Актуальные конструктивные решения накопителей грунтовых материалов и отходов горно-обогатительных предприятий

Введение

В России накоплен значительный опыт по транспортированию и складированию побочных продуктов производства концентратов горно-обогатительных предприятий. История развития технологии транспортирования и складирования этих продуктов непрерывно связана с развитием самой горно-обогатительной отрасли. Активный рост отрасли относится примерно к XVI веку при переходе от кустарного производства к промышленным масштабам освоения месторождений. C течением времени менялись масштабы и объемы производства, технические требования к ним, совершенствовались методы складирования указанных продуктов.

Необходимость поиска новых технических решений при транспортировке и складированию побочных продуктов производства концентратов горно-обогатительных фабрик обусловлены увеличением объемов переработки исходного сырья, смещением центров горно-обогатительной отрасли РФ в удаленные районы с суровыми климатическими условиями, совершенствованием технологий извлечения полезных ископаемых и ужесточением экологических требований. В данном вопросе важно, чтобы действующая нормативная база не мешала, а способствовала внедрению в разрабатываемые проекты новейших решений. Проектирование, строительство, эксплуатация и развитие нормативной базы должны идти синхронно, опираясь на положительный опыт в каждом из указанных направлений. 

Существенное значение при этом приобретает учет современных экологических требований к проектированию и эксплуатации техногенных накопителей грунтовых массивов промышленных предприятий, которые становятся определяющими во всех отраслях промышленности, в том числе в горно-обогатительной.

С точки зрения обустройства накопителей грунтовых массивов, в первую очередь намывных, на первый план выступает соблюдение требований законодательства в области охраны окружающей среды, и особенно водного законодательства, в части истощения и загрязнения поверхностных и подземных вод, а также геологической среды.

Воздействие накопителей на поверхностные воды выражается:

- в отборе части поверхностного стока для промышленного водоснабжения;

- в изъятии значительных площадей водосборных площадей для накопителя и горно-обогатительного производства;

- в поступлении непосредственно в поверхностный водный объект фильтрата через основание и ограждающие дамбы накопителя со значениями гидрохимических показателей не соответствующим нормам допустимых сбросов в водные объекты.

В некоторых случаях это приводит к практически полной деградации поверхностного водного объекта и/или к существенному изменению его водного режима.

Указанные воздействия предопределяют необходимость организации поверхностного стока с территории промплощадки и территории, прилегающей к накопителю, локализации фильтрата и дренажного стока. Часть загрязненного стока может быть направлена в систему оборотного водоснабжения предприятия, остальное – на очистные сооружения с последующим выпуском в водный объект в соответствии с утвержденным нормативом допустимого сброса через контрольную точку и расходомер.

Все это влечет за собой необходимость обоснования и регистрации права на пользование водным объектом.

Воздействие накопителей на подземные воды выражается в виде площадной фильтрации через основание накопителя, основание и тело ограждающих конструкции и дренажных устройств. Контроль состояния подземных вод регламентируется согласованной в природоохранных органах программой производственно-экологического мониторинга, путем устройства системы контрольных наблюдательных скважин и ведением специальных режимных наблюдений с соответствующей отчетностью.

Указанные воздействия предопределяют необходимость организации исключения или минимизации самой возможности поступления загрязненного фильтрата в подземные водоносные горизонты путем гидроизоляции основания накопителя с применением как грунтовых (глинисто-суглинистые инертные материалы, а при соответствующем обосновании - иловато-глинистые фракции складируемых материалов), так и геосинтетических материалов (геомембраны, бетонные маты), устройства по контуру ограждающих дамб и бортовых примыканий специальных противофильтрационных экранов и/или завес – как водонепроницаемых в виде различных типов противофильтрационных стенок в грунте (траншейного типа, буросекущихся свай, инъекционных завес, мерзлотных завес, завес из геошпунтов и др.) и дренажных завес – с самотечным отводом дренажного стока или с механическим водоотливом. Нередко, в зависимости от конкретных условий, эффективной оказывается комбинация противофильтрационных и дренажных устройств.

Надо иметь в виду, что концентрации загрязняющих веществ в фильтрате, как правило, намного выше, чем в поверхностных сточных водах, что приводит к увеличению стоимости очистных сооружений. Поэтому максимальную часть фильтрата целесообразно направлять в систему оборотного водоснабжения.

Серьезной проблемой при соблюдении требований законодательства в области охраны окружающей среды является пыление с поверхности накопителей и отвалов, приводящее к загрязнению как атмосферного воздуха, так почвенного покрова и поверхностных водных объектов на обширных прилегающих территориях. Это досадное явление также требует проведения ряда организационно-технических мероприятий (как минимум увлажнение, как максимум закрепление или перекрытие потенциально пылящих поверхностей), что в целом затруднительно, ввиду сезонности его проявления и огромных площадей обозначенных поверхностей.

В настоящее время с экологической точки зрения приобретает повышенное значение обоснование и признание статуса складируемых грунтовых материалов в качестве отходов. К сожалению, действующая нормативно-методическая база проектирования и законодательство в области обращения с отходами практически безальтернативно относят все складируемые грунтовые материалы к категории отходов, хотя зачатую они к ним не имеют отношения, и по своим показателям и химическому составу не отличаются от инертных материалов.

Грунтовые массивы возможно рассматривать как источник инертных материалов для возведения земляных сооружений, закладочных смесей для горных выработок и как техногенные месторождения недоизвлеченных полезных ископаемых.

Технология складирования грунтовых материалов

Напомним основные технологические системы складирования грунтовых материалов и отходов, обозначив проблемы поведения намытых геотехнических массивов.

В настоящее время существуют следующие основные технологические схемы складирования грунтовых материалов и отходов обогатительных фабрик:

• Гидротранспортом в виде пульпы:

- намывной способ с образованием отстойного прудка и организацией оборотного водоснабжения. Намываемые экраны (пляжи) каждого яруса ограждающей дамбы являются основанием для возведения последующего яруса. Складируемые грунтовые материалы (или отходы) в данном случае являются строительным материалом для этих экранов (оснований) и собственно ограждающих дамб;

- намывной способ с образованием отстойного прудка и организацией оборотного водоснабжения. Ограждающая дамба возводится сразу на весь срок заполнения полностью из привозного материала;

- пастовое складирование, без оборотного водоснабжения и прудка. Данный способ требует применения специального оборудования, для организации достаточно сложного процесса получения пасты. Необходимо учитывать безвозвратные потери воды при укладке пасты.    

• Автомобильным/конвейерным транспортом:

- транспортировка полусухих грунтов в отвалы или накопители.

Встречаются также комбинированные способы, когда на одну чашу складирование производится как с помощью гидротранспорта, так и полусухих материалов с доставкой автотранспортом. Также возможны изменения в типе складирования в процессе эксплуатации: намывной накопитель может перейти в насыпной и т.д.

В определенных случаях эффективным является сгущение пульпы перед гидротранспортом. Оно позволяет получить экономию электроэнергии, снизить затраты на трубопроводы и основное насосное оборудование. Иногда, при складировании материалов с большим количеством мельчайших илисто-глинистых фракций сгущение необходимо для регулирования процессов намыва массивов, осветления воды.

Но внедрение сгущения значительно снижает технологическую устойчивость всего процесса гидротранспорта и складирования, повышает общее количество единиц оборудования, что влияет на надежность данных узлов. Появляется зависимость от поставок флокулянтов для сгущения.

Пастовое сгущение получается при сгущении выше 70 % по влажности. Паста является промежуточным звеном между сгущенным и полусухим материалом. Она уже не обезвоживается без специального оборудования и технических устройств, но еще сохраняет способность к гидротранспортированию. В этом случае многократно снижаются капитальные затраты и сроки строительства, увеличивается полезная емкость в сравнении с наливными накопителями.

Наибольший интерес вызывает строительство накопителей намывного типа по причине, изложенной выше: сами побочные продукты извлечения концентрата обогатительных фабрик являются строительным материалом.

Если складируемый материал состоит, в основном, из песчаных /супесчаных фракций, то процессы укладки и уплотнения продуктов в накопителях не представляют особых сложностей, в отличие от илисто-глинистых частиц. Эти материалы, в отличие от песков, поступая в гидроотвал в обводненном состоянии обезвоживаются и уплотняются на протяжении длительного времени, и в условиях непрерывного намыва характеризуются повышенным поровым давлением в грунтовых массивах накопителей и соответственно пониженной сдвиговой прочностью грунта.

Обозначенные факторы обуславливают повышенные риски обрушения не только ограждающей дамбы, но и всего намытого массива, поскольку в намывном сооружении разделить эти элементы физически невозможно.       

Консолидация грунтов

С учетом распространенности складируемых грунтовых материалов и отходов именно илисто-глинистых фракций проблема их консолидации становится решающей для обеспечения надежной и безопасной работы накопителей намывного типа.   

Значимость проблем намывных массивов, связанных с консолидацией, можно проиллюстрировать двумя яркими примерами негативных последствий произошедших на них аварий.

Авария 2010 года на заводе по производству глинозема в 160 км от Будапешта (Венгрия). В этом случае произошла утечка более миллиона кубометров токсичного красного шлама, вследствие разрушения дамбы. При этом пострадала территория более 40 км2, жертвами стали 10 человек.

Авария 2019 года на железорудном предприятии в Брумадиньо (Бразилия) с разрушением хвостохранилища, приведшая к гибели 259 человек.

Для обоснования применения существующих и разработки перспективных методов, технологий и технических решений по управлению процессами консолидации намывных геотехнических массивов приведем некоторые общие сведения о ней.

Консолидация грунтов является важным фактором, подлежащим обязательному учету в проектировании, строительстве и эксплуатации промышленных, гидротехнических, транспортных и гражданских сооружений. Консолидация напрямую связана с многофазностью структуры грунта. Теории, описывающие этот процесс и другие реологические свойства, являются базовыми концепциями инженерного прогнозирования.

Грунты, служащие самыми распространенными строительными материалами для устройства намывных грунтовых массивов, представляют собой сочетание традиционных фазовых состояний веществ (твердое, жидкое, газообразное) представляя собой трехкомпонентную систему.

Их прочностные и другие физико-механические свойства зависят от совокупного взаимодействия этих элементов и изменяются в широком диапазоне.

Проблемы, вызываемые консолидацией оснований в строительстве, изучаются давно. Впервые уравнение, описывающее этот процесс при переменной пористости и проницаемости, было предложено русским ученым-гидравликом Н. Н. Павловским. Решение частной одномерной задачи в 1925 г. сделал австрийский геолог Карл Терцаги. В 30-е гг. советским грунтоведом Н. М. Герсевановым была разработана система уравнений в неполном виде для решения пространственной задачи.

Дальнейшее развитие теория фильтрационной консолидации грунтов получила в трудах российского ученого В. А. Флорина. Его идеи и расчеты легли в основу современной механики грунтов. Трехкомпонентная модель, предложенная В.А. Флориным, была в последующем использована в трудах Ю. К. Зарецкого, Л. В. Горелика, М. Ю. Абелева, П. Л. Иванова и других ученых. Разработанные ими методики применяют при проектировании гидротехнических сооружений, нефтяных установок на шельфе и других объектов на слабых грунтах.

 Различают следующие типы консолидации грунтов:

Естественная, обусловленная давлением вышележащих слоев. По истечении определенного промежутка времени она заканчивается. Возникающие при этом напряжения называют историческими. Если в данный момент текущие напряжения в грунте совпадают с историческими, то говорят, что он нормально уплотненный. В том случае, когда значение первых меньше, грунт является переуплотненным (такое наблюдается при снижении нагрузки, например, при таянии ледника).

Первичная, происходящая за счет миграции воды в порах при уменьшении их объема под воздействием нагрузки. Величину консолидации определяют по графикам, приведенным ниже (при степени консолидации, находящейся в пределах 0-100%).

Вторичная, когда уплотнение продолжается в результате ползучести твердых частиц (или скелета) грунта, которая не учитывалась в предыдущем случае. Для определения осадки рассчитывают коэффициент консолидации грунта вторичного процесса.

Явление консолидации отличается от простого сжатия тем, что во втором случае не происходит изменения объема воды. 

Основными характеристиками грунта, влияющими на скорость осадки, являются:

- способность пропускать воду под давлением(водопроницаемость);

- структура (свойства частиц, из которых он состоит);

- давление, создаваемое жидкостью на стенки пор;

- способность скелета деформироваться с течением времени под воздействием нагрузки;

- сжимаемость минеральных частиц, воды и воздуха в порах грунта;

-  схема нагружения;

- геологическое строение;

- преобладание той или иной фазы (к примеру, наличие воздуха снижает коэффициент консолидации и скорость выравнивания избыточного порового давления).

В песчаных грунтах с высокой водонасыщенностью отжатие воды из пор протекает быстрее (соответственно - выше коэффициент консолидации грунта), поскольку промежутки между твердыми частицами являются достаточно большими. Сдвиговые деформации в песчаных и обломочных породах возникают в результате взаимного смещения частиц и разрушения контактов между ними.

В глинах объемная деформация вызывает плотную переупаковку частиц, окруженных жидкостной оболочкой. Скорость консолидации определяется в основном типом структурных связей и величиной нагрузки. Наличие водноколлоидных связей обусловливает упругость глинистых грунтов – их способность к восстановлению после устранения нагрузки. Упрочнение после уплотнения связано с тем, что происходит возобновление этих связей, если внутреннее напряжение не превышало структурную прочность. Так как поры в глинистых грунтах значительно меньше, то консолидация происходит медленнее.

Наиболее сложными для прогнозирования являются структурно-неустойчивые грунты, у которых деформация происходит под влиянием дополнительных внешних факторов – оттаивания мерзлых почв, разложения органики в торфах и заторфованных грунтах, обводнения лесса, роста засоленности. Так, у торфа фильтрационная консолидация затухает быстро, а осадка продолжается в течение длительного периода времени.

Как отмечено выше, при консолидации твердой фракции массива, необходимо обеспечить выход поровой воды, создать пути и зоны для «разгрузки» порового давления, то есть использовать инженерные методы активации процесса консолидации грунтовых массивов.

При наличии дренирующего основания и водопроницаемых ограждающих дамб данная проблема, особенно в песчаных грунтах, отсутствует. Кроме этого, песчаных грунтах вода из массива грунта «выжимается» в отстойный прудок.

Совсем по-другому обстоит дело, если складируемый материал представляет собой илисто-глинистые фракции и в ложе накопителя выполнен гидроизоляционный экран. Глиняный массив можно представить как череду гидроизоляционных слоев, препятствующих перемещению поровой воды. Без специальных мероприятий освободить воду из такого грунта не получится.       
Для решения данной задачи применяются следующие мероприятия:
- использование соответствующих реагентов (флокулянтов, реологических модификаторов);

- внедрение конструктивных элементов, ускоряющих консолидацию массивов грунта (дренажи);

- применение технологий складирования, способствующих консолидации грунтов в массивах (складирование рассредоточенным методом - намыв, послойная укладка материала и т.п.).

Возможно сочетание обозначенных мероприятий. Например, применение реагентов для гидротранспорта способствует более плотной укладке твердого материала при складировании. Если укладку материала производить послойным намывом с выдержкой каждого слоя, то плотность укладки также возрастает. Уплотнение массива складируемого материала увеличивает его гидроизоляционные свойства, что снижает практически до нуля воздействие фильтрационных выходов накопителя на подземный и поверхностный сток. Кроме этого, повышение плотности материала значительно увеличивает объемы его складирования в тех же размерах чаши накопителя. 

Практические примеры намывных накопителей для консолидации грунта 

В настоящее время нами ведутся работы по совершенствованию и разработке новых методов и технологических приемов на основе использования традиционных и современных геотехнических материалов по обеспечению прогнозируемой консолидации крупных намывных геотехнических массивов. Приведем два примера решения проблемы консолидации грунтовых массивов на конкретных намывных накопителях.

Обогатительный комбинат в Забайкальском крае

После запуска одного из горнообогатительных комбинатов в Забайкальском крае долго не удавалось настроить процесс сгущения. Укладка продуктов производства фабрики происходила в подводную зону с растеканием по всей площади чаши.В пляжной зоне грунт не отлагался, стекая ниже по отметкам в отстойный прудок. Емкость хвостохранилища заполнялась, а основание для наращивания следующего яруса отсутствовало. Требовались срочные и эффективные меры для консолидации грунтов в пляжной зоне.

Для решения проблемы и создания надежного основания для очередного яруса наращивания был применен реологический модификатор REOMAKS, изменяющий прочностные и деформационные характеристики намываемого материала. В течение месяца было сформировано основание в придамбовой зоне и начата отсыпка нового яруса. В настоящий момент видимых деформаций и других негативных проявлений на данном участке сооружения не наблюдается.

Проект накопителя грунтового массива продукта обогатительной фабрики в Республике Бурятии

В проекте одного из строящихся горно-обогатительных предприятий в Республике Бурятии получилось сложное сочетание факторов:

- накопитель намывного типа;

- в основании накопителя и ограждающей дамбе выполнен гидроизоляционный экран из геомембраны;

- складируемый грунт массива представлен материалом с более чем 90 % глинистых фракций.

Таким образом, без специальных технических решений обеспечить выход поровой воды из грунтового массива невозможно.

Экранирование (гидроизоляция) ложа и верхового откоса пионерной дамбы предусмотрено из листа полимерного (геомембраны) и других геокомпозитных материалов производства ГК «ТехПолимер». Отличием предложенного конструктива экрана от указанных в СН 551–82 являются:

Применение геокомпозитного мата «Гидромат 2D» (СТО 56910145-005-2011) вместо песка в качестве подстилающего слоя. и грунтовых конусов (кучек) вместо подстилающего песчаного слоя. «Гидромат 2D» не только выполняет функцию защиты, но и функцию сплошного дренажного элемента, собирающего и транспортирующего воду под экраном. Конструкция «Гидромата2D» представляет собой объемную сетку толщиной 8–10 мм с ромбовидным расположением полимерных прутков, скрепленную с нетканым геотекстилем с одной стороны. Под воздействием нагрузки «Гидромат 2D» способен сохранять толщину и сжиматься лишь незначительно, что позволяет применять его в качестве демпфирующего слоя, выравнивающего поверхность и исключающего повреждение геомембраны.
Применение в качестве основного противофильтрационного элемента полимерного листа (геомембраны, ТУ 2246-001-56910145-2014) из полиэтилена высокой плотности (HDPE). Для соединения листов геомембраны между собой в единое непрерывное покрытие, использовался метод термической сварки с образованием двойного шва с контрольным каналом. Данная технология не только повышает надежность и долговечность экрана, но и позволяет произвести аппаратную проверку прочности и целостности устроенных швов.

Использование в качестве защитного слоя покрытия из нетканого геотекстиля (СТО 56910145-009-2014) с поверхностной плотностью 600 г/м2 и грунтовых конусов с шагом 2,5×2,5 м вместо сплошного защитного песчаного слоя минимальной толщиной 0,3 м. Применение геотекстиля высокой плотности и достаточно высокой прочности обусловлено значительной нагрузкой от массива складируемого продукта. Запроектированная технология строительства предполагает выполнение работ поэтапно, послойно, исключая выезд на уложенную геомембрану автотранспорта и техники для устройства слоев. Это позволяет значительно снизить риски повреждения экрана при строительстве, сократить сроки производства работ, снизить объемы инертных материалов при обеспечении требуемой надежности, безопасности и долговечности конструкции.

На зумпфах и откосах ограждающей дамбы для увеличения сцепления геомембраны с грунтовым основанием была применена геомембрана, текстурированная с двух сторон (тип 4/2 по ТУ 2246-001-56910145-2014), толщиной 1,5 мм, т.к. текстура обеспечивает повышенный коэффициент трения. При этом обеспечивается повышенное сцепление защитных слоев грунта, уложенных по слою геомембраны на наклонной поверхности откосов. Для гидроизоляции ложа была применена гладкая геомембрана такой же толщины — 1,5 мм (тип 1 по ТУ 2246-001-56910145-2014).

К устройствам, обеспечивающим отвод воды из грунта, но удерживающие сам грунт, относятся дренажи. Известно, что они бывают горизонтальные, вертикальные, наклонные, в виде дренажных банкетов (призм), из природных или искусственных материалов. Для недопущения суффозионного выноса частиц грунтов и кольматации выполняются обратные фильтры. На этом объекте было предусмотрено устройство дренажа грунтового массива из природных материалов по типу наслонного дренажа на верховом откосе ограждающей дамбы.

Конструктив дренажа представляет собой несколько слоев скального грунта разных фракций — от песчаного до гравийного — с расчетной проверкой на суффозионность и допустимый градиент напора. Сбор профильтровавшейся воды предполагается осуществлять в коллекторе, выполненном из перфорированной пластиковой трубы. Разгрузка коллектора осуществляется через стальные водоотводные трубы, проложенные через тело дамбы, в дренажную емкость в нижнем бьефе. Из дренажной емкости фильтраты дренажной насосной станцией перекачиваются назад в отстойный прудок. Дренажная емкость запроектирована с экраном из геомебраны производства ГК «ТехПолимер», по аналогии с экраном ложа накопителя.

Под экраном ложа накопителя выполнена сеть горизонтальных дрен для отвода чистой воды, выходящей из бортов. Разгрузка дрен осуществляется в нижний бьеф. В период строительства эти дрены служат для пропуска строительных расходов.

Таким техническим исполнением дамбы и ложа накопителя предполагается решить несколько задач:
- исключить протечки оборотной воды из ложа в грунты основания и через тело дамбы в нижний бьеф с целью обеспечения экологической безопасности накопителя по отношению к природным водам;
- способствовать консолидации глинистого массива, образующегося при складировании продуктов обогатительной фабрики, — с целью обеспечения устойчивости ограждающих дамб и повышения уровня надежности и безопасности гидротехнических сооружений (ГТС).
Выводы
В настоящие время существенное внимание при строительстве и эксплуатации ГТС горно-обогатительных предприятий уделяется поиску новых эффективных решений по минимизации негативного воздействия накопителей на окружающую среду. Особое значение это имеет для территорий, где накопители расположены в непосредственной близости от мест проживания большого количества людей.
Одним из направлений поиска технических решений для обеспечения надежной и безопасной работы намывных геотехнических массивов является активизация и управление консолидацией складируемых грунтовых массивов из илисто-глинистых фракций. Учитывая возрастающие объемы складируемых материалов, снижение содержания полезных ископаемых в исходных рудах и значительную долю затрат на строительство и эксплуатацию ГТС, данная задача может стать одной из приоритетных при определении рентабельности и экономической эффективности многих горно-обогатительных предприятий.

Оригинал статьи: Сольский С. В., Зеленский И. Г. "Актуальные конструктивные решения накопителей грунтовых материалов и отходов горно-обогатительных предприятий" // Гидротехника. 2022. № 3. С. 56–61.