Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, задачи исследований 7
1.1. Особенности содержания хвостохранилищ в криолитозоне 7
1.2. Промышленная и экологическая безопасность хвостохранилищ 9
1.3. Природно-техногенный комплекс хвостохранилище "Лебяжье" — окружающая среда 14
1.4. Задачи исследований 28
Глава 2. Методика расчетного мониторинга промышленной и экологической безопасности хвостохранилищ 31
2.1. Общие положения 31
2.2. Исследование физико-механических свойств хвостов ...37
2.3. Моделирование процесса намыва ограждающей дамбы 41
2.4. Моделирование устойчивости ограждающей дамбы 49
Выводы по главе 57
Глава 3. Геоэкологические особенности хвостохранилища "Лебяжье"... 59
3.1. Технология управляемого намыва 59
3.2. Закономерности строения намывного массива 67
3.3. Оценка воздействий хвостохранилища на окружающую среду 80
Выводы по главе 88
Глава 4. Прогноз экологической безопасности хвостохранилища 90
4.1. Прогноз аварийных ситуаций и их последствий 90
4.2. Прогностические модели устойчивости 94
4.3. Основные положения расчетного мониторинга устойчивости хвостохранилища 97
4.4. Эколого-экономическая оценка результатов исследований 104
Выводы по главе 110
Заключение 112
Список литературы 115
- Особенности содержания хвостохранилищ в криолитозоне
- Общие положения
- Технология управляемого намыва
- Прогноз аварийных ситуаций и их последствий
Введение к работе
Актуальность работы. К наиболее опасным источникам техногенного воздействий на экосистемы окружающей среды относятся хранилища хвостов обогащения руд. Возрастающие масштабы их негативного влияния на прилегающие территории региона особенно опасны в криолитовой зоне, экологические системы которой по критерию природной устойчивости относятся к особой уязвимой категории с низкой биологической продуктивностью и слабой способностью самовосстановления. Поэтому разработка научных, методических и технологических решений, повышающих экологическую безопасность хвостохранилищ на всех стадиях их существования, особенно в условиях интенсивного развития горного производства в северных регионах России, формирует самостоятельную научно-практическую задачу, актуальность которой имеет глобальное значение.
Цель работы - предотвращение негативного влияния хвостохранилищ криолитовой зоны на экосистемы окружающей среды в процессе их строительства и эксплуатации.
Идея работы состоит в том, что предотвращение негативного влияния хвостохранилищ на окружающую среду обеспечивается комплексированием природоохранных методов и технологий эксплуатации и системы мониторинга.
Методы исследований. Обобщение и критический анализ опыта, теоретические исследования, физическое и математическое моделирование, лабораторный эксперимент, системный анализ полученных результатов исследований с использованием методов математической статистики информационных технологий.
Научные положения, выносимые на защиту: 1.Состояние экосистем в окрестностях хвостохранилища "Лебяжье" в криолитовои зоне коррелятивно зависит от динамики вторичных процессов в системе хвостохранилища.
2. Оптимизации процессов формирования массива хвостов адекватно достигается при использовании предлагаемой модели природоохранной технологии.
3. Минимизация негативного воздействия хвостохранилища на экосистемы окружающей среды обеспечивается при управляемом намыве ограждающей дамбы хвостохранилища по предлагаемой технологии.
4. Радикальная защита экосистем окружающей среды в окрестностях хвостохранилища обеспечивается применением методов расчетного мониторинга систем хвостохранилища.
Научная новизна работы:
1. Установлены новые закономерности изменения состояния экосистем в окрестностях хвостохранилища "Лебяжье" в криолитовои зоне.
2. Установлены новые закономерности изменения физико-механических и структурных свойств в намывных массивах.
3. Предложена новая технология намыва дамбы хвостохранилища.
4. Разработана модель мониторинга экологической безопасности хвостохранилища и методика ее реализации.
Научное значение работы. Установлены закономерные связи между природными и техногенными факторами формирования состояния экосистем окружающей среды в окрестностях хвостохранилищ и описан механизм ее регулирования путем комплексированием природоохранных методов и технологий эксплуатации и системы мониторинга.
Практическое значение работы. Установленные закономерности изменения состояния экосистем в окрестностях хвостохранилищ в криолитовои зоне, закономерности изменения свойств в массивах хвостов, технологии троительства объектов хвостохранилища и модель мониторинга экологической безопасности экосистем пригодны для реализации на горных предприятиях России и Зарубежья.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием большого объема статистических данных, применением современных методов исследований, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с результатами опытно-промышленных работ и положительными результатами практической реализации.
Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке мероприятий по повышению устойчивости дамбы хвостохранилища "Лебяжье" (2001-2003 г.г.), внедрены в проекты эксплуатации хвостохранилища "Лебяжье" (1998, 2000 г.), отражены в отчетах о состоянии хвостохранилища "Лебяжье" перед Госгортехнадзором России (акт внедрения № ЗФ — 73/1459-акт от 09.11.04 г.) и учебном процессе по дисциплинам: "Экология", "Экологические проблемы городов", "Горное дело и охрана окружающей среды", Природопользование", "Механика грунтов" (акт внедрения от 01.11.04 г.).
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и одобрены на научно-технических конференциях и семинарах: научно-практическом семинаре «Геокриологические и геоэкологические проблемы строительства в районах Крайнего севера» (Норильск, 2001), Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая природная среда и экологическое образование и воспитание» (Пенза, 2001), Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф» (Пенза, 2002), научно-практической конференции «Норильский промышленный район: наука, образование, технологии, производство» (Норильск, 2001), научно-практической конференции «Достижение науки и техники - развитию Норильского промышленного района» (Норильск, 2003), научно-технической конференции «Социально-экономические, научно-технические проблемы и пути их решения в НПР» (Норильск, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 13 печатных трудов, в том числе 4 учебных пособия.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 112 наименований. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста и включает 42 рисунка и 27 таблиц.
Автор выражает глубокую признательность за консультации в процессе выполнения диссертационной работы всем, кто принимал участие в обсуждении и содействовал ее завершению.
Особенности содержания хвостохранилищ в криолитозоне
Вопросы проектирования, строительства и безопасной эксплуатации накопителей отходов обогащения как опасных производственных объектов и источников воздействий на окружающую среду в настоящее время приобретают все большую актуальность. Связано это с неуменьшающимся количеством аварий, увеличивающимися потребностями в строительстве новых хвостохранилищ, а также неудовлетворительным состоянием сооружений и природной среды на прилегающих к ним территориях. При этом устойчивость накопителя, его негативное воздействие на компоненты окружающей среды, в первую очередь, определяются техническими решениями, принимаемыми на стадии проектирования и реализуемыми впоследствии на практике.
Технологические схемы эксплуатации и проектирования объектов промышленной гидротехники, требования к обеспечению их промышленной и экологической безопасности достаточно полно отражены в нормативных документах: Федеральный закон о безопасности гидротехнических сооружений (1997); Инструкция о ведении мониторинга (1988); Типовая инструкция по эксплуатации хвостовых хозяйств (1976); Рекомендации по проектированию и строительству шламонакопителей и хвостохранилищ... (1986); СНиП (1986); Правила безопасности при эксплуатации хвостохранилищ..." (1997, 2002) и др. Решению этих вопросов посвящены многочисленные работы специализированных организаций (НИИ ВОДГЕО, Гидропроект, ГУП ВИОГЕМ, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, АОЗТ «Механобр инжиниринг» и др.), а также работы Е.Б. Близняка (1937), Г.К. Бондарика, Л.А. Ярга (1990); В.Т. Галзитского, С.Г. Аксенова, А.В. Хныкина (1999), A.M. Гальперина, Ю.Н. Дьячкова (1993), Голика В.И., Гегуева СМ. и других (2003), Голика В.И., Алборова И.Д. (1995), А.Л. Гольдина, Л.Н. Рассказова (1987), М.М.Гришина (1979), В.Г. Зотеева (1997), A.M. Ильина (1989), Г.И. Кузнецова (1998), А.Б. Лолаева, В.В. Бутюгина В.В., Н.Г. Кайтмазова (2001), В.П. Недриги (1983), Н.Н. Розанова (1983), Сидакова А.Г., Цидаева Т.С., Сатцаева A.M. (2002) и других.
Основные требования, предъявляемые к строительству хвостохранилищ, независимо от способа их возведения (намыв, отсыпка), сводятся к обеспечению устойчивости откосов от оползания, обрушения, оплывания, снижению пыления и фильтрации техногенных вод. Для гидротехнических сооружений (ГТС) в криолитозоне рядом организаций (ВНИИ ВОДГЕО, ГИДРОПРОЕКТ, ГУП ВИОГЕМ, и др.) и авторов (П.Л. Иванов, 1991; Г.И. Кузнецов, 1998; В.И. Макаров, 1989, и др.) рекомендуется использование охлаждающих систем различного принципа действия. При этом особое внимание уделяется мерзл отно-геологическим условиям возведения накопителей, теплофизическим и физико-механическим характеристикам грунтов, фильтрационно-тепловому режиму грунтовых ограждающих сооружений. Этим вопросам посвящены работы С.Г. Аксенова, В.П. Жабовского (1997), Г.Ф. Биянова (1975), Г.Ф. Биянова, Когадовкского, В.И. Макарова (1989), Е:Б. Близняка (1937), Ю.Я. Велли (1979), A.M. Гальперина, Ю.Н. Дьячкова (1993), P.M. Каменского (1977, 2001), ЯЛ. Кроника (1990, 1996, 2001), Г. И. Кузнецова (1981,1988, 1992, 1999), В.И. Макарова (1989), Г.З. Перльштейна, Д.А. Павленко (2001), В.Т. Трофимова (1995), Л.Н. Хрусталева (2001), С.Г. Цветковой (1960), НА Цытовича (1928, 1979), Р.В. Чжана (1976, 2001) и других. Следует отметить, что эксплуатация намывных хвостохранилищ, расположенных в суровых климатических условиях, достаточно жестко регламентируется [79, 80]: до температуры воздуха не ниже -5 С ведется намыв дамбы рассредоточенным способом, а ниже —5 С осуществляется сосредоточенное складирование хвостов под лед. Учитывая это, летний намыв ограждающей дамбы должен обеспечить емкость прудка, достаточную для зимнего складирования хвостов и оборотного водоснабжения обогатительных фабрик. Другими словами, технология строительства должна вестись с повышенной интенсивностью намыва дамб вторичного обвалования. Однако, даже в условиях Крайнего Севера может не произойти их полного промерзания в зимний период, что, в свою очередь, скажется на снижении устойчивости, сооружения и последующих негативных воздействиях (в том числе и катастрофических) на окружающую среду.
Общие положения
Наиболее важным и ответственным моментом в проведении исследований,. обеспечивающих промышленную и экологическую безопасность хвостохранилищ, является сбор фактов, относящихся к поставленным задачам, являющихся основой для всех последующих методических и практических действий. Это особенно актуально для сооружений расположенных в криолитозоне, где ситуация постоянно изменяется вследствие климатических особенностей, высокой динамичности свойств мерзлых грунтов, особенностей в технологических цепочках обогащения и др. Поэтому для таких объектов на первое место встают вопросы научно-технического сопровождения безопасности накопителя в процессе всего периода его существования [14].
Факторы, определяющие экологическую безопасность, устойчивость, эффективность эксплуатации хвостохранилищ, подразделяются на две группы -природные и техногенные [53, 60]. Под природными мы будем понимать природно-климатические условия района расположения хвостохранилища, геологическое строение, инженерно-геологические условия, геолого-геокриологические процессы и явления, физико-механические свойства естественных и искусственных грунтов, устойчивость к окружающей природной среды и др. Группу техногенных разделим на две подгруппы, определяемые действиями по проектированию, строительству и эксплуатации хвостохранилищ и воздействиями на окружающую среду, возникающими при осуществлении этих действий. В качестве объекта исследований рассматривается сооружение (многокомпонентная, динамичная, техногенная система), а предмета - знания о его функциях (технологических, геодинамических, экологических и др.). Основными задачами являются изучение процессов, протекающих в сооружениях и на прилегающих территориях, обеспечение устойчивости гидротехнического объекта и окружающей среды.
Исследования проводились на основе принципа комплексного обеспечения эколого-промышленной безопасности объекта и включали совокупность следующих операций: 1. Сбор исходных данных, обобщение ранее выполненных работ. 2. Изучение технологических особенностей эксплуатации хвостового хозяйства. 3. Оценка экологического ущерба природной среде от эксплуатации сооружения. 4. Обоснование основных факторов, определяющих устойчивость и экологическую безопасность хвостохранилища. 5. Построение прогностических моделей устойчивости сооружения и их поверка. 6. Уточнение данных входящих в расчетные схемы (параметры сооружения, физико-механические свойства, микроструктурные исследования и т.д.). 7. Составление общей расчетной схемы экологической безопасности сооружения. 8. Расчетный мониторинг устойчивости и экологической безопасности хвостохранилищ. 9. Прогноз экологической безопасности сооружения и расчеты предотвращенного экологического ущерба.
Исследования проводились комплексно, в неразрывной связи с работами, выполняемыми гидротехнической службой УНСОФ (ГС УНСОФ), цехом гидротехнических сооружений и гидротранспорта Производственного объединения обогатительных фабрик (ЦГТСиГТ ПООФ) с использованием результатов изысканий института "Норильскпроект" [40, 86], проектных разработок ЗАО "Механобр инжиниринг" [81, 110].
На первых этапах, по данным ранее проведенных работ, составлялось общее представление о сооружении, его технологических особенностях, инженерно-геологических условиях, свойствах грунтов, критериях его устойчивости и экологической безопасности. [31, 51-53, 55-58, 60-64].
Оценка экологического ущерба от загрязнения водных ресурсов и атмосферного воздуха проводилась на основе "Временной типовой методики определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды" [11, 70, 81].
Обоснование основных факторов, определяющих устойчивость и экологическую безопасность гидротехнических сооружений, является одним из наиболее ответственных моментов, особенно для проектируемых объектов, когда отсутствуют не только фактические данные, но и само сооружение. Следует отметить, что и для эксплуатирующихся хвостохранилищ эта задача достаточно сложная, что объясняется, наоборот, избытком сведений, из которых выбрать наиболее важные обычными методами не всегда представляется возможным. При этом большинство задач решается в условиях достаточной неопределенности исходной информации.
Фактическое состояние сооружения и окружающей среды на прилегающей к нему местности определяется в полевых условиях. Для этого геодезическими методами и визуальными наблюдениями оценивается состояние откосов и гребня дамбы, наличие деформаций, уклоны пляжа. В гидрогеологических скважинах определяются уровни залегания подземных вод, а в термометрических — температуры фунтов. Устанавливаются выходы воды в низовой откос, отбираются пробы для лабораторных исследований и др. Для установления закономерностей намыва пляжа поверхность хвостохранилища разбивается на расчетные створы, оборудованные мерными рейками, по которым проводятся регулярные геодезические наблюдения (табл. 2.1) [40, 86].
Технология управляемого намыва
На основании проведенных наблюдений, полевых и лабораторных исследований, была разработана новая технология управляемого намыва ограждающей дамбы [57], впоследствии реализованная в проектах эксплуатации хвостохранилища [81] и позволившая значительно снизить техногенную нагрузку на окружающую среду. Технология управляемого намыва включает замену деревянного распределительного пульпопровода на металлический, уложенный с уклоном 1=0,003 на дамбу обвалования (призму), отсыпанную из металлургического шлака (рис. 3.1).
Размеры дамбы обвалования и шлаковой пульпоулавливающей призмы (ШПП) составляют: высота - 2-Зм; заложение откосов 1:1,5; ширина по гребню 8,0 м. На верховом откосе дамбы обвалования укладывается противофильтрационный экран из геотекстиля. Дамба обвалования отсыпается ежегодно в зимний период, после промерзания пляжной зоны хвостохранилища.
Назначение ограждающей дамбы обвалования и ШПП в управлении намывом следующее: размещение ШПП на различных расстояниях от распределительного пульпопровода позволяет регулировать интенсивность намыва; призмы из металлургического шлака способствуют более интенсивной консолидации намытых хвостов и, следовательно, повышению устойчивости дамбы; пульпоулавливающая призма позволяет управлять формированием рельефа дна прудковой зоны, что является весьма важным фактором, обеспечивающим зимнее складирование хвостов под лед; отсыпка призм на мерзлое основание и высокая теплопроводность металлургического шлака способствуют более интенсивному промерзанию намывного массива, что повышает его статическую и фильтрационную устойчивость и тем самым обеспечивает экологическую безопасность хвостохранилища.
Намыв производится участками шириной 800 -1000м, после формирования слоя хвостов мощностью 0,5 м намытый участок оставляется на "отдых" (10-15 дней). К периоду летнего намыва 1999 г. шлаковая ШПП была устроена по всему кольцу пляжной зоны хвостохранилища, при этом на пикетах, ближних к пульпораспределительному зумпфу (высокие пикеты), призма располагалась на расстоянии 50-60 м от оси распределительного пульпопровода, при приближении к торцевым выпускам это расстояние увеличивалось до 100,0 150,0 м. На самых низких отметках ограждающей дамбы, протяженностью 1300 м для повышения интенсивности намыва распределительный пульпопровод был уложен горизонтально (рис. 3.4).
Данный способ намыва уже в первые годы (1997-1998) обеспечил опережающий рост дамбы и увеличение объема отстойного пруда, достаточного для складирования тонких хвостов в прудок под лед в зимний период. В период с 1997 г. по 1998 г. на ПК 5-6 среднее повышение высоты гребня составило 0,4 м, в 1998 -1999 г.г. - 0,03 м, а в целом за два года 0,43 м. На ПК 7-8 с 1997 г. по 1998 г. рост высоты гребня составил 0,8 -1,02 м, а с 1998 г. по 1999 г. - 2,07 м. За два года высота дамбы увеличилась на 3,1 м. Наибольший прирост высоты гребня за период с 1997 по 1998 г. отмечен по правой нитке пульпопровода (ПК 50-75), причем основной рост (1,0-1,76 м) приходится на период 1997-1998 г. (рис. 3.5).
Обработка результатов наблюдений за интенсивностью намыва пляжа позволила установить следующие закономерности формирования пляжа хвостохранилища. В период летнего намыва 1999 г. на ПК 49 максимальное количество хвостов отложилось на расстоянии 5,0 и 60,0 м (1,35 м, 1,03 м соответственно). На расстоянии 130,0 м и 140,0 м мощность намытых хвостов составила 0,94 м и 0,77 м. На ПК 50, вблизи пульпопровода (2,0 м), их мощность составила 0,5 м, а на расстоянии 100,0 м - 0,98 м. На участке намыва ПК 51-60 эта закономерность в основном соблюдается, т. е. наблюдается увеличение мощности намытых хвостов по мере удаления от оси распределительного пульпопровода. Следует отметить одну важную особенность: на высоких отметках распределительного пульпопровода (ПК 58-60) отмечается быстрый подъем отметок гребня дамбы при одновременном интенсивном намыве пляжа. Так, на ПК 60 на расстоянии 3,0 м от оси пульпопровода мощность намытых хвостов составила 1,73 м, а на расстоянии
Прогноз аварийных ситуаций и их последствий
Известно, что аварии на гидротехнических сооружениях подразделяются на ряд категорий [79]. К авариям I категории, которые могут произойти на хвостохранилище "Лебяжье" относятся: 1. Полное разрушение или местный прорыв напорного фронта ограждающих сооружений с вытеканием воды и части хвостов за пределы хранилища. 2. Разрушение водозаборных или водосбросных сооружений накопителя, которое привело к переполнению емкости, переливу воды и пульпы через гребень дамбы или необходимости сброса загрязненной воды из накопителя по аварийному водосбросу в поверхностные водоемы, водотоки хозяйственно питьевого и рыбохозяйственного назначения или на рельеф. К авариям II категории относятся оползни низовых откосов и деформации дамб. Величина охранной, санитарно-защитной зоны по периметру хвостохранилища составляет 500 м. Опасной зоной является участок местности, прилегающей к нижнему бьефу ограждающей дамбы, затопление которого может привести к катастрофическим последствиям. В случае потери устойчивости и разрушения ограждающей дамбы хвостохранилища, хвостовая пульпа поступит в долины реки Щучьей с северной и восточной сторон хвостохранилища и долины реки Купец в западной части. Выполненные расчеты, показали, что ширина и глубина прорана в дамбе могут достигнуть 597,0 м и 6,7 м соответственно, а скорость потока в проране составит —17,8 м/с. Расчетное время размыва прорана и вытекания потока пульпы составляет 0,7 ч. На расстоянии 150, 1000 и 2130 м от дамбы скорость потока составит 17,6 м/с; 16,5 м/с и 15,25 м/с соответственно. За пределами 2-х километровой зоны от хвостохранилища поток по руслам ручьев и рек Щучья и Купец выйдет в озеро Пясино. Объем вытекшей пульпы составит 15,5 млн. м3 [33].
Аварийные ситуации могут возникнуть в результате нарушения технологии эксплуатации, непромерзания намытого слоя хвостов в зимний период, оттаивания мерзлых грунтов тела и основания дамбы, изменения геометрических параметров сооружения (заложение низового откоса, уменьшение длины пляжа и др.), аварий на распределительном пульпопроводе, снижения контроля за уровнем воды в отстойном пруду, при этом наиболее необеспеченными достоверными данными являются вопросы устойчивости. К основным критериям безопасности состояния хвостохранилища "Лебяжье", условий его эксплуатации и соответственно экологической безопасности относятся: 1. Соблюдение заложения низового откоса намывной дамбы не менее 1:4. 2. Поддержание ширины пляжа, т. е. расстояния между внешней и внутренней дамбами обвалования не менее 125,0 м с увеличением ее по мере роста высоты дамбы хвостохранилища до 200,0 м. 3. Укладка в пределах пляжной зоны материала соответствующего по грансоставу пескам и супесям с плотностью сухого грунта у границы пруда не менее 1,45 т/м с отмывкой суглинков в прудок. 4. Недопущение замыва линз льда и льдогрунта в пределах 200 м от низового откоса. 5. Превышение гребня дамбы над уровнем воды в прудке должно составлять не менее 1,5 м. Средняя вероятность разрушения грунтовых дамб по данным мировой статистики составляет 110" 1 /год [33].
Возможным источником загрязнения атмосферы на хвостохранилище является пыление намывных откосов ограждающей дамбы. С поверхности пляжных зон сдувается пыль, в состав которой входят: оксиды железа II, III, пыль неорганическая с содержанием SiC 2 20-70%, взвешенные вещества (табл. 4.2) [ПО].
Как видно из таблицы, большую часть от общего количества выбрасываемых объектом загрязняющих веществ, составляют твердые загрязняющие вещества, поступающие в атмосферный воздух в основном в виде пыли. Помимо воздействия на человека, пыль уменьшает жизнеспособность популяций животных и растений (угнетение процессов фотосинтеза), оказывает отрицательное влияние на почвы, водные системы, изменяя рН среды и т.д. Известно, что увеличение загрязнения воздуха в 2 раза, сокращает срок службы промышленного оборудования до первого капитального ремонта в 1,5 раза [10, 32].
Комплекс экспериментальных исследований, обоснование нечеткой природы инженерно-геологических условий и разработанный алгоритм построения прогностических моделей [1, 34, 37,53, 58] позволили составить прогностическую модель устойчивости ограждающей дамбы хвостохранилища "Лебяжье", которую можно использовать для предварительной оценки состояния дамбы. Для прогнозирования устойчивости ограждающей дамбы были выбраны шесть факторов в виде входных лингвистических переменных, наиболее информативных об изучаемом процессе: Xj - функция угла откоса дамбы, градус; Х2 - функция высоты дамбы, м; Х3 - функция гранулометрического состава грунтов; Х4 - функция температурного состояния тела дамбы; Х5 - функция давления подземных грунтовых вод; Хб - функция ширины пляжа.
