CC BY
32
- © Е.В. Дунаева, В.П. Карамушка, А.О. Сизова,
В.Г. Иванов, Е.В. Кузьмин, 2014
УДК 624.131:577.4:622.7
Е.В. Дунаева, В.П. Карамушка, А.О. Сизова, В.Г. Иванов, Е.В. Кузьмин
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОВЕДЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ИЗЫСКАНИЙ НА ХВОСТОХРАНИЛИЩАХ ПЕРЕРАБОТКИ УРАНОВЫХ РУД
По результатам инженерно-геологических изысканий на хвостохранилише произведено сравнение характеристик техногенных грунтов с нормативными документами (ГОСТ) для природных грунтов. Выполненное сравнение позволяет рекомендовать наиболее оптимальные, с точки зрения экономики, технологии ведения изыскательских работ на хвостохранилишах переработки урановых руд. Предлагаемые зависимости 1,2 позволяют производить обработку полевых материалов. По построенному графику можно проследить зависимость средневзвешенного диаметра хвостов от содержания фракций, получены гранулометрические составы по инженерно-геологическим изысканиям на хвостохранилише «Верхнее» Приаргунского производственного горно-химического объединения (ОАО «ППГХ.О»). Полученные результаты могут быть применены при разработке проектов хвостохранилиш переработки урановых руд.
Ключевые слова: хвостохранилише, изменение физико-механических свойств, инженерно-геологические изыскания, плотность хвостохранилиш, техногенный грунт, совершенствование технологии, пенетрация.
Свойства техногенных грунтов определяются генетически унаследованным составом и структурой исходных грунтов, технологией намыва, инженерно-геологическими условиями района работ, конструкцией намывного сооружения и режимом его эксплуатации. Отличие техногенных грунтов от исходных природных грунтов в естественном залегании и от насыпных грунтов - в измененном гранулометрическом составе за счет отмыва части тонкодисперсных фракций, в распределении (фракционировании) частиц по крупности, в однородности их в массиве, выраженной анизотропии свойств, часто в более рыхлом сложении (особенно при намыве под воду). Физико-механические свойства техногенных грунтов сушественно изменяются со временем под влиянием процессов уплотнения и упрочнения; увеличиваются плот-
ность сухого грунта, модуль деформации, удельное сцепление, угол внутреннего трения и др.
Для оптимизации технологических работ на хвостохранилишах предлагается использовать комплекс инженерно-геофизических и инженерно-геологических работ.
При исследовании техногенных грунтов в хвостохранилишах возникает необходимость в изучении физико-механических характеристик, к которым относятся объемный и удельный вес, коэффициент фильтрации, угол внутреннего трения и коэффициент уплотнения.
Данные вопросы можно изучить такими методами, как: бурение скважин, проходка шурфов, отбор проб нарушенного и ненарушенного сложения, пенетрация (динамическое и статическое зондирование). С помошью отобранных образцов можно определить
физико-механические характеристики в лабораторных условиях.
Известно, что техногенные грунты отличаются от природных своими физико-механическими свойствами. У них нарушены структурные связи и изменена минерализация. Также в техногенных грунтах хвостохранилищ очень своеобразно ведет себя мерзлота, что в большинстве случаев требует дополнительного изучения.
Техногенные грунты при своем эволюционном развитии под воздействием энергии техногенных процессов проходят следующие стадии преобразования:
• исходные горные породы;
• нарушение целостности пород;
• разрушение текстуры и структуры;
• разрушение кристаллических решеток породообразующих минералов;
• синтез минералов;
• формирование структуры и текстуры техногенных грунтов;
• образование техногенных отложений.
Повышенная химическая активность глинистых пород хвостохрани-лищ, обусловленная высокой степенью их дисперсности, особенностями строения и вещественного состава глинистых минералов, приводит к техногенному литогенезу, происходящему в толщах отвалов при формировании техногенных отложений.
Геофизические методы существенно ускоряют и повышают качество и точность инженерно-геологической съемки.
Основным методом изучения условий залегания горных пород, оценки минерализации подземных вод и особенностей их фильтрации является электроразведка, так как основной параметр геологического разреза -это его удельное электрическое сопротивление, следовательно, результат получается в виде геоэлектрического разреза, который имеет прямую связь с геологическим разрезом.
В связи с тем, что инженерно-геологическая зона (объект исследований) непрерывно изменяет свое состояние с течением времени, то есть, происходят изменения физико-механических свойств грунтов и материалов, нарушается динамика и химизм подземных вод, меняются их электрические и термические поля, возникает необходимость изучать эти изменения. С этой целью проводятся режимные геофизические наблюдения, при которых соблюдается неизменность точек, а промежутки времени между наблюдениями и циклами наблюдений выбираются в зависимости от скорости протекания изучаемого процесса. На основании корреляции можно получить сведения, необходимые для прогнозирования физико-геологических, инженерно-геологических и гидрогеологических процессов.
Геофизические исследования при инженерно-геологических изысканиях выполняются на всех стадиях (этапах) изысканий в сочетании с другими видами инженерно-геологических работ. Геофизические методы позволяют определить состав и мощность рыхлых четвертичных отложений, выявить ли-тологическое строение массива горных пород, тектонические нарушения и зоны повышенной трещиноватости и обводненности. Определяются глубины залегания уровней подземных вод, водоупоров и направления движения потоков подземных вод, гидравлические параметры грунтов и водоносных горизонтов, состав, состояние и свойства грунтов в массиве и их изменения, изучаются геологические и инженерно-геологические процессы, проводится мониторинг опасных геологических и инженерно-геологических процессов, сейсмическое микрорайонирование территории.
Объем геофизических работ (количество и система размещения геофизических профилей и точек) опре-
деляется в зависимости от характера решаемых задач (с учетом сложности инженерно-геологических условий).
После применения геофизических методов, уже на обследованной территории, при обнаружении изменения влажностных характеристик и обнаружении аномальных сопротивлений грунта, необходимо выполнить ряд инженерно-геологических изысканий, таких, как: бурение скважин, из которых будут отобраны пробы грунта для определения грансостава, пробы воды на химический анализ. После бурения скважин необходимо выполнить пенетрацию для получения физико-механических характеристик грунтов по инструкции «Методы полевых испытаний...» [1]. Так как в действующем ГОСТе приведены данные по грунтам естественного сложения, а хвостохранилища представлены искусственными техногенными грунтами, то необходимо произвести расчет зависимости изменения плотности от крупности частиц по эмпирическим формулам, согласно инструкции [1]:
РН = 0,4 Рч4ё7С7 Р% = 0,45Р (С / ё/ )019
где Рч - плотность частицы, г/см3 (пределы 2,5-2,8 г/см3); С - средневзвешенная крупность хвостов (пределы 0,02-0,33 мм); </ - контрольная крупность хвостов, равная 0,074 мм.
На данный момент для классификации грунтов используется ГОСТ 25100-95, но существует еще классификация по В.В. Охотину и Е.М. Сергееву.
Гранулометрическая классификация грунтов В.В. Охотина была разработана применительно к подготовке грунта к анализу по П.А. За-мятченскому (кипячение с аммиаком) и построена на основе изучения механических и физических свойств. Ценность классификации грунтов по В.В. Охотину заключалась в том, что она построена на количественном учете глинистых частиц, которые содержатся в грунтах и которые в ряде случаев оказывают решающее влияние при определении свойств в дисперсных грунтах. Но в классификации В.В. Охотина есть ряд недостатков. Одним из таких недостатков является то, что исследования велись на искусственных смесях примерно одинакового минерального состава без учета существующего многообра-
Рис. 1. Хвостохранилише «Верхнее», «Среднее» и огаркохранилише в пади Широндукуй
зия пород в природе. Это привело к тому, что характеристика ряда гранулометрических групп грунтов оказывалась не всегда правильной.
Классификация грунтов Е.М. Сергеева более детально подразделяет отдельные гранулометрические типы грунтов.
Применение методов пенетраци-онных испытаний, статического и динамического зондирования позволяет определить такие характеристики, как:
• характер залегания грунтов различного литологического состава, положение границ между слоями, включая оценку степени однородности грунтов и степени плотности песчаных грунтов;
• физические и механические характеристики грунтов (показатель текучести, коэффициент пористости, модуль деформации, угол внутреннего трения и удельное сцепление).
Все вышеописанные теоретические предпосылки рассмотрим на примере инженерно-геологических работ на хвостохранилишах Приаргунского производственного горно-химического объединения (ОАО «ПППХО»).
Плошадка хвостохранилиша «Верхнее» (рис. 1) расположена в средней части пади Широндукуй, имеюшей на данном участке западное, а, в обшем, северо-западное простирание и впа-даюшей в падь Сухой Урулюнгуй. Падь имеет корытообразную форму, в пределах сушествуюшего хвостох-ранилиша заполненного до отметок 703,0-704,0 м. Борта пади переходят в куполообразные сопки с абсолютными отметками, колеблюшимися в пределах 740-800 м. К северу и к югу высота сопок увеличивается.
При проведении работ в 19681969 гг. на хвостохранилише «Верхнее» (г. Краснокаменск) были получены следуюшие гранулометрические составы (табл. 1).
Пылевато-илистые фракции, в основном, были представлены пылева-тыми частицами (<< > 0,05-0,01 мм). Основной составляюшей песчаных фракций являются мелкозернистые частицы (< = 0,05-0,074 мм).
При изучении грунтов в 19681969 гг. было выявлено, что распределение песчаной составляюшей хвостов определяется удельными расходами и консистенцией пульпы. С увеличением степени разбавления пульпы содержание песка в ней по длине отложений увеличивается. Прочностные характеристики уменьшаются по мере удаления от места выпуска пульпы, так как более крупные частицы выпадают ближе к месту выпуска из пульповода, а мелкие выносятся в прудковую зону (рис. 2).
В 2012 г. на территории хвостох-ранилиша «Верхнее» были проведены инженерно - геологические изыскания, которые включали в себя бурение скважин, отбор проб грунта и воды, а также статическое зондирование в чаше хвостохранилиша для определения природной плотности песчаных грунтов, находяшихся в рыхлом состоянии или ниже уровня подземных вод. Поскольку трудно установить природную плотность этих грунтов прямыми методами, приходится использовать косвенные, один из которых называется зондированием грунтов.
В ходе бурения скважин были вскрыты такие техногенные грунты,
Таблица 1
1968 г. 1969 г.
Песчаные (< > 0,05 мм), % 33,7 43,0
Пылеватые (< > 0,05-0,005 мм), % 60,4 51,2
Плинистые (< < 0,05 мм), % 5,9 5,8
0.001
0.010
0.100
1.000
1—2012г. 2 196вг. 3 — 1989 г. 4 1868 г.
Рис. 2. Гранулометрический состав хвостов
как: песок пылеватый многолетнемерз-лый, льдистый, местами талый; супесь пластичной и текучей консистенций, редко супесь твердая пылеватая с прослоями песка пылеватого и суглинка; суглинок тугопластичной и мягкопла-стичной консистенций, пылеватый легкий с прослоями песка пылевато-го и супеси, грунт талый, прослоями мерзлый, льдистый и слабольдистый, массивной, слоистой и сетчатой крио-текстуры.
При проведении изысканий была обнаружена в чаше хвостохранилиша
Таблица 2
Нормативные и расчетные значения
10.000 11, мм
5—1968 г.
«Верхнее» островная мерзлота, образование которой можно объяснить только способом укладки хвостов [2].
Исходя из полученных данных по инженерно-геологическим изысканиям 2012 г., можно сделать сле-дуюшие выводы, которые указывают на то, что в на-стояшее время необходимо ввести коррективы или составить методические рекомендации по техногенным грунтам для расчета нормативных показателей:
• По коэффициенту пористости грунты подразделяются (ПОСТ 25100-95, табл. 2.22) на пески пылеватые рыхлые, если коэффициент пористости >0,8, а по проведенным изысканиям в 2012 г. коэффициент пористости варьирует от 1,2 до 1,29, что указывает на то, что содержание пор превышает объем, занятый твердыми частицами. Следовательно, сушествует необходимость ввести понятие очень рыхлый грунт, т.к. техногенные грунты не уплотненные, не слежавшиеся. Так, например, при инфильтрации ат-
Наименование грунта и геологический индекс Плотность грунта в естеств. залег., г/см3 Норм. [0,85/0,95] **Угол внутреннего трения, градус Норм. [0,85/0,95] **Удельное сцепление с, МПа Норм. [0,85/0,95] **Модуль деформации (по зондированию) Е, МПа Предел прочности при одноосн. сжатии, МПа *Коэффи- циент фильтрации, м/сут.
Песок пылеватый Оп/ 1,65 [1,59/1,54] 24 [23/21] (29) 0,002 [0,001/0,001] 3,8 [3,5/3,3] (9.0) [0,30/0,12]*
Супесь 1,70 [1,65/1,61] 23 [21/20] 0,009 [0,008/0,007] 3,6 [3,3/3,1] (7.0) [0,18/0,07]*
Суглинок 1,65 [1,64/1,63] (19) (0.017)** (7.0)
Суглинок ёО 1,69 [1,63/1,58] 20 [19/18] 0,036 [0,032/0,028] 3,2 [2,0/1,0] 10** 0,7**
Примечание: ( ) - данные приведены по результатам статического зондирования; * - коэффициент фильтрации для техногенных грунтов дан [для максимально рыхлых грунтов/для максимально плотных грунтов]; * - данные приведены по результатам полевых опытных инженерно-геологических работ прошлых лет.
мосферных осадков существует большая вероятность накопления воды в порах, что в дальнейшем может привести к прорыву плотины.
• Техногенные грунты являются недоуплотненными, имеющими неоднородный состав и слоистость. В ГОСТ 25100-95 табл. 2.23 не дает нам определения недоуплотненного грунта, по ГОСТу существует только три степени плотности песка: слабоуплотненные, среднеуплотненные и сильноуплотненные.
• Частицы грунта хвостохранили-ща находятся в состоянии предельного равновесия. Угол внутреннего трения связан с коэффициентом трения и зависит от фракций, степени их увлажнения, гранулометрического состава и формы, а также от удельного веса материала. Угол внутреннего трения супеси (естественного грунта) варьирует от 24 до 30 градусов, а у техногенной супеси - от 20 до 23 градусов. У песков пылеватых естественного сложения - от 26 до 36 градусов, у техногенного песка - от 21 до 24 градусов.
• Техногенные грунты, слагающие тело хвостохранилища имеют небольшое удельное сцепление и обладают тиксотропными свойствами.
• Коэффициент фильтрации у супеси естественного сложения = 0,10,7 м/сут, у суглинка естественного происхождение коэффициент фильтрации = 0,005-0,4 м/сут. У техногенной супеси и суглинка по данным инженерно-геологических изысканий коэффициент фильтрации = 0,07-0,18 м/сут. По данным инженерно-геологических изысканий, проведенных в 2012 г., коэффициент фильтрации равен
0,12 м/сут для максимально уплотненного грунта и 0,30 м/сут для максимально рыхлого грунта.
• Модуль деформации (СП 11105-97 часть 3, табл. Ж1) указывает, что в техногенных грунтах хвостохра-нилищ модуль деформации изменяется в диапозоне 5-10 МПа для пылеватой разновидности и 10-15 МПа для мелких, так же модуль деформации изменяется в зависимости от того, какой грунт свежеобразованный или грунт, который прошел процесс самоуплотнения. В 2012 г. были проведены изыскания на хвостохранилище «Верхнее» модуль деформации для песка пылева-того варьирует от 3,3 до 3,5, при нормативном 3,8 МПа, по данным статического зондирования - 9,00 МПа; модуль деформации для супеси - 3,1-3,3 МПа при нормативном 3,6 МПа, по данным зондирования 7,00 МПа; для суглинка модуль деформации по данным статического зондирования 7,0 МПа. Это говорит о том, что грунт слабый, не уплотненный, не слежавшийся.
• Кровля прослоев погребенных многолетнемерзлых грунтов в техногенных отложениях может служить поверхностью скольжения, что создает опасность выпирания.
• Погребенная мерзлота высокотемпературная и может быстро деградировать, что сильно увеличит сжимаемость слоя грунтов. Мерзлота в хвостохра-нилище носит островной характер.
Если применить усовершенствованные технологии проведения изысканий, то исключается негативное воздействие на организм человека, уменьшается стоимость изыскательских работ и экономический риск.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Инструкция «Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием на хвостохранилищах урановых производств» ГК по атомной энергии «Росатом».
2. Карамушка В.П., Камнев E.H., Теде-ев M.H., Касаткин В.В., Кузин P.E. // Горный журнал. - № 8. - 2012.
3. Карамушка В.П. Опыт изыскательских и проектных работ при рекультивации тер-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Карамушка Владимир Петрович - кандидат технических наук, начальник отдела КБПиИ, e-mail: karamyshka@vnipipt.ru,
Дунаева Елена Владимировна - инженер, геологический отдел филиала «Научно-техническая и изыскательская база», e-mail: elenadunaeva86@bk.ru, Сизова Анна Олеговна - ведущий инженер, e-mail: sizova.a.o@vnipipt.ru, Иванов Виктор Георгиевич - доктор технических наук,
Кузьмин Евгений Викторович - доктор технических наук, начальник лаборатории, ОАО «ВНИПИпромтехнологии».
риторий, нарушенных в результате добычи и переработки урановых руд // Горный журнал. - № 1.
4. Сарвин Г.Т. Из практики эксплуатации хвостохранилищ. - М.: Атомиздат, 1980.
5. Корнилов А.Н., Рябчиков С.Г. Отходы уранодобывающей промышленности. - М.: Энергоатомиздат, 1992. ЕШ
UDC 624.131:577.4:622.7
IMPROVEMENT OF TECHNOLOGY OF CARRYING OUT ENGINEERING RESEARCHES ON TAILINGS DAMS OF PROCESSING OF URANIUM ORES
Karamushka V.P., Candidate of Engineering Sciences, Head of Bureau Office of a Complex Projecting and Engineering Ecology, e-mail: karamyshka@vnipipt.ru,
Dunaeva E.V., Engineer II cat, Geological Department of the Branch Scientific and Technological and Survey Base, e-mail: elenadunaeva86@bk.ru,
Sizova A.O., Leading engineer of Bureau Office of a Complex Projecting and Engineering Ecology, e-mail: sizova.a.o@vnipipt.ru,
Ivanov V.G., Doctor of Technical Sciences, Kyzmin E.V., Doctor of Technical Sciences, VNIPIpromtechnologii Institute.
According to the results of engineering and geological survey of the tailings produced comparison of characteristics of anthropogenic soils with normative documents (GOST) for natural soils.The executed comparison allows to recommend the most optimal, from the point of view of economy, technology of conducting prospecting works on tailings dams of processing of uranium ores.
Key words: tailings dump, changing of physical and mechanical properties, engineering and geological researches, tailing density, anthropogenic soils, improvement of technology, penetration.
REFERENCES
1. Instrukcija «Metody polevyh ispytanij staticheskim i dinamicheskim zondirovaniem na hvostohranilish-hah uranovyh proizvodstv» GK po atomnoj jenergii «Rosatom» (The instruction Methods of field tests by static and dynamic sounding on tailings dams of uranium productions of group of companies on atomic energy (Nuclear Energy) ROSATOM).
2. Karamushka V.P., Kamnev E.N., Tedeev M.N., Kasatkin V.V., Kuzin R.E. Gornyj zhurnal, no 8, 2012.
3. Karamushka V.P. Gornyj zhurnal, no 1.
4. Sarvin G.T. Iz praktiki jekspluatacii hvostohranilishh (From practice of operation of tailings dams), Moscow, Atomizdat, 1980.
5. Kornilov A.N., Rjabchikov S.G. Othody uranodobyvajushhej promyshlennosti (Waste of the uranium mining industry), Moscow, Jenergoatomizdat, 1992.
