Инженерно-геологическое обоснование рационального размещения отходов калийного производства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 04.00.07, кандидат геолого-минералогических наук Николаева, Татьяна Николаевна

• Николаева, Татьяна Николаевна
• кандидат геолого-минералогических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Николаева, Татьяна Николаевна

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ РАЦИОНАЛЬНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ СОЛЕОТХОДОВ КАЛИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА И ОХРАНЫ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

1.1. Возникновение и формирование проблемы и результаты ее научных исследований. Новый объект инженерной геологии месторождений полезных ископаемых

1.2. Анализ исследований на отвалах калийных предприятий . 17 ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА СТРОЕНИЯ, СОСТАВА И

СВОЙСТВ ПОРОД ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЛАСТОВ КАЛИЙНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

2.1. Строение и состав промышленных пластов калийных месторождений

2.2. Физико-механические свойства соляных пород

ФОРМИРОВАНИЯ СОСТАВА, СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВ НОВОГО ТЕХНОГЕННОГО ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ТЕЛА (ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И НАБЛЮДЕНИЙ)

3.1. Исследование физических свойств техногенных пород солеотвалов

3.2. Исследование прочности и деформируемости техногенных пород солеотвалов

ГЛАВА 4. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ

НА СОЛЕОТВАЛАХ

4.1. Формирование рассолового горизонта в теле солеотвала

и его динамика

4.2. Развитие соляного карста

4.3. Образование глинистой корки и эрозионных форм на поверхности солеотвалов

4.4. Возникновение гравитационных явлений на откосах солеотвалов

4.5. Механизм оползневого процесса и оценка устойчивости откосов солеотвалов

ГЛАВА 5. ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

5.1. Обоснование необходимости инженерно-геологического мониторинга и его задачи на калийных рудниках

5.2. Обоснование мероприятий по снижению негативного воздействия солеотвалов на геологическую среду

5.3. Виды, методика и последовательность работ и наблюдений в рамках инженерно-геологического мониторинга

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Инженерно-геологическое обоснование рационального размещения отходов калийного производства»

ВВЕДЕНИЕ

В отличие от многих других отраслей горно-химической промышленности, калийная характеризуется большим количеством отходов, получаемых в результате переработки и обогащения калийных руд, которые с момента ввода в строй в 40-х годах нашего столетия первого в стране калийного комбината в г.Соликамске, складируются на дневной поверхности. Количество отходов постоянно растет, но способы складирования их в основном остались те же — твердые галитовые отходы, состоящие более чем на 90% из ЫаС1, размещаются в солеотвалы, глинисто-солевые шламы в виде пульпы подаются в шламохранилища. Это приводит к формированию специфических техногенных массивов, представляющих определенный теоретический и прикладной интерес при прогнозе изменений геологической среды.

Поскольку при получении 1 т продукта образуется 3,5—4,5 т галитовых отходов, к настоящему времени на 11 действующих рудниках объединений "Уралкалий" и "Сильвинит" (Верхнекамское месторождение) и "Беларуська-лий" (Старобинское месторождение) их накоплено несколько сот миллионов тонн. Лишь небольшую часть отходов удается утилизировать (приготовление технической и пищевой соли, рассолов для содового производства) либо закладывать в отработанные горные выработки. Остающееся подавляющее большинство отходов ежегодно дополнительно требует для своего складирования десятки гектаров земельных угодий. Выщелачивание легкорастворимых солей пресными атмосферными осадками приводит к ежегодному образованию с одного гектара 6 тыс. м избыточных рассолов. Ореолы загрязнений за счет ветровой эрозии распространяются на расстояние 1,5-2 км от солеотвалов.

Ликвидация отрицательного воздействия отходов калийного производства, являющихся постоянным источником загрязнения геологической среды, возможна при внедрении комплекса научно обоснованных природоохранных мероприятий, в качестве которых могут быть предложены уменьшение землеемкости солеотвалов и их рекультивация.

Цель работы — инженерно-геологическое обоснование мероприятий для снижения негативного воздействия солеотходов на геологическую среду.

Задачи исследований:

- исследование условий формирования физико-механических свойств пород техногенного массива — солеотвала;

- установление закономерностей пространственного и временного изменения состояния и свойств пород в массиве солеотвала;

- исследование механизма и динамики оползневого процесса на откосах солеотвалов;

- обоснование сокращения землеемкосги солеотвалов и способов их рекультивации;

- разработка рекомендаций по организации и функционированию локального инженерно-геологического мониторинга.

Методика исследований. Научные исследования проводились на геологической основе с использованием лабораторных и полевых методов изучения структуры, состояния и физико-механических свойств пород солеотвалов и с применением аналитических методов оценки и прогноза свойств солеотходов и оползневых процессов на откосах солеотвалов.

Достоверность научных положений и выводов обоснована результатами: теоретического анализа роли природных процессов, сопровождающих отвало-образование и приводящих к формированию специфического техногенного осадка; комплекса полевых и лабораторных экспериментов и большого объема проанализированных материалов; промышленной и опытной проверкой при внедрении разработок на предприятиях АО "Уралкалий" и АО "Сильвинит".

Научная новизна заключается в установлении закономерностей пространственного и временного изменения физико-механических свойств техногенных пород в массиве солеотвала, прогнозе развития оползневых процессов и научном обосновании организации и функционирования инженерно-геологического мониторинга на калийных рудниках.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1) получены показатели физико-механических свойств пород массива солеотвала, которые могут быть использованы на предварительных стадиях исследований и в отдельных проектных решениях;

2) оценено влияние противофильтрационных экранов на устойчивость солеотвалов с целью разработки безопасной технологии складирования отходов обогащения калийного производства.

3) разработаны оптимальная конструкция солеотвалов и способ их рекультивации с целью значительного сокращения землеемкости отчуждаемых территорий и уменьшения количества образующихся рассолов;

4) разработаны и внедрены в производство ведомственные строительные нормы по возведению сооружений на соляных насыпных отложениях.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на научно-технической конференции (г.Минск, 1982 г.), на семинаре "Охрана окружающей среды при производстве минеральных удобрений" (ВДНХ СССР, 1987 г.), на 1-ой конференции "Проблемы охраны геологической среды" (Минск, 1995 г.), на заседаниях горно-геологической секции Ученого Совета ВНИИГалургии (Ленинград, 1987, 1988 гг.), на семинарах кафедры инженерной геологии СПГГИ (1996—1998 гг.).

Основные результаты исследований опубликованы в 10 печатных работах.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. В результате антропогенного литогенеза из рыхлых отходов обогащения калийного производства формируется новая техногенная пористая соляная порода преимущественно галитового состава, в которой процессы образования кристаллических структурных связей, изменение физического состояния и свойств в массиве солеотвала обусловлены действием гравитационных процессов, рассолосодержанием в поровом пространстве и региональными климатическими условиями.

2. С целью предупреждения развития оползневых процессов и повышения безопасности ведения работ расчет устойчивости солеотвалов на пленочных противофильтрационных экранах должен проводиться по методу многоугольника сил, наиболее полно учитывающему наличие слабого контакта в основании сооружения.

3. Разработанная методика организации и функционирования инженерно-геологического мониторинга на территории складирования солеотходов калийных обогатительных фабрик обеспечивает контроль и предупреждение засоления грунтовых и поверхностных вод и пород основания, а также развитие оползневых процессов.

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В.Плеханова (технического университета).

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору И.П. Иванову за постоянное внимание и помощь в подготовке диссертационной работы. Автор искренне благодарит профессора Р.Э. Дашко за ценные советы и замечания, а также всех сотрудников кафедры инженерной геологии. Особая признательность сотрудникам лаборатории гидрогеологии и охраны природных вод АО "ВНИИГалургии" за помощь в сборе материалов.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ РАЦИОНАЛЬНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ СОЛЕОТХОДОВ КАЛИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА И ОХРАНЫ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ

СРЕДЫ.

1.1. Возникновение и формирование проблемы, и результаты ее научных исследований. Новый объект инженерной геологии месторождений полезных ископаемых.

На территории Евразии расположены крупнейшие месторождения калийных солей - Верхнекамское (Пермская обл.) и Старобинское (Республика Беларусь), на базе которых построены 11 подземных рудников производственных объединений "Уралкалий", "Сильвинит" и "Беларуськалий", Сильвинитовая руда представляет собой сростки сильвина (KCl) с каменной солью (NaCl) и содержит примеси карналлита (KCl MgCl2 6H20), ангидрита (CaS04), гипса (CaS04 2H20), кизерита (MgSO^ffiO), карбонатоэ кальция и магния, а также глин, представленных алюмосиликатами, гидрослюдами и другими соединениями.

Производство калийных удобрений на отечественных предприятиях основано на переработке сильвинитовой руды флотационным или галургическим методами. С учетом состава исходного сырья, содержащего 2327% KCl, при получении одной тонны продукта образуется 0,1-0,5 т глинисто-солевых шламов и 3,5-4,5 т твердых галитовых отходов (солеотходов). Образующиеся ежегодно на калийных предприятиях миллионы тонн жидких и твердых отходов складируются на дневной поверхности. Глинисто-солевые шламы, размещаемые в шламохранилищах равнинного или овражно-балочного типов, представляют собой 69-82-процентную суспензию зерен галита и сильвина и глинистых частиц в насыщенных рассолах с минерализацией порядка 200-250 г/л. Твердые галитовые отходы размещаются вблизи обогатительных фабрик в солеотвалы, при этом под складирование ежегодно дополнительно изымаются десятки гектаров сельскохозяйственных и лесных

угодий. Только в 1996 году на АО "Уралкалий" переработано 11325 тыс.т сильвинитовой и карналлитовой руды, в результате чего образовалось 7148 тыс.т твердых галитовых отходов и 839 тыс.т глинистых шламов, из которых использовано 2932 тыс.т (производство рассола, закладка горных выработок, отгрузка соли с карьера). Всего же к концу 1996 года в отвалах и пшамохранилищах этого объединения накоплено 192812 тыс.т твердых солеотходов и 29241 тыс.т шламов.

Рыхлые солеотходы отсыпаются на дневной поверхности конусами с углами откоса, зависящими от угла внутреннего трения складируемого материала (рис. 1.1). Под действием различных процессов они превращаются из рыхлой массы в плотное монолитное образование, которое по своим характеристикам можно отнести к породам V группы по классификации В.Д. Ломтадзе, т.е. породам особого состава, состояния и свойств. Однако. материал солеотвалов подвержен интенсивному воздействию пресных атмосферных осадков (за счет выщелачивания ежегодно с 1 га образуется 6 тыс. м3 избыточных рассолов, перекачиваемых в шламохранилища и рассолосборники) и ветровой эрозии (ореолы загрязнений распространяются на расстояние 1,5-2 км [84]). Следует отметить, что борьба с химическим загрязнением, к которому относится загрязнение под воздействием отходов калийного производства, сложная и трудоемкая, поскольку самоочищения подземных и поверхностных вод не наступает даже в случае уничтожения источника засоления, как при бактериологическом загрязнении.

В связи с возникшей опасностью химического загрязнения на калийных рудниках с 60-х годов в различных организациях (Госгорхимпроект, БелНИГРИ, БФВНИИГ, УФВНИИГ, В НИ ИГ, ЛГУ, ЛГИ), а также за рубежом проводятся исследования по определению степени засоления и изучению механизма этого процесса (Дзенс-Литовский А.И., Лехтимяки Э.В., 1967; Ларионов А.К. и др., 1970; Колпашников Г.А., Еременко Ю.П. и др., 1970; Богомолов Г.В., Ротькин С.М. и др., 1979; Дашко Р.Э., Мольский Е.В. и др.,

Рис. 1.1. Общий вид солеотвала Второго Соликамского рудоуправления ПО "Сильвинит1

1980-1986; Schroth H.E., 1978; Thomas J., 1972 и др.,) a с 70-х годов - изучение строения солеотвалов, состава и свойств слагающих их образований (Клементьев В.П.и др., 1973,1979; Ротькин С.М., Алексеенко Е.Я., 1976; Головин Н.М., Иванов И.П., 1976; Клементьев В.П., Шемет С.Ф., 1987; Lenz О., 1983 и др.). Рост высоты отвалов обусловил необходимость обеспечения их устойчивости и безопасного складирования. Эта проблема рассматривалась рядом исследователей (Алексеенко Е.Я., Ротькин С.М., 1974,1976,1977; Иванов И.П. и Головин Н.М., 1973, 1974, 1976, 1977, 1980, 1987; Вострецов С.П., 1983, 1987,1989; Фредлунд Д.Г.; Барбур С.Л. и Янг Н., 1991; и др.).

Проведенные на солеотвалах калийных комбинатов исследования определили основные природоохранные мероприятия, направленные на уменьшение масштабов засоления окружающей среды и сокращение площадей под складирование отходов в калийной промышленности, ряд которых выполняется в настоящее время:

• сооружение в основании солеотвалов экранов из полиэтиленовой пленки;

• использование солеотходов в народном хозяйстве;

• закачка избыточных рассолов в глубокие горизонты;

• закладка отходами выработанного пространства рудников;

• высотное складирование солеотходов.

На всех комбинатах схемы отсыпки солеотвалов предусматривают ограждение их невысокими земляными дамбами в целях ликвидации поверхностного распространения образующихся рассолов за пределы выделенных площадок. Фильтрующиеся рассолы собираются и отводятся дренажными канавами в рассолосборник, откуда перекачиваются в шламохранилище или на обогатительную фабрику. Для предотвращения фильтрации рассола в почву в основании солеотвалов устраиваются экраны. До начала 80-х годов сооружали глинистые экраны. При этом, предполагалось, что засоление на 3-5% экранирующих пород повлечет за собой заметное снижение

их проницаемости. Однако изучение характера засоления глинистых пород (Дашко Р.Э. и др., [18,19]) показало, что оно влияет на их агрегатное и физическое состояние и свойства, в результате чего значительно увеличивается фильтрационная способность пород. По некоторым данным [12], интенсивность фильтрации в основание солеотвала Второго Березниковского рудоуправления за 5 лет составила 3-4 тыс. м3 в год с 1 га. Исследованиями ЛГИ и наблюдениями в скважинах [89] в районе солеотвальной площадки этого рудника установлен ореол загрязнения подземных вод пестроцветной толщи, наблюдается расширение его. Минерализация вод колеблется от 30 до 1 г/л. Это потребовало пересмотра конструктивного решения противофильтрационной защиты и замены глинистых экранов пленочными, которые включают полиэтиленовую пленку толщиной 0,2 мм, а также подстилающий и перекрывающий (защитный) пленочный элемент слои, формируемые преимущественно из местных песчано-глинистых грунтов. Разработанные конструкции пленочных противофильтрационных экранов внедрены на всех отечественных калийных предприятиях.

Значительное внимание уделяется использованию отходов в народном хозяйстве. Из галитовых отходов производится техническая очищенная соль, рассолы для нужд содового производства, солебрикеты, с солеотвалов отгружается техническая неочищенная соль. В настоящее время мощности производств по использованию галитовых отходов не достаточно велики, чтобы существенно снизить их объемы на дневной поверхности.

Эффективным способом, снижающим вредное влияние избыточных рассолов на окружающую среду, является сброс их в глубокие поглощающие горизонты. В сложных геологических условиях глубинный сброс избыточных рассолов в промышленном масштабе не получил распространения на калийных рудниках. Поэтому наряду с подземным захоронением промстоков необходимо внедрение в практику малоотходных технологий по переработке минерального сырья с созданием замкнутых циклов водопотребления и многократным

использованием рассолов для технологических нужд.

Одним из основных природоохранных мероприятий является закладка солеотходов в выработанное пространство рудников. Исследования, выполненные в ЛГИ, УФ ВНИИГ, ВНИЙГ, а также экспериментальные работы, проводимые на рудниках, показывают, что отходы, размещаемые в отработанных камерах, при добавке вяжущих веществ обладают достаточной прочностью для использования их в качестве закладочного материала, который позволяет увеличить несущую способность целиков и даже полностью отказаться от них. Закладочный массив ограничивает возможность обрушения налегающей толщи пород, обеспечивает увеличение числа пластов продуктивной толщи для одновременной разработки, предотвращает оседание поверхности и водозащитной толщи над выработанным пространством, уменьшает количество складируемых на дневной поверхности отходов. Однако нельзя не отметить, что полномасштабное применение указанного способа складирования в настоящее время сдерживается отсутствием экономических стимулов сокращения потерь запасов при добыче полезного компонента и должного надзора за природной средой. В связи с этим он применяется в тех случаях, где необходим как средство защиты подрабатываемых территорий, зданий и сооружений и сохранения сплошности водозащитной толщи.

Полное исключение складирования солеотходов на дневной поверхности могло бы радикально решить проблему охраны природы в районах калийных предприятий. Но, согласно расчетам [8], внедрение способа закладки выработанного пространства отходами обогатительных фабрик позволит возвратить в горные выработки не более 45% от объема добычи руды. Переход же на селективную выемку калийной руды дает возможность сократить выдачу на поверхность галита не более чем на 10%.

Очевидная необходимость сохранения темпов добычи и переработки калийных солей показывает, что в ближайшей перспективе многие миллионы тонн солевых отходов ежегодно будут складироваться по-прежнему на

поверхности земли. Средняя высота отсыпаемых по традиционной схеме отвалов составит 25-30 м. В целях охраны окружающей среды и сохранения земельных угодий ВНЙИГалургии (С.М.Ротькин, Е.Я.Алексеенко и др.) совместно с ЛГУ (ДП.Иванов) был разработан способ высотного складирования солеотходов (до 100 м), который по расчетам [60,74] позволяет сократить отчуждаемые площади в 3-3,5 раза. В такой же мере снижается образование рассолов от выпадения атмосферных осадков. Однако уклон тыловой поверхности высотного отвала ограничивается углом подъема отходов ленточными конвейерами и возможностью перемещения механизмов и составит 6-15°. Поэтому форма солеотвала в вертикальном разрезе имеет конфигурацию, близкую к клиновидной, а максимальная высота солеотвала достигается в одной точке. Это свидетельствует о низкой эффективности использования выделяемых земель.

Не менее серьезными являются проблемы утилизации отходов и защиты геологической среды на зарубежных калийных предприятиях. Большая часть солеотходов калийных предприятий Германии в твердом виде (до 40%) складируется на дневной поверхности в отвалы, 36% отходов растворяется в воде и сбрасывается в более глубокие горизонты и частично в речную сеть. Оставшаяся часть (24%) идет на закладку горных выработок при разработке пластов с крутым залеганием. Складирование в отвалы ведется в условиях предгорного склона и рассматривается как рациональный и сравнительно дешевый способ удаления отходов [70], однако имеет ряд недостатков, так как изменяет ландшафт, требует осуществления сложного рассолоулавливания при выпадении атмосферных осадков и вызывает засоление. В связи с этим высота солеотвалов изменяется от 30-50 м (в верхней части склона) до 150-200 м (в нижней), угол откоса составляет 30-35°.

На предприятии Винтерсхаль (ФРГ) внедрена "сухая" технология переработки калийных руд - электростатическое обогащение. При этом твердые солеотходы направляются в солеотвал на специальную площадку в пределах

предгорного склона. Искусственный рассолонепроницаемый экран в Основании солеотвала не предусмотрен, т.к. считается, что более 50% выпадающих на его поверхность атмосферных осадков испаряется [66]. Предполагалось, что только 1% соли засоляет окружающую территорию. По периферии солеотвала оставлена защитная зона шириной 20 м, в ее пределах сооружена рассолосборная канава. Рассолы самотеком попадают в рассолосборный

л

бассейн емкостью 10 тыс.м, из него перекачиваются в поглощающие скважины. В пределах защитной зоны сооружена дамба высотой 3 м для предотвращения образования оползней при увеличении высоты отвала. Однако электростатическое обогащение и последующее складирование хвостов в отвал по данной технологической схеме требует почти в 3 раза больших затрат по сравнению с традиционным подземным захоронением хлорнатриевых рассолов.

В восточной части Германии (бывшая ГДР) отходы переработки калийного сырья составляют примерно 3/4 всего количества добываемой руды [82]. На калийном предприятии "Генрих Pay", ГП Комбинат "Калий", порядка половины твердых отходов используется для закладки под землю, оставшаяся часть складируется на поверхности. Жидкие отходы преобразуются в пульпу, закачиваемую под землю. На предприятии "Цилиц" твердые отходы по ленточному конвейеру поступают в отвал, а отработанный щелок сбрасывается в Эльбу. Проектная высота отвала приблизительно 100 м. Для отведения рассола у его подножия имеются траншеи, а для защиты вод и почв от засоления в ложе устроены дренажные системы.

Проблемой изоляции солеотвалов от воздействия атмосферных осадков в Германии занимались фирмы "Кали унд Зальц" и предприятие "Калий". В 50-е годы на склоне отвала предприятия Нойхоф-Эллерс были устроены террасы, на которые наносился растительный слой грунта. Различные смеси посевов взошли лишь частично, однако даже эта часть через год погибла вследствие выхода соляных растворов. Кроме того, не удалось защитить почвенный субстрат от смывания и сползания. Последующие предложения по

выполаживанию откосов путем устройства берм и отсыпки на них растительного слоя, а также попытки использования пленок из полипропилена и полиэтилена [82] и экранирования поверхности клеящими веществами и эластичными пластмассами не нашли дальнейшего развития.

Ограниченные успехи по защите растительного покрова от соли были достигнуты на предприятии Винтерсхаль при применении автомобильных шин, соединенных между собой и заполненных субстратом с посадкой растительности. Способ был признан неподходящим из-за поражения растительности привносимой в субстрат солью.

На предприятиях Зигмундсхаль, Нидерзаксен-Ридель, Винтерсхаль и Хатторф изучалась возможность окультуривания отвалов путем отсыпки на их откосы других отходов. Ожидалось, что крупнокусковой материал будет препятствовать подъему соляных растворов, и на нем будет образовываться естественный растительный покров. Однако положительный результат не был достигнут. Самозарастание тополем, ивой, березой и вейником наземным отмечалось на отвалах Винтерсхалл Ш с мощным (до 2 м) поверхностным слоем ангидрита [81].

На калийных предприятиях Канады ("Кори", "Лэниган" и "Роканвилл") отходы производства - соль, хвосты флотации и рассол - обычно поступают в виде пульпы с обогатительной фабрики на наземный участок складирования, представляющий собой солеотвалы и систему прудов с рассолами, окруженную оградительными дамбами. Высота солеотвалов в провинции Саскачеван достигает 20-60 м. Наклон откосов отвалов с одной стороны составляет 30-35°, а с другой - 1-2° с тем, чтобы легче осаждались соль и шламы из пульпы хвостов и легче было отводить рассол в пруды-накопители. Нерастворимые вещества и шламы составляют в Саскачеване приблизительно 5-10% от твердых отходов. Их присутствие в солеотвале может повлиять на морфологию отвала, его устойчивость и будущее растворение атмосферными осадками [81].

Некоторые западные калийные предприятия производят сброс отходов

производства в реки и моря. Французская фирма "Min de Potass d'Alzas" (MDPA), получая из руды KCl, использует остающийся в результате флотации NaCl, а глинистые шламы сбрасывает в р.Рейн [71]. В отвалы направляется ангидрит. Канадской фирмой "Denison Potacan Potash Со" избыточный рассол вместе с водой из шахтного ствола перекачивается по трубопроводу на расстояние около 34 км и сбрасывается в залив Фанди. Сброс отходов в море производится далеко от берега и не представляет собой большой опасности для окружающей среды [81]. В Англии фирма "Cleveland Potash LTD" сбрасывает 300 т NaCl и 500 т глинистых шламов в сутки в Северное море. Отходы и шламы перекачиваются по трубопроводу длиной около 1,8 км в туннель под дном моря, откуда они под действием приливов и отливов диспергируются в морской воде [69]. Фирма PC А в провинции Саскачеван (Канада) сбрасывает часть отходов в южную часть оз. Пейшнс, воды которого по природе щелочные. В Бразилии фирма "Petromisa" от предприятия к морскому побережью проложила трубопровод протяженностью 35 км для сброса хвостов и избыточных щелоков в Атлантический океан. В Израиле "конечный рассол", состоящий из концентрированных растворов хлорида магния и калия, сбрасывается в Мертвое море [90].

Путями решения проблемы сокращения негативного воздействия на геологическую среду размещаемых на дневной поверхности солеотходов, на наш взгляд, является максимально возможное увеличение высоты и емкости солеотвала без расширения площади его основания, а также внедрение рекультивационных мероприятий с изоляцией его поверхности от атмосферного воздействия, что снизит дополнительное образование высокоминерализованных рассолов. До настоящего времени консервация солеотвалов в промышленном масштабе не проводилась ни в нашей стране, ни за рубежом.

1.2. Анализ исследований на отвалах калийных предприятий

Проведенные на калийных комбинатах исследования, включающие

бурение скважин с отбором образцов, в комплексе с лабораторными экспериментами показали специфику свойств, состава, характера уплотнения и деформирования солеотвальных пород. В результате сформировались существующие ныне представления об их свойствах, структуре и процессах, протекающих в массиве отвала.

Химический и гранулометрический составы В твердых отходах обогащения сильвинитовой руды (табл. 1.1) преобладает NaCl (в среднем 90-92%) с небольшими примесями сильвина (до 35%) и других солей и нерастворимого остатка (и.о.), представленного преимущественно глинистой фракцией, в составе которой содержатся в основном гидрослюды, хлориты и иногда смешанослойные образования хлорит-монтмориллонитового и хлорит-вермикулитового типов [92,93,31,76,23,62].

В калийных рудах Верхнекамского месторождения помимо NaCl содержится от 5,8 до 60% KCl, 16,4-22,2% MgCb. Среднее содержание нерастворимого остатка составляет около 2%. В связи с этим в химическом отношении солеотходы представлены 90-98% NaCl, 0,3-2,6% KCl, 0,05-0,07% MgS04,1,3-1,9% CaS04,0,07-1,6% нерастворимого остатка [65].

Таблица 1.1

Химический состав солеотходов на примере Старобинского

месторождения [65]

РУ Содержание, %

NaCl KCl MgCl2 СаС12 CaS04 н.о.

1 92-94 3,5-4,0 0,02-0,06 0,10-0,15 0,8-1,0 3,5-4,5

2 90-92 3,0-5,0 0,02-0,03 0,04-0,20 0,4-1,1 3,0-4,0

3 88-91 6,0-9,0 0,18-0,30 0,04-0,10 0,4-0,9 2,5-3,5

По гранулометрическому составу солеотходы, если их рассматривать как обычные дисперсные образования, представляют собой легкие супеси или разнозернистые пески (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Гранулометрический состав солеотходов ПО "Беларуськалий" [65]

РУ Диаметр частиц, мм

5-2 1 2-1 1-0,5 0,5-0,25 0,25-0,1 0,1-0,05 <0,05

Содержание фракций, %

1 0,20 0,78 35,70 29,10 15,60 14,23 4,39

2 0,50 2,38 41,74 26,94 13,70 10,23 • 3,94

3 0,44 1,26 39,14 29,29 15,06 12,74 2,07

Химический и гранулометрический составы солеотходов в значительной мере определяются составом исходной руды, степенью ее дробления и способом переработки. Так, в солеотходах предприятий Старобинского месторождения наблюдается повышенное содержание глинистой составляющей по сравнению с отходами Березниковских и Соликамских рудоуправлений (РУ). Галургический способ переработки позволяет повысить извлечение полезного компонента и получить солеотходы более крупных фракций, чем при флотации. Используемые в качестве закладочного материала галитовые отходы обогащения по крупности подразделяют на: отходы галургического производства со средним диаметром частиц 3-5 мм; отходы флотационные крупнозернистые, средний диаметр 1,2 мм и отходы флотационные мелкозернистые, размер частиц 0,5-0,8 мм [77].

Влажность, рассолосодержание, плотность минеральной части В галитовых отходах, поступающих на солеотвалы с фабрик, содержится влага, обусловленная процессом обогащения и представляющая в химическом отношении хлоридно-натриевые рассолы с минерализацией около 340-360 г/л [65,72] до 375 г/л [31]. Состав рассола соответствует геохимическим условиям обогащения калийной руды. В среднем химический состав жидкой фазы (рН=5,3, плотность 1,234 г/см3) следующий [52]:

Иа++К+ М^ Са2" С1" Б042" НСО3" сухой остаток 140,3 1,9 4,3 228,7 1,2 0,06 375,8

Количество влаги в свежих солеотходах колеблется от 8 до 22% [31,45,79], имея средние значения 10-14% [65,75].

Процесс отжатая жидкой фазы с одновременным уплотнением отходов по экспериментальным данным продолжается 15-18 часов, после чего интенсивность его значительно снижается. При моделировании в лабораторных условиях процесса отжима остаточных рассолов из свежих солеотходов БелНИГРИ установлено, что они теряют около 50% исходной начальной влажности, составляющей 6% от веса укладываемых отходов [52], достигая влажности 5-8%. Действие статических нагрузок от веса вышележащих слоев также вызывает отток жидкой фазы и уплотнение солеотходов. Влажность их при этом, согласно некоторым исследованиям [31,26], снижается до 0,9 - 2,8%.

Следует отметить, что применение стандартной методики определения количества жидкой фазы (влажности) приводит к неправильной оценке физического состояния солеотходов в теле отвала, поскольку поровым заполнителем является высоко концентрированный рассол. Обычное определение влажности упускает из виду основное условие о постоянстве веса и объема минеральной части. В связи с этим в работах [26,23,64,28] предложен способ перерасчета определенной обычным способом влажности на рассолосодержание, учитывающий, что при высушивании масса скелета увеличивается за счет выпадения из рассола дополнительной массы солей. Рассолосодержание рассчитывается по формуле

wp= w (1+m)/ (1-mw), (1)

где w - влажность, един.; m - коэффициент, зависящий от концентрации порового раствора. Коэффициент m определяется для каждого конкретного случая как отношение массы соли к массе воды в 1 л раствора. В работах [26,23,28] коэффициент ш=0,446, исходя из концентрации рассола NaCl 370 г/л и плотности минеральной части соли р=2Д7 г/смЗ. Используя предложенный способ, были рассчитаны значения рассолосодержания, которые для свежеотсыпанных солеотходов меняются в пределах от 0,12 до 0,35, имея

средние значения ОД 5-0,22.

Плотность минеральной части солеотходов имеет довольно устойчивое значение 2,16-2,17 г/см3, что говорит о постоянстве их минерального состава [65,52,31,23,26].

Плотность, пористость, фильтрация

Плотность солеотходов зависит от их химического состава, пористости, влажности и рассолосодержания. Количественно плотность попадающих в отвал свежих солеотходов характеризуется значениями 1,2-1,4 г/см [65,93,52] при плотности 35-40%. Образцы техногенных соляных отложений, отобранные на различных глубинах в солеотвалах, характеризуются пористостью около 12-

■а

15% и соответственно значения их плотности изменяются от 1,75 до 1,90 г/см [65]. Это подтверждается экспериментальными исследованиями [31], проведенными в БелНИГРИ, на основании которых была сделана попытка разделить массив солеотвала на зоны с различными инженерно-геологическими свойствами. Это зоны (сверху вниз): а) слабоуплотненных солеотходов (плотность р=1,6 г/см3, влажность \¥ до 0,15); б) среднеуплотненных солеотходов (р=1,76-1,85 г/см3, \у=0,05-0,1); в) сильноуплотненных солеотходов (р=1,85-2,0 г/см3, 0,03-0,05).

Исходя из характера изменения физических свойств солеотходов в теле отвала, С.М.Ротькин и Е.Я.Алексеенко [53] предполагают наличие в нем следующих зон сверху вниз: а) переменной влажности (рассолосодержания) и плотности мощностью 2-3 до 5-6 м; б) практически рассолонасыщенных солеотходов почти постоянной плотности, характеризующихся плотностью скелета в пределах 1,39-1,57 г/см3; в) повышенной плотности, залегающей на грунтовом основании, с пористостью не более 20-25%. Эта нижняя зона, вероятно, формируется в результате обезвоживания галитовых отходов за счет уплотнения их под действием веса вышележащих пород, при этом уменьшается их пористость.

Другими же исследователями в работах [23,45] отмечается отсутствие

четкой закономерности в увеличении плотности и уменьшении пористости с глубиной. На солеотвале 1РУ ПО "Беларуськалий" влажность образцов высотой 15-20 см, отобранных с глубины 9,85-30,15 м, меняется от 0,057 до 0,176, а плотность и пористость, соответственно, от 1,71 до 1,91 г/см3 и от 16,7 до 31,0% (табл. 1.3).

Авторы объясняют отмеченное явление [23] зависимостью уплотнения от скорости отсыпания солеотходов, от среды, в которую попадает смесь, и от климатических условий. Часто давление выше отсыпаемых масс не в состоянии преодолеть сопротивление уже сформировавшихся структурных связей, и поэтому плотность осадка оказывается одинаковой на различных глубинах

Таблица 1.3

Физические свойства солеотходов из отвалов [45]

Глубина Естественная Плотность, г/см"* Пористость,

отбора %

образца, м влажность,% Общая Скелета

9,85-10,0 17,6 1,76 1,49 31,0

12,0 1,77 1,58 26,8

11,2 1,77 1,60 25,9.

14,8-15,0 12,9 1,80 1,59 26,4

19,8-20,0 13,9 1,83 1,61 25,6

8,3 1,77 1,64 24,1

10,6 1,77 1,60 25,9

24,8-25,0 11,2 1,71 1,54 28,7

30,0-30,15 5,7 1,91 1,80 16,7

или разной на одной и той же глубине. Уплотнение переувлажненной солевой массы можно рассматривать как уплотнение сыпучей среды высокой водопроницаемости. Высохшая масса уплотняется незначительно, главным образом, благодаря ползучести скелета при ослаблении сформировавшихся связей под действием дополнительного увлажнения. В связи с этим в первом

случае достигается наиболее плотная упаковка зерен галита, и объем пор составляет 24-26%, а во втором - наиболее рыхлая с объемом пор 38-40%. Выпадение солей вторичной кристаллизации обусловливает дополнительное уменьшение пористости. Таким образом, в теле солеотвалов могут сформироваться две разновидности осадков - нормально уплотненные (процесс уплотнения заканчивается до формирования структурных цементационных связей) и недоуплотненные (уплотнение происходило при существующих связях). Вторая разновидность может менять свою плотность при дополнительном увлажнении и разрушении (частичном или полном) структурных связей.

Очевидно, что в связи с выделяемыми по физическим свойствам солеотходов зонами в теле отвала, изменяются и фильтрационные их свойства. Техногенные галитовые образования в верхней части солеотвала имеют высокую пористость (около 25-30%), что создает благоприятные условия для вертикальной миграции атмосферных осадков под воздействием сил гравитации. По данным опытных наливов (пресной воды и рассола) величина коэффициента фильтрации верхних частей солеотвалов достигает 90-100 м/сут [65,31,90,53]. Отмечается дифференциация фильтрационных свойств и пористости от поверхности к подошве отвала. Зона среднеуплотненных солеотходов имеет коэффициенты фильтрации Кф=0,5-0,005 м/сут, а сильноуплотненные солеотходы в основании солеотвалов представляют монолитный непроницаемый слой, обладающий Кф=0. Предполагают, что нулевые значения коэффициента фильтрации в подошвенной части солеотвала характерны не для всей его площади, а только для центральных частей отсыпаемых терриконов.

Опытными откачками, проведенными на солеотвалах 2РУ ПО "Беларуськалий", установлена дифференциация коэффициентов фильтрации на различных глубинах [86], которые меняются от 0,016 до 3,74 м/сут. При этом отмечено, что выдержанных по площади водоупорных слоев в массиве

солеотвала в различных ярусах встретить невозможно, а можно лишь предполагать наличие беспорядочно расположенных зон с различными фильтрационными свойствами и обводненностью по высоте и площади.

Проведенные в 1970-71 гг. обследования существующих солеотвалов на ПО "Беларуськалий" (БелНИГРИ) и ПО "Уралкалий" (ЛГУ), а позже и их разбуривание показали, что солеотвалы не являются сухими, как предполагалось ранее. Поступающая с солеотходами с обогатительных фабрик жидкая фаза при складировании быстро уходит в глубь массива, образуя там рассольный горизонт. Немногочисленные существующие наблюдения за гидрогеологическим строением солеотвалов свидетельствуют о наличии его в теле отвалов. Мощность и условия распространения пока остаются не до конца выясненными. Так, при проходке скважины на солеотвале Первого Березниковского калийного комбината в 1970 г. рассольный горизонт был зафиксирован на глубине 25 м, а при проходке 8 инженерно-геологических скважин на солеотвалах ПО "Беларуськалий" в 1974 г. рассольный горизонт встречался на глубинах от 0,5 до 10,7 м. Лишь одна скважина, пройденная в 20 м от края площадки расположения отвальных механизмов, оказалась сухой [86,53]. Наблюдения за уровнем рассольного горизонта на ПО "Беларуськалий" показали, что он в целом повторяет морфометрию поверхности отвалов.

В процессе бурения, а также последующего изучения образцов обращалось внимание на рассолосодержание солеотходов, изменяющееся, как было установлено, в широких пределах. Оно увеличивается с глубиной, но без определенной закономерности. Резкий скачок рассолосодержания наблюдается на отметке появления рассольного горизонта. При этом надо отметить, что степень рассолонасыщения, как правило, невысокая, и только ниже уровня встреченных рассолов она близка к единице [53].

Угол естественного откоса Складируемая соль, представляющая собой однородный, влажный и сыпучий материал, отсыпается на специально подготовленные площадки или

на тело уже сформированных отвалов конусами с углом откоса до 40-45° [45]. Вследствие отжатая жидкой фазы, уплотнения солеотходов от веса вышележащих масс, воздействия атмосферных осадков и других факторов откосы солеотвалов со временем выполаживаются. По результатам замеров на ПО "Уралкалий" [67,25] углы откосов солеотвалов, достигших высоты 50 м, составляют: на 1БКРУ в среднем 35°, 2БКРУ - 30-40°, ЗБКРУ - 32-38°. На старых солеотвалах отмечены более пологие откосы - 16-29°, что связано, главным образом, с растворением и выносом солей атмосферными осадками.

Механические свойства солеотходов Физико-механические свойства соляных пород, являющихся исходным материалом солеотходов, изучались многими исследователями. Результаты их работ проанализированы и обобщены в монографии Н.М. Проскурякова, P.C. Пермякова и А.К. Черникова [49]. В ней рассмотрены различные факторы, влияющие на физико-механические характеристики: форма и размер образцов, условия на контактах, скорость приложения давления, структуры и текстуры соляных пород и др. Изучение же солеотходов началось сравнительно недавно, поэтому здесь и в методике, и в накоплении фактического материала необходимо сделать еще многое.

Изучение прочности галитовых отходов в отвалах было начато в связи с исследованием возможности их рационального размещения.

В самом начале отсыпки в отвал солеотходы представляют сыпучую среду, прочность которой обусловлена только силами трения. Вследствие уплотнения под действием давления от собственного веса и перекристаллизации солей из отжимаемых рассолов возникают силы сцепления. Вначале они проявляются в приповерхностной зоне отвала (при высыхании), а через 1-1,5 месяца происходит упрочнение всего массива [45,31]. По другим данным [92,93] максимальное время слеживания солеотходов в отвале определяется 1,5-2 месяцами.

Прочностные характеристики слежавшихся солеотходов определялись в

сдвиговых приборах и в стабилометре [45,23,28]. Деформационные кривые (рис. 1.2) при значениях нормальной нагрузки <т=0,2-0,8 МПа указывают на хрупкий характер разрушения с двумя значениями сопротивления сдвигу: максимальным и остаточным. Остаточная прочность обусловлена силами внутреннего трения. Для изучаемого материала характерны высокие значения угла внутреннего трения ф=40-45°. Сцепление солеотходов изменяется в довольно широких пределах (0,01-1,0 МПа), зависит от уплотнения и рассолосодержания, что является отличительной чертой этого вида "грунта". Закономерности формирования и изменения сцепления сложные и многофакторные. Поскольку сцепление является следствием структурных связей, его трудно увязать с плотностью или только с количеством жидкой фазы.

О

ст=0,8 МПа <*=0,6 МПа

<т=0,4 МПа ----ст=0,2 МПа

■ 'I ' I 1 ■! ' 1 I '.а*1

2 4 6 8 10 дСмм

Рис. 1.2. Характерные

деформационные кривые сдвига солеотходов при различных значениях нормального напряжения.

Деформационные характеристики солеотходов для целей строительства на них определялись в 1970 г. Ленинградским государственным университетом и в 1972 г. институтом ДорНИИ. ЛГУ по компрессионным испытаниям уральских свежих солеотходов определен коэффициент сжимаемости в интервале давлений 0-0,2 МПа, который составляет в среднем 0,0026 1/МПа (по

двум определениям), что по существующей классификации соответствует среднесжимаемым грунтам. Институтом ДорНИИ находился предел прочности на сжатие по схеме вдавливания штампа диаметром 40 мм в грунтовое полупространство, которое имитировала форма диаметром 225 мм и высотой 100 мм, заполненная свежеотсыпанными солеотходами определенной плотности. Во время вдавливания штампа фиксировалась величина давления, полная и упругая осадка штампа. На графике зависимости упругой осадки штампа от величины давления находилась точка перелома кривой, соответствующая пределу прочности солеотходов на сжатие, который не превышал 0,2 МПа [68].

На основе оценки и обобщения современных способов утилизации галитовых отходов и изученности их физико-механических свойств сформулирована цель исследований, заключающаяся в инженерно-геологическом обосновании мероприятий для снижения негативного воздействия солеотходов на геологическую среду.

Для достижения поставленной цели необходимо провести следующие исследования:

- условий формирования физико-механических свойств техногенных соляных пород;

- закономерностей пространственного и временного изменения состояния и свойств пород в массиве солеотвала;

- особенностей механизма и динамики оползневого процесса на откосах солеотвалов;

- для обоснования сокращения землеемкости солеотвалов и способов их рекультивации;

- для разработки рекомендаций по организации и функционированию локального инженерно-геологического мониторинга.

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА СТРОЕНИЯ, СОСТАВА И СВОЙСТВ ПОРОД ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЛАСТОВ КАЛИЙНЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Как отмечалось в главе 1, наиболее значимыми на территории СНГ месторождениями калийных солей являются Верхнекамское (Пермская обл., Россия) и Старобинское (Республика Беларусь), поэтому основные положения данной главы базируются на анализе свойств соляных пород вышеназванных месторождений.

2.1. Строение и состав промышленных пластов калийных

месторождений

Соляные отложения Верхнекамского месторождения мощностью около

л

1000 м развиты на площади 6500 км , а залежь калийных солей занимает пло-

л

щадь 3600 км . Разведанные запасы полезного компонента превышают 21 млрд.т (промышленные запасы- около 4,2 млрд.т) [58]. Месторождение сложено: глинисто-известняковыми отложениями филипповского горизонта Р^ (рЫ1); глинисто-ангидритовыми отложениями иреньского горизонта Р^ (щ); каменно-соляными подстилающими, сильвинитовыми, карналлито-сильвинито-выми, карбонатно-гипсоглинистыми, каменносоляными покровными, соляно-мергелистыми отложениями позднекунгурского яруса нижней перми; терриген-но-карбонатными и пестроцветными отложениями уфимского яруса верхней перми; четвертичными отложениями. Глубина залегания кровли карналлито-си-львинитовых отложений, представленных девятью пластами, изменяется в пределах 75-450 м [58]. Мощность отложений 60-80 м.

В толще сильвинитовых отложений мощностью 15-25 м выделяют 3-10-метровые рабочие пласты, в которых содержание КС1 колеблется от 5,8 до 60%. Среднее содержание нерастворимого остатка в пластах составляет около 2%, достигая 6-8%. В кровле пластов обычно располагаются слои каменной соли с прослоями соляных глин (галопелитов) мощностью 100-300 м.

Месторождение характеризуется сложными гидрогеологическими и ин-

женерно-геологическими условиями. Трещиноватость и невыдержанность глинистых прослойков в породах уфимского яруса обусловливает наличие единого горизонта подземных вод, водоупором для которого являются породы переходной толщи. К непроницаемым на некоторых площадях могут быть отнесены и соляно-мергелистые отложения.

Старобинское месторождение расположено в районе г. Солигорска (Ре-

л

спублика Беларусь) и занимает площадь около 350 км . В геологическом отношении особенностью строения Старобинского месторождения калийных солей является следующее. На изверженных и метаморфических породах кристаллического фундамента, представленных гранитами и гнейсами, залегает мощная (до 2000 м) толща песчаников верхнего протерозоя, глинисто-карбонатных и соляных пород среднего и верхнего девона, кварцево-глауконитовых и меловых отложений позднемелового возраста. Верхнемеловые породы повсеместно перекрыты палеогеновыми и неогеновыми песчаными и глинистыми отложениями. Рыхлая песчано-глинистая четвертичная толща, покрывающая все месторождение слоем мощностью 70-80 м, сложена чередующимися межморенными песчаными флювиогляциальными породами с моренными супесчаными и суглинистыми отложениями березинского, днепровского и московского оледенений. Соленосные породы солигорской толщи данково-лебединской свиты фа-менского яруса верхнего девона подстилаются доломитово-ангидритовыми отложениями мощностью 180-200 м (слуцкая толща) и перекрыты надсолевыми глинисто-мергелистыми породами (давыдовская толща).

В разрезе соленосной толщи преобладает каменная соль, переслаивающаяся с карбонатно-глинистыми пачками. Калийная соль залегает в виде прослоев и вкраплений в толще каменной соли, в которой выделено четыре выдержанных калийных горизонта. Кровля соленосной толщи залегает на глубине 300600 м, а ее мощность в центре месторождения составляет 550-880 м, выклиниваясь до нуля на периферии.

Содержание в калийных горизонтах KCl колеблется от 15-20% (четвер-

тый горизонт) до 27-32% (второй горизонт), а нерастворимого остатка - от 3-8% до 19-21%.

Соленосные отложения повсеместно перекрывает водонепроницаемая надсолевая глинисто-мергелистая толща мощностью 250 и более метров, обеспечивающая сухой контакт с соляными отложениями. Обводненность покрывающих пород Старобинского месторождения распространяется до глубины 70-100 м. Водоносные горизонты развиты в четвертичных, третичных и верхнемеловых отложениях, отделенных от соляной толщи глинами и мергелями.

Выбор системы разработки и ее параметров на калийных месторождениях предопределяется рядом особенностей калийных руд и вмещающих соляных пород [61]. Наряду с легкой растворимостью калийных солей и связанной с ней опасностью проникновения воды и рассолов в рудник, сложной гипсометрией залегания пластов, создающей трудности в разработке месторождений, а также значительной вязкостью и устойчивостью как продуктивных, так и вмещающих соляных пород, позволяющих обнажать кровлю на больших площадях и проводить и поддерживать без крепления очистные и подготовительные выработки шириной до 16 м, месторождения калийных солей характеризуются относительно низким содержанием в них полезного компонента и, как следствие, большим объемом отходов при их переработке и получении конечного продукта -удобрений.

2.2. Физико-механические свойства соляных пород

Возникновение проблемы устойчивости солеотвалов и безопасного складирования обусловило необходимость изучения физико-механических свойств солеотходов, преобладающим компонентом в составе которых является галит (каменная соль). Поэтому наибольшее внимание в данном разделе уделено свойствам именно этого минерала и породам, в состав которых он входит.

Физические свойства

Каменная соль характеризуется кристаллически-зернистой структурой,

причем наибольшее распространение имеет среднекристаллическая (размер зерен 3-5 мм) и крупнокристаллическая (размер зерен до 1 см) структура. Зерна, как правило, деформированы и имеют разнообразную форму. Иногда они вытянуты в каком-либо одном направлении вследствие одноосного сжимающего воздействия на соль вышележащих толщ горных пород и пластической ее деформации, что не характерно для современных отложений озерных солей.

Калийные породы встречаются совместно с каменной солью, так как генетически связаны с ней и являются конечными в цепи морского галогенеза.

во v*

отличие от каменной соли состав калииных соляных пород является полиминеральным. В них всегда присутствуют, нередко в большом количестве, галит, а также другие соляные минералы. Структуры их кристаллически-зернистые, а размеры зерен и их форма обычно разнообразны.

Плотность минеральной части каменной соли и ее плотность практически

л

равны и колеблются в пределах 2,1-2,2 г/см . Озерные же современные галито-вые породы обычно имеют более низкую плотность, иногда менее 2,0 г/см3, что объясняется недоуплотненностью породы, а также увеличением пор за счет выщелачивания [46].

Ископаемая каменная соль обычно не имеет пор, пустот и открытых трещин. Поры, возникавшие между кристаллами в период седиментации, закрываются при диагенезе в результате пластической деформации кристаллов. Пористость современных галитовых отложений может быть значительной и достигать 10-20% и более. Такая пористость связана с наличием различных по форме и размерам пустот между беспорядочно ориентированными друг к другу соседними кристаллами галита, а также между отдельными группами кристаллов.

Монолитная каменная соль обычно не содержит влаги или содержит ее в ничтожно малых количествах. Частицы воды могут быть заключены в микроскопических ячейках как внутри кристаллов галита, так и между кристаллами и являются частицами маточной рапы, захваченной кристаллами в период их роста или породой в период ее уплотнения.

Каменная соль обладает высокой гигроскопичностью, которая проявляется в способности при определенных условиях поглощать своей поверхностью (адсорбировать) влагу из воздуха.

На поверхность кристалла галита из влажной атмосферы всегда попадает то или иное количество молекул водяного пара и удерживается молекулярными силами сцепления. Одновременно наблюдается и обратный процесс: молекулы пара, ранее осевшие на поверхность кристалла, преодолевают силы сцепления, отрываются от его поверхности в окружающий воздух. В зависимости от увеличения или уменьшения количества влаги в атмосфере наблюдается высыхание или увлажнение соли.

При увеличении относительной влажности воздуха до 74-75% на поверхности частиц галита возникает пленочная рыхло связанная вода. Она растворяет №С1 и превращается в пленку насыщенного рассола. Указанная величина относительной влажности воздуха для №С1 является порогом гигроскопичности. Толщина пленки, удерживающейся на поверхности кристалла силами сцепления, превышающими силу тяжести, по-видимому, различна на разных участках, так как поверхность кристалла имеет микронеровности и энергетически неравноценна.

После возникновения пленки насыщенного рассола к ее поверхности начинает интенсивно поступать влага из воздуха. Это обусловливается тем, что насыщенные растворы солей, легко растворяющихся в воде, обладают в тончайшем слое на поверхности рассола значительно меньшей упругостью пара, чем в пограничной с этим слоем атмосфере. При относительной влажности атмосферы, равной 75%, в рассматриваемом слое воздух становится насыщенным водяным паром, так как насыщение достигается здесь при меньшей упругости. Это вызывает постоянное пополнение пограничного слоя молекулами пара из воздуха, в связи с чем оказывается избыток водяного пара, который конденсируется на поверхности галита. Поверхность соляной породы становится мокрой. Конденсация пара обусловливает появление на соляных кристаллах слоя

гравитационной воды, которая растворяет соль и стекает в виде насыщенного рассола.

Следует отметить, что при наличии конденсационной влаги на выступающих микронеровностях кристаллов каменной соли происходит активное их растворение, сопровождающееся сглаживанием неровностей вследствие большей удельной поверхности соприкосновения с влажной атмосферой.

Проведенные лабораторные исследования [33] показали, что при температуре 17-19° С и относительной влажности воздуха 92-95% на поверхности каменной соли или насыщенных рассолов конденсируется за одни сутки слой воды толщиной 0,249 мм. При сохранении подобной тенденции в течение года слой конденсационной влаги на единицу поверхности каменной соли составит более 91 мм. Количественное определение конденсационных рассолов в галито-вых отходах проводилось в лаборатории БелНИГРИ [73] с использованием прибора-гигростата ПО-34, в котором задавался различный режим влажности и температуры воздуха. В результате проведенных экспериментов были установлены два порога гигроскопичности галитовых отходов: влажностной и температурный. Уменьшение относительной влажнрсти воздуха при постоянной температуре вызывает замедление конденсации, а ниже влажностного порога гигроскопичности конденсация не только прекращается, но и происходит отдача влаги солеотходами. Известно, что для монолитной каменной соли порог гигроскопичности соответствует величине 74-75%, когда на поверхности частиц га-лита возникает пленочная рыхло связанная вода, растворяющая ШС1 и превращающаяся в пленку насыщенного рассола [33]. При температуре воздуха ниже +2-3° С (температурный порог) процесс конденсации тоже прекращается. Для условий лабораторных опытов, при которых пористость образцов галитовых отходов составляет около 30%, за сутки слой конденсационной влаги составил 0,33 мм.

Полиминеральный состав калийных соляных пород обуславливает меньшую растворимость каждой из присутствующих в породе соли, чем при их раз-

дельном растворении. Закономерность этого процесса заключается в том, что растворимость соли падает при наличии в исследуемой соли других солей, содержащих общий ион с первой. Так, растворимость KCl, в отличие от NaCl, при увеличении температуры значительно возрастает, оставаясь, однако, несколько ниже растворимости NaCl в пределах температур, при которых обычно происходит полное разрушение структуры породы.

Понижение точки замерзания раствора находится в зависимости от содержания в нем хлористого натрия. При температуре минус 21,2°С, являющейся для рассматриваемого раствора эвтектической, он замерзает полностью, превращаясь в криогалит, состоящий из смеси кристаллов льда и гидрогалита.

Образование гидрогалита (NaCl 2Н20, плотность минеральной части

л

р=1,54 г/см [57,37]) происходит лишь при низких температурах; минерал является сезонным образованием, очень трудно сохраняется. Целые кристаллы гидрогалита образуются только при медленной кристаллизации, причем в кристаллическом состоянии существует только при температурах от + 0,15° С до -21,2 ° С. При положительной температуре, переходя в галит и воду, он растворяется в своей кристаллизационной воде.

Механические свойства Общеизвестно, что между прочностью соляных пород как поликристаллических структур и прочностью слагающих их монокристаллов имеется большое различие. Прочность отдельных кристаллов соли представляет интерес с точки зрения оценки прочности непосредственно соляных пород, встречающихся при отработке калийных и каменносоляных месторождений. Разрушение поликристаллических соляных пород происходит в местах наименьшей прочности кристаллов и на их контактах.

Большое влияние на механические характеристики кристаллов соляных пород оказывают их структура, минералогический состав и генезис, при этом прочность определяется силами связи, действующими между отдельными структурными элементами кристалла. Так, для идеальных кристаллов галита

расчетная прочность на разрыв составляет 2000 МПа, для сильвина она несколько меньше («1500 МПа). Практически получить такое значение прочности кристаллов соляных пород на разрыв невозможно, так как в реальных кристаллах всегда имеются дефекты в строении кристаллической решетки, нарушение структуры самих кристаллов (трещиноватость, включение газовых и жидких скоплений), что отрицательно влияет на их механические свойства. По экспериментальным данным прочность на разрыв кристаллов каменной соли в среднем равна 4,4 МПа, что примерно в 500 раз меньше вычисленного максимума сил сцепления. Учитывая наличие примесей, анизотропию, несовершенство лабораторных испытаний, а также различие в генезисе и составе кристаллов каменной соли разброс значений стр увеличивается от 1,5 до 17,2 МПа.

Из внешних факторов наибольшее влияние на механические свойства кристаллов каменной соли оказывает влажность среды, в которой проводятся испытания, скорость приложения нагрузки, масштабный фактор и др. Влияние увлажнения кристаллов каменной соли незначительно влияет на предел текучести, но вызывает увеличение предела прочности при растяжении в несколько раз. Модуль упругости кристаллов каменной соли при увлажнении уменьшается незначительно. Повышение скорости нагружения при испытаниях кристаллов увеличивает их способность к хрупкому разрушению. Существенное влияние на механические свойства кристаллов оказывает масштабный фактор; тонкие кристаллы обладают резко повышенной прочностью при растяжении и сжатии по сравнению с крупными кристаллами. Значение прочности кристаллов каменной соли при растяжении возрастает с 5 до 70 МПа при уменьшении сечения с 20 до 0,3 мм2 [49].

Представляет интерес установленное для кристаллов каменной соли явление "уплотнения", или упрочнения под нагрузкой, которое заключается в следующем: воздействие нагрузки на кристалл (в рамках предела текучести) вызывает его упрочнение, не исчезающее после снятия нагрузки. Повторное испытание кристалла в первоначальном направлении показывает увеличение его проч-

ностных характеристик. Вследствие этого предел текучести кристаллов каменной соли повышается на 56-315% (4,5-20,5 МПа), а предел прочности при растяжении увеличивается с 16,6 до 28,6 МПа.

Соляные породы месторождений ископаемых солей представлены обычно смесью отдельных минералов с разным процентным отношением. В силу того, что минералы (галит, сильвинит, карналлит, ангидрит и глинистые породы), составляющие соляные породы, обладают различной прочностью, очевидно, что прочность образцов соляных пород будет зависеть от содержания отдельных минералов в них.

Прочность соляных пород при одноосном сжатии является одной из функцией сцепления между отдельными зернами. Зная структуру и состав соляных пород, можно найти качественные и количественные зависимости их прочности от содержания составляющих минералов. Галит и сильвинит из-за сходства структуры и характера разрушения имеют небольшое различие прочности при одноосном сжатии, а карналлит и ангидрит, соответственно, - самые низкие и высокие значения этого показателя по сравнению с другими соляными породами. В калийных пластах Старобинского месторождения увеличение содержания в соляных породах КС1 от 10 до 55% вызывает снижение сопротивления сжатию от 35 до 28,5 МПа, а увеличение содержания ШС1 от 40 до 80% влечет за собой увеличение асж от 27,5 до 38 МПа. Испытаниями образцов монолитной каменной соли Солотвинского, Артемовского и Верхнекамского месторождений получены значения стсж от 17 до 37 МПа, а также угла внутреннего трения ф=32-33° и сцепления С=7,4 МПа. По данным [58] для каменной соли с=3,5-И0,8 МПа, для сильвинита с=5ч-9,1 МПа, для карналлитовых пород с=4*7 МПа. Угол внутреннего трения для каменной соли, сильвинита и карналлитовых пород равен соответственно 25-39, 27-34, 29-34°. В то же время для озерной каменной соли (оз.Баскунчак) воздушно-сухого состояния асж= =15,4 МПа, а естественной влажности асж -13,9 МПа. При этом <р=13-27°, С=1,8 МПа [46].

В качестве примесей в каменной соли Старобинского месторождения присутствуют глинистое вещество, ангидрит, карбонатные минералы, располагающиеся обычно в промежутках между зернами галита, образуя так называемые петельчатые структуры. Так как глинистое вещество, присутствующее в каменной соли и сильвините, обладает большой гигроскопичностью, это оказывает существенное влияние на прочность соляных пород. Значительное содержание глины в соляных породах Старобинского месторождения вызывает существенное изменение их прочностных и деформационных характеристик, снижение прочности на сжатие.

Кроме минералогического состава важными факторами, определяющими прочность пород при сжатии, являются величина, форма, взаимосвязь и строение отдельных зерен составляющих породу минералов.

Известно, что для получения представительных результатов величины предела прочности при одноосном сжатии в образце должно быть не менее-1000 зерен, при этом отношение диаметра образца (1 к среднему размеру зерен 5 должно составлять от 10 до 30 [49]. Для каждой соляной породы эта величина различна, так как влияние размеров зерен на прочность зависит в большей степени не от их формы, а от связи между зернами.

Величина зерен влияет на прочность соляных пород по двум причинам: а) с увеличением размеров кристалла его прочность снижается; б) с ростом размеров кристаллов существенную роль начинает играть спайность.

Оценка влияния скорости приложения нагрузки на снижение прочности соляных пород при сжатии проводилась различными авторами. По данным [49] установлено, что при увеличении скорости приложения нагрузки возрастает склонность соляных пород к хрупкому разрушению, а при уменьшении - значительно возрастают пластические деформации. При длительных испытаниях образцов каменной соли (поперечное сечение 10x10 см) и нагрузке, равной 88% от разрушающей (60 МПа), уже через 30 дней кривая ползучести входит в 4-ю стадию (прогрессирующую ползучесть) и разрушение происходит через

86 дней. Исследования других авторов [59] каменной соли при разных скоростях нагружения - от 0,35 до 2,8 МПа/сут показали, что при большем значении скорости образцы разрушались через 9 суток, а при меньшем значении - на 73-и сутки. При малых скоростях нагружения образцы каменной соли проявляют большие деформации ползучести без разрушения в течение длительного промежутка времени. Предел длительной прочности при испытаниях образцов равнялся 0,6 сгсж.

При постоянной скорости нагружения (0,7 МПа/сут) образцов каменной соли цилиндрической формы (с1=60мм, Ь-90-150 мм) установлено, что при нагрузке более 60% от разрушающей (стсж =28МПа) развиваются деформации прогрессирующей ползучести, вызывающие разрушение образца. Максимальная (разрушающая) продольная деформация при нагрузках более 0,6 асж составляла 6-8%.

Наблюдения в природе, а также экспериментальные исследования показывают, что одной из характерных отличительных черт соляных пород от других геологических тел является их относительно легкая податливость к пластическим деформациям. Именно с этим связаны монолитность сложения претерпевших сжатие древних соляных пород и способность их при определенных термодинамических условиях к медленному течению, без образования разрывов, разломов, трещин.

Большинство исследователей считает, что переход каменной соли от хрупкого к пластическому состоянию происходит при давлениях около 15 МПа. Такое давление соответствует глубине залегания пластов каменной соли около 600-700 м. При меньших значениях давления пластические свойства соли в естественных условиях проявляются слабо. Например, в соляных шахтах Артемовска, Солотвино и др. на глубинах около 300 м в течение многих десятилетий практически не отмечается пластических деформаций соли.

Следует отметить, что при определенных условиях возможна пластическая деформация галита при незначительных усилиях в лабораторных услови-

ях. Здесь речь идет о тонких пластинках галита, вырезанных из крупных его кристаллов. Такие пластинки при погружении в теплую воду можно изогнуть или свернуть в виде цилиндрика легким нажатием пальцев. Это явление, по А. Ф.Иоффе, объясняется растворением тонкого поверхностного слоя соли и залечиванием микротрещин, способствующих началу разлома пластинки, если ее сгибать в сухом виде. В связи с этим, а также судя по геологическим разрезам соленосных районов, где пласты ископаемой монолитной соли не могли залегать на глубинах в несколько сотен метров, есть основания полагать, что наличие межкристальной рапы в отложениях солеродных бассейнов в начальную стадию диагенеза облегчает пластическую деформацию кристаллов. Она начинает возникать при давлениях, значительно меньших, чем это имеет место на глубинах 600-700 м. Меньшее усилие, требующееся на сжатие пропитанного ралой пористого пласта, состоящего из соляных минералов, по-видимому, связано с тем, что рапа, содержащаяся в микротрещинах, снижает сопротивление кристаллов пластической деформации. Имеет значение и "смазка" рассолами контактов между кристаллами.

Кроме того, давление вышележащих слоев распределяется в пористом соляном массиве неравномерно. Наибольшие напряжения испытывают точки соприкосновения беспорядочно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов галита. Исходя из законов механики, можно заключить, что чем меньше относительная площадь этих точек, тем легче, при прочих равных условиях, достигается в зонах контактов запредельное напряженное состояние.

Пластическое же течение массы соляного тела возможно лишь после превращения его в практически монолитную горную породу. Для такого течения требуется больший градиент давления, чем для сдавливания кристаллов в пористой среде.

Исследование прочности при одноосном сжатии для увлажненных пород проводилось различными авторами [51]. Образцы каменной соли выдерживались в течение 20-45 суток в насыщенном соляном растворе, после этого насухо

вытирались и испытывались. Насыщение образцов влагой происходило практически через 6-10 суток; при этом весовая влажность составляла в среднем 3,03,5%. Испытания проводились на цилиндрических образцах диаметром 60 и высотой 90 мм, скорость нагружения составляла 0,5-1,0 МПа/с. Сопоставление результатов исследований показало, что прочность образцов каменной соли на сжатие при их увлажнении снижается с 28,6 до 18,2 МПа (в среднем на 40%).

По результатам исследований образцов сильвинита и каинитовой породы на участке гидрозакладки Калушского месторождения было установлено, что глубина увлажнения пород в целиках Калушского рудника со стороны гидрозакладки составляет 2,4-3,3 м, в среднем 2,7 м (глубина увлажнения руды и пород жидкой фазой закладочного материала на Стебниковском месторождении калийных солей [54] составляет 0,7-0,8 м), при этом влажность соляных пород в этой зоне изменяется от 0,5 до 10,5%. Результаты испытания первой серии образцов из рудника показали, что с увеличением влажности пород среднее значение их предела прочности на сжатие снижается: у сильвинита с 32 до 20 МПа при повышении влажности от 0,5 до 3,2%, у каинитовой породы с 35 до 27 МПа при росте влажности от 1 до 2,5 %.

Вторая партия образцов сильвинита, соленосной глины и каинитовой породы испытывалась при их искусственном увлажнении. Для испытаний использовались образцы цилиндрической формы диаметром 90 мм (при Ш = 1). В результате установлено, что среднее значение предела прочности соляных пород на сжатие снижается (в МПа): для сильвинита с 31 до 14, для каинитовой породы с 40 до 7,4, для соленосной глины с 34 до 4 при повышении влажности от 1 до 4; 5 и 9% соответственно.

На характер кривых ползучести существенное влияние оказывает окружающая среда в том случае, когда поверхность образца не покрыта защитным слоем.

В работе [59] приведены сопоставительные исследования ползучести образцов сильвинита, изолированных от внешней среды парафино-клеевым покрытием и

41 * ' *

неизолированных. Неизолированные образцы сильвинита, находящиеся длительное время (несколько месяцев) под нагрузкой при комнатной температуре (16-20° С), меняли свою влажность в силу гигроскопических свойств сильвинита. Различная влажность испытываемых образцов (при прочих равных условиях) привела к тому, что образцы имели явно различный характер деформации: при одинаковых условиях нагрузки у неизолированных образцов была значительно большая скорость деформаций ползучести. По мнению А.Н.Ставрогина, атмосферная влага, проникая в тело образца сильвинита, ослабляет межатомные связи, в результате чего процесс ползучести протекает более интенсивно. Проведенное длительное нагружение образцов сильвинита Верхнекамского месторождения нагрузкой, составляющей 50% от асж = 29,1 МПа, продолжавшееся около 800 суток показало, что интервалы высокой скорости ползучести (15-кратное увеличение скорости) падают на летний период года от июня до сентября-начала октября (рис.2.1). Объемная же деформация расширения идентичного образца при напряжении, составляющем 30% от стсж=29,1 МПа, имеет малую величину. Такое различие в поведении сильвинита объясняется отсутствием влияния влажности на слабо разрыхляющиеся образцы. В первом случае объемные деформации были велики, велики были образованные в процессе деформирования трещины, и велико было их число, что позволяло атмосфере с высоким содержанием влаги легко проникать внутрь материала образца, и, являясь веществом поверхностно активным в отношении солевых пород, влага облегчала процесс ползучести. Во втором случае проникновение влаги внутрь образца было затруднено, и поэтому он вел себя как образец, изолированный от внешней среды.

Влияние увлажнения на процесс ускорения ползучести подтвердили опыты, заключающиеся в подпитке изолированных образцов, которые быстро освобождались от покрытия, влагой с ватных тампонов. В результате было установлено резкое возрастание скорости ползучести. При этом, образцы, нагруженные на 75% от Стсж, показали возрастание скорости на 2 порядка, а на

а)

б)

100

80

60

40

20

■ е> 1 ¡70%/

*м,70%

25 50

75

100 125 150 175

месяцы

Рис.2.1. Кривые ползучести неизолированных защитным покрытием образцов сильвинита Верхнекамского месторождения под нагрузкой, составляющей 70% (а) и 50 и 30% (б) от асж=29,1 МПа [59].

81Р, 81Р, 9Р - продольные, поперечные и объемные деформации.

один порядок при нагрузке 40% от асж.

Образцы сильвинита, покрытые изолирующим защитным слоем, испыты-вались нагрузками 8-50% от разрушающей сгсж = 29,1 МПа (рис. 2.2). Разрушение было достигнуто во всех случаях. При 30%-ной нагрузке опыты были прекращены по истечении 242 суток без разрушения образцов.

Сравнение характера деформирования увлажненных образцов с аналогичными испытаниями сухих образцов позволили установить следующее:

1) прочность увлажненных образцов каменной соли снижается приблизительно в 2 раза и составляет около 8 МПа («0,35 сгсж);

2) скорость деформации ползучести возрастает в 3-4 раза;

3) величина относительной продольной деформации по сравнению с сухими образцами возрастает в 1,5-2 раза.

Таким образом, основными факторами, определяющими физико-механические свойства соляных пород и слагающих их минералов, являются текстура, структура, состав и генезис пород, влажность среды, температура, скорость приложения нагрузки и масштабный фактор.

81Р,81Р,0РЖ

х 10"3

а) »о 60 40 20

1........... / вД8< 5%

/ е2р,85 %

01р ,70%

еД85 о/0 е2р,70% „ Р ТЛО/.

■ч>1

40 20

0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Х9 Ч

вДбОУо

е2р,60%

"Б1Р,60%

10

15

20

01Р,ЗО% 200 СуТ

25 ^ СуТ

Рис.2.2. Кривые ползучести изолированных образцов сильвинита Верхнекамского месторождения при нагрузках:

а) - 85 и 70% от предела прочности на сжатие

с?сж - 29,1 МПа;

б) - 60% от сгсж;

в) - 50 и 30% от осж.

Заключение диссертации по теме «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение», Николаева, Татьяна Николаевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные в работе результаты позволяют сформулировать следующие основные выводы.

1. Отходы обогащения калийных руд — солеотходы, представленные более чем на 90% из галита, являются исходным материалом для формирования новых техногенных образований. Попадая рыхлыми в отвал, они со временем упрочняются и превращаются в монолитную техногенную породу со специфическими свойствами. Этот процесс объясняется возникновением кристаллизационных связей между отдельными зернами соли, о чем свидетельствуют выполненные электронно-микроскопические исследования.

2. В теле солеотвала выделяется 3 зоны: свежеотсыпанная, слабоупрочненная и упрочненная. Для слагающих зоны пород получены показатели физико-механических свойств, которые могут быть использованы на предварительных стадиях исследований и в отдельных проектных решениях.

3. Установлено, что величины предела прочности при одноосном сжатии и сцепления пород в искусственно сформированных солеотвалах на порядок ниже аналогичных показателей для поликристаллических соляных пород.

4. Отмечаемое экспериментально растрескивание образцов техногенных соляных пород под действием отрицательных температур, по-видимому, вызвано увеличением их объема при образовании гидрогалита. Ослабление сил связи на контактах между зернами приводит к формированию межкристальных микротрещин и возникновению расклинивающего эффекта в тонких слоях под действием проникающей воды (рассола), что способствует дальнейшему разрушению.

5. Оползневой процесс, сопровождаясь хрупким разрушением структурных связей в солевой смеси, характеризуется незначительным перемещением оползня с образованием нового, более устойчивого контакта соль — грунт, что приводит к нарушению сплошности экрана.

6. Уменьшение водной и ветровой эрозии солеотходов достигается при формировании высотного солеотвала с засыпкой тыловой грани, что приводит к уменьшению его землеемкости, и рекультивации солеотвала, включающей консервацию поверхности и озеленение. Установлено, что рекультивационные работы можно начинать через два года после завершения отсыпки.

7. Для оценки состояния геологической среды на калийных предприятиях на всех стадиях существования солеотвала необходима организация надежно функционирующего инженерно-геологического мониторинга.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на:

- изучение физико-механических свойств пород нового геологического техногенного образования - солеотвала;

- уточнение расчетных моделей по оценке устойчивости высотных солеотвалов;

- выявление закономерностей возникновения и развития техногенных процессов при сооружении солеотвалов; разработку новых, более эффективных, конструкций противофильтрационной защиты в основании солеотвалов;

- разработку мер противоэрозионной защиты рекультивационного слоя;

- расширение сферы использования солеотходов в народном хозяйстве;

- разработку способов, полностью исключающих складирование солеотходов на дневной поверхности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Николаева, Татьяна Николаевна, 1998 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бархатов А.Ф., Алексеенко Е.Я. Устойчивость солеотвалов в связи с проблемой уменьшения засоления геологической среды/Юхрана геологической среды на калийных месторождениях. Л.: 1985. С.88-98. (Научн.тр. ВНИИГ)

2. Бархатов А.Ф., Богданов E.H. Испытания грунтов методом кольцевого разрыва// Вестник ЛГУ. Л.: 1972. № 6. С.152-154.

3. Бархатов А.Ф., Богданов E.H. Определение характеристик прочностных свойств грунтов методами кольцевого разрыва и совмещенных испыта-

ний//Вестник ЛГУ. Л.: 1969. №18. С.178-181.

4. Бархатов А.Ф., Николаева Т.Н. Сопротивляемость твердых солеотхо-дов под нагрузкой во времени// Экологические проблемы районов деятельности калийных предприятий. Л.: 1989. С.126-132. (Сб.трудов ВНИИГ).

5. Бархатов А.Ф., Николаева Т.Н. Определение углов откоса солеотвала фотоспособом//Научн.-техн. реферат. сборник/М.: НИИТЭХИМ. 1982. Вып.З. С.4-6. (Серия: Калийная пром-ть).

6. Белов В Н., Соколов A.B. Добыча и переработка калийных солей. Л.:Химия.1971. 320 с.

7. Бархатов А.Ф., Николаева Т.Н. Формирование солеотвала оптимальной конфигурации// Тезисы докл. науч.-техн. конфер. Минск: 1982. С.22.

8. Богомолов Г.В., РотькинС.М., Козлов М.Ф. Пути решения проблемы охраны подземных и поверхностных вод от засоления отходами калийных предприятий/Юхрана окружающей среды калийных производств. Минск: Наука и техника. 1979. С.25-29.

9. Большаков С.М. Оползни районов строительства новых железных дорог в Восточной Сибири//Материалы совещания по вопросам изучения оползней и мер борьбы с ними/Киевский ун-т. Киев: 1964. С. 287-291.

10.Влияние солеотвалов калийных комбинатов на подземные и поверхностные воды/А.И.Дзенс-Литовский, Э.В. Лехтимяки, С.М. Ротькин и др.//Гидро-геология соляных месторождений и вопросы подземного выщелачивания соляных залежей. Л.:Недра. 1967. С.18-36.

11 .Вострецов С.П. Обеспечение безопасности высотных солеотвалов в условиях Урала//Разработка калийных месторождений. Пермь: 1989. С. 174181. (Межвуз.сб.научн.трудов).

12.Вострецов С.П. Опыт создания противофильтрационной защиты основания солеотвала БКРУ-2// Экологические проблемы районов деятельности калийных предприятий. Л.: 1989. С.89-98. (Тр.ВНИИГ.)

13.Вострецов С.П. Фильтрационный расчет солеотвала//Экологические

проблемы районов деятельности калийных предприятий. JI.:1989. С.54-68. (Тр.ВНИИГ).

14.Головин Н.М. Инженерно-геологические условия размещения отходов калийного производства и охраны геологической среды (на примере Старо-бинского и Верхнекамского месторождений). Автореферат на соиск. уч. степ, канд. геол.-минер.наук. Л.: 1980. 21 с.

15.Головин Н.М. Условия выветривания на поверхности солеотвалов Солигорских калийных рудников/ЛГрунтоведение и инженерная геология. Л.: 1976. Вып. 1. С.62-65.

16.ГОСТ 21153.2-84. Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии. М.: 1984. 10 с.

17.Гулакян К.А., КюнтцельВ.В. Классификация оползней по механизму их развития.//Тр.ВСЕГИНГЕО. М.: 1970. Вып 23. С.109-126.

18.Дашко Р.Э. Инженерно-геологические аспекты охраны геологической среды при эксплуатации шламохранилищ обогатительных фабрик калийного производства//Рациональное использование геологической среды и ее охрана от отрицательного воздействия горнодобывающих предприятий. Л.: 1986. Т.109. С.31-39. (Записки ЛГИ).

19.Дашко Р.Э., КрысовО.Ю. Теоретическое и практическое обоснование рациональных мероприятий по борьбе с утечками рассолов из шламохранилищ калийного производства//Фильтрационные и миграционные процессы в массиве горных пород. Л.: 1985. С. 124-129.

20.Емельянова Е.П. Основные закономерности оползневых процессов. М.: Недра. 1972. 310 с.

21.Епишин В.К., Трофимов В.Т. Литомониторинг - система контроля и управления геологической средой//Теоретические основы инженерной геологии. Социально-экономические аспекты/Под ред. Акад. Е.М.Сергеева. М.:Недра.1985.289 с.

22,Золотарев Г.С. Генетические типы оползней, их развитие и изучение.

//Материалы совещания по вопросам изучения оползней и мер борьбы с ними/Киевский ун-т. Киев: 1964. С. 165-170.

23 .Иванов И.П. Инженерно-геологические исследования в горном деле. Л.: Недра. 1987. 253 с.

24.Иванов И.П. Оползневые деформации на солеотвалах калийных рудников/Ярунтоведение и инженерная геология. Л.: 1976. Вып.1. С.74-81.

25.Иванов И.П., Головин Н.М. Инженерно-геологическая оценка условий размещения солеотходов на Среднем Урале//Грунтоведение и инженерная геология. Л.: 1980. Вып.2. С.50-59.

26.Иванов И.П., Головин Н.М. Некоторые особенности исследования физико-механических свойств солеотходов калийного производства в связи с их размещением в отвалы//Гидрогеология и охрана недр при разработке соляных месторождений. Л..1976. С.105-112 . (Научн.тр.ВНИИГ).

27.Иванов И.П., Головин Н.М. Условия размещения солеотвалов на комбинате "Уралкалий'У/Тезисы докладов Всес. совещ. "Инженерно-геологическое обоснование условий разработки месторождений полезных ископаемых. Н.РоздолД977". М/.1977. С.157-160.

28.Иванов И.П., Головин Н.М. Физико-механические свойства солеотходов калийных рудников в связи с проблемой их устойчивости//Вестник ЛГУ. Л.: 1976. Вып.1. №6. С.65-73.

29.Инструкция по проектированию и строительству противофильтрационных устройств из полиэтиленовой пленки для искусственных водоемов. СН 551-82. М.: Стройиздат. 1983. 38 с.

30.КлементьевВ.П. Гидрогеологические основы охраны окружающей среды при освоении Старобинского месторождения калийных солей//Калийная пром-ть СССР и окружающая среда. Минск: Наука и техника. 1983. с. 106-114.

31.Клементьев В.П., Еременко Ю.П., Колпашников Г.А. Уплотнение гагатовых отходов как фактор защиты подземных вод от проникновения в них рассолов//Докл. АН БССР.1973. Т.П. № 3. с.260-262.

32.Королев В.А. Мониторинг геологической среды/Под ред. В.Т. Трофимова. М.:МГУ. 1995. 270 с.

33.Короткевич Г.В. Соляной карст. Л..Недра. 1970. 255 с.

34.Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная геодинамика. Л.:Не-дра. 1977. 479 с.

35.Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород/Под ред. Е.М.Сергеева и др. М.:МГУ. 1968. Т.2. 370 с.

36.Методические указания по расчету устойчивости и несущей способности отвалов. Л.: 1987.126 с. (ВНИМИ).

37.Минералы: Справочник. Т.2. Вып.1. Галогениды. М.: Изд-во АН СССР. 1963. 296 с.

38.Минервина ЕЕ. Оползни горных районов и их генетическая классификация. //Материалы совещания по вопросам изучения оползней и мер борьбы с ними/Киевский ун-т. Киев: 1964. С. 120-124.

39.Мочалов A.M., ХашинБ.Н. Определение устойчивости отвалов на наклонном основании//Тр.ВНИМИ. 1973. Сб.89. С. 130-138.

40.Николаева Т.Н. Исследование физико-механических свойств солеотхо-дов для обоснования их рационального складирования//Экологические проблемы районов деятельности калийных предприятий. Л.: 1998. С.132-139. (Сб.тр. ВНИИГ).

41.Николаева Т.Н. Обоснование параметров складирования солеотходов калийных рудников// Тезисы докл.научн.конфер./ Санкт-Петербургский государственный горный институт. СПб. 1998. С. 125-127.

42.Николаева Т.Н. Оценка устойчивости солеотвалов на площадях отработанных шламохранилищ// Проблемы инженерной геологии. Материалы семинаров, посвященных 65-летию кафедры инженерной геологии/ СПб. 1996. С.70-79.

43 .Николаева Т.Н. Эколого-технологические особенности складирования солеотходов// Сб.тезисов I конференции "Проблемы охраны геологической сре-

ды". Минск.: 1995. С. 142-145.

44.Николаева Т.Н., Вострецов С.П., Бархатов А.Ф. Физико-механические свойства твердых солеотходов// Научн.-техн. реферат. сб. М.:НИИТЭХИМ. 1983. №1 С.9-11. (Сер. Калийная пром-ть)..

45.06 устойчивости отвалов солей/ Е.Я. Алексенко, Г.В. Богомолов, И.П. Иванов и др.//Докл. АН БССР. 1976. Т.20. № 6. С.534-537.

46.Поваренная соль и ее растворы: Справочник/ Под ред.И.В.Остроухова и В.Г.Яроцкого. Л.:Химия. 1970. 100 с.

47.Проблемы классифицирования склоновых гравитационных процессов/Под ред. МВ.Чуринова и Е.А.Толстых. М.: Наука. 1985. 205 с.

48.Проектирование оснований сооружений на насыпных соляных грунтах. ВСН 14-85/Минудобрений. 1985. 47 с.

49.Проскуряков Н.М., Пермяков P.C., Черников А.К. Физико-механические свойства соляных пород. Л.:Недра. 1973. 270 с.

50.Пустовойтова Т.К., Пашкевич A.B. К расчету предельной высоты отвалов на неустойчивом основании//Сб.тр.ВНИМИ. Л.: 1962. Вып.45. С. 43-46.

51.Романов B.C. Определение радиуса камер выщелачивания при разработке соляных залежей через буровые скважины//Тр.ВНИИГ. Л. .Недра. 1967.Вып. 53. С.31-36.

52.Ротькин С.М., Алексеенко Е.Я. Охрана природы от воздействия отходов калийных производств в СССР и за рубежом/Юбзорная информация. М.:НИИТЭХИМ.1976. Вып.6. 22 с.(Серия: Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов).

53.Ротькин С.М., Алексеенко Е.Я. Результаты гидрогеологических исследований солеотвалов//Гидрогеология и охрана недр при разработке соляных месторождений. Л.: 1976. С.39-44. (Научн.тр.ВНИИГ).

54.Рыженьков A.M. Влияние мокрой закладки из отходов производства на устойчивость соляных целиков и боковых пород Стебниковского месторождения//Экологические проблемы районов деятельности калийных

предприятий. Л.: 1989. С.75-80. (Тр. ВНИИГ).

55.Слаиевский В.В., Смирнова B.C., Николаева Т.Н. Рекультивация соле-отвалов как способ защиты окружающей среды от засоления// Тезисы докл.на-учн.конфер/ Санкт-Петербургский государственный горный институт. СПб. 1998. С. 188-189.

56.Современное состояние калийной промышленности ФРГ//Обзорная информация. М..НИИТЭХИМ. 1978. 45 с. (Серия: Развитие калийной пром-ти).

57.Сонненфельд П. Рассолы и эвапориты. М.:Мир. 1988,478 с.

58.Справочник по разработке соляных месторождений/Р.С.Пермя-ков, О.В. Ковалев, В.Л.Пинский и др.М.:Недра.1986. 212 с.

59.Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. М.: Недра. 1985. 270 с.

60.Технология калийных удобрений/Под общ. ред. В.В. Печковского. Минск:Вэшэйшая школа. 1978.301 с.

61.Технология подземной разработки калийных руд/ В.Г. Зильбершмидт, К.Г.Синопальников, Г.Д. Полянина и др. М.:Недра. 1977. 287 с.

62.Титков С.Н., Мамедов А.И., Соловьев Е.И. Обогащение калийных руд. М.:Недра.1982.216 с.

63.ФисенкоГ.А. Устойчивость бортов карьеров и откосов отвалов. М.: Недра. 1965. 378 с.

64.Шемет С.Ф., Клементьев В.П., БогорелТ.В. Влажность солесодержа-щих грунтов и ее определение. М.:ГосНИИ горнохим. сырья. 1987.6 с. Рукопись деп. в ОНИИТЭХИМ г.Черкассы, 31.03.87, № 345 хп-87.

65.Шпаков О.Н., Клементьев В.П. Карст техногенных соляных отложений/Юхрана окружающей среды калийных производств. Минск: Наука и техника. 1979. С.65-70.

66.Шрот Г.Е. Сооружение крупных отвалов с соблюдением мер по охране окружающей среды. М.: НИИТЭХИМ. 1978.12 с. (Перевод с нем яз.).

ФОНДОВАЯ ЛИТЕРАТУРА

67.АлексеенкоЕ.Я., РотькинС.М. Результаты буровых работ и гидрогеологических исследований с оценкой устойчивости существующих со-леотвалов на ПО "Уралкалий". Отчет по теме 0.85.02.01.04.25/76-80. Л.: 1976. 25 с. (Фонды ВНИИГ).

68.АлексеенкоЕ.Я., СланевскийВ.В., РотькинС.М. Предварительные рекомендации на строительство сооружений на солеотвалах ПО "Уралкалий". Л.:1979.10 с. (Фонды ВНИИГ).

69.Анализ деятельности английской фирмы CPL в области производства калийных солей. Л.: 1986. 35 с. (Фонды ВНИИГ).

70.Анализ деятельности западногерманской калийной фирмы "Кали унд Зальц". Л.:1985.73 с. (Фонды ВНИИГ).

71. Анализ деятельности французской государственной фирмы ЕМС в области производства калийных удобрений. Л.: 1985. 41 с. (Фонды ВНИИГ).

72.Гидрогеологические условия района Солигорских калийных комбинатов и прогноз засоления пород и подземных вод промышленными отходами/Г.А. Колпашников, В.П.Клементьев, Ю.П.Еременко и др. Л.: 1970. 63 с. (Фонды ВНИИГ).

73.Изучение водно-солевого баланса солеогвалов комбината "Белоруска-лий" им.50-летия СССР. Минск:1974. 65 с. (Фонды ВНИИГ).

74.Инженерно-геологическое обоснование и регламент на проектирование высотных солеотвалов на комбинате "Белорускалий". Отчет о НИР. Л.: 1974. (Фонды ВНИИГ).

75.Информация по гидрогеологическим исследованиям солеотвалов для установления процессов и масштабов засоления окружающей среды. Л.: 1976.15 с. (Фонды ВНИИГ).

76.Исследование условий устойчивости высотных солеотвалов на рудниках комбината "Белорускалий". Промежуточный отчет по госбюдж. теме 1174/10.1.1973.Л.: 1973. 48 с. (Фонды ВНИИГ).

77.Исходные данные для ТЭО гидротранспорта солеотходов с последующим принудительным или естественным обезвоживанием в шахтных условиях. УФ ВНИИГ. Пермь: 1980. 89 с. (Фонды ВНИИГ).

78.Котов И.Г. Исследование устойчивости отвалов Старобинского месторождения. Отчет ВНИМИ по теме Х1У-Д-9. Л.: 1968. 35 с. (Фонды ВНИИГ).

79. Ларионов А.К., Виньковецкая Д.Ф., Штерн Л.Н. Изучение характера влияния солеотвалов и хвостохран илищ Верхнекамских калийных комбинатов на прилегающие территории. Л.: 1970. 52 с. (Фонды ВНИИГ).

80.Ленд О. К состоянию исследований по озеленению солеотвалов в калийной промышленности. Перевод с нем. яз. № 1674. Л.: 1984. 5 с. (Фонды ВНИИГ).

81.Новости науки и техники (галургическая пром-ть). СПб. .1995. Вып. № 80/95. 47 с. (Фонды ВНИИГ).

82.Отчет о комплексном исследовании деятельности ГП Комбината "Калий" (ГДР). Л.: 1986,61 с. (Фонды ВНИИГ).

83 .Разработать водозащитные покрытия солеотвалов и выдать исходные данные на проектирование рекультивации солеотвала БКРУ-2. Отчет о НИР по х/д № 183Д-89. Л.: 1990. 91 с. (Фонды ВНИИГ).

84.Разработать теоретические основы и методику прогноза изменения геологической среды под воздействием калийных предприятий для обоснования природоохранных мероприятий. Отчет о НИР по з/н О 148285000726. Л.: 1984. 196 с. (Фонды ВНИИГ).

85.Расширение хранилища отходов (солеотвалов). Долгосрочный прогноз оседаний сооружений на солеотвале ПО "Уралкалий", БКПРУ-2. Пермь: 1989. 135 с. (Фонды УФ ВНИИГ).

86.Результаты полевых исследований по обоснованию устройства высотных солеотвалов на комбинате "Белорускалий" им.50-летия СССР. Отчет по теме 00-17-20,21,22,раздел 1. Минск.: 1974. (Фонды ВНИИГ).

87,Рекомендации для проектирования расширения карьера на солеотвале БКЗ-4 ПО "Уралкалий". Л.: 1990. 25 с. (Фонды ВНИИГ).

88.Рекомендации для проектирования расширения солеотвала 4РУ ПО "Уралкалий". Л.: 1988. 85 с. (Фонды ВНИИГ).

89 .Рекомендации по охране подземных вод от загрязнения на шахтных полях 1,2 и 3 рудоуправлений ПО "Уралкалий". Л.: 1983. 120 с. (Фонды ЛГИ).

90.Складирование отходов на зарубежных калийных предприятиях. Л.: 1992. 25 с. (Фонды ВНИИГ).

91.Справочный отчет о деятельности канадской государственной корпорации "Поташ корпорэйшн оф Саскачеван". Л.: 1982. 70 с. (Фонды ВНИИГ).

92.Техно-рабочий проект высотного складирования хвостов на солеотва-лах ПО "Белорускалий", I РУ. Пояснительная записка. Т.1. Л.:1974. 84 с. (Фонды ВНИИГ).

93.Технико-экономическое обоснование высотного складирования хвостов обогатительных фабрик калийных комбинатов. Л. .1975. 77 с.(Фонды ВНИИГ).