CC BY
47
УДК:662:502.7
Карпова Жанна Викторовна Zhanna Karpova
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕСУРСОВ ПОЙМ НАГОРНЫХ РЕК
DESIGN AND TECHNOLOGY OF ECOLOGICAL SAFETY OF RESOURCES MAINTANANCE OF FLOOD PLAINS OF UPLAND RIVERS
Статья посвящена совершенствованию проектирования экологически безопасной эксплуатации ресурсов в поймах нагорных рек с использованием технологии добычи и регенерации запасов инертных материалов. В результате эксплуатации Тырныаузс-кого месторождения в пойме р. Баксан сформировались техногенные объекты, такие как высокогорные отвалы и хвостохранилище. Дальнейшая эксплуатация месторождения связана с вовлечением в отработку бедных, труднообогатимых, разнопрочных недостаточно изученных руд. Переработка бедных руд увеличивает физические объемы хвостов переработки и требует ускорения работ по опережающей отсыпке дамбы хвостохранилища. Хвостохранили-ще является самым слабым звеном в технологической цепочке. В последние годы работы комбината отсыпка дамбы хвостохранилища велась не в достаточных объемах.
Для предотвращения катастрофических воздействий паводков на населенные пункты, объекты и коммуникации регулярно проводятся работы по очистке поймы реки от наносных отложений. Существующие методы и технологии очистки пойм рек от наносов имеют существенные недостатки.
Предлагается формировать зоны разгрузки — фильтрации транспортируемого во время паводков материала. В этих зонах циклично производится добыча и регенерация инертных материалов. Предлагается вариант размещения зоны фильтрации в русле р. Баксан в районе дамбы Тырныаузского хвостохранилища. Конфигурация изгиба реки, охватывающего рабочую зону карьера, существенно упрощает процесс направления речного потока через выработанное пространство карьера во время
The article is devoted to improving the design of environmentally friendly exploitation of resources in the flood plains of upland rivers using the technology of extraction and recovery of stocks of inert materials. As a result of operating Tyrnyauz fields in the floodplain of the river Baksan man-made objects were formed such as high-dumps and tailings. Further exploitation associated with involvement in the testing of poor, refractory, understudied ores with different strengths. Processing of poor ores increases physical volumes of tailings processing and requires accelerating work on advanced dumping tailings dam. Tailings is the weakest link in the processing chain. In recent years of the plant work dumping of tailings dam was conducted not in sufficient quantities.
To prevent catastrophic impacts of floods on human settlements, facilities and communication are held regularly work on clearing the floodplain of the alluvial deposits. The existing methods and treatment technologies of floodplains from sediments have significant drawbacks.
It is proposed to form a discharge zone — filtering of material transported during floods. In these areas extraction and regeneration of inert materials is conducted regularly. The variant of placing the filtration area in the bed of the river Baksan near the dam of Tyrnyauz tailings is suggested. The configuration bend of the river, covering the working area of a sand pit, greatly simplifies the process of the river flow direction through the depleted space of the sand pit during the flood. To fill the depleted space of the sand pit it is necessary with the help of water whirlpool to destruct partially of the berm (dam), which until the end of the flood period is restored together with the sand pit.
паводка. Для заполнения выработанного пространства карьера необходимо входным водоводом частичное разрушение бермы (дамбы), которая до конца паводкового периода восстанавливается вместе с выработанным пространством. Транспортная берма, находящаяся выше уровня реки в паводковый период, сохраняется в рабочем состоянии
Ключевые слова: поймы рек, регенерации запа- Key words: floodplains, regeneration of stocks, pro-
сов, добыча инертных материалов, паводковый duction of inert materials, flood period
период
Transport berm, located above the level of the river in flood period is stored in the working condition
Поймы рек отличаются наибольшей
природной активностью, в которой ведется повышенная экономическая деятельность человека, в результате наслаивается природное и техногенное воздействие на экосистему региона. Во время паводков разливаются мелководные притоки рек, формируются селевые потоки с последующим сбросом в русла рек. Переносимый рекой материал крупностью от десятков микрон до нескольких десятков сантиметров транспортируется вниз по течению. По мере снижения скорости течения реки транспортируемый материал оседает на дно реки. Места накопления наносов представлены участками реки с явно выраженной поймой, обычно в межгорных котловинах или в предгорье. Так, активность р. Бак-сан по перемещению породы в паводковый период увеличивается более чем в 10 раз. Ежегодные объемы перемещаемого рекой материала составляют сотни тысяч тонн.
Для предотвращения катастрофических воздействий паводков на населенные пункты, объекты и коммуникации регулярно проводятся работы по очистке поймы реки от наносных отложений. Существующие методы и технологии очистки пойм рек от наносов имеют существенные недостатки. Это затратная технология, предполагающая использование тяжелой землеройной техники и транспорта непосредственно в пойме и русле реки [7], является одной из причин загрязнения рек горюче-смазочными материалами.
Периодическая очистка русла рек от наносов не спасает от регулярного разрушения береговой зоны и постоянного расшире-
ния поймы рек. В этом случае современные технические решения и большие затраты на укрепление береговой зоны могут быть неэффективными.
Другой проблемой является бессистемная разработка инертных материалов в поймах рек. Естественное стремление добывающих предприятий к максимальным объемам добычи в пределах горного отвода неизбежно ведет к нарушению береговой зоны поймы реки и к ее загрязнению [8].
В результате эксплуатации Тырныаузс-кого месторождения в пойме р. Баксан сформировались техногенные объекты, такие как высокогорные отвалы и хвостохранилище. Дальнейшая эксплуатация месторождения связана с вовлечением в отработку бедных, труднообогатимых, разнопрочных недостаточно изученных руд. Переработка бедных руд увеличивает физические объемы хвостов переработки и требует ускорения работ по опережающей отсыпке дамбы хвостохра-нилища. Хвостохранилище является самым слабым звеном в технологической цепочке. Последние годы работы комбината отсыпка дамбы хвостохранилища велась не в достаточных объемах.
Инертные материалы для отсыпки дамбы добывали в пойме р. Баксан. Карьер по добыче инертных материалов вышел на предельные проектные контуры и дальнейшая его эксплуатация по известной технологии невозможна. Стесненные горные условия и отсутствие свободных площадей не позволяют использовать традиционные технологии открытой добычи горных пород для отсыпки дамбы хвостохранилища. Отставание отсыпки дамбы чревато ее прорывом
и затоплением населенных пунктов ниже по течению р. Баксан. Поэтому в проекте реконструкции Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината, в первую очередь, необходимо решать вопрос отсыпки дамбы хвостохранилища на основе новых подходов с использованием экологически безопасных технологий, обеспечивающих регенерацию ресурсов и неизменность положения береговой зоны.
Выход представляется в системном подходе к вопросам экологически безопасной эксплуатации ресурсов пойм нагорных рек. Для этого предлагается формировать зоны разгрузки — фильтрации транспортируемого во время паводков материала. В этих зонах производится циклично добыча и регенерация инертных материалов [9, 10, 11]. Предлагается вариант размещения зоны фильтрации в русле р. Баксан в районе дамбы Тырныаузского хвостохра-нилища. Выше по течению от дамбы река имеет изгиб, удобный для размещения зоны по добыче и регенерации инертных материалов (рис. 1). Конфигурация изгиба реки, охватывающего рабочую зону карьера, существенно упрощает процесс
направления речного потока через выработанное пространство карьера во время паводка. Для заполнения выработанного пространства карьера необходимо входным водоводом частичное разрушение бермы (дамбы), которая до конца паводкового периода восстанавливается вместе с выработанным пространством. Транспортная берма, находящаяся выше уровня реки, в паводковый период сохраняется в рабочем состоянии.
Рабочая зона карьера и дамба хвос-тохранилища находятся на левом берегу реки, поэтому необходимости строительства моста нет. Сохраняется и площадка на дамбе, через которую проходит входной водовод для подачи водного потока в выработанное пространство карьера. Площадка на дамбе является удобным местом для размещения драглайна, с помощью которого регулируются (выдерживаются) параметры выработанного пространства для управляемой локализации в процессе намыва инертных материалов по классам крупности.
В таблице представлена гранулометрическая характеристика транспортируемого рекой Баксан материала.
Рис. 1. Схема расположения в изгибе реки рабочего карьера - зоны фильтрации селевых сбросов, регенерации инертных материалов для цикличной добычи
Рис. 2. Положение горных выработок на этапе заполнения выработанного пространства: 1 - берег реки; 2 - берма безопасности; 3 - защитная дамба; 4 - выработанное пространство; 5 - водоотвод; 6 - наклонная выработка (траншея); 7 - выступ, формирующий разделительную зону
Гранулометрическая характеристика транспортируемого материала в р. Баксан в паводковый и зимний периоды
№ п/п Классы крупности, мм Ед. изм. Период
паводковый зимний среднее за год
1 +200 - 500 % 6...12 0,5.1 2,9
2 +100 - 200 % 26.34 7.12 14,8
3 - 100 % 54.68 87.92,5 82,3
Анализ классов — 100 мм показывает высокое (до 87...95 %) содержание классов — 1 мм. Это согласуется и с данными других исследователей по горным рекам Кавказа [5].
Значительная часть транспортируемого рекой материала, представленная классами крупности +0,005 —0,1 мм (взвешенными наносами), осаждается только в равнинной части реки и на ситуацию катастрофического увеличения наносных отложений в предгорной части русла реки воздействия не оказывает. Поэтому в настоящей статье проблема осаждения этих классов крупности в зоне фильтрации не ставится.
Большой разброс крупности кусковой и песчаной частей предполагает и существенное различие скоростных режимов, обеспечивающих их осаждение в водном потоке, что гарантирует их уверенную раздельную локализацию в выработанном пространстве.
Результаты моделирования показывают, что скорость потока на входе в выработанное пространство будет составлять около 7,5.8,2 м/с. Скорость потока в разделительной зоне после технологического выступа в борту карьера должна быть менее 0,5.0,7 м/с. Это предельная скорость, обеспечивающая перемещение мелких классов размером —1 мм. Далее создаются условия для осаждения мелких классов. В процессе заполнения выработанного пространства меняется его конфигурация, от которой зависит транспортирующая способность потока. В первую очередь, будет заполняться ближний сегмент выработанного пространства. На основе установленных закономерностей и зависимостей для управления режимами процесса регенерации инертных материалов в выработанном пространстве разработана методика управления, включая разделение кусковой
его части и гравелистых песков, выполнено обоснование специальной технологии со средствами комплексной механизации.
Ежегодные объемы транспортируемого рекой инертного материала колеблются в широких пределах, поэтому при выборе объемов и формы заполняемого пространства необходимо обоснование основных технологических параметров. Размеры выработанного пространства до разделительной зоны должны обеспечивать размещение минимальных годовых объемов, обеспечивающих потребности отсыпки дамбы.
Необходима увязка периодов работы карьера и заполнения выработанного пространства с графиком отсыпки дамбы. Для сохранения ритмичности отсыпки дамбы целесообразно использование технологий, обеспечивающих совмещение отгрузки инертных материалов с заполнением выработанного пространства.
Для обеспечения режима разделения кусковой и песчаной частей транспортируемого материала выработанное (заполняемое) пространство должно соответствовать определенной конфигурации, основными параметрами которой являются:
— форма выработанного пространства и его сопряжение с входным водоводом;
— параметры входного водовода — сечение, глубина, перепад высот, обеспечивающие скоростной режим, достаточный для перемещения в выработанное пространство самых крупных фракций транспортируемого рекой материала;
— перепады высотных отметок водовода, расстояние и профиль выработанного пространства до разделительной зоны;
— размеры выработанного пространства до разделительной зоны должны обеспечивать размещение минимальных годовых объемов отсыпки дамбы хвостохранилища;
— параметры разделительной зоны, сформированной выступающими в сторону выработанного пространства уступами.
Данное техническое решение позволяет:
1) формировать зоны разгрузки — фильтрации транспортируемого во время паводков материала;
2) решить проблему добычи инертных материалов для отсыпки дамбы хвостохра-нилища;
Литература_
1. Чалов Р. С. Сравнительный анализ русловых процессов на горных, полугорных и равнинных реках // География и природные ресурсы. 2008. № 1. С. 32-41.
2. Мирцхулава Ц.Е. Основы физики и механики эрозии русел. Л.: Гидрометиздат, 1988. 304 с.
3. Талмаза В.Ф., Крошкин А.Н. Гидроморфо-метрические характеристики горных рек. Фрунзе: Кыргызстан, 169. 204 с.
4. Копалиани З.Д., Твалавадзе О.А., Носелид-зе Л.В. Гидравлическое моделирование руслового процесса предгоного участка р. Аносовки на мостовом переходе // Вопросы гидравлики и руслового процесса горных рек. СПб.: Гидрометиоиздат, 1992. Вып. 3. С. 88-106.
5. Ахундов С.А. Сток наносов горных рек Азербайджанской ССР. Баку: Элм, 1978. 98 с.
6. Хаширова Т.Ю. Охрана горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока: авто-реф. дис. д-ра техн. наук. Краснодар, 2009.
7. Обеспечить защиту от паводковых вод // Кабардино-Балкарская правда. № 225. 2010.
8. Коннов В.И. Методология оценки экологического состояния малых рек и их защиты от влияния горного производства (на примере Восточного Забайкалья): автореф. дис. д-ра техн. наук. М., 2008.
9. Патент РФ № 2415268. Способ добычи инертных материалов / Е.П. Тимофеенко, А.Г. Секисов, В.Н. Игнатов, Ю.А. Боровков, В.В. Хакулов, А.С. Ксенофонтов // Бюлл. И. 2011. № 9.
3) концентрировать добычу инертных материалов в зонах регенерации запасов инертных материалов;
4) организовать управляемое воздействие на изменение конфигурации поймы реки;
5) снизить затраты на противопаводковые мероприятия;
6) улучшить экологическое состояние реки.
_References
1. Chalov R.S. Geografiya i prirodnye resursy (Geography and natural resources), 2008, no. 1, pp. 32-41.
2. Mirtskhulava Ts.E. Osnovy fiziki i mehaniki erozii rusel [Basics of physics and mechanics of erosion channels]. Leningrad: Gidrometizdat, 1988. 304 p.
3. Talmaza V.F., Kroshkin A.N. Gidromorfomet-richeskie harakteristiki gornyh rek [Hydro-morphic characteristics of mountain rivers]. Frunze, Kyrgyz-stan, 169. 204 p.
4. Kopaliani Z.D., Tvalavadze O.A., Noselidze L.V. Voprosy gidravliki i ruslovogo protsessa gornyh rek (Questions of hydraulics and channel process of mountain rivers). St.-Petersburg: Gidrometioizdat, 1992. Vol. 3. Pp. 88-106.
5. Akhundov S.A. Stok nanosovgornyh rek Azer-baydzhanskoy SSR [Drainage of drifts of the mountain rivers of the Azerbaijan SSR]. Baku: Elm, 1978. 98 p.
6. Khashirov T.Y. Protection of mountain and foothill landscapes control sediment runoff [Ohrana gornyh i predgornyh landshaftov upravleniem tverdogo stoka]: Abstract. diss. dr. tehn. sciences. Krasnodar, 2009.
7. Obespechit zashhitu ot pavodkovyh vod (To provide protection from flood waters): Kabardino-Balkar Pravda. No. 225. 2010.
8. Konnov V.I. Methodology for assessing the ecological status of small rivers and to protect them from the effects of mining operations (on the example of the Eastern Transbaikalie) [Metodologiya ot-senki ekologicheskogo sostoyaniya malyh rek i ih za-shhity ot vliyaniya gornogo proizvodstva (na primere Vostochnogo Zabaykaliya)]: Abstract diss. dr. tehn. sciences. Moscow, 2008.
9. Patent RF № 2415268. Sposob dobychi inertnyh materialov (RF Patent No. 2415268. method of extraction of inert materials). E.P. Timofeenko, A.G. Sekisov, V.N. Ignatov, Yu.A. Borovkov, V.V. Khakulov, A.S. Ksenofontov. Bull. I. 2011. No. 9.
10. Патент РФ № 2476673. Способ добычи инертных материалов / В.А. Хакулов, А.Г. Секи-сов, В.Н. Игнатов, Ю.А. Боровков, Ж.В. Хакулова, А.С. Ксенофонтов // Бюлл. И. 2013. № 6.
11. Хакулов В.А., Секисов А.Г., Боровков Ю.А, Хакулова Ж.В. Проектирование экологически безопасной эксплуатации ресурсов пойм нагорных рек // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2012. № 4. С. 98-101.
10. Patent RF № 2476673. Sposob dobychi in-ertnyh materialov (RF Patent No. 2476673. method of extraction of inert materials). V.A. Khakulov, A.G. Sekisov, V.N. Ignatov, Yu.A. Borovkov, J.V. Khaku-lova, A.S. Ksenofontov. Bull. I. 2013. No. 6.
11. Khakulov V.A., Sekisov A.G., Borovkov Yu.A., Khakulova Zh.V. Izvestiya Kabardino-Balkar-skogo nauchnogo tsentra RAN (Proceedings of the Kabardino-Balkar Scientific Centre of Russian Academy of Sciences), 2012, no. 4, pp. 98-101.
Коротко об авторе _
Карпова Ж.В., инженер, НОЦ Автоматизации геотехнологических систем, Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова, Институт горного дела СО РАН, г. Нальчик, Россия info@nocagts.ru
Научные интересы: геоэкология, технология экологически безопасной эксплуатации ресурсов пойм нагорных рек
_ Briefly about the author
Zh. Karpova, engineer, geotechnical systems REC Automation, Kabardino-Balkar State University named after H.M. Berbekov, Institute of Mining, Siberian Branch of RAS, Nalchik, Russia
Scientific interests: geoecology, technology of ecologically safe exploitation of deposits of upland river floodplains
