CC BY
51
УДК 622.852.2
ПРИНЦИПЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ В КРИОЛИТОЗОНЕ (НА ПРИМЕРЕ ХВОСТОХРАНИЛИЩА «ЛЕБЯЖЬЕ»)
Е.А. Гулан
Норильский индустриальный институт Ул. 50 лет Октября, 10, 663300 Норильск, Россия
Рассмотрены вопросы обеспечения промышленной и экологической безопасности накопителей промышленных отходов, расположенных в криолитозоне, на примере хво-стохранилища «Лебяжье». Представлены результаты исследований структурных моделей хвостов обогатительных фабрик Норильского промышленного района и оценка фильтрационной устойчивости основания проектируемого хвостохранилища.
На территории Норильского промышленного района (НПР) находится несколько накопителей отходов производства, одним из них является хвостохра-нилище «Лебяжье», строительство которого началось в 1976 г. С октября 1983 г. хвостохранилище используется для складирования отвальных хвостов рудообо-гащения, а с 1984 г. — в качестве бассейна оборотного водообеспечения основных переделов Норильского комбината.
В 2005 г. началось строительство второго поля накопителя отходов рудообо-гащения прирезкой к действующему хвостохранилищу «Лебяжье» (рис. 1).
Для сооружений, расположенных в криолитозоне, основными факторами, определяющими промышленную и экологическую безопасность, являются мерзлотно-геологические условия возведения накопителей, теплофизические и физико-механические характеристики грунтов, фильтрационно-тепловой режим грунтовых ограждающих сооружений.
В лабораторных условиях на грунтах, отобранных в ходе выполнения полевых работ, были проведены следующие виды исследований:
- изучение гранулометрического состава грунтов;
- получение основных параметров их микроструктуры и выявление типа структурной модели;
- изучение физических свойств;
- исследования фильтрационных характеристик.
Гранулометрический анализ выполнялся тремя способами подготовки образца: микроагрегатным, стандартным (кипячение с аммиаком) и дисперсным (кипячение с пирофосфатом натрия). Для изучения степени агрегированности намывных отложений применялся метод структурных диаграмм, предполагающий использование результатов гранулометрического анализа при расчете коэффициентов микроагрегатности (Кш) для шести фракций по разности их содержаний при дисперсной и агрегатной подготовке образца.
Рис. 1. Схема хвостохранилища «Лебяжье» и проектируемого второго поля
По этим коэффициентам, которые представляют собой разность содержаний фракций, определенных при дисперсной подготовке образца (максимально разрушаются только агрегаты, если они есть в грунте) и микроагрегатной (разрушаются только водонеустойчивые агрегаты), оцениваются степень агрегированное™, размеры агрегатов и их строение. Кроме того, определяется степень свободы мелкоглинистых (с1 < 0,001 мм) частиц по величине Кт.
Далее определялись параметры микроструктуры: количество агрегатов (А) и первичных частиц (Щ, их распределение по размерам (А\, М{) и коэффициенты свободы фракций (Г,), представляющих долю (%) первичных частиц в их общей сумме (первичные плюс находящиеся в агрегатах); выполнялись специальные расчеты для определения типа структурной модели грунта.
Тип структурной модели грунта устанавливался по размеру преобладающих элементов {А\ + М{) и специальному коэффициенту С.
Коэффициент С — доля первичных частиц в общей сумме структурных элементов (первичные частицы плюс агрегаты), %; д- -— размер первичных частиц и агрегатов, мкм. В результате было установлено, что намывные грунты характеризуются следующими типами структурных моделей (табл. 1).
Экспериментальными исследованиями установлено, что хвосты обогатительных фабрик НПР имеют скелетную микроструктуру, тип структурной модели — тонко-мелкопесчаный элементарный и средне-крупнопесчаный элементарный. Структурные связи между частицами и агрегатами, формирующиеся в массивах искусственных грунтов хвостохранилищ при диагенезе, относятся к коагуляционному или переходному типу.
Таблица 1
Классификация типов структурных моделей
Размер преобладающих элементов Тип микроструктуры в = АГ/АХ + ІУҐ Тип модели
л' + м1 Средне-крупнопесчаная (250-500 мкм) 80 < в <100 Элементарная
А2 + М2 Т онко-мелкопесчаная (50-250 мкм) 20 < в <80 Смешанная
А3+ М* Крупнопылеватая (10-50 мкм) 10 < в <20 Агрегированная
А* + М* Мелкопылеватая (2-10 мкм) 5 < в <10 Смешанная
А5 + М5 Г рубоглинистая (1-2 мкм) в<5 Элементарная
На первых этапах формирования намывного массива образуются отложения с дальними коагуляционными связями, далее по мере обезвоживания и уплотнения — с ближними коагуляционными контактами. По мере консолидации и промерзания они преобразуются в переходные криогенные контакты, которые в свою очередь при оттаивании снова становятся коагуляционными, при этом каждому типу микроструктур свойственны определенные фильтрационные характеристики (табл. 2).
Таблица 2
Структурные модели отвальных хвостов и их фильтрационные показатели (ЛГф)
Тип микроструктуры Тип модели Кф, м/сут.
Средне-крупнопесчаная (250-500 мкм) Элементарная > 1,0
Тонко-мелкопесчаная (50-250 мкм) Смешанная 0,5-1,0
Крупнопылеватая (10-50 мкм) Агрегированная 0,2-0,5
Мелкопылеватая (2-10 мкм) Смешанная 0,05-0,2
Грубоглинистая (1-2 мкм) Элементарная <0,001
Грунты основания ложа второго поля хвостохранилища «Лебяжье» представлены суглинками, супесями от слабо- до среднезаторфованных, с прослоями торфов, песков мелких, пылеватых и глин. Суммарная влажность суглинков слоистой и сетчатой криогенной текстуры изменяется от 0,34 до 0,62 д.е., торфов — 0,81 д.е. Плотность суглинков изменяется от 1,54 до 1,78 т/м3, торфов ~
0,78 т/м3.
Супеси слоистой и сетчатой криотекстуры имеют влажность от 0,30 до 0,45 д.е., плотность — от 1,64 до 1,78 т/м3. Озерные пески имеют влажность от 0,29 до 0,31 д.е., а их плотность изменяется от 1,84 до 1,99 т/м3.
Отвальные хвосты относятся к средне-, мелкозернистым, пылеватым и суглинистым. Крупность хвостов колеблется в пределах 0,3-0,07 мм до 0,02-
0,01 мм.
Установлено, что хвосты обогащения Норильских месторождений имеют характерные особенности строения, состава и свойств.
1. Хвосты имеют агрегированно-скелетную и скелетную микроструктуру, тип структурной модели тонко-мелкопесчаный или средне-крупнопесчаный элементарный; содержание тонкой глинистой (< ] мкм) фракции незначительно (1,1-8,6%), коэффициент ее свободы достаточно высок (преимущественно более 50 %). Такое микростроение свидетельствует о слабой степени агрегированно-сти техногенной толщи и преобладании коагуляционных контактов между структурными элементами (это преимущественно первичные частицы).
2. Техногенные грунты характеризуются специфическим составом: их основная масса (до 83%) представлена оксидами или сульфидами железа, а также карбонатными солями железа, кальция и магния, что определяет необычайно высокие значения плотности их минеральной части (в среднем 3,38 г/см3); отмечается присутствие водорастворимых солей (до 4%) и свободных форм А1203 (до 1 %).
3. Установлены слабая пластичность (число пластичности не превышает 2,8%) и различная степень гидрофильности грунтов.
4. Коэффициент фильтрации хвостов закономерно снижается при переходе от средне-крупнопесчаной структурной модели грунта к грубоглинистой. Хвосты, проявляющие пластичные свойства и характеризующиеся набуханием, имеют минимальные значения фильтрационных параметров.
Оценка фильтрационной устойчивости основания хвостохранилища проводилась методами физического и математического моделирования. Основной задачей моделирования являлось изучение динамики деградации мерзлоты в основании хвостохранилища под воздействием его эксплуатации без устройства про-тивофильтрационного экрана. Главной причиной оттаивания грунтов и, как следствие, увеличения фильтрации, нами рассматривалось тепловое воздействие намываемого массива хвостов и воды в прудке-отстойнике. Учитывая сложное геокриологическое строение участка (прерывистое распространение мерзлых грунтов различной мощности, наличие подрусловых и подозерных таликов и т.д.), особое внимание мы уделяли талым участкам, являющимся потенциальными путями техногенной фильтрации, которая, в свою очередь, способствует последующему оттаиванию мерзлых грунтов.
Дня проведения лабораторных исследований и изготовления физических моделей основания использовались естественные грунты, отобранные в процессе полевых работ, и намытые хвосты хвостохранилища «Лебяжье». Геометрическое подобие геологического разреза участка моделирования устанавливалось 1:100.
Для моделирования был выбран типичный участок геокриологического разреза, включающий наличие талой водопроводящей зоны (шириной 15 м), соединяющей два озера, ограниченной по краям вечномерзлыми грунтами. Геологический разрез строился по данным инженерных изысканий.
Исследования проводились в определенной последовательности: создавался геологический разрез участка основания хвостохранилища. Через специальное устройство в тело модели (талая водопроводящая зона) подавалась вода. Далее модель охлаждалась до температур грунтов — минус 3-4 °С, охлаждение производилось сверху и сбоку. Вода при температуре 4 °С пропускалась через талую зону, уровень воды в ней фиксировался с помощью пьезометров. Заданная ширина зоны контролировалась положением нулевой изоплеты и регулировалась расходом подаваемой воды. На поверхности модели создавался прудок регули-
руемого объема, температура воды в нем поддерживалась постоянной + 4 °С. Моделирование проводилось по двум вариантам: без противофильтрационного экрана (ПФЭ) и с экраном из намытых хвостов. ПФЭ устраивался путем свободного послойного осаждения хвостов определенной крупности в прудковой зоне. Контроль фильтрации осуществлялся по снижению уровня воды в прудке, положению статического уровня в талой зоне и объему профильтровавшейся воды.
Для проведения исследований температурного режима грунтов основания использовался комплект специально изготовленной (прошедшей метрологическую аттестацию) аппаратуры, состоящий из пяти термокос и измерительного устройства ЭТЦ-01/10. На термокосе через 0,5 м смонтированы термочувствительные элементы типа ЭЧП (платиновые), предназначенные для измерения
температур твердых, сыпучих, жидких и газообразных сред, при относительной влажности воздуха до 100%. Датчики температуры размещались в теле модели послойно (рис. 2).
Изменение размеров зон прерывистой многолетней мерзлоты приводит к изменению фильтрационных потерь из хвостохра-нилища. Для принятой расчетной схемы (без устройства ПФЭ) увеличение потерь составило порядка 50%.
Таким образом, результаты физико-математического моделирования показывают, что без устройства противофильтрационного экрана мерзлые грунты основания ложа будущего хвостохранилища перейдут в талое состояние уже на начальных этапах эксплуатации (при полном оттаивании 10 лет), при этом фильтрация техногенных вод из хвостохранилища может достигать 20-30% от объемов хранящейся в хвостохранилище оборотной воды. Особенно большие потери будут наблюдаться в первые годы эксплуатации сооружения.
При отсутствии фильтрации из прудка-отстойника (устройство водонепроницаемого экрана) тепловое воздействие на грунты основания будет оказываться только на верхние горизонты разреза и только вначале эксплуатации, в дальнейшем возможно естественное восстановление мерзлого режима. При слабо-фильтрующем экране тепловое воздействие на грунты будет выше, но полной деградации мерзлоты не произойдет. Потери оборотной воды из прудка будут относительно невелики.
Проведенный комплекс исследований позволяет сформулировать основные принципы обеспечения статической и экологической безопасности хвостохра-нилищ в криолитозоне.
1. Промышленная и экологическая безопасность гидротехнического сооружения должна быть обеспечена в талом состоянии, тогда ожидаемое естественное промерзание техногенного массива будет рассматриваться как дополнительное условие, обеспечивающее устойчивость хвостохранилища в целом.
Рис. 2. Модель экрана в морозильной камере
2. При работах на гидротехнических сооружениях хвостохранилищ необходимо четко обозначить понятия объекта и предмета исследований, наблюдений и контроля. В качестве объекта выступает система «сооружение — природная среда», а предметом являются знания о функциях сооружения (технологических, геодинамических, экологических и др.). Основными задачами являются изучение процессов, протекающих в сооружениях и на прилегающих территориях, и обеспечение устойчивости гидротехнического объекта и окружающей среды.
3. Надежность и экологическая безопасность хвостохранилищ может быть обеспечена только с использованием комплексного системного подхода при соблюдении критериев безопасности и единства причинно-следственных связей технологических приемов эксплуатации и устойчивости природной среды.
4. Обеспечение безопасности хвостохранилищ должно сопровождаться повышением степени экологизации их проблем.
ЛИТЕРАТУРА
Бутюгии В.В., Скачков М.С., Гулан Е.А., Пыхппш Б.С., Конев В.А. Опыт эксплуатации хвостохранилищ в Норильском промышленном районе // Горный журнал. — 2004. — № 5. — С. 54 -58.
MAINTENANCE PRINCIPLES OF THE INDUSTRIAL AND ECOLOGICAL SAFETY OF THE HYDROENGINEERING INSTALLATIONS IN THE CRYOLITE ZONE (BY THE EXAMPLE OF TAILING DUMP NAMED «LEBYAZHIYE»)
E.A. Gulan
Industrial Institute of Noril’sk 50years October st., 7, 663300 Noril'sk, Russia
The maintenance issues of the industrial and ecological safety of the storage devices of the industrial waste located in the cryolite zone, by the example of tailing dump named ‘Lebyaz-hiye’ were examined. The results of the investigation of the structural models of the concentrating mills’ tails and the assessment of filtrational stability of the foundation of the projectible tailing dump were presented.
Гулан Елена Анатольевна, кандидат технических наук, доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Норильского индустриального института, специалист в области геотехнологии и геоэкологии, соискатель ученой степени доктора технических наук (кафедра горного и нефтяного дела РУДН), автор 30 публикаций.
