CC BY
364
УДК 622'17:627.514
ИССЛЕДОВАНИЯ ОГРАЖДАЮЩЕГО НАСЫПНОГО ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СООРУЖЕНИЯ КАК ПРОТОТИПА ДАМБЫ ХВОСТОХРАНИЛИЩА ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
А.И. Калашник, Н.А. Калашник
Г орный институт КНЦ РАН
Аннотация
Разработана геомеханическая модель исследования ограждающего насыпного гидротехнического сооружения - плотины. Модель исследована в упругопластической постановке методами компьютерного моделирования, в результате чего установлены закономерности деформирования и смещения тела сооружения, а также формирование кривой депрессии в теле в зависимости от уровня внешней водной нагрузки. Полученные результаты хорошо коррелируются с данными георадарных и сейсмотомографических исследований сооружения и могут быть использованы при обосновании мероприятий по снижению рисков опасных деформаций ограждающих дамб хвостохранилищ горнообогатительных предприятий Кольского полуострова.
Ключевые слова:
дамба, геомеханическая модель, компьютерное моделирование, риск.
Основные гидротехнические сооружения на горнообогатительных предприятиях представляют собой систему хвостохранилищ и ограждающих их дамб и являются потенциально опасными объектами [1, 2]. Опыт эксплуатации таких объектов имеет многочисленные примеры возникновения чрезвычайных ситуаций и аварий, наиболее известные из которых: Качканарский ГОК (РФ), рудник Эль-Кобра (Чили), Карамкенский ГМК (РФ) углеобогатительная фабрика в Буффало-Крик (Западная Виргиния, США), шахта «Преставель» (Италия), хвостохранилище в Колонтаре (Венгрия) (рис. 1), ОАО «Аммофос» (РФ) и др. [1]. Некоторые данные по авариям на хвостохранилищах приведены в таблице. Основной причиной аварий стало локальное или полное разрушение ограждающих дамб, представляющих собой насыпные (или намывные) грунтовые сооружения, вследствие формирования в теле дамб водопроводящих каналов и размыва.
Рис. 1. Авария на хвостохранилище в Колонтаре (Венгрия) [по 1]
Аварии на хвостохранилищах
Таблица
Наименование Местополо- жение Дата аварии Тип отходов Причина аварии Число пострадавших Ущерб, тыс. долл.
Хвостохранили-ще рудника "Эль-Кобре" Центральная часть Чили, город Эль-Кобре 28.03.1965 отходы переработки медно- никелевых руд разрушение дамбы вследствие землетрясения 300
Качканарское шламохранилище Россия, Свердлов- ская область 02.11.1999 отходы переработки железо- ванадиевых руд прорыв дамбы в результате переполнения резервной емкости, в результате чего начали развиваться процессы фильтрации - >7
Карамкенское хвостохранилище Россия, Магаданская область 29.08.2009 отходы переработки золотосереб ряных руд (цианиды) прорыв дамбы вследствие фильтрации через трещины 1 погиб, 2 пропали без вести, 11 семей остались без крова
Шламонакопи-тель ОАО "Аммофос" Россия, Вологодская область 11.05.2010 отходы от производства азотнофосфорных удобрений появление в дамбе трещин (в результате просадки), по которым начали развиваться процессы фильтрации - >1
Абагурское хвостохранилище Россия, Кемеровская область 19.09.2010 отходы переработки черных металлов в результате переполнения хвостохранилища отходами произошло разрушение дамбы - >0.5
Шламохрани-лище завода «MAL Hungarian Aluminum» Венгрия, район города Айка 04.10.2010 отходы глинозема (красный шлам) прорыв дамбы вследствие фильтрации через трещины 10 человек погибли, более 120 человек получили серьезные ожоги >210
Система ограждающих дамб и хвостохранилище представляют собой ответственное гидротехническое сооружение, эксплуатация которого должна выполняться в строгом соответствии с требованиями промышленной безопасности [3, 4]. При этом техническая вода вторичного отстойника должна постоянно использоваться в системе замкнутого водооборота обогатительной фабрики. Нарушение устойчивости и функциональности ограждающих дамб может привести к аварийной ситуации и значительному социально-экономическому ущербу, заключающемуся в финансовых потерях (недополученная прибыль вследствие остановки фабрики), дополнительных затратах (ремонтно-восстановительные работы дамб, пульпопроводов, дорог, линий электропередач, пьезометрических станций, устройств и механизмов и др.; ликвидация последствий аварии; восстановление окружающих природных систем) и штрафах за загрязнение окружающей среды и экологический ущерб.
По данным Госгортехнадзора РФ, в стране в эксплуатации находится около 300 хвостохранилищ, при этом более 180 из них - в аварийном состоянии, что подтверждается высокой частотой их отказов.
Поэтому изучение состояния дамб комплексами экспериментальных и аналитических методов необходимо проводить, начиная со стадии строительства дамбы, во время ее первоначального нагружения и в процессе эксплуатации гидротехнической системы «хвостохранилище-дамба», в целях оперативного выявления неблагоприятных деформационных и фильтрационных процессов и своевременного принятия мероприятий по обеспечению устойчивости ограждающих дамб. Эти проблемы являются актуальными для ряда предприятий Кольского региона, в частности, для ЗАО «Северо-западная фосфорная компания», где на месторождении «Олений ручей» строится хвостохранилище в пойме Оленьего ручья; для АНОФ-2 ОАО «Апатит», где более чем на одну треть в высоту наращивается хвостохранилище и т.п.
В этой связи Горным институтом КНЦ РАН проведены постановочные комплексные полевые экспериментальные и компьютерные исследования, для которых в качестве прототипа объекта исследований была выбрана насыпная земляная плотина. Экспериментальные исследования включали в себя георадарные зондирования и сейсмотомографию тела плотины, в результате чего были определены механические характеристики грунтов, местоположение кривой депрессии и водопроводящих каналов, и была построена геомеханическая модель плотины [2].
Модель исследована в упругопластической постановке методами компьютерного моделирования по алгоритму, представленному на рис. 2.
Рис. 2. Геомеханическая модель и компьютерное моделирование насыпной грунтовой плотины-дамбы
В результате исследования установлены закономерности деформирования и смещения тела сооружения, а также формирование кривой депрессии в теле в зависимости от свойств слагающих его грунтов и уровня внешней водной нагрузки. Из рисунков 2 и 3 следует, что процессы деформирования захватывают не только тело самой плотины, но и подстилающее основание на глубину, примерно равную высоте плотины (для исследуемого случая). Причем на начальной стадии нагружения в центральной части плотины происходит уплотнение (усадка), но в последующем проявляется ее «выпучивание» примерно на величину усадки (рис. 3а). Горизонтальные перемещения гребня плотины аппроксимируются зависимостью у = 0,15х2+0,17х+17 и возрастают с увеличением нагрузки (уровня воды) до относительных значений 5 10-2 (рис. 3б).
Горизонтальные перемещения нагружаемого склона плотины аналогичны перемещениям гребня с достижением максимальных величин примерно 4 10-2 (рис. 3г). Вертикальные перемещения при промежуточном нагружении также имеют аналогичный характер, но при максимальном нагружении, когда уровень воды повышается и достигает уровня гребня плотины, графики вертикальных перемещений свидетельствуют об образовании в приповерхностной части зоны разуплотнения (мощностью до 0.2 высоты плотины) и далее зоны уплотнения (мощностью до 0.5 высоты плотины) (рис. 3в).
Результаты проведенных исследований представляют собой научную основу для прогнозирования наиболее уязвимых мест (зон) насыпного грунтового гидротехнического сооружения - дамбы. В практическом приложении результаты работы использованы для обоснования мероприятий по снижению рисков локальных разрушений дамб на начальном этапе заполнения хвостохранилища одного из горнодобывающих предприятий Кольского п-ова.
в
Сеч. В-В* приращения вертикальных перемещений 0 1 2 3 4 5
10
12
14
16
|Ч 1 * 1 ! ' • | • 1 I ■ jnj ММ
* 1 | * 1 ! / ! » У/ /А. 1 /! )
’’ // р / А } 1 Т У
• /У! / V/ у lJu-A* / * / ( / '
1 / yi /v
! //! /А
// у / t V// : 1 • ( L
» 1
//У —•— фаза 3
—■— фаза 5
г ! —*— фаза 8
5 ► —*— фаза 10
1 : 1 i
Рис. 3. Приращение вертикальных и горизонтальных перемещений в наиболее опасных зонах насыпной земляной плотины
б
а
г
ЛИТЕРАТУРА
1. Проблемы защиты окружающей среды. Режим доступа: www.secandsafe.ru, свободный. 2. Калашник Н.А. Моделирование гидротехнических сооружений при ведении горных работ // Горное дело: Технологии. Оборудование. Спецтехника: тез. докл. IV Уральского горнопромышленного форума. Екатеринбург: Изд. АМБ, 2011. С. 197. 3. ФЗ О безопасности гидротехнических сооружений (№117-ФЗ). Принят 23.06.1997. 4. СНиП 33-012003. Гидротехнические сооружения. Основные положения. Введ. 2004-01-01. М.: Госстрой России, 2004. 30 с.
Сведения об авторах
Калашник Анатолий Ильич - к.т.н., зав. лаб.; e-mail: [email protected]
Калашник Надежда Анатольевна - научный сотрудник; e-mail: [email protected]
