Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Содержание хвостохранилищ в криолитозоне 10
1.1. Современные технологии эксплуатации хвостохранилищ 10
1.2. Промышленная безопасность хвостохранилищ, методы контроля 15
1.3. Изучение фильтрационной устойчивости хвостохранилищ 18
1.4. Исследования экологической безопасности хвостохранилищ 25
1.5. Геоэкологические исследования в Норильском промышленном районе 28
1.6. Выводы 30
Глава 2. Инженерно-геоэкологическая система «хвостохранилище - окружающая среда» 34
2.1. Объект и методика исследований 34
2.2. Характеристика района исследований 35
2.3. Характеристика хвостохранилища «Лебяжье» 44
2.4. Инженерно-геологические условия территории расположения хвостохранилища «Лебяжье» 52
2.5. Состояние компонентов окружающей среды территорий, прилегающих к хвостохранилищу 56
2.6. Выводы 59
Глава 3. Типизация воздействий хвостохранилищ на природную среду 62
3.1. Воздействие технологических процессов на природную среду и их оценка 62
3.2. Типизация воздействий гидротехнических сооружений хвостохранилищ на компоненты природной среды 63
3.3.Обобщенная модель воздействий хвостохранилищ на природную среду 76
3.4. Оценка воздействия хвостохранилища «Лебяжье» на природную среду 83
3.5. Выводы 89
Глава 4. Обеспечение экологической безопасности гидротехнических сооружений в криолитозоне 92
4.1. Факторы, определяющие устойчивость хвостохранилища «Лебяжье» 92
4.2. Оценка фильтрационной устойчивости основания хвостохранилища 101
4.3 Фильтрационные свойства отвальных хвостов 111
4.4. Рекомендации и мероприятия по устройству противофильтрационных экранов в основании ложа второго поля хвостохранилища «Лебяжье» 123
4.5. Мониторинг фильтрационной устойчивости хвостохранилища... 130
4.6. Выводы 131
Заключение 134
Литература
- Промышленная безопасность хвостохранилищ, методы контроля
- Инженерно-геологические условия территории расположения хвостохранилища «Лебяжье»
- Типизация воздействий гидротехнических сооружений хвостохранилищ на компоненты природной среды
- Оценка фильтрационной устойчивости основания хвостохранилища
Введение к работе
Актуальность работы. Северная зона России характеризуется наивысшей в стране обеспеченностью запасами различных полезных ископаемых, переработка которых сопровождается увеличением количества отходов рудообогащения. Для их складирования требуется строительство специальных накопителей - хвостохрани-лищ, являющихся долгосрочными источниками негативного воздействия на природную среду. Обеспечение промышленной и экологической безопасности накопителей отходов рудообогащения связано с необходимостью анализа воздействий хвостохра-нилищ на все компоненты окружающей среды, их систематизации, типизации и классификации последствий для выявления экологических проблем осваиваемых территорий и разработки перспективных направлений природоохранной деятельности. Особую актуальность эти вопросы приобретают для криолитозоны, характеризующейся повышенной чувствительностью к техногенным воздействиям.
Целью диссертационной работы является создание типологической схемы оценки воздействий хвостохранилищ на компоненты природной среды, способствующей новому подходу к проектированию и эксплуатации объектов промышленной гидротехники.
Объектом исследований является инженерно-геоэкологическая система (ИГЭС) «хвостохранилище - окружающая среда».
В задачи исследований входили:
установление и обоснование основных факторов, обеспечивающих устойчивость и экологическую безопасность гидротехнических сооружений;
разработка методики геоэкологического анализа ИГЭС «хвостохранилище -окружающая среда»;
типизация воздействий хвостохранилищ на природную среду и классификация их последствий;
создание геоэкологических моделей ИГЭС «хвостохранилище - окружающая среда»;
разработка рекомендаций по обеспечению устойчивости и экологической безопасности гидротехнических сооружений;
апробация и внедрение результатов исследований.
Научная новизна работы
-
Разработана методика геоэкологического анализа эксплуатации хвостохранилищ в криолитозоне.
-
Впервые на основе системного подхода выполнен геоэкологический анализ промышленной и экологической безопасности хвостохранилища, расположенного в зоне вечной мерзлоты.
-
Разработана типизация воздействий хвостохранилищ на природную среду и классификация нарушений и загрязнений окружающей среды, прилегающей к хвостохранилищам, установлена покомпонентная степень ее измененно-сти.
-
Разработана геоэкологическая модель действующего и проектируемого хвостохранилищ.
5. Разработаны новые способы повышения фильтрационной устойчивости эксплуатируемых и проектируемых хвостохранилищ. Защищаемые положения
-
Методика геоэкологического анализа воздействия хвостохранилищ на природную среду.
-
Типизация воздействий хвостохранилищ на природную среду и классификация их последствий.
-
Инженерно-геоэкологическая модель хвостохранилища.
-
Инженерные и геоэкологические принципы обеспечения устойчивости и экологической безопасности гидротехнических сооружений в криолитозоне.
В работе использованы следующие методы исследований: натурные наблюдения, включающие комплекс полевых работ и аэрофотосъемку; лабораторные методы исследований; физико-математическое моделирование; статистические методы обработки результатов.
В основу работы положены результаты научно-исследовательских и проектно-изыскательских работ ВНИИ ВОДГЕО (1976); Санкт-Петербургского политехнического института (2002); Норильского индустриального института (1997-1999); Норильского регионального отделения МАНЭБ (1998-2003); ПГП «Норильскгеология» (1998); института «Норильскпроект» (2000, 2002); ЗАО «Механобр инжиниринг» (2000-2004); опубликованные материалы и результаты личных исследований автора.
С 2000 по 2003 гг. автор принимал участие в выполнении двух научно-исследовательских работ по оценке и прогнозу промышленной и экологической безопасности хвостохранилищ Норильского промышленного района; непосредственно участвовал в полевых работах и лабораторных исследованиях, изучении физико-механических свойств намывных грунтов, установлении влияния микроструктур хвостов на фильтрационные свойства; физико-математическом моделировании процессов, происходящих в основаниях гидротехнических сооружений в различных условиях эксплуатации, физическом моделировании намыва экранов, обработке результатов полевых и лабораторных исследований, разработке рекомендаций и мероприятий по снижению негативного техногенного влияния хвостохранилищ на компоненты окружающей среды. Достоверность научных положений и выводов обосновывается высоким качеством исходной информации, применением современных методов исследований и подтверждается фактическим состоянием изучаемых объектов и результатами внедрения.
Практическая значимость работы. Основные результаты исследований внедрены в проекты «Реконструкция хвостохранилища «Лебяжье» для совместного складирования хвостов с наращиванием дамбы до отм. 90,0 м. Корректировка проекта» (шифр 32156-1.3); «Реконструкция хвостохранилища «Лебяжье». Второе поле» (шифр 32216-101 ГИ); «Расширение хвостохранилища «Лебяжье». Второе поле совместного складирования хвостов НОФ и ТОФ» (шифр 32360), используются при эксплуатации хвостохранилища «Лебяжье», а также при составлении годовых отчетов о состоянии хвостохранилищ для представления в органы Госгортехнадзора России (2000 - 2004 гг.). Отдельные положения диссертационной работы использованы в разделах к проектам по оценке воздействий на окружаю-
щую среду и в учебном процессе в курсах дисциплин «Природные ресурсы и их рациональное использование», «Горное дело и окружающая среда».
Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы составляет более 500 тыс. руб. в год.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах: региональных научно-технических конференциях (Норильск, 2001-2004 гг.); Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2002 г.); Международной конференции «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения» (Пушино, 2003 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (Красноярск, 2003 г.); Международном научно-техническом симпозиуме «Геотехнология: нетрадиционные способы освоения месторождений полезных ископаемых» (Москва,
-
г.), Международной конференции «Неделя горняка» (Москва, 2004 г.), Международном научно-техническом симпозиуме «Сергеевские чтения» (Москва,
-
г.), Международной дистанционной конференции «Горное, нефтяное и геоэкологическое образование в XXI веке».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научно-технических статей и тезисов докладов, 2 учебно-методические работы. Отдельные положения диссертационной работы в качестве самостоятельных разделов содержатся в подготовленной к изданию монографии «Геоэкологические проблемы промышленной гидротехники в криолитозоне».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (166 наименований). Работа изложена на 153 страницах машинописного текста и сопровождается 54 рисунками и 14 таблицами.
Работа выполнялась под руководством доктора технических наук, профессора А.Е. Воробьева, которого автор благодарит за ценные советы и помощь, проявленные при подготовке работы. Автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность за консультации и помощь в проведении исследований кандидату геолого-минералогических наук, доценту В.В. Бутюгину. Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук, профессору А.А. Колегову, кандидату технических наук, доценту М.С. Скачкову, начальнику цеха гидротехнических сооружений Б.С. Пыхтину и всем, кто принимал участие в обсуждении работы и содействовал ее завершению.
Промышленная безопасность хвостохранилищ, методы контроля
Для сооружений, расположенных в криолитозоне, основными факторами, определяющими устойчивость, являются: мерзлотно-геологические условия возведения накопителей, теплофизические и физико-механические характеристики грунтов, фильтрационно-тепловой режим грунтовых ограждающих со Ф оружений. Этим вопросам посвящены работы Г.Ф. Биянова (1983); А.Е. Во робьева (1998); A.M. Гальперина и Ю.Н. Дьячкова (1993); С.Н. Долгих (1997); Э.Д. Ершова (1990); А.А. Касьяненко (1995); P.M. Каменского (1971, 1977); О.А. Когадовского, Я.А. Кроника (1982); Г.И. Кузнецова (1969, 1995, 1999); Г.З. Перльштейна, Д.А. Павленкова, О.Ю. Лупачева (2001); Л.Н. Хрусталева (1971); С.Г. Цветковой (1960); Н.А. Цытовича (1928, 1933, 1972); Р.В. Чжана (1983) и др.
Основные требования, предъявляемые к ограждающим сооружениям, не зависимо от способа их возведения (намыв, отсыпка), сводятся к обеспечению устойчивости их откосов от оползания, обрушения, оплывания, пыления, фильтрации техногенных вод
Устойчивость и бесперебойная работа гидротехнических сооружений (ГТС) во многом зависят от состояния их отдельных элементов. Поэтому при эксплуатации ГТС проводятся систематические контрольные наблюдения за следующими явлениями и процессами: перемещение сооружения (осадка, местные деформации, горизонтальные перемещения и т. д.); фильтрация воды через сооружение, явления суффозии; состояние сооружения (размывы, разрушения); прочие явления (колебания уровня воды, утечки воды, воздействие ледяного покрова и т. д.).
Следует отметить, что на фоне видов работ, регламентированных нормативными документами, широко развиваются и используются оригинальные методы. Однако, несмотря на то, что практически все авторы отмечают отсутствие комплексного подхода к решению задач, а многие предлагают интересные виды исследований, но только единицы реализуют свое направление на практике.
Заслуживает внимания концепция инженерно-геологического контроля (ИГК), предложенная В.И. Головишниковым, А.П. Щетининой (1997), основными принципами которой являются: геологическая направленность, требующая учета инженерно-геологических условий района размещения хвостохранилища; генетический подход к оценке намывных отходов, требующий учета особенностей разрабатываемого генетического типа месторождения; пространственно-временная оценка массива хвостов, требующая выявления при ИГК закономерностей распределения контролируемых характеристик грунтов в массиве; комплексность ИГК, требующая применения комплекса методов при их проведении; интегральный и дифференциальный подход к ведению ИГК, требующий " последовательного накопления данных, выявления их закономерностей и изменений во времени в намывном массиве.
При всех, на первый взгляд, положительных моментах предложенной концепции, ее реализация, по сути, выразилась в исследовании физико-механических свойств хвостов полевыми и лабораторными методами. Основное внимание при оценке состояния и свойств хвостов пляжной зоны хвосто-хранилищ авторами отводится расчленению намывного массива по плотности # сложения и оценке его несущей способности по данным статического и дина мического зондирования, вращательного среза и прессиометрии. По результа там статистической обработки данных получают расчетные значения физико механических характеристик хвостов каждого выделенного слоя намывного массива. Несомненно, представленные методы полевых исследований плотно сти сложения намывных массивов имеют большое практическое значение по сравнению с результатами геотехнического контроля, регламентированного р-, нормативными документами и инструкциями, согласно которым осуществляет ся контроль только физических свойств хвостов по пробам, отобранным с поверхности намытого массива. Однако и в данном случае комплексный подход остался на уровне декларируемого положения.
Вопросы контроля промышленной безопасности гидротехнических сооружений находятся в ведении нормативных документов органов Госгортех-надзора РФ и организации, занимающиеся проектированием хвостохранилищ, практически не отходят от их положений. Организации же, занимающиеся исследованиями, пытаются разработать новые технологии контроля за свойствами намывных грунтов, приборы и оборудование и соответственно методические и теоретические подходы (ГУЛ ВИОГЕМ, ВНИИ ВОДГЕО, МГГУ, ВНИ-ИГ им. Б.Е. Веденеева, ПНИИИС и др.). Ряд оригинальных предложений, связанных с промышленной безопасностью, содержится в работах С.Г. Аксенова, В.В. Бутюгина (2003), A.M. Гальперина и Ю.Н. Дьячкова (1993), П.Л. Иванова # (1991), Г.И. Кузнецова (1999) и др.
Инженерно-геологические условия территории расположения хвостохранилища «Лебяжье»
Озерно-аллювиальная, западинно-бугристая Норильско-Рыбнинская долина пересекает территорию НПР с юго-востока на северо-запад. Ширина долины изменяется от 20 до 30 км, абсолютные отметки поверхности рельефа - от 28 до 70-75 м.
Западная часть территории района представляет собой предгорную водно-ледниковую холмисто-увалистую возвышенность с абсолютными отметками от 100 до 200 м.
Гидрографическая сеть района, в основном, принадлежит к бассейну озера Пясино. Наиболее крупной водной артерией является река Норильская, соеди 40 няющая озера Мелкое и Пясино. Реки второго порядка - Ергалах, Талнах, Ха-раелах, Щучья, Купец, Амбарная и другие являются ее притоками или непосредственно впадают в озеро Пясино (рис. 2.5).
Гидрографическая сеть НПР Питание рек и озер осуществляется за счет вод весеннего снеготаяния, летне-осенних дождей. Замерзание их наблюдается в конце сентября, вскрытие - в первой половине июня, в это же время вскрывается и большинство озер.
По химическому составу поверхностные воды являются преимущественно гидрокарбонатными кальциевыми, реже гидрокарбонатными кальциево-натриевыми с минерализацией от 0,03 до 0,3 г/дм"1 [83].
Район расположен в зоне повсеместного распространения многолетнемерз-лых пород (ММП) и относится к Енисей-Путоранскому геокриологическому региону [70]. Мощность ММП закономерно увеличивается с повышением отметок рельефа. В пределах Приенисейской равнины она достигает 200 м, в Но-рильско-Рыбнинской долине в поймах рек 15-20 м, в зонах распространения ледово-морских и озерных террас мощность ММП увеличивается до 50 м, а на предсклоновых участках до 100 м. На участках, где мощность ММП менее 50 м, они, как правило, имеют массивно-островной и островной характер. Если ММП по мощности превышают 50 м, мерзлая толща имеет сплошной характер, сквозные талики приурочены лишь к наиболее крупным тектоническим нарушениям.
Многообразие типов природных условий обуславливает особенности сезонного промерзания и оттаивания пород, скорость формирования и деградации сезонноталого (СТС) и сезонномерзлого (CMC) слоев (табл. 2.1).
В освоенной части района изменения мощностей СТС и CMC находятся в прямой зависимости от степени инженерной подготовки территории - удаление снежного и растительного покровов, возведение насыпей, снежные заносы и т.д. Гидрогеологические условия района являются достаточно сложными. Подземные воды представлены надмерзлотными, подмерзлотными и водами сквозных таликов [88].
Класс надмерзлотных вод включает в себя воды СТС и воды надмерзлот-ных таликов. Нижним водоупором являются многолетнемерзлые грунты и коренные слаботрещиноватые горные породы. Воды данного типа распространены повсеместно, водовмещающими служат четвертичные отложения различного генезиса. Коэффициент фильтрации для суглинков и торфа составляет 0,01-0,1 м/сут, для песков - 3-5 м/сут, для крупнообломочных отложений, в зависимости от состава заполнителя в пределах от 10-15 м/сут до 30-40 м/сут.
Питание подземные воды СТС получают за счет инфильтрации атмосферных осадков, вытаивания линз и прослоев льда в водовмещающих породах. Разгрузка вод осуществляется в водоемы, водотоки и талики. Химический состав вод СТС близок к составу поверхностных вод и атмосферных осадков [86].
Воды несквозных таликов приурочены к современным и верхнечетвертичным аллювиальным и озерно-аллювиальным отложениям. Водоносные горизонты функционируют круглогодично под руслами рек и озерными котловинами. Питание осуществляется за счет поверхностных вод, вод сезонноталого слоя и надмерзлотных таликов. По химическому составу воды гидрокарбонат-но-сульфатные, смешанного катионного состава (преобладают ионы кальция и магния), пресные с минерализацией менее 1 г/дм .
Подмерзлотные воды распространены повсеместно. По составу водовмещающих пород этот класс включает в себя поровые воды четвертичных отложений и трещинные воды коренных горных пород [88].
В пределах Норильского района широко развиты экзогенные геологические процессы и сопровождающие их явления. В горных и предгорных районах развиты процессы криогенного выветривания, осыпи и обрушения. В нижней части склонов гор, а также на берегах речных долин и озерных котловин развита солифлюкция. В равнинной части, на участках распространения сильнольдистых отложений (свыше 0,4 д.е.) широко развито морозобойное растрескива 43 ниє. На блоках распространены пятна - медальоны и сезонные бугры пучения. Практически повсеместно развит термокарст (рис. 2.6).
Термокарстовые озера и бугры пучения Среди техногенных процессов широко развито оттаивание мерзлых грунтов в основаниях инженерных сооружений, изменение рельефа местности, нарушение режимов стока, естественных условий питания и химического состава поверхностных и подземных вод, загрязнение и уничтожение почвенно-растительного покрова и т.д. 2.3. Характеристика хвостохранилища «Лебяжье»
Хвостохранилище «Лебяжье» расположено на северо-западной окраине г. Норильска, в междуречье рек Щучья и Купец, в 8,0 км на северо-запад от Норильской обогатительной фабрики (НОФ) и в 20,0 км на юго-запад от Талнах-ской обогатительной фабрики (ТОФ) (рис. 2.7).
Типизация воздействий гидротехнических сооружений хвостохранилищ на компоненты природной среды
Анализ опубликованных источников показывает, что в области геоэкологических исследований накоплен значительный опыт сбора информации, методов наблюдений, контроля и обработки полученных данных [24, 32, 39, 78, 80]. Однако в сфере представления полученных результатов, их формах и наглядности существуют определенные трудности.
Основной формой представления той или иной информации об объекте исследований является его модель - геологическая, гидрогеологическая, экологическая и т.д., наиболее известной и удобной для восприятия которой является карта.
Все комплекты экологически ориентированных карт можно разделить в зависимости от цели исследования на несколько видов. 1. Оценочные карты техногенной измененное природной среды. Самые первые карты, этого вида были составлены при участии Г.А. Голодковской, Г.М. Терешкова, Л.В. Бахиревой. Комплект карт изменения геологической среды в связи с гидротехническим и городским строительством, гидромелиоративным и дорожным строительством, а также в связи с освоением месторождений полезных ископаемых разработан под общей редакцией Е.М. Сергеева [56].
2. Прогнозные и оценочно-прогнозные карты техногенной измененности среды. Карты такого типа составляются в следующих случаях: 1) если хозяйственное освоение только планируется; 2) если нет возможности собирать фактический материал; 3) если нужно узнать или оценить состояние какой-либо территории в перспективе.
3. Карты устойчивости среды к техногенным воздействиям, разрабатываемые с учетом предельно допустимых нагрузок на природу [24]. Первая карта такого вида составлена Г.А. Голодковской, Ю.Б. Елисеевым, Н.И. Лебедевой и ДР. [32].
4. Карты риска опасных природных и техно-природных процессов.
Отдельную группу карт геоэкологической направленности составляют карты техногенного загрязнения природной среды различных модификаций.
Электронные картографические модели, отражающие техногенные изменения природной среды, разрабатывались для оценки воздействия гидротехнических сооружений Норильского промышленного района В.В. Бутюгиным и Е.АГулан[13].
Одним из видов моделей изменений природной среды, происходящих под воздействием гидротехнических объектов, являются таблицы-решетки, в которых воздействие сооружения обозначается условным знаком, соответствующим определенному природному компоненту, испытывающему это воздействие. При этом предполагается, что таблица может изменяться при получении новых данных о состоянии компонентов природной среды, что позволяет проследить динамику развития негативных процессов, происходящих в окружающей природной среде при строительстве, эксплуатации и консервации хвостохранилищ. Как было показано выше, хвостохранилища НПР оказывают существенные воздействия на состояние окружающей среды криолитозоны.
Геомеханические воздействия характерны для всех хвостохранилищ ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель», а также гидротранспорта. Они относятся к типу постоянных, необратимых воздействий и выражаются в изменениях свойств грунтов, их температурного режима, а также в постоянных, целенаправленных и необратимых преобразованиях рельефа местности.
Воздействия гидродинамического класса, первичной группы, проявляющиеся в изменениях естественных режимов стоков и русел водотоков, также характерны для всех сооружений, хотя и имеют некоторые различия, связанные со спецификой строительства и эксплуатации объектов. Например, на хвосто-хранилище № 1 эти воздействия наиболее отчетливо проявились при строительстве дамбы и связаны с изменением режимов поверхностных вод.
На хвостохранилище НМЗ этот вид заключается в нарушении естественных режимов стока реки Буровая, а также в изменении режимов подземных вод. Трассы гидротранспорта в основном изменили условия естественного водообмена и привели к формированию застойных зон.
Аэродинамический класс воздействий наиболее отчетливо проявляется на хвостохранилище № 1: пыление откосов и пляжей, изменение естественных аэродинамических параметров местности и характера снегонакоплений. На трассах гидротранспорта проявляется в изменении аэродинамических свойств местности и перераспределении снежных масс.
Класс биоморфологических нарушений проявляется на всех сооружениях в угнетении, изменении и гибели растений.
Гидросферные загрязнения первичной группы связаны с аварийными поступлениями пульпы в водоносные горизонты и поверхностные водоемы, проявляются в изменении режимов и составов поверхностных и подземных вод. Данный вид загрязнений наиболее характерен для хвостохранилища НМЗ, хвостохранилища «Лебяжье» и гидротранспорта. Воздействия вторичной группы нарушений менее значительны по масштабам проявления, но более длительны по времени действия и опасны по необратимости происходящих в природе изменений.
Гидродинамические воздействия вторичной группы связаны с формированием техногенного режима поверхностных и подземных вод, в большей степени проявляется для хвостохранилища НМЗ.
Класс вторичных аэродинамических воздействий связан с изменением естественного снегонакопления. Снежные отложения ведут к перераспределению химического загрязнения, при таянии способствуют очищению и разбавлению техногенных вод, но увеличивают площади загрязнения за счет переноса химических элементов в водной среде на значительные расстояния.
Гидросферные вторичные загрязнения обусловлены смывом загрязняющих веществ с откосов плотин и поступлением их в поверхностные и подземные воды. Именно с ними связано происхождение «красных рек» в результате выноса талыми водами остатков материала, содержащегося в отработавших свой срок трубах гидротранспорта и не убранных с территории по окончании ремонтных работ.
Оценка фильтрационной устойчивости основания хвостохранилища
В районе развиты надмерзлотные подземные воды сезонноталого слоя, приуроченные к насыпным грунтам (кф - 10-20 м/сут), намывным грунтам, суглинкам (кф менее ОД м/сут), торфу (кф - 0,15 м/сут), песку (кф - 1,0 м/сут), супеси (кф - 0,5 м/сут). Нижний водоупор - многолетнемерзлые грунты. В подозер-ных таликах подземные воды функционируют круглогодично. Они вскрыты на абсолютных отметках 25,7-34,5 м и приурочены к насыпным грунтам, супесям, суглинкам и глинам. Водоносный горизонт подозерных таликов безнапорный, на отдельных участках обладает напором. Подмерзлотный водоносный горизонт развит в наледнинских отложениях. Водоносный горизонт напорный. Верхним водоупором служат вечномерзлые и слабофильтрующие суглинистые грунты. Долины рек Купец и Щучья являются областью разгрузки водоносного горизонта.
На основании вышеприведенных данных для оценочных расчетов составлена расчетная схема фильтрации и теплопереноса для ложа хвостохранилища, построенного без противофильтрационного экрана, т.е. традиционного для накопителей в Норильском промышленном районе.
Примем среднюю мощность суглинистых отложений 40 м со средним кф = 0,2 м/сут и мощность валунных отложений 20 м, кф = 20 м/сут. Мощность и коэффициент фильтрации хвостов примем 6 м и 0,1 м/сут соответственно. Тепло-физические параметры грунтов: для мерзлой зоны А,м/С0в = 0,067 м /сут и Сом/ Сов = 0,7; для талой зоны А,т/Сов = 0,053 м /сут и С0т/ Сов = 0,8; удельная теплота плавления 80 ккал/кг, где Хм и Xj - коэффициенты теплопроводности мерзлых и талых пород; Сов Сом и Сот - теплоемкость воды, мерзлой и талой породы. Для задачи фильтрации приняты следующие граничные условия (ГУ): левая граница (х = 0), (см. рис. 4.6) непроницаема (ось симметрии); нижняя граница z = 0 непроницаема (слабопроницаемые породы); на правой границе х = 1000 м в валунных отложениях (z = 0...20 м) поддерживается постоянный уровень Н = 35 м (считаем, что из-за высокой проницаемости пород уровень в подмерзлотном горизонте будет меняться незначительно); на участке z = 20...66 м примем границу непроницаемой - по вертикальной линии тока; на границе z = 66 м принимается постоянный уровень Н =52 м, отвечающий абс. отм. зеркала воды в хвостохранилище.
Для задачи теплопереноса приняты следующие ГУ: на левой границе х = 0 задано дТ/дх = 0 - непроницаема в силу симметрии; на границе z = 0 задается ГУ 1-го рода Т = 1С (принимаем, что на подошве валунных отложений температура постоянна); на границе z = 66 м (поверхность хвостов) задавалось условие Т = +4С на этапе прогноза и переменная температура Т(х) на этапе решения обратной задачи; на границе х = 1000 м на участке 20 z 66 м задано дТ/дх = 0 - непроницаемая граница, а на участке 20 z 66 м ГУ не задавались (температура здесь определяется из решения задачи).
Требуется обеспечить устойчивую начальную конфигурацию зон мерзлых и талых грунтов. В связи с этим, на первом этапе выполнено решение задачи замораживания грунтов с граничными условиями на поверхности земли (z = 60 м), которые обеспечивали бы мощность ММП порядка 30...40 м и характерные размеры мерзлых и талых зон по поверхности порядка 250 м. Эти граничные условия подбирались, исходя из среднегодовой температуры на поверхности земли и в подмерзлотном водоносном горизонте, а также значений вертикальной инфильтрации в талых зонах. Такой подход дает возможность получить начальное стационарное распределение температуры (а значит и стационарное положение границы мерзлых и талых грунтов, близкое к естественному положению).
Далее на это стационарное распределение температуры накладывается возмущение в виде граничного условия на поверхности намываемых хвостов Т = +4С (принят наиболее благоприятный зимний период времени) и выполняется прогноз изменения температуры (растепления массива и изменения конфигурации зон ММП) во времени, совместно с задачей фильтрации промстоков через ложе хвостохранилища в условиях постоянно меняющейся его проницаемости в процессе растепления. Таким образом, мы оставляем лишь один фактор, определяющий изменение температуры - прогревание основания хвостохранилища фильтрующимися водами.
Задача решалась численно методом конечных разностей по программе, разработанной в НОВОТЭК. Программа позволяет решать совместно задачу фильтрации и конвективного теплопереноса с фазовым переходом с учетом изменения области фильтрации за счет промерзания или оттаивания грунтов.
На рисунке 4.7 показано стационарное распределение температуры и конфигурация мерзлых зон, полученное на первом этапе (решение обратной задачи). Полученная на модели мощность ММП составляет порядка 30 м, что отвечает естественным условиям для рассматриваемого района. Правая зона ММП несколько меньше по мощности, чем левая и в нижней части имеет меньшую ширину. Это связано с различной величиной скорости фильтрации. Для принятой фильтрационной схемы (разгрузка на правой границе, а левая граница непроницаема) наиболее высокие скорости фильтрации получаются вблизи правой границы (скорости фильтрации здесь на порядок выше, чем вблизи левой границы).
