хранилищ возводятся из пород вскрыши или
Таблица 1
Химический состав концентратов горнодобывающих предприятий
Наименование Содержание, % Наименование пред- Содержание, %
ГОКа Ге 8Ю2 приятия Ге 8Ю2
АО «ОЛКОН» (Оленегорский ГОК) 65,6 7,24 «Сэвидж-Ривер» (Австралия) 68,0 1,5
АО «Карельский окатыш» 68,5 4,5 «Адамс» (Канада) 67,5 3,0
АООТ «Лебединский ГОК» 69,5 3,15 «Гриффит- майн» (Канада) 69,1
АО «Михайловский ГОК» 66,7 6,22 «Шерман» (Канада) 67,8 5,0
АО «Стойленский ГОК» 67,7 5.54 «РизервМайнинг» (США) 68,0 4,7
АО «Качканарский ГОК» 60,6 4,9 «Эмпайр» (США) 66,8 6,35
АО «Комбинат КМАРуда» 66,09 7,3 «Батлертаконит (США) 68,0 4,13
грунтов из местных специально образованных карьеров. Более подробно конструкции дамб и дренажных сооружений освещается в работах [1, 2, 3].
В зависимости от инженерно-геологических условий и рельефа района расположения намывных сооружений необходимо различать следующие типы хвостохранилищ (рис. 1):
- овражно-балочные - располагаются в оврагах и балках, в низовьях перегороженных плотиной (головной дамбой -упорной призмой);
- равнинные - намываются на равнинных участках со всесторонним отва-лованием. Достоинство равнинных намывных техногенных массивов в отсутствии ответственных водосбросных сооружений для отвода и сброса естественного стока;
- овражно-равнинные - устраиваются на равнинах, пересеченных овра-гами, которые перекрываются плотинами, а равнинная часть обваловывается;
- пойменные - располагаются в поймах рек с обвалованием с двух-трех сторон в зависимости от формы рельефа;
- косогорные - намываются на склонах (косогорах), ограждаемые с трех сторон дамбами обвалования, с четвертой - склоном;
- котлованные - устраиваются в выработанных пространствах карьеров и разрезов. При складировании токсичных пульп требуют создания противо-фильтрационного экрана, исключающего загрязнение подземных вод;
- котловинные - в природных понижениях местности (котловинах). Потребность в дамбах определяется объемом и формой котловины.
Разделение последних двух типов намывных сооружений вызвано их неодинаковым воздействием на режимы поверхностных и подземных вод. Если хвостохранилища формируются в выработанных пространствах карьеров, то они способствуют восстановлению естественного режима. Намывные массивы в естественных понижениях рельефа в основном нарушают природный водообо-рот в этой местности.
В намывных массивах золоотвалов ГРЭС и ТЭЦ принято выделять еще
Рис. 1. Типы намывных массивов (гидроотвалов и хвостохрани-тин): а) овражно-балочные; б) равнинные; в) овражно-равнинные; г) пойменные; д) косогорные; е) котлованные: 1 - дамба; 2 - ложе намывного массива; 3 - упорная призма (плотина); 4 - уступы карьера; 5 - выработанное пространство
Рис. 2. Классификация по способу возведения ограждающих дамб:
а) наращивание в сторону верхового откоса (upstream); б) центральная отсыпка (central line); в) наращивание в сторону низового откоса (downstream): 1 - дамбы; 2 - намывные отложения; 3 - прудок-отстойник; 4 - основание намывного массива; 5 - дамба первоначального обвалования
Показатели
I II III IV
Высота дамбы (м) при наличии в основании: - скальных пород - песчаных, крупноблочных, глинистых в твердом и полутвердом состоянии грунтов - глинистых, водонасыщенных в пластичном состоянии грунтов 100 50 - 100 20 - 50 20
75 35 - 75 15 - 35 15
50 25 - 50 15 - 25 15
Вместимость хвостохранилища, млн. м3 500 100 - 500 10 - 100 10
Класс ответственности
Таблица 3
Класс ответственности I II III IV
Коэффициент запаса устойчивости при сочетании: - основных нагрузок 1,3 1,2 1,15 1,1
- особых воздействий 1,1 1,1 1,05 1,05
один тип техногенного массива - каскадный (расположенный в овраге, балке или ущелье и разделенный на секции серией дамб). Многие крупные хвосто-хранилища в горной промышленности (Лебединский ГОК, Михайловский ГОК, Качканарский ГОК и др.) также разделены на секции серией отсечных и промежуточных дамб и имеют отчасти каскадный характер.
В зависимости от типа хвостохрани-лища выбирается система гидравлического транспорта отходов и схема их укладки.
По количеству секций различают односекционные (как правило небольшой вместимости) и многосекционные (две, три и более секций) хвостохранилища. Наиболее часто односекционные хво-стохранилища эксплуатируются в начальный период существования при намыве их в овражно-балочной сети. С увеличением емкости массива, мощности хвостов и наростке следующих ярусов упорной призмы в намывном массиве создается система отсечных и дополнительных ограждающих дамб, позво-
ляющих более эффективно использовать емкость сооружения.
Классификация 1СОЬБ хвостохрани-лищ овражно-балочного, косогорного и пойменного типов по способу возведения упорной призмы (плотины) особого интереса не представляет и достаточно давно отображена в отечественной литературе (рис. 2)
С учетом необходимости экологической безопасности сооружения наибольшее значение получает классификация хвостохранилищ по классу ответственности, который определяется максимальной высотой ограждающих дамб и типом грунта в их основании, с учетом последствий аварий и вместимостью сооружения (табл. 2). На основании класса ответственности техногенного массива устанавливается минимальный коэффициент запаса устойчивости откосных сооружений (дамб и плотин) хвостохра-нилищ (табл. 3).
При эксплуатации хвостохранилищ возможен перевод массива из одного класса в другой. Например, хвостохра-нилище Михайловского ГОКа было пе-
реведено из I класса ответственности во II вследствие переноса деревни, которая находилась в тальвеге балки на расстоянии около 1 км от низового откоса упорной призмы, и организации сети оперативного контроля запаса устойчивости откосных сооружений [4].
Одним из условий нормальной эксплуатации хвостохранилищ является организация системы оборотного водоснабжения, позволяющая обеспечить минимальные объемы используемой воды. С этой целью на территории намывного массива организуются прудки-отстойники (посредством создания отсечных дамб), в которых устанавливаются насосные станции оборотного водоснабжения.
Основной особенностью хвостохра-нилищ является постоянное уменьшение полезной (свободной) емкости в процессе эксплуатации. На хвостохра-нилищах овражно-балочного, косогорного и пойменного типов увеличение емкости влечет за собой увеличение площади намывного сооружения. Высокая землеемкость и водонасыщенность массива являются основными недостатками хвостохранилищ.
Себестоимость гидротранспортирования и укладки хвостов как и стоимость строительства полностью зависят от инженерно-геологических, топографических, климатических, гидрологических, гидрогеологических, технологических и др. условий. Особое внимание необходимо уделять требованиям по охране окружающей среды.
Повышение вместимости хвостохра-нилища, как правило, влечет за собой значительное ухудшение устойчивости откосных сооружений и увеличивает время «отдыха» намывного массива. В настоящее время можно выделить две группы методов увеличения вместимости хвостохранилищ:
1) повышение устойчивости за счет создания мощных ограждающих дамб, увеличения их высоты с одновременной пригрузкой низового откоса, выполажи-вания и террасирования откосов, их укрепления и т.п.);
2) увеличение высоты и емкости хво-стохранилища на основе управления процессами уплотнения тонкодисперсных масс.
Первая группа имеет ряд существенных недостатков, основными из которых являются: значительные объемы работ по доставке и возведению дополнительных дамб или контрбанкетов; привлечение видов оборудования, не используемых в основном технологическом процессе формирования хвостохранилища; дополнительные затраты трудовых и материальных ресурсов; невозможность быстрого использования территорий заполненных высоких хвостохранилищ.
Поэтому при несомненной надежно -сти методов первой группы их использование не находит широкого применения. Вторая группа представ-ляется более интересной с практической точки зрения. Возможна комбина-ция методов с преобладанием элементов управления состоянием массива.
Главными технологическими функциями хвостохранилищ являются складирование твердой фазы отходов обогащения; необходимое осветление воды и снижение содержания флотореагентов до значений, при которых допустимо использование всего слива хвостохра-нилища в технологическом процессе; создание накопительной емкости для водоснабжения при зам-кнутом водо-обороте.
Отличительной особенностью формирования хвостохранилищ (по сравнению с гидроотвалами) является преимущественное круглогодичное наращивание намывного массива. Высота хво-
стохранилищ достигает 150 м и более при интенсивности намыва до 20 м/год (при укладке отходов обогащения в узких каньонах). При перемещении фронта намыва «от дамбы к пруду» намывной массив создается по принципу обратного фильтра из хвостов. Намыв по схеме «от берега - к дамбе» допустим лишь при заблаговременном возведении ограждающей дамбы на полную высоту из насыпного грунта или вскрышных пород и систематическом контроле состояния откосных сооружений [5].
Кроме того, особенностями формирования хвостохранилищ по срав-нению с гидроотвалами являются повышенные требования к замкнутой системе водоснабжения в связи с наличием в отстойном пруду участвующих в обогатительном процессе реагентов, что определяет необходимость создания противофильт-рационных экранов. Первостепенное значение имеют пылеподавление на всех этапах существования сооружения и обеспечение эффективного вторичного использования хвостов.
Наличие реагентов, остаточных металлов и минералов, попадающихся при разработке и обогащении в другую среду, провоцирует химические процессы в массивах хвостохранилищ. Эта проблема становится наиболее значимой на этапе рекультивации техногенного массива. Как показывают исследования Ан-дерша Видерлюнда (Швеция) окисления пирита и пирротина в хвостохранили-щах приводит к кислотному дренажу и высвобождению металлов из сульфидов (халькопирит, галенит и сфалерит). С целью повышения рН и адсорбции металлов часто производится известкование (рудник Кристенбари, Северная Швеция), что приводит к покрытию хвостов слоем кальцит-гипсо-вой пульпы. На заключительном этапе проектом предусматривается проведение через тело хвостохранилища ручья с водой, имеющей рН6, чем сохраняется долговременный природный водный баланс.
Государственной научно-произ-
водственной программой мониторинга геологической среды района Михайловского месторождения КМА было отме-
чено, что в результате хозяйственной деятельности в районе созданы хвостохранилища, шламохранилища, прудки-отстойники, которые привели к коренным изменениям состояния природной среды.
В намывные хвостохранилища должны складироваться хвосты с содержанием фракций менее 0,074 мм не более 6 %, однако на практике этот регламент часто нарушается и в намывных массивах хвостохранилищ формируются толщи отложений, содержащих до 90 % фракций диаметром менее 0,074 мм (на предприятиях цветной металлургии) [1].
Гранулярный состав отвальных хвостов обогащения определяется обычным ситовым и седиментационным способами, а классификация по классам крупности и принадлежность аналогичны классификации грунтов (табл. 4).
Хвосты повышенной крупности делятся на следующие виды: гравелистые -более 25 % класса +2 мм; крупнозернистые - более 50 % класса
Таблица 4
Хвосты Глинистые Суглинистые Супесчаные Песчаные
Содержание глинистых частиц крупностью - 0,005 мм, % > 30 10 30 3 10 < 3
Рис. 3. Схема хвостового хозяйства Михайловского ГОКа (на 01.2006 г.): О - номера отсеков хвостохранилища; 1 - плотина (упорная дамба) «песочная»; 2 - отсечная дамба №2; 3 - ограждающая дамба №2; 4 - перемычка №2; 5 - ограждающая дамба №3; 6 - отсечная дамба №1; 7 -дамба аварийной емкости; 8 - ограждающая дамба №1; 9 - перемычка №1; 10 - левобережная дамба; 11 - плотина (ограждающая дамба) №4; 12 - гидроотвал «Лог Шамаровский»; 13 - фабрика обогащенного концентрата; 14 - фабрика обогащения; 15 - дробильная фабрика; 16 - существующий контрольный профиль; 17 - рекомендуемый профиль
+0,5 мм; средней крупности - более 50 % класса +0,25 мм; мелкие - более 75 % класса +0,1 мм; пылеватые - менее 75 % класса +0,1 мм.
Несмотря не то, что отходы обогащения в хвостохранилищах намывного типа достаточно хорошо «отдают» воду и, следовательно, консолидируются, обеспечение устойчивости этих техногенных массивов является приоритетной при решении вопросов безопасности этих объектов.
Требования к устойчивости намывных горнотехнических сооружений регламентированы в ряде нормативных документов Госгортехнадзора, Постановлениях Правительства РФ и Строительных нормах и правилах. Контроль за обеспечением устойчивости возлагается на геологомаркшейдерские службы или специально создаваемые группы Геотехконтроля. Анализ показывает, что аварии на намывных сооружениях вызваны в 40 % случаев недостаточностью и некорректностью инженерно-геологических изысканий, в 30 % - неправильным выбором технологии при проектировании сооружений, в 25 % - нарушениями технологии эксплуатации объектов [4, 5].
Кафедрой геологии МГГУ накоплен 40-летний опыт геомеханического обеспечения безопасности эксплуатации намывных горнотехнических массивов. В качестве основного критерия изменения устойчивости откосных сооружений в исследованиях и разработках МГГУ является динамика роста избыточного по-рового давления в теле массива, его основании и дамбах. Заслуживает внимания разработанная система организации автоматизированных рабочих мест (АРМ) контроля за устойчивостью намывных массивов. Такие АРМ внедрены на Лебединском и Михайловском ГОКах в последнее десятилетие. Наиболее действенными необходимо признать
АРМ на головной дамбе хвостохранилища МГОКа и плотины на балке р. Суры ЛГОКа. Оборудованные датчиками-пьезодинамометра-ми расчетные контрольные профили на этих ответственных горнотехнических сооружений дают оперативную информацию об их устойчивости.
В настоящее время проектом предусматривается дальнейшая эксплуа-тация хвостохранилища на р. Песочная МГОКа до отметки заполнения +245,0 м (рис.
3). Расчеты устойчивости ограждающих и разделительных дамб этого сооружения произведены без учета сезонных и технологических колебаний уровня воды в прудке и нижнем бьефе, не учитывают наличие плоскостей ослаблений в теле массива и основании сооружения. В то же время исследованиями ВИО-ГЕМ установлено, что скважина №27 в районе отсечной дамбы №2 на глубине 14,7-15,0 м (абсолютная отметка отбора пробы 219,0 м) вскрыт слой водонасыщенных пород с весьма низкими прочностными свойствами: сцепление С =
0,01 кг/см2 (1 КПа), угол внутреннего трения ф = 27°. Такие данные свидетельствуют о наличии порового давления Ри, которое значительно снижает удерживающие силы в соответствие с выражением т = їдф (an - Ри ) + С , где ап - нормальное напряжение; tgф - коэффициент трения.
Наростка ограждающих дамб и повышение уровня заполнения хво-стохранилища будут провоцировать дальнейший рост избыточного порового давления. Исходя из этого организация системы геомеханического контроля по методике МГГУ по расчетным профилям дамбы №2 с применением датчиков-пьезодинамомет-ров с программным обеспечением представляется целесообразной.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гидравлическое складирование хвостов обогащения. Справочник / В.И. Кибирев, Г.А. Райлян, Г.Т. Сазонов и др. - М.:, 1991, 207 с.
2. Гальперин А.М., Дьячков Ю.Н. Гидромеханизированные природоохранные технологии. - М.: Недра, 1993, 256 с.
3. Ritcey G.M. Tailings management. Problems and solutions in the mining Indastry. Elsevier Science Publishеrs B.V. 1989, p.970.
4. Кириченко Ю.В., Лаушкина В.А., Спиридонов Ю.С. Мониторинг устойчивости откос-
ных сооружений намывных массивов Михайловского ГОКа. - М.: Маркшейдерский вестник, №1, 2005, с. 25-29.
5. Гальперин А.М., Зайцев В.С., Кириченко Ю.В. Инженерно-геологическое и геотехническое обеспечение возведения, консервации и рекультивации гидроотвалов и хвостохрани-лищ (анализ 30-летнего опыта). - М.: Геоэкология. №4, 2000, с. 307-315.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------
Кириченко Ю.В., Зайцев М.П., Кравченко А.Н. - Московский государственный горный университет.
--------------------------------------- © М. В. Прохоренко, 2006
УДК 550.8
М.В. Прохоренко
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ВОССТАНАВЛИВАЕМОЙ ГИДРОСЕТИ
Семинар № 1
Состояние значительной части земель России, находящихся в сфере хозяйственной деятельности, является неудовлетворительным. В настоящее время наблюдаются такие негативные процессы и явления, как подтопление земель, их загрязнение токсикантами промышленного происхождения (тяжелые металлы, нефть, нефтепродукты и др.), захламление и т.д. Не на должном уровне решается проблема рекультивации земель, нарушенных в результате хозяйственной деятельности
предприятий различных отраслей промышленности. При освоении месторождений полезных ископаемых изменяются режимы подземных и поверхностных вод, а ареолы влияния загрязнения на порядок и более превышают площади земельных отводов. Дренаж карьерных полей производится в пределах областей питания речной сети, в результате чего малые реки и ручьи пересыхают. Открытые горные разработки и отвалооб-разование часто сопровождается переносом рек и переформированием по-
