Охрана водных объектов при захоронении техногенных отходов в карьерные выемки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.11, кандидат технических наук Рудницкая, Наталья Владимировна

• Рудницкая, Наталья Владимировна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рудницкая, Наталья Владимировна

Введение.

1. Изученность вопроса и задачи дальнейших исследований.

1.1 Существующие методы оценки фильтрационных и прочностных характеристик породных массивов, слагающих борта и дно карьеров.

1.2 Существующие методы оценки устойчивости бортов карьеров и разработка мероприятий по обеспечению безопасности работ при складировании техногенных отходов.

1.3 Опыт складирования техногенных отходов в отработанные карьеры.

1.4 Задачи дальнейших исследований.

2. Классификация карьеров, используемых для захоронения техногенных отходовЛ

2.1 Классификация карьеров по глубине и крутизне их бортов.

2.2 Классификация карьерных выемок по гидрогеологическим и инженерно-геологическим условиям.

2.3 Классификация карьерных выемок по условиям складирования отходов.

2.4 Классификация карьеров по условиям консервации полигонов.

Выводы по главе.

3. Обоснование способов инженерной подготовки карьерных выемок для складирования техногенных отходов.

3.1 Выбор способа водопонижения и осушения карьерных выемок предназначенных для складирования техногенных отходов.

3.2 Выбор способа гидроизоляции бортов и дна карьерных выемок.

3.3 Управление процессом обезвоживания отходов, складируемых с использованием гидротранспорта.

Выводы по главе.

4. Расчет параметров и выбор технологии формирования противофильтрационных экранов.

4.1 Выбор грунтовых материалов для формирования противофильтрационных экранов и методика оценки их фильтрационных характеристик.

4.2 Расчет параметров и выбор технологии формирования горизонтальных и слабонаклонных экранов на «сухую»-.

4.3 Обоснование технологии формирования бортовых экранов для глубоких карьеров, заполняемых сухими отходами.

4.4 Технология консервации карьерных выемок, заполняемых техногенными отходами 64 Выводы по главе.

5. Опыт заполнения карьерных выемок техногенными отходами и рекультивации наземных накопителей.

5.1 Заполнение карьерных выемок при отсыпке внутренних отвалов (Гологорский карьер).70.

5.2 Заполнение карьеров сухими техногенными отходами (Западный Лебяжинский карьер).

5.3 Выбор природоохранных мероприятий и технологии их реализации при консервации накопителей техногенных отходов на примере шламохранилища

1 ПК,3.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Охрана водных объектов при захоронении техногенных отходов в карьерные выемки»

Актуальность работы

Значительная доля загрязнений в водные объекты поступает из техногенных образований, причем наиболее опасными являются образования горно-металлургического комплекса: отвалы забалансовых руд, хвосто-и шламохранилища, шлакоотвалы металлургических заводов. Заскладированные в них отходы содержат значительные концентрации токсичных элементов, таких как медь, цинк, хлор, фтор, ртуть, сера, селен, мышьяк, бериллий и другие, соли которых постоянно выносятся инфильтрующимися атмосферными осадками в поверхностные и подземные воды.

Вынос загрязняющих веществ из техногенных образований может продолжаться десятки и сотни лет, что в значительной степени определяет неблагоприятную экологическую обстановку в горнодобывающих районах на длительный период. Негативное влияние отходов горно-металлургической промышленности, заскладированных на земной поверхности, помимо загрязнения атмосферы, почв и подземных вод, выражается так же в нарушении и изъятии из хозяйственного оборота земель и уничтожении растительности.

С другой стороны, эти отходы по своей сути являются техногенными месторождениями, в которых только на территории Свердловской области накоплено свыше 50,0 млн т железа, 18,6 млн т цинка, 1,5 млн т меди.

Наличие в непосредственной близости от законсервированных накопителей техногенных отходов выемок погашенных карьеров и зон обрушения подземных рудников можно считать идеальной предпосылкой для решения проблемы экологической реабилитации территорий, нарушенных горными работами. Складирование отходов в отработанные карьеры позволит не только ликвидировать загрязнение атмосферы и почв окружающих территорий, устранить угрозу загрязнения поверхностных и подземных вод, но и обеспечить технический этап рекультивации нарушенных земель. При этом обеспечивается сохранность химического и минерального состава заскладированных отходов для их последующей переработки.

Таким образом, разработка мероприятий по охране водных объектов при захоронении техногенных отходов в карьерные выемки является актуальной.

Цель работы. Разработка методического обеспечения по выбору способов подготовки и технологии складирования техногенных отходов в выемки погашенных карьеров, гарантирующих эффективную защиту подземных вод от загрязнения.

Основная идея работы -складирование техногенных отходов в отработанные карьеры является наиболее эффективным способом рекультивации земель, нарушенных горными работами, если при этом обеспечивается такая степень гидроизоляции выемки, при которой исключается возможность загрязнения подземных вод выносимыми из выемки токсикантами.

Научные положения

1. Комплексное решение проблемы рекультивации земель, нарушенных горными работами и ликвидации загрязнения атмосферы, почв и гидросферы токсикантами, выносимыми из отвалов, хвосто-, шламо- и шлакохранилищ, может быть достигнуто за счет захоронения размещенных на земной поверхности техногенных отходов в выработанное пространство карьеров, зоны обрушения рудников и подземные выработки.

2. Защита подземных и поверхностных вод от загрязнения техногенными отходами, складируемыми в карьерные выемки, может быть обеспечена за счет гидроизоляции бортов и дна выемки или тампонажа законтурного массива, осуществляемых до начала или в процессе заполнения карьера.

3. Предлагаемые методики расчета противофильтрационных экранов и технологии их формирования обеспечивают защиту подземных вод от загрязнения и долговременную сохранность химического состава складируемых отходов с целью их использования в качестве техногенных месторождений для повторной разработки.

Достоверность научных выводов и рекомендаций обоснована сопоставлением расчетных значений динамических показателей водопроводимости сальных массивов Главного карьера Высокогорского ГОКа с ростом фильтрационных потерь из хвостохранилища в процессе его заполнения и опытом управления ими за период с 1996 по 1999 гг.

Научная новизна работы

1. Впервые обоснована возможность получения интегральных показателей водопроводимости скальных массивов в окрестностях горных выработок и оценка динамики их изменения по глубине, на основе обратных расчетов по водопритокам в меженный период на разных стадиях развития горных работ.

2. Разработан комплекс противофильтрационных средств, включающий тампонаж законтурного массива и зон повышенной фильтрации, уплотнение верхнего слоя глинистого грунта в бортах выемки и серии противофильтрационных экранов, обеспечивающих достижение заданной степени гидроизоляции стенок и дна выемки для защиты подземных вод от загрязнения.

3. Разработан и прошел практические испытания метод формирования межслоевых противофильтрационных экранов за счет периодического сброса в выемку расчетного объема глинистой пульпы с последующим запуском коагулянта.

Практическая ценность работы

1. Разработана классификация карьерных выемок, обеспечивающая возможность определения вида техногенных отходов, которые могут использоваться для ее рекультивации., а также необходимости ее гидроизоляции для защиты подземных вод от загрязнения.

2. Разработаны конструкции и технологии формирования противофильтрационных экранов различного назначения, создаваемые как «на сухую», так и методом намыва.

3. Разработаны рекомендации по консервации карьерных выемок после их заполнения, включающие создание противоинфильтрационного экрана и системы мониторинга за состоянием подземных вод в окрестностях захоронения.

Личный вклад автора состоит в разработке методики оценки интегральной водопроводимости породных массивов, слагающих борта и дно выемок по данным водопритоков в карьер в меженные периоды на разных стадиях его развития, лабораторных исследованиях и расчетах, а так же в непосредственном участии в разработке «Методических указаний по оборудованию полигонов для захоронения техногенных отходов в отработанных карьерах» и рабочего проекта рекультивации шламохранилища №1 ОАО «Полевской криолитовый завод».

Методы исследований: анализ данных о водопритоках в карьерные выемки, теоретические расчеты, лабораторные исследования и полевые эксперименты.

Реализация результатов работы

1. Методические указания по оборудованию полигонов для захоронения техногенных отходов а отработанных карьерах, разработанные при непосредственном участии автора, утверждены Правительством Свердловской области а качестве нормативного документа.

2. Методические разработки по расчету противофильтрационных экранов и технологии их формирования использованы при разработке Рабочего проекта рекультивации шламохранилища №1 Полевского криолитового завода.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на Международном симпозиуме «Освоение 7 месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (Белгород, 1999г.); Научно-практическом семинаре «Экологические проблемы промышленных регионов» на Международной выставке «Уралэкология. Техноген-99» (Екатеринбург, 1999г.); семинаре «Вопросы инженерно-геологических, инженерно-экологических и инженерно-геодезических изысканий в Уральском регионе» (Екатеринбург, 1999г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из пяти глав и заключения, изложенных на 100 страницах машинописного текста, включая 5 таблиц, 23 рисунка и список использованных источников из 72 наименований.

Заключение диссертации по теме «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», Рудницкая, Наталья Владимировна

Выводы по главе

1. Использование Гологорского карьера в качестве емкости для складирования позволило решить проблему с размещением пустых пород, образующихся при разработке месторождений магнезитов Карагайским карьером. Поскольку складируемые породы (доломиты) не токсичны, то в разработке мероприятий по охране подземных вод не было необходимости. Складирование производилось одним ярусом, транспортировка пустых пород осуществлялась с использованием автотранспорта с последующим разравниванием бульдозером.

2. На основе изучения гидрогеологических, инженерно-геологических, горнотехнических условий, а так же токсичности отходов, подлежащих складированию, заполнение Западного Лебяжинского карьера обезвоженными хвостами мокрой магнитной сепарации было решено вести одним ярусом по схеме отсыпки внутренних отвалов, без проведения каких-либо мероприятий по гидроизоляции выемки.

3. Использование методики формирования противоинфильтрационного экрана и защитного слоя позволили разработать наиболее оптимальный способ рекультивации шламохранилища №1 ПКЗ, заключающийся в следующем:

На затвердевшую поверхность высохшего и уплотнившегося гипса отсыпается изолирующий слой из скальной наброски. Наличие этого слоя с высоким коэффициентом фильтрации будет обеспечивать свободный сток фильтрата, просачивающегося через разделяющую дамбу между консервируемым (№1) и действующим (№2) щламохранилищами к водоотводной канаве с последующим его поступлением в существующую насосную станцию. Сразу после формирования водоотливная канава, должна быть заполнена крупнообломочным материалом на всю глубину. Мощность изолирующего слоя определяется необходимостью достижения плановых отметок, обеспечивающих заданный уклон, который в свою очередь обеспечивает сток избыточной воды в период интенсивных дождей.

На скальной наброске создается противоинфильтрационный экран, мощностью 0,2 м, который обеспечит надежную защиту поверхностных и подземных вод прилегающих территорий от загрязнения токсичными веществами за счет исключения инфильтрации атмосферных осадков в заскладированные отходы (гипс).

95

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной задачи по разработке мероприятий по охране водных объектов, при захоронении техногенных отходов в карьерные выемки.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Разработана классификация карьерных выемок по гидрогеологическим, инжнерно-геологическим, горно-техническим условиям складирования техногенных отходов.

2. Разработаны рекомендации по выбору оптимального способа гидроизоляции карьерных выемок, выбору способа водопонижения вокруг выемки при ее подготовке к складированию.

3. Разработана методика расчета коэффициента фильтрации на основе обратного расчета по данным расхода или работе водоотливных установок в разные периоды работы карьера.

4. Разработана схема управления процессом обезвоживания отходов, складируемых с использованием гидротранспорта.

5. Разработаны методики расчета параметров противофильтрационных экранов различного назначения и технологические схемы их формирования.

6. Разработан способ консервации захоронений техногенных отходов, включающий создание противоинфильтрационного экрана, защитного слоя и системы мониторинга за состоянием подземных вод в окрестностях полигона.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рудницкая, Наталья Владимировна, 2000 год

1. Климентов П.П., Кононов В.М. Методика гидрогеологических исследований.-М.: Высшая школа, 1978.-407с.

2. Ломтадзе В.Д. Методы лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород Л.: Недра, 1972.-311с.

3. Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород/ Под. ред. Сергеева Е.М., Лабораторные методы Т2,-М.: Недра, 1984.-437с.

4. Прочность и деформируемость горных пород/ Под. ред. Фадеева А.Б.,-М.: Недра, 1979.-268с.

5. ГОСТ 12248-96. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.-М.: Изд-во стандартов, 1997.-97с.

6. Зотеев В.Г. Изучение структуры массива пород железорудных месторождений при исследованиях устойчивости бортов карьеров. Канд. Диссертация. Свердловск, ИГД Минчермета СССР, 1966.-205с.

7. Павчич М.П., Балыков Б.И. Методы определения коэффициента фильтрации грунта.-Л.: Энергия, 1976.-115с.

8. Дашко Р.Э. Механика горных пород. -М.: Недра, 1987.-264с.

9. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. -М.: Недра, 1965.-378с.

10. Опыт отсыпки бульдозерных отвалов в затопленное карьерное пространство/ Зотеев В.Г., Фролов A.B., Ворошилова H.A. и др.// Горный журнал, 1977-№10, с.31-33.

11. Справочник гидрогеолога.-М.: Госгеолтехиздат, 1962.-616с.

12. Недрига В.П. Инженерная защита подземных вод от загрязнения промышленными стоками,-М.: Стройиздат, 1976.-96с.

13. Методические указания по оборудованию полигонов для захоронения техногенных отходов в отработанных карьерах/ Экологический бюллетень Правительства Свердловской области. Екатеринбург, 1998.-№12, с.21-62.

14. Черкащенко H.A. Методика расчета конструктивных параметров и устойчивости ограждающих дамб экологически чистых хвостохранилищ. Канд. Диссертация,

15. Екатеринбург, РосНИИВХ, 1997.-97с.

16. Рудницкая Н.В., Костерова Т.К., Кудряшова Е.Л. Оценочные критерии геоматериалов, используемых для сооружения защитных экранов// Экологические проблемы промышленных регионов: Тез. докл.-Екатеринбург «Уралэкология», 1999.-с.152-153.

17. Зотеев В.Г., Костерова Т.К., Торопов А.Е., Кудряшова Е.Л. Выбор параметров и технологии формирования противофильтрационных экранов из геоматериалов// Известия вузов. Горный журнал, 1995.-№9, с.42-49.

18. Разработка новой конструкции экрана на шламоотвале №3 и новой схеме действующего хвостохранилища №2 Уральского алюминиевого завода (УАЗа). Заключительный отчет/ Рук. Трунков Г.Т.-Л: ЛПИ.-С.76.

19. Кудряшова Е.Л. Расчетный метод определения физико-механических свойств техногенных грунтов, используемых для разработки природоохранных технологий. Канд. Диссертация.-Екатеринбург, РосНИИВХ, 1999.-112с.

20. Покровский Г.И. Фильтрационные расчеты взрывонабросных плотин при не линейном законе движения.-Строительство водоподпорных сооружений из грунтовых материалов. Тр. ВОДГЕО.-М., 1983, с.35-37.

21. Рабочий проект рекультивации шламохранилища №1 Полевского криолитового завода. Отчет УГГГА./Рук. Зотеев В.Г.-Екатеринбург, 1999.-51с.

22. СНиП 2.01.28-85 Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Основные положения по проектированию.-9с.

23. Пособие по проектированию полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов (к СниП 2.01.28-85), М:,1990,-49с.

24. Осламенко В.В. Разработка методов экологической реабилитации земель, нарушенных горными работами. Канд. Диссертация.-Нижний Тагил, ИГД Минчермет РФ, 1999.-32с.

25. Исследование устойчивости и выбор рациональных режимов и технологии складирования пустых пород в выработанное пространство Гологорского карьера. Отчет

26. ИГД Минчермета СССР/ Рук. Зотеев В.Г.- Свердловск, 1976.-78с.

27. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды и влияние факторов среды обитания на здоровье населения Свердловской области»,-Екатеринбург, 1997.-269с.

28. ГОСТ 25584-90 Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации.-М.: Изд-во стандартов, 1990.-15с.

29. Жиленков В.Н. Водопроницаемость экранирующих покрытий из глинистого грунта. Известия/ВНИИГ.-Л.: Энергия, т. 115, 1997.-е. 101-109.

30. Гальперин A.M., Ферстер В., Шеф Х-Ю Техногенные массивы и охрана окружающей среды.-М.: МГГУ, 1997.-534с.

31. Временный классификатор токсичных промышленных отходов и методические рекомендации по определению класса токсичности складируемых отходов.-М.: Минздрав СССР,ГКНТ, 1987.-24с.

32. Рудницкая Н.В. Пути изоляции техногенных отходов при их складировании в отработанные карьеры// Чистая вода России-99: Тез. докл.-Екатеринбург, 1999.-е. 124-125.

33. Научное обеспечение опытно-промышленного заполнения Главного карьера Высокогорского ГОКа хвостами МОФ. Отчет УГГГА/ Рук. Зотеев В.Г.-Екатеринбург, 1995.-35с.

34. Гальперин A.M., Дьячков Ю.Н. Гидромеханизированные природоохранные технологии.-М.: Недра, 1993.-252.

35. Гольдин А.Л., Рассказанов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин.-М.: Энергоатомиздат, 1987.-304с.

36. Единые правила безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом.-М.: НПО ОБТ, 1992-109с.

37. Зотеев В.Г., Костерова Т.К., Осламенко В.В., Рудницкая Н.В. Методы консервации техногенных отходов, обеспечивающие эффективную защиту окружающей среды отзагрязнения // Проблемы геотехнологии и недроведения: Тез. докл. -Екатеринбург, 1998. с. 297-301.

38. ГОСТ 17.5.3.4.-83 Охрана природы. Земли. Классификация вскрышных и вмещающих пород для биологической рекультивации земель.-М.: Госкомитет по стандартам, 1987.

39. Методические указания по разработке проектов рекультивации нарушенных земель, снятии и использовании почвы на горных предприятиях Минчермета СССР.-Свердловск, 1985. Утв. МЧМ СССР 24.01.1985.-51с.

40. Правила безопасности при эксплуатации хвостовых, шламовых и гидроотвальных хозяйств. П 5-06-123-96, Утв. Госгортехнадзором России, Постановление №43, от 05.11.1999г.-98с.

41. Костерова Т.К., Кудряшова E.JL, Рудницкая Н.В. Выбор способов и технологий консервации захоронений токсичных техногенных отходов // Экологические проблемы промышленных регионов: Тез. докл.-Екатеринбург, «Уралэкология», 1998.-с.99.

42. Рудницкая Н.В. Пути ликвидации техногенного загрязнения территорий в горнопромышленных регионах // Экология города: Материалы региональной научно-технической конференции.-Пермь: ПГУ, 1998.-е. 155-157.

43. Справочник по гидравлике.-Киев: Высшая школа,1977.-280с.

44. ЛомтадзеВ.Д. Инженерная геология.-Л.: Недра, 1984.-511с.

45. Разработка природоохранных технологий и их внедрение на горных предприятиях Урала. Отчет по НИР.УГГГА / Рук. Зотеев В.Г.-Екатеринбург, 1997.-42с.

46. Ничипорович A.A. Плотины из местных материалов.-М.: Стройиздат. 1973.-320с.

47. Временное положение о надзоре за безопасностью гидротехнических сооружений, водохранилищ и накопителей стоков в Российской Федерации.-М.: Роскомвод, 1996.-57с.

48. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров.-Л.:ВНИМИ, 1972,-165с.

49. Спицина A.B. Методические указания по разработке проекта норм ПДС для проектируемых выпусков сточных вод/ Экологический бюллетень Правительства Свердловской области.-Екатеринбург, 1998.-№10, с.8-64.

50. Мигин С.И. Исследование уплотнения грунта методом укатки на полупроизводственной лабораторной установке.-Тр./ ВНИМИ ВОДГЕО,1968.-№9, с85-90.

51. Чернышов С.Н. Движение воды по сетям трещин.-М: Недра,1979.-141с.

52. Тампонаж обводненных горных пород: Справочное пособие/ Э.Я. Кипко, Ю.А. Полозов, О.Ю.Лушникова и др.-М: Недра, 1989.-318с.

53. Зотеев В.Г., Зотеев О.В., Костерова Т.К. Методика обработки массовых замеров трещиноватости на ЭВМ// Известия ВУЗов. Горный журнал. Екатеринбург, 1993.-№2. с.28-33.

54. Покровский Г.И. Кольматация как средство борьбы с фильтрацией в плотинах, возводимых направленным взрывом -Исследования в области промышленной гидротехники. Тр./ВНИМИ ВОДГЕО, 1989.-С.13-15.

55. Гаджиев В.Б. Исследование кольматации фильтров при повреждении глинистых ядер экранов плотин (дамб) накопителей. Тр./ ВНИМИ ВОДГЕО, 1989. с. 113-119.

56. Недрига В.П. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика. -М: Стройиздат, 1983 .-543с.

57. Зотеев В.Г., Костерова Т.К. Методика подбора грунтовых смесей для создания фильтров и экранов с заданными характеристиками// Вопросы осушения и экологии,- Белгород: ВИОГЕМ. 1993.-е. 331-333.

58. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды.-М: Физматгис, 1960.-231с.

59. Латышенков A.M. Сравнение новых формул различных авторов для коэффициента Шези.- Труды лаборатории инженерной гидравлики/ ВНИМИ ВОДГЕО. М: Стройиздат, 1972. №13,с.88-99.

60. Рекомендации по проектированию обратных фильтров гидротехнический сооружений. П 92-80/ ВНИМИ, 1981.-105с.

61. Емцов Б.Т. Техническая гидромеханика.-М: Машиностроение, 1978.-463с.

62. Айратенян P.A. Проектирование каменно-земляных и каменно-набросных плотин.-М: Энергия, 1975.-327с.

63. Розанов Н.И. Плотины из грунтовых материалах.-М: Стройиздат, 1983.-296с.

64. СниП 2.06.05.-84 Плотины из грунтовых материалов.-М: Стройиздат, 1984.-31с.

65. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Основы гидрогеомеханики.-М: Недра, 1974.-269с.

66. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований.-Л: Недра, 1990.-328с.

67. Павчич М.П., Пахамов O.A. Экспериментальное обоснование предельно плотных смесей грунта/ Известия ВНИИГ.- Л: Энергия, 1976, №111, с.3-10.

68. Ершов Н.П., Зотеев В.Г., Фролов A.B. Сжимаемость и сопротивление сдвигу скальной горной массы/ Тр. ИГД Минчермета СССР, 1981.-№67, с.72-76.