Разработка методов экологической реабилитации земель, нарушенных горными работами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.03, кандидат технических наук в форме науч. докл. Осламенко, Виктор Васильевич

• Осламенко, Виктор Васильевич
• кандидат технических наук в форме науч. докл.
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук в форме науч. докл. Осламенко, Виктор Васильевич

Актуальность работы. За почти 300-летний период развития горнометаллургической промышленности в Уральском регионе на земной поверхности были заскладированы десятки миллиардов тонн отходов в виде отвалов вскрышных пород, некондиционных руд, шлаков, шламо- и хвостохранилищ. В этих отходах содержится миллиарды тонн минералов, в составе которых присутствуют почти все элементы таблицы Менделеева. Эти образования представляют из себя часть минерально-сырьевых ресурсов. В отличие от природных ресурсов происходит ежегодное пополнение этих образований в объеме сотен миллионов тонн.

Техногенные образования привлекают в последнее время серьезное внимание, определяемое: во-первых, возможностью использования их в качестве минерально-сырьевых ресурсов; во-вторых, экологической опасностью, создаваемой за счет вредного воздействия на окружающую среду. Как продукт человеческой деятельности техногенные месторождения концентрируются в районах городов, других населенных пунктов, создавая в них повышенную опасность для жизнедеятельности.

В составе минералов, образующих техногенные образования, содержатся такие токсичные элементы, как бериллий, таллий, ртуть, мышьяк, кадмий, селен, теллур, медь, цинк, сера, фтор, хлор и другие.

По мере промывки этих отходов, размещенных на нескольких тысячах квадратных километрах, минералы, содержащие токсичные элементы, окисляются, превращаясь в растворимые гидроокислы и соли.

Последние, в свою очередь, выносятся инфильтрующимися осадками в поверхностные и подземные воды, за счет чего происходит резкое ухудшение качества воды во всех реках и водоемах Уральского региона. Водные объекты региона испытывают высокую антропогенную нагрузку, вследствие чего требуют незамедлительного осуществления водоохранных и водохозяйственных мероприятий: прекращения сброса сточных вод без очистки, реконструкции и расширения очистных сооружений, строительства сооружений по доочистке сточных вод, перевод предприятий на бессточные системы водоснабжения.

Вместе с тем вблизи большинства техногенных объектов-загрязнителей имеются многочисленные выемки в виде отработанных карьеров и недействующих зон обрушения, объем которых аналогичен суммарному объему близрасположенных отвалов и хвостохранилищ. Наглядным примером такой ситуации являются окрестности г.Н-Тагила, территория которого по экологической ситуации отнесена к категории чрезвычайной.

В связи с тем, что именно в этом городе впервые начата реализация Федеральной и Областной программ по переработке техногенных образований, когда яыход вторичных отходов достигает 95% и для их складирования требуется создание левых накопителей при отсутствии свободных площадей, проблема изыскания новых .шдиционных решений по экологически безопасному складированию вторичных . . .адов без отвода для их размещения новых земельных участков особенно актуальна.

Цель работы - разработка методов и средств экологической реабилитации земель, нарушенных горными работами за счет использования вторичных отходов при переработке техногенных образований.

Основная идея работы заключается в том, что технический этап рекультивации нарушенных горными работами земель следует осуществлять за счет их повторного использования в качестве полигонов для размещения вторичных отходов, восстановления ранее нарушенных ландшафтов и ликвидации техногенных очагов загрязнения окружающей среды.

Научные положения, защищаемые автором: Методика оценки возможности использования отработанных карьеров для размещения и захоронения отходов горно-металлургического производства.

2. Технология складирования отходов обогатительных фабрик в выработанное пространство карьеров, обеспечивающая восстановление естественного рельефа и геодинамического равновесия литосферы.

3. Комплекс мероприятий по предотвращению загрязнения гидросферы и атмосферы токсичными веществами при складировании вторичных отходов, используемых для реабилитации нарушенных земель.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована анализом горнотехнических условий складирования отходов (скальные, полускальные породы, дресвяно-торфяные образования и хвосты обогатительных фабрик) в выработанное пространство Ивановского, Черемшанского, Каменского и Горбуновского карьеров и их успешной реализацией. Кроме того, с использованием разработанных методик в настоящее время успешно реализуется рекультивация наиболее крупных карьерных выемок (Северо-Лебяжинский, Западный и Главный карьеры) за счет их заполнения хвостами мокрой магнитной сепарации и шламами флотации.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика оценки возможности складирования отходов разной степени токсичности, плотности и гранулометрического состава в карьерные выемки на основе анализа горнотехнических и гидрогеологических условий объекта, исключающая возможность отрицательного воздействия на окружающую среду.

2. Разработана технология складирования отходов горного производства в карьерные выемки, исключающая возможность загрязнения атмосферы и почвы окружающей территории пылевыми выбросами.

3. Разработан метод управления фильтрационными потерями при заполнении шламами карьерной выемки, борта и дно которой сложены закарстованными породами.

4. Разработан метод консервации техногенных образований после заполнения карьерной выемки, исключающий возможн'ость проникновения в захоронение атмосферных осадков и вынос из него токсикантов.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана и внедрена технология складирования в карьеры техногенных отходов разной плотности и крупности путем их отсыпки непосредственно с верхней -бровки без предварительного осушения выемки.

2. Доказана и реализована возможность отработки рудных тел подземным способом, расположенных под действующими и законсервированными хвостохранилйщами.

3. Проверена в промышленных условиях возможность подавления фильтрационных потерь из Главного карьера путем формирования промежуточного экрана за счет сброса в хвостохранилище глинистой пульпы и включения в цикл замкнутого водооборота.

Личный вклад автора состоит: в анализе горнотехнической и гидрогеологической информации по каждому карьеру, с последующим обоснованием оптимального решения по способу складирования в него отходов; корректировке проектных решений и разработке дополнительных мероприятий по обеспечению безопасности складирования отходов при выявлении осложняющих факторов в процессе заполнения Каменского и Северо-Лебяжинского карьеров хвостами МОФ и Горбуновского карьера торфо-грунтовой вскрышей; разработке метода управления фильтрационными потерями из Главного и Каменского карьеров при заполнении их шламами и выборе системы оборотного водоснабжения.

Методы исследований: анализ литературных источников, инженерно-геологические и гидрогеологические расчеты, натурные эксперименты и анализ данных мониторинга за потерями фильтрата из карьеров и загрязнения подземных вод по системе оборотного водоснабжения: фабрика - сливной лоток - чаша Главного карьера - водоотлив шахты "Магнетитовая".

Реализация работы- Результаты работы были использованы при осуществлении технического этапа рекультивации выемок Ивановского, Черемшанского, Каменского и Горбуновского карьеров за счет их заполнения породами вскрыши и шламами. В настоящее время эти результаты используются при заполнении выемок Северо-Лебяжинского, Западного и Главного карьеров Высокогорского ГОКа хвостами МОФ и шламами флотации.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции "Сохранение индустриального наследия: мировой опыт и Российские проблемы" (Н-Тагил - Екатеринбург, 1993), научно-практическом семинаре Международной выставки "Уралэкология" (Екатеринбург, 1996, 1997, 1998), Международном симпозиуме "Экологические технологии - для оздоровления мира" (США, Лас-Вегас, 1997), X Международном координационном совещании по проблемам геодинамической безопасности (Екатеринбург, 1997), научно-практическом семинаре и Международной выставке "Техноген - 97" и "Техноген - 98".

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 16 статьях.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СКЛАДИРОВАНИЯ ОТХОДОВ ГОРНО - МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО

ПРОИЗВОДСТВА

Подавляющую часть потребностей в минеральном сырье человечество удовлетворяет за счет разработки месторождений полезных ископаемых. В свою очередь добыча и переработка минерального сырья приводит к крупномасштабному, отрицательному многоаспектному воздействию на .окружающую среду и, как следствие, к значительным социальным и экономическим потерям.

Урал является типичным старопромышленным регионом. Наличие богатых сырьевых ресурсов определило создание здесь ещё в восемнадцатом веке горнозаводской промышленности. Последствия долговременного развития промышленности на Урале привели к тому, что регион можно без преувеличения назвать зоной экологического бедствия [5, 7].

Негативные экологические последствия горных работ выражаются в изъятии и нарушении тысяч гектаров земель, загрязнении подземных и поверхностных вод, почвы, атмосферы, уничтожении растительности, изменении сложившегося гидробаланса на обширных территориях.

Наиболее ощутимый ущерб состоянию земной поверхности наносят открытые горные работы. Только предприятиями черной металлургии занято под карьерами и отвалами пустых пород более 280 тыс.га земель, около 85% которых ранее использовались в сельском и лесном хозяйствах и лишь 16% занимали неудобья и малопродуктивные земли. Непосредственно для ведения горных работ используется около 70% выделенных земель.

В пределах бывшего СССР ежегодно складировалось в отвалы около 5 млрд. т вскрышных пород, 700 млн. т хвостов обогащения и 150 млн.т золы, из них угилизировалось в целом не более 2-4%. При современной технологии выплавка 1 т чугуна сопровождается образованием в среднем 1.2 т отходов обогащения и 0.9 т золы, 1 т меди - соответственно 4.2 и 30 т, получение 1 т золота связано с переработкой приблизительно 23 млн.т горной массы.

По приближенным подсчетам общая площадь земель, нарушенных в стране при добыче твердого минерального сырья, составляет более 850 тыс. га, в том числе при добыче угля и сланцев - около 190, руд черных и цветных металлов - более 350, строительных горных пород и горно-химического сырья - более 290 тыс.га.

Уральский регион и в настоящее время является одним из ведущих горнопромышленных регионов России. Более чем на 80 предприятиях ведется открытая и подземная разработка месторождений железных, медных, хромитовых, золотосодержащих руд, бокситов, асбеста, магнезита, минеральных солей, строительных материалов, угля и торфа.

Из показателей добычи минерального сырья, приведенных в таблице 1 видно, что основной объем из добываемых полезных ископаемых приходиться на железную руду, уголь и асбест, разрабатываемых наиболее экологически ущербным открытым способом.

Таблица

ОБЪЕМ ДОБЫЧИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ НА УРАЛЕ, ТЫС.Т

Вид сырья, 1997г. способ разработки 1990г. 1994г. 1995г. 1996г.

Железная руда (сырая)

Открытый

Подземный

Уголь 23909 16150 ¡

Открытый

Подземный

Подземный

Асбест

Открытый

Магнезит

Открытый

Бокситы

Подземный 4583 3025 3057 2915 н.д.

Хромовая руда

Подземный

Открытый 3.5 11.4 13.7 6.6 2.

Флюсы

Открытый

Несмотря на то, что себестоимость добычи минерального сырья открытым способом ниже в 2.3-2.6 раза по сравнению с подземным способом разработки, ущерб, наносимый экологической среде от образования огромных карьерных выемок и отвалов насыпных грунтов, значительно превышает уровень вредного воздействия на окружающую среду подземными горными работами [8]. При этом следует отметить, что на долю открытого способа разработки минерального сырья в России приходится более 90% от общего объема добычи, в Уральском регионе 72.9% [10].

Объем вскрышных пород, вывезенных в отвалы только на Уральских карьерах за 1997 год, составил 71,2 млн.м3 пополнив колоссальные запасы техногенных образований, накопленных за длительный период эксплуатации месторождений.

По состоянию на 1997 год на территории Свердловской области в результате деятельности более 140 предприятий по добыче и переработке сырья образовано 315 различных техногенно-минеральных объектов, в том числе: 39 отвалов пустых пород и забалансовых руд с объемом 32.5 млрд. т, 28 отвалов отходов обогащения с объемом 1.5млрд.т, 10 шламохранилищ с объемом 115.5 млн. т, 5 шлаковых отвалов (доменных, мартеновских и др.) с объемом 30.5 млн. т, 41 склад пылей газоочистки с объемом 3.8 млн. т. 15 золошлаковых и золоотвалов с объемом 190 млн. т, 54 отвала отходов химпроизводства с объемом 332.2 млн.т, 86 - прочие отходы с объемом 14.1 млн. т [10, ¡2].

Наличие такого объема техногенных образований на земной поверхности стало предпосылкой формирования катастрофической ситуации регионального масштаба. Это обусловлено следующим [2, 12]:

I. Если в естественных условиях фоновая минерализация грунтовых и поверхностных вод формируется за счет растворения горных пород, слагающих растворимостью уже исчезла, то с техногенными образованиями ситуация совершенно иная.

2. При разработке месторождений полезных ископаемых на земную поверхность извлекаются породы с глубин, превышающих мощность гидравлически активной зоны, вследствие чего в руде и вскрышных породах присутствуют как нерастворимые, так и легкорастворимые минералы, в том числе содержащие высокие концентрации таких токсичных металлов, как медь, цинк, свинец, марганец, кадмий, а иногда и особо токсичные: бериллий, таллий, ртуть, мышьяк и т.п. Эти породы (за исключением кондиционной руды) складируются в отвалы, но при этом активная поверхность на единицу объема у них увеличивается по сравнению с природной в 3-10 раз, коэффициент фильтрации по сравнению с массивом - в 102 -10'' раза.

3. Кондиционные руды после интенсивного дробления в процессе обогащения разделяются на рудный концентрат и отходы производства, складируемые в хвосто - и шламохранилищах. При этом по сравнению с исходным состоянием содержание полезных компонентов в них понижается до 10-20%, но одновременно удельная активная поверхность увеличивается в 104-103 раз, коэффициент фильтрации возрастает в десять - сто раз, что создает более благоприятные условия для их интенсивного выщелачивания при фильтрации воды, чем у породных отвалов.

4. Так как техногенные отходы складируются на земной поверхности, то есть выше уровня грунтовых вод, то градиенты фильтрации в них существенно выше (от 1.0 в отвалах до 2-30 в хвостохранилищах), чем в естественных условиях, т.е. <0.1. Поскольку атмосферные осадки и, особенно жидкая фаза пульпы хвостохранилищ, содержат значительно большее количество свободного кислорода и углекислого газа, чем грунтовые воды, то суммарное воздействие вышеперечисленных факторов предопределяет превышение концентрации солей тяжелых металлов в прошедшем через них фильтрате в сотни и тысячи разг концентраций, характерных для состояния грунтовых и поверхностных вод, формирующихся на естественных ландшафтах.

5. Если скорость (интенсивность) выщелачивания солей тяжелых металлов из отвалов ограничивается количеством инфильтрующихся через них атмосферных осадков, то с хвосто-, шламохранилищами и золоотвалами. ситуация иная. Непрерывный сброс аэрированной пульпы в течение всего периода работы обогатительной фабрики и отсутствие противофильтрационных экранов в ложе и ограждающих дамбах предопределяют потери воды в пределах 40-70% и более от общего объема жидкой фазы. В результате этого окружающие территории подвергаются интенсивному подтоплению и загрязнению подземных вод, при этом площадь подтопления превышает площадь источника загрязнения (хвостохранилища) в 10-80 раз и более. Вокруг породных отвалов, складов некондиционных руд и шлакоотвалов также формируются обширные ореолы загрязнения подземных вод с еще более высокими концентрациями солей тяжелых минералов.

6. Угнетающее воздействие вышеперечисленных техногенных объектов не ограничивается только загрязнением подземных вод. Сопоставимым с этим является ущерб окружающей среде, наносимый сносом пыли с отвалов и сухих пляжей хвостохранилищ и золоотвалов. Этот фактор также следует относить к постоянно действующим, поскольку атмосферная пыль, оседая на окружающие территории, загрязняет земную поверхность, а при последующем растворении токсичные минералы мигрируют в почвы, подпочвы и в конечном счете в подземные воды.

7. Крайняя опасность наземного размещения техногенных образований заключается в их отрицательном воздействии на окружающую среду в течение очень длительного периода. Так, по данным геохимического контроля на руднике Эллиот

Лейк (Канада) выщелачивание токсичных компонентов из хвостов и загрязнение ими подземных вод без какого-либо снижения прослеживается в течение 100-150 лет. Окисление пирита в шламах, сопровождающееся генерацией серной кислоты, которая стимулирует выщелачивание тяжелых металлов, будет продолжаться в течение 200 лет и более. Следует учесть то обстоятельство, что в атмосферный воздух выбрасываются оксиды БОг, CO2.No, и др. и, соединяясь с атмосферным воздухом, в виде кислотных дождей выпадают на техногенные образования, усиливая процесс выщелачивания.

8. Большое количество таких объектов-загрязнителей, расположенных в виде цепочки вдоль прихребтовой части Урала привело к коренному изменению геохимии природных ландшафтов, в результате этого изменился и состав подземных и поверхностных вод. Так, в основных реках - водозаборах питьевой воды Свердловской области содержание тяжелых металлов в 1994 году достигло (по среднегодовым показателям) следующих значений: по меди 34-59, по цинку 5.3 - 5.6, по марганцу -21-27 и сто жйлезу 4.3 - 10.6 ПДК. Максимальные (разовые) концентрации этих металлов достигали соответственно 100, 9.8 . 25 и 15.5 ПДК.

9. Создавшаяся ситуация может еще больше ухудшиться в результате дальнейшей деятельности горно-металлургических комплексов. При этом для размещения вторичных отходов потребуются новые шламохранилища, что с учетом дополнительного загрязнения оборотной воды токсичными реагентами увеличит концентрацию загрязняющих веществ в поверхностных и подземных водах.

10. Следует учитывать также, что из-за снижения в настоящее время потребности в строительных материалах типа щебня и песка объем вторичных отходов при переработке техногенных образований составит не менее 90-95% от исходного, а с учетом дополнительного дробления и рыхления может оказаться даже выше.

Создавшаяся тупиковая ситуация может быть успешно разрешена за счет совмещения двух операций - переработки техногенных образований и технической рекультивации выемок отработанных карьеров и зон обрушения шахт.

Поскольку в большинстве случаев объем выработанного пространства больше или равен объему отвалов и хвостохранилищ, то при складировании в карьеры вторичных отходов: отпадает необходимость в отводе новых земельных участков для их складирования, обеспечивается техническая рекультивация и возвращение в хозяйственный оборот практически всех земель, нарушенных горными работами, ликвидируются техногенные образования, являющиеся постоянно действующими очагами загрязнения атмосферы, подземных и поверхностных вод, обеспечивается постоянство минерального и химического состава вторичных отходов для их последующей более глубокой переработки.

Последнее преимущество является весьма существенным, поскольку техногенные образования, заскладированные на земной поверхности, подвергаются непрерывному изменению за счет окисления и последующего выщелачивания сульфидов. За счет этого содержание металлов в них уменьшается по времени. Более того, при переработке таких образований," в которых тяжелые металлы содержатся в виде окислов, сульфатов, карбонатов и сульфидов, при использовании любой существующей технологии обогащения степень извлечения полезных компонентов будет относительно низкой, не говоря уже о безвозвратной потере той части, которая была растворена и мигрировала с фильтратом.

Характерным примером старопромышленного района Урала является город Нижний Тагил с развитой горной, металлургической, химической и другими

Характерным примером старопромышленного района Урала является город Нижний Тагил с развитой горной, металлургической, химической и другими отраслями промышленности. Систематическая добыча железных руд была начата в 1721 году на Высокогорском месторождении. Небольшие рабочие поселки со временем вследствие развития горного и железоделательного производства расстраивались и образовали город, в черте которого разрабатывались месторождения железных, медных руд, известняка, мрамора, строительных материалов. Естественно это не могло не отразиться на состоянии ландшафта, воздушного и водного бассейнов.

По состоянию на 1999 год территория, занимаемая Высокогорским горнообогатительным комбинатом, составляет почти 2 тыс.га, в том числе нарушено горными работами почти 1 тыс.га. Отработанные и действующие карьеры, зоны обрушений и отвалы вскрышных пород и хвостов обогатительного производства характеризуются следующими показателями (таблица 2).

В результате почти трехвековой деятельности Высокогорского железного рудника, а впоследствии и одноименного горно-обогатительного комбината объемы карьерных выемок составили 182.3 млн. м3 на площади 384.2 га. Отвалы пустых пород и хвостохранилища размещены на 597.4 га, в телах которых накоплено 91.4 млн. м3 отходов производства. Кдоме этого под зоны обрушения от действующих подземных горных работ отведено 158.1 га практически выведенной из пользования земли [1, 3, 7, 10].

В настоящее время уже накоплен определенный практический опыт в использовании выработанных пространств в качестве полигонов для складирования нетоксичных и слаботоксичных отходов горного производства.

В частности, Высокогорским ГОКом использованы для складирования хвостов мокрой магнитной сепарации выемки Каменского, Ивановского, Черемшанского и Северо-Лебяжинского карьеров, причем последнего находящегося на контакте с подземными горными работами шахты "Эксплуатационная". Находится в стадии заполнения Главный карьер. Западный карьер Лебяжинского рудника частично заполнен крупными хвостами мокрой магнитной сепарации, предварительно обезвоженными до влажности 3-5%, в специально построенном корпусе.

В связи с исчерпанием емкости отвала вскрышных пород Гальянского известнякового карьера начались подготовительные работы для транспортировки железнодорожным транспортом и складирования вскрыши в Меднорудянский карьер.

Положительный опыт складирования шламов накоплен на Березовском и Гумешевском рудниках. В обоих случаях замыв подземных пустот планировался с целью ликвидации провальных явлений. Это особенно актуально для Березовского рудника, поскольку зоны обрушения весьма активно развивались непосредственно в городской черте.

Преимущества такого подхода к размещению техногенных и вторичных отходов заключаются в следующем[16]:

- отпадает необходимость в изъятии новых участков из землепользования;

- ликвидируются очаги техногенного загрязнения в виде отвалов и хвостохранилищ, расположенных выше уровня грунтовых вод;

- освобождаются дефицитные земельные участки в городской черте и вблизи промышленных предприятий;

- обеспечивается техническая рекультивация земель, нарушенных горными работами.

Однако, как показал накопленный опыт, помимо положительных моментов при таком подходе к решению проблемы возникает угроза загрязнения подземных вод за счет их смешивания с жидкой фазой пульпы или атмосферными осадками, загрязняющимися при фильтрации через толщу техногенных отходов.

Для предотвращения этой угрозы необходимо исключить или свести к минимуму гидравлическую связь между емкостью складирования отходов и подземными водоемами, а также между отходами и атмосферными осадками. При этом автоматически решается и проблема сохранения и химического состава складируемых Отходов, что упростит решение проблемы их дальнейшего использования.

Таблица

ХАРАКТЕРИСТИКА ЗЕМЕЛЬ, НАРУШЕННЫХ ГОРНЫМИ РАБОТАМИ В ПРЕДЕЛАХ ТЕРРИТОРИИ ВЫСОКОГОРСКОГО ГОКА

Наименование Глубина Занимаемая Объем, Состояние объекта (высота), м площадь, га млн. м3 объекта

КАРЬЕРЫ

Главный 275 108.0 72.3 Шламонакопитель

Меднорудянский 76 23.8 6.2 Отработан, готовится под рекультивацию

Каменский 106 20.4 4.6 Заполнен хвостами

Черемшанский 30 3.7 0.6 Шламонакопитель

Северо-Естюнинский 16 5.2 0.5 Отработан

Естюнинский 85 42.! ' 28.0 Отработан

Западный 87 16.9 5.3 Частично заполнен сухими хвостами

Северо-Лебяжинский 88 28.0 9.1 Шламонакопитель

Мраморный 12 5.4 0.24 Законсервирован

Гальянский 60 71.0 27.9 Действующий

Бауманский 46 4.6 1.1 Заполнен водой

Ивановский 72 29.6 20.0 Заполнен хвостами

Выйский 29 1.8 0.3 Заполнен водой

Северный 10 0.9 0.07 Отработан

Горбуновский 40 22.8 6.2 Рекультивирован

ОТВАЛЫ

Черемшанский 20 274.9 19.7 В стадии рекультивации

Тонский 64 94.9 27.4 Не эксплуатируется

Западно - Ревдинский 70 38.2 12.0 Не эксплуатируется

Каменский 24 16.7 3.2 Не эксплуатируется

Естюнинские 1, 2 15 52.0 7.8 Рекультивированы

Естюнинские 3, 4 21 56.8 10.4 В стадии рекультивации

Северо-Лебяжинский 10 29.2 2.5 Рекультивирован

Гальянский 37 23.8 7.54 В эксплуатации

Прочие отвалы 6-15 . 10.9 0.9 Не эксплуатируются

ОБРУШЕНИЯ шахты

Магнетитовая" 160 64.0 34.1 Действующая шахты

Эксплуатационная" 80 52.0 12.7 Действующая шахты "Естюнинская" 100 42.1 28.0 Действующая

И. ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫЕМОК ОТРАБОТАННЫХ КАРЬЕРОВ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ОТХОДОВ ГОРНО - МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Высокогорский ГОК является одним из инициаторов использования карьерных выемок для складирования отходов горного производства. Так, уже по состоянию на 1.01.1993 года хвостами магнитной сепарации были полностью заполнены емкости Ивановского, Черемшанского и Каменского карьеров с общим объемом 5.5 млн.м3 и занимаемой площадью 25.9 га. В стадии заполнения аналогичными отходами находились Северо-Лебяжинский (СЛИК) и Западный карьеры. За счет отсыпки вскрышных пород Гальянского карьера была рекультивирована выемка Горбуновского карьера. Вместе с тем на промплощадке ГОКа по-прежнему на земной поверхности остаются заскладированными в отвалах и хвостохранилищах около 62 млн.м3 отходов, а объем незаполненных карьерных выемок равен 107.6 млн.м3.

Из приведенных цифр следует, что Высокогорский ГОК при вовлечении а переработку техногенных образований в состоянии не только освободить всю территорию, занимаемую отвалами и Черемшанским хвостохранилищем за счет складирования вторичных отходов в карьерные выемки, но и возвратить в хозяйственный оборот восстановленные земли общей площадью до 550 га. Более того, оставшаяся часть объемов карьерных выемок в 45 млн.м3 может быть использована для размещения отходов других производств.

Основными задачами, которые необходимо решить для успешной реализации вышеупомянутой идеи, являются [2, 4, 5, 6, 7, 9, 12]: оценка токсичности отходов, которые подлежат складированию с учетом содержания в них природных и техногенных (флотореагенты) токсикантов; обоснование выбора оптимального варианта пары: накопитель отходов - карьер, используемый в качестве полигона для складирования вторичных отходов, с учетом как их токсичности, так и гидрогеологических условий выемки; обоснование технологии складирования отходов в карьер с учетом используемого вида транспорта, состояния отходов (сухие, жидкие), крутизны и устойчивости откосов, глубины выемки; обоснование необходимости и способа гидроизоляции бортов и дна карьерной выемки для исключения возможности поступления токсикантов из складируемых отходов в подземные воды; разработка мероприятий по предотвращению пылеобразования при складировании отходов и загрязнению прилегающих к полигону территорий; обоснование способа консервации, захоронения и конструкции противоинфильтрационного экрана, исключающего возможность проникновения в токсичные отходы атмосферных осадков.

На основе детального анализа горно-геологических условий не заполненных отходами карьеров (см. таблицу 2) и экологической ситуации на земельном отводе Высокогорского ГОКа разработаны и реализуются следующие рекомендации:

1. В ближайшие 10-15 лет должен быть ликвидирован наиболее опасный техногенный объект Высокогорского ГОКа - Черемшанское шламохранилище, являющееся не только источником интенсивного пылеобразования, но и загрязнителем источника питьевого водоснабжения г.Н.Тагила - Верхне-Выйского пруда. Эта задача будет решена за счет переработки большей части лежалых хвостов с целью получения из них медного концентрата с последующим складированием вторичных отходов в выемку

Главного карьера. Оставшаяся часть хвостов, не содержащая сульфиды, будет использована. . в процессе осуществления технического этапа рекультивации Черемшанского хвостохршшлища [¡1]. Так как объем выемки Главного карьера равен 72.3 млн.м', а объем хвостов Черемшанского хвостохранилища, подлежащих отработке,-составит около 15 млн.м"', то в Главный карьер будет продолжаться складирование хвостов текущей добычи шахт "Магметитовая" и "Естюнинская". В результате выполнения этой программы в хозяйственный оборот г.Н.Тагила будет возвращено около 300 га восстановленных земель и в значительной мере восстановлено геодинамическое равновесие литосферы [8].

Вопросы, связанные с защитой окружающей среды от загрязнения и защиты подземных выработок ш.'ЧИагнетитовая" от прорыва в них шламов при реализации программы переработки лежалых хвостов и сернистых хвостов текущий добычи и их захоронения в Главном карьере прошли" все стадии контроля со стороны природоохранных органов и органов горного надзора и освещены в печати [2, б, 7, 8, 9, 10].

2. Будет продолжено складирование хвостов магнитной сепарации в Северо-Лебяжинский известняковый карьер (СЛИК), при этом какие-либо мероприятия по экранированию бортов не предусматриваются поскольку : отходы представлены бессернистыми хвостами, поэтому их токсичность не превышает IV класс, и согласно СНиП для таких отходов гидроизоляция не требуется; массив пород, слагающих борта СЛИК, находится за пределами зоны карстообразования, и его коэффициент фильтрации не превышает 1х 10"4 м/сутки. уровень грунтовых вод в районе СЛИК лишь на 4-6 м ниже рельефа земной поверхности, а уклон грунтового потока в сторону р. Тагил не превышает 0.03, поэтому фильтрационные потери из хвостохранилища при заполнении его до отметки + 190 м не превышают 20-30 м'/час, а после создания противоинфильтрационного экрана станут еще ниже.

3. Западный карьер Лебяжинского месторождения длительное время использовался для складирования крупной части обезвоженных хвостов мокрой магнитной сепарации. Учитывая их низкую удельную активную поверхность (по сравнению с хвостами мокрой магнитной сепарации), отсутствие в них сульфидных минералов, а также сухой способ складирования, в проведении каких-либо работ по гидроизоляции карьера даже после его заполнения до уровня грунтовых вод (УГВ) нет необходимости.

4. Меднорудянский карьер, расположенный вблизи Главного карьера и окруженный с трех сторон жилыми постройками, является источником постоянной угрозы безопасности людей и аварий, связанных с деформациями его бортов. Подготовлено обоснование по рекультивации этого объекта за счет заполнения выемки вскрышными породами Гальянского карьера флюсового известняка. Наличие железной дороги между этими карьерами позволяет свести транспортные затраты к минимуму, тем более, Что перевозка будет осуществляться по горизонтали. Реализация этого решения позволит решить проблему с земельным отводом для размещения вскрыши на десять лет за счет складирования 6,2 млн.м3 а выемку Меднорудянского карьера, ликвидировать угрозу развития оползней и вернуть городскому хозяйству земельный участок в 23,8 га.

Учитывая отсутствие токсикантов во вскрышных породах Гальянского карьера, в создании противоинфильтрационного экрана нет необходимости. Поэтому затраты на реконструкцию сведутся лишь к нанесению потенциально плодородного слоя, посадки деревьев и кустарников и внесению удобрений, если будет принято решение использовать этот участок для создания парковой зоны.

5. По остающимся незаполненными выемкам Выйского, Северо-Естюнинского и Естюнинского карьеров общим объемом 29,9 млн.м3 и занимаемой площадью 53,7 га (см. таблицу 2) в настоящее время ведутся предварительные технико-экономические расчеты по выбору наиболее эффективного способа использования этих емкостей и снижения затрат на рекультивацию.

III. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СКЛАДИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ В КАРЬЕРНЫЕ ВЫЕМКИ

Складирование твердых отходов в отработанные карьерные выемки возможно лишь при условии решения следующих проблем: обеспечения устойчивости борта карьера на участке разгрузки автомобилей или думпкаров; выбора оптимального способа перемещения отходов с разгрузочной площадки под откос отвального яруса; обеспечения устойчивости отвального яруса при его высоте, соответствующей глубине карьерной выемки; разработки мероприятий по управлению просадками отвального яруса, отсыпаемого в затопленную выемку.

1. Выбор участка контура карьера по земной поверхности, с которого возможно безопасное ведение складирования твердых отходов (скальные и полускальные вскрышные породы, хвосты сухой магнитной сепарации и т.п.), производится исходя из следующих соображений: безопасность отвальных работ с разгрузкой под откос отвального яруса гарантируется, если угол наклона верхних уступов не превышает угла внутреннего трения слагающих его пород (<р = 35-40° для скальных; 30-35° для полускальных и 30° для элювиально-делювиальных глинистых пород); если высота отвального яруса превышает 30 м, угол трения твердых отходов должен рассчитываться с учетом эффекта их сегрегации, с последующим расчетом устойчивости яруса; если по профилю борта на участке, с которого начинается отсыпка внутреннего отвала, имеются широкие бермы, следует иметь в виду,, что при смещении откоса яруса за пределы этой бермы высота яруса резко увеличивается, вследствие чего на верхней площадке отвального яруса неизбежно возникновение просадок и образование трещин; расчет устойчивости отвального яруса должен производиться с учетом возможности прохождения части поверхности скольжения по контакту отвал - откос уступа, для которого значение ср = ф1 будет минимальным, а сцепление (с) равно нулю; устойчивость отвального яруса можно считать гарантированной, а его дальнейшее развитие безопасным, после того, как его нижняя бровка достигнет противоположного уступа или удалится от нижней бровки борта, с которого ведется отсыпка на расстояние не менее 0,2 Ьтах (Ьтах - максимальная высота яруса).

2. В начальный период развития отвального яруса складирование отходов должно осуществляться с соблюдением следующих ограничений: разгрузка автомобилей с отходами должна производиться на расстоянии не менее 5 м от бровки верхнего уступа или откоса яруса с дальнейшим перемещением его под откос бульдозером; разгрузка думпкаров должна производиться на расстоянии не менее 12м, если высота яруса превышает 30м с дальнейшим его перемещением под откос экскаватором (исключение допускается только для скальной вскрыши при использовании плугов).

После отхода нижней бровки яруса от поверхности борта по его основанию на расстояние более 0,2h, автомобили могут разгружаться непосредственно под откос при обязательном соблюдении требований п. 62, 74-76 Единых правил безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом.

3. При складировании твердых отходов в карьерные выемки устойчивость отвала можно считать гарантированной независимо от его высоты, если выполняется неравенство <р„, (О где а„ - угол откоса яруса ( при h„> 30°, ая= 35-36°), р„ - угол внутреннего трения складируемых отходов с учетом нормативного коэффициента запаса п = 1,20.

Применительно к условиям отсыпки скальной и полускальной вскрыш Гальянского карьера в выемку Меднорудянского карьера в качестве исходных принималось: а) гранулометрический состав характеризуется (по накопленным частностям) следующими значениями: ОСю = 0,05м; а17 = 0,07м; а30 = 0,18м; aso = 0,25м; а60= 0,31м; а85 = 0,69м ; аюо = 1,15 м; б) расчет пористости и угла внутреннего трения отходов производился по формулам: a = 0,47 - 0,12 18К„, (2)

Н" ОСю ф^агсш^. (4)

Тогда для исходного состояния отходов К„; п и ф соответственно равны 4.4; 0,39 и 46°; в) объемный вес отходов в отвале

Yo = Y. 0-п), (5) где у, - удельный вес минеральной части отходов (у,= 2,8 т/м3).

При высоте отвального яруса от 30 до 45 м коэффициент неоднородности в его нижней части снижается до величины К„ < 3,0, а пористость и угол трения соответственно равны 0,41 и 45,2°, при высоте яруса 60 м значения К„, п и ср будут соответственно равны 1,8; 0,44 и 44°.

Таким образом даже при высоте яруса h, = 60м угол внутреннего трения складируемых отходов, представленных скальными и полускальными породами, не может быть ниже 44°, откуда после введения коэффициента запаса п = 1,20 имеем ф„ = 39°, т.е. больше, чем а, = 35° - 36°.

Основываясь на аналогичных расчетах по каждому объекту, заполнение выемок Горбунсвского карьера вскрышными породами и Западного карьера хвостами сухой магнитной сепарации производилось одним ярусом с отметки земной поверхности. Аналогичным образом будет производиться и заполнение выемки Меднорудянского карьера, так как в этом случае объем бульдозерных работ сводится к минимуму. Он ограничивается планировкой верхней площадки яруса, т.е. формированием рельефа под заполненной отходами выемкой, а также оформлением и перемещением предохранительного вала, через который ведется разгрузка автомобилей под откос.

IV. ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СКЛАДИРОВАНИЯ ЖИДКИХ ОТХОДОВ В КАРЬЕРНЫЕ ВЫЕМКИ И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЗАЩИТЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

При складировании отходов горного производства в хвостохранилища, расположенные на земной поверхности, неблагоприятное воздействие на окружающую среду проявляется в следующем [4, !2, 13, 14]: а) загрязнении подземных и поверхностных вод фильтратом, содержащим повышенные концентрации нефтепродуктов, сульфатов, нитратов и т.п., поскольку потери оборотной воды из-за отсутствия противофильтрационных экранов в ложе хвостохранилищ и теле ограждающих дамб составляют от 40 до 90% оборотной воды; б) больших фильтрационных потерях, которые неизбежно ведут к подтоплению и заболачиванию территорий, примыкающих к хвостохранилищу, при этом ширина зоны подъема уровня подземных вод может достигать 10 км и более; в) низкой устойчивости фильтрационных дамб из намывочного материала, что предопределяет необходимость поддержания крайне низкого уровня воды в прудке -отстойнике, вследствие чего ширина обсохшей части пляжей за пределами зоны действующих выпусков может достигать сотен метров, а это сопровождается интенсивным сносом токсичной пыли практически в течение всего бесснежного периода года и ведет к интенсивному загрязнению атмосферы и почв на расстоянии нескольких десятков километров от хвостохранилищ; г) в тех случаях, когда вблизи действующих и законсервированных хвостохранилищ производятся взрывные работы, существует постоянная опасность внезапного разрушения ограждающих дамб из-за перехода намытых шламов в текучее состояние [8].

При складировании отходов обогащения в карьерные выемки при условии их заполнения не выше уровня местного базиса разгрузки подземных вод (река, озеро, пруд) отрицательное проявление всех вышеперечисленных факторов полностью исключается [9]. В тех случаях, когда заполнение карьеров и зон обрушения техногенными отходами производства выше уровня местного базиса разгрузки, но не выше земной поверхности, проявление отрицательного воздействия на окружающую среду, указанного в пунктах "в" и "г", также не может иметь места. Что касается факторов, указанных в пунктах "а" и "б", то даже при отсутствии специальных мероприятий по предотвращению потерь воды они будут проявляться значительно слабее, чем на хвостохранилищах наземного типа.

Это можно подтвердить следующими расчетами [2] : фильтрационные потери из хвостохранилища через его ложе определяются уравнением

3 = Б х К х I, (б) где Б - площадь хвостохранилища ниже уровня его заполнения;

К - коэффициент фильтрации шламов и фунтов основания выше уровня грунтовых вод (УГВ); } - градиент.

Градиент напора подземных хвостохранилищ :

I = > 1 (7) где Ив - глубина прудка отстойника, т - мощность шламов.

Так как коэффициент фильтрации неуплотненных шламов К > 10 м/сутки, то согласно (б) и (7) утечки воды из наземных хвостохранилищ даже без учета фильтрационных потерь через ограждающие дамбы крайне велики, если их основание не сложено плотными глинистыми грунтами или не перекрыто экраном.

При создании хвостохранилищ в выработанном пространстве карьеров фильтрационные потери можно определить по формуле

2 = Рх.ЬхК х 1, (8) где Р - периметр карьера по уровню его заполнения; высота зоны фильтрации: .И = Нз - Нбр; . (9)

К - коэффициент фильтрации пород, слагающих борта карьера (на уровне заполнения шламами);

Н3 и Нбр - соответственно отметки уровня воды в карьере и местного базиса разгрузки; величина градиента в формуле (8) определяется из условия = ЁЫЬ, , (10) где Ь - расстояние от центра хвостохранилища до ближайшего водотока или водоема (базиса разгрузки).

Поскольку при 1 = 0 какие-либо утечки воды невозможны, то в течение большей части периода эксплуатации хвосггохранилищ, создаваемых в карьерных выемках и зонах обрушения, их отрицательное воздействие на окружающую среду не существенно, за исключением случаев, когда вокруг карьера создана и поддерживается депрессионная воронка с целью обеспечения обогатительной фабрики оборотной водой. В этом случае в регионах с избыточным увлажнением возникает проблема утилизации избыточной воды, поступающей из шахтного водоотлива. Если уровень ее загрязнения превышает естественный, перед ее сбросом в водотоки она должна проходить предварительную очистку.

Однако и в этом случае эта проблема решается гораздо проще и дешевле, чем перехват, отвод и очистка фильтрата из наземных накопителей [3, 5, 6, 10].

Таким образом, основные преимущества создания хвостохранилищ в выемках отработанных карьеров сводятся к следующему:

1. Если заполнение карьерной выемки токсичными отходами горного производства производится только до уровня местного базиса разгрузки подземных вод с последующим их перекрытием противофильтрационным экраном, то загрязнение поверхностных и подземных вод в принципе невозможно. Если заполнение выемки производится до уровня земной поверхности, то защита подземных и поверхностных вод обеспечивается созданием боковых или межслоевых противофильтрационных экранов или поддержанием депрессионной воронки вокруг карьера до его заполнения отходами и последующей рекультивации. В любом случае потери фильтрата из подземных хвостохранилищ в десятки раз ниже, чем из наземных [2, 9, 13, 14].

2. Полностью ликвидируется опасность прорыва ограждающих дамб и затопления окружающих территорий пульпой.

3. Без каких-либо специальных мероприятий полностью ликвидируется пылевой снос с территории« хвостохранилища, который на наземных хвосгохраншшщах достигает нескольких тысяч тонн в год [11].

4. Создание хвостохранилищ в карьерных выемках позволяет не только отказаться от изъятия из землепользования новых площадей, но, наоборот, после замыва карьерных выемок и зон обрушения шламами, когда автоматически выполняется наиболее дорогостоящий технический этап их рекультивации, эти земли вновь возвращаются в хозяйственный оборот (4, 5, 6, 7, 9, 12, 13, 14].

Из вышеприведенного обоснования следует, что основной и по существу единственной серьезной проблемой, которую необходимо решать перед использованием карьерных выемок под хвостохранилища, является разработка и реализация мероприятий по защите подземных вод от загрязнения токсикантами, содержащимися в складируемых отходах [2, 9].

При разработке таких мероприятий в качестве исходных ограничений следует учитывать следующее: Если вблизи карьера (в пределах водоохранной зоны) отсутствуют водозаборы подземных вод, а токсичность складируемых отходов не превышает 1У класс опасности, то в гидроизоляции дна и стенок выемки нет необходимости, если это требование не обусловлено необходимостью защиты подземных выработок действующих рудников от затопления.

2. Гидроизоляции дна и стенок выемки не требуется, если коэффициент фильтрации пород Кф < 1 х 10"® м/сутки для отходов 1П-1У классов токсичности и

Кф < 1 х 10'5 м/сутки - для отходов П-Ш классов токсичности.

3. Если породы, слагающие борта карьера, имеют разные значения коэффициента фильтрации, то противофильтрационные мероприятия обязательны только на тех участках, где значение Кф превышает величины, указанные в п.2 при условии, .что эти зоны расположены выше местного базиса разгрузки подземных вод.

4. Если карьерная выемка, заполняемая жидкими отходами, имеет прямую гидравлическую связь с подземными выработками действующего рудника, расположенными ниже уровня заполнения карьера, мероприятия по предотвращению прорыва в них воды и шламов обязательны.

5. При выборе способа защиты подземных вод от загрязнения при заполнении карьерных выемок отходами горного производства предпочтение следует отдавать противофильтрационным экранам из глинистого материала из-за их нейтральности к воздействию техногенных и природных факторов, способности сохранять сплошность при больших величинах деформаций, дешевизны и возможности сооружения с использованием технических средств, имеющихся на любом горном предприятии.

6. Конструкции противофильтрационкых экранов определяются местом и условиями их формирования, а также необходимостью обеспечения их долговременной сохранности. При этом по условиям сооружения можно выделить следующие типы: горизонтальные (дно выемки и поверхностный экран), наклонные (пологие участки бортов) и межслоевые экраны. По способу формирования используются экраны, создаваемые "на сухую" посредством укатки глинистого грунта и намывки, формируемые за счет смыва в водоем расчетного объема глинистого грунта и последующего запуска коагулянта. По конструкции экраны, создаваемые "на сухую", могут быть одно- и многослойные в зависимости от величин расчетных напоров и допускаемых проектом потерь фильтрата. „

7. Если борта и дно карьера сложены породами с Кф ^ 10* м/сутки, за исключением отдельных локальных зон, представленных зонами дробления, сопровождающими разрывными нарушениями, то гидроизоляция выемки может быть обеспечена за счет тампонажа этих зон глинисто-цементным раствором, выполняемого поэтапно снизу вверх по мере заполнения выемки шламами.

8. Поверхностный (противоинфильтрационный) экран является обязательным для всех выемок, заполняемых токсичными отходами или отходами, содержащими ценные компоненты, из-за которых возможна вторичная переработка отходов. При сооружении такого экрана он должен располагаться на глубине не менее толщины сезонного слоя промерзания и перекрываться защитным слоем нейтральных отходов или грунта перед проведением биологического этапа рекультивации. Поверхности этого экрана должна придаваться куполообразная (если карьер находится на равнинном участке) или наклонная (по рельефу) форма для отвода перехватываемых им атмосферных осадков за пределы захоронения [4, 9, 12].

Вышеперечисленные мероприятия и рекомендации в той или иной мере использовались при заполнении Ивановского, Черемшанского, Каменского и других карьеров [7], но наиболее полное их применение было учтено в процессе разработки проекта хвостохранилища в Главном карьере Высокогорского ГОКа и в его последующей практической реализации [2, 4, 7, 9, 12, 14].

Выемка Главного карьера имеет глубину около 280м. Борта карьера сложены тремя комплексами пород: связными (выше отметки +80м), полускальными (мощностью 15-20м) и скальными. Невыветрелые скальные породы (ниже отметки +70м) представлены толстослоистыми крепкими известняками и порфиритами. Скальный массив в пределах контура карьера расчленен на пять крупных блоков разрывными нарушениями, сопровождаемыми зонами дробления (рис. 1) мощностью до 20-30м. Полости этих зон выполнены щебнем и дресвой известняков с интенсивным проявлением карстовых процессов. Размер карстовых каналов достигает 0.4 м. Высота и угол откоса уступов на предельном контуре карьера в связных породах равны 10 . 20м и 30. 35°, в скальных соответственно 24.36м и 60.75°. Углы погашения бортов карьера в связных породах равны 25-30°, в скальных достигают 50а.

Восточный борт карьера подсечен зоной обрушения, возникшей при отработке Западно-Ревдинской залежи (рис.2). Наличие этой зоны и тектонических зон дробления способствовало формированию зоны разгрузки скального массива под дном и в восточном борту карьера, так как сжимающие напряжения, действующие параллельно обнаженной плоскости, равны 4-10 МПа, тогда как напряжение, действующее по нормали к обнажению, практически отсутствует.

Результаты расчета ширины трещин разгрузки в скальном массиве восточного борта приведены на рис.3, где показана ширина трещин разгрузки в миллиметрах, расстояние между которыми принято равным высоте рабочего уступа (12м).

Наличие карстовых каналов, показанных на рис.1, зоны обрушения (см. рис. 2) и трещин разгрузки (см. рис.3) предопределили крайне неблагоприятные условия формирования хвостохранилища в Главном карьере из-за прямой гидравлической связи между хвостохранилищем и дренажными выработками шахт № 11 и "Магнетиточая", пройденными на отметках -130; -50 и +30м ( рис.4). Так как на момент организации хвостохранилища уровень депрессионной воронки шахты "Магнетитовая" под дном карьера располагался на отметке -300м, то при сливе пульпы должны были резко возрасти не только водопритоки к зумпфу, но и возникнуть угроза прорыва в подземные выработки шламов. Для проверки обоснованности этих опасений были проведены расчеты возможных утечек из карьера и его опытное заполнение. Расчет фильтрационных потерь выполнялся по схеме рассеянной фильтрации через всю поверхность контакта воды к бортам карьера (фильтрация через дно в обеих схемах не учитывалась, так как

Рис. I. Совмещенный план Главного карьера:

1 - точки массовых размеров трещиноватости; 2 - карстовые полости; 3 - точки отбора эшовия; 4 - пункты замеров водопрнтоков а дренажных выработках Х»11 (гор. - 130 м); 5 - зоны разрывных нарушений; 6 - абсолютные отметки горизонтов в карьере; 7 - зоны развития глинистого элювия; 8 - восточная граница зоны обрушения ЗРЗ.

Рис. 2. Геологический разрез РЛ 26: 1 - извес тняк; 2 - порфириты; 3 - элювий сиенитов; 4 - мартитовая зона; 5 - внутренний отвал; б - зона обрушения; 7 - рудное теЛо ЗРЗ;

8 - разрывные нарушения ;;

Рис. 3. Дополнительная деформация трещин на шаг разгрузки в массиве восточного борта Главного карьера (РФ 26): а - незаполненный карьер; б - карьер, заполненный шламамн. Знак "минус" - раскрытие трещин на базе 1, "плюс" - сжатие трешин.

Рис. 4. Принципиальная схема шламохракшшща в Главном карьере и шахты «Магнетитовая»: 1 - дренажная шахта № 11; 2 - комплекс оборотного водоснабжения; 3 — штольня самотечного коллектора; 4 — сгвол у МОФ - 1; 5 - ш. «Магнетитовая»; б - ш. «Магнетитовая - бис»; 7 - ш. «Клетевая»; 8 - МОФ - 2; 9 - ствол у МОФ - 2; 10 - водонепроницаемые перемычки оно сложено плотным глинистым материалом) и за счет фильтрации по водопроводящим зонам дробления. По первому варианту максимальные потери фильтрата при заполнении карьера до отметки -22 м не должны превышать 112 м3/час, по второму (с учетом подтопления только двух водопроводящих зон из пяти) - 1425 м:7час.

Фактические потери воды при опытном заполнении выемки до отметки -22м составили 900 м3/час, из них по зоне разлома № 1 на дренажный штрек гор.-130м поступило 700 м3/час.

Таким образом, результаты опытного заполнения карьера полностью подтвердили необходимость переработки проектных решений за счет дополнения их комплексом научнообоснованных решений, включающих: надежную защиту выработок шахты «Магнетитовая» от затопления шламами в случае их прорыва в дренажные штреки шахты № 11 через систему карстовых каналов; разработку средств и мероприятий для подавления фильтрационных потерь через карстовые каналы и зоны дробления в процессе заполнения карьерной выемки при ее заполнении; разработку метода ликвидации угрозы прорыва воды в зону обрушения Западно-Ревдинской залежи (ЗРЗ) после подъема уровня воды в карьере выше отметки +80м; разработку метода и средств для оперативного снижения уровня воды в карьере в случае увеличения фильтрационных потерь выше допустимого или подъема уровня в период весеннего паводка; разработку схемы обеспечения обогатительной фабрики оборотной водой за счет перехвата и использования фильтрационных потерь из карьера.

1.Для обеспечения защиты подземных выработок щ."Магнетитовая" были запроектированы и построены глухие железобетонные перемычки в квершлагах горизонтов -130 и -50 м, соединяющих шахту № 1Р с действующим рудником, рассчитанные на давление 4 МПа, Третья перемычка будет сооружена в квершлаге горизонта +30м при подъеме уровня воды в хвостохранилище до этой отметки.

2. В качестве основного средства снижения потерь воды из хвостохранилища при затоплении его глубинной части предложено создать систему межслоевых экранов из глинистого материала, создаваемых методом намыва [2, 9] (рис. 5).

Опытная проверка эффективности такого экрана была проведена в ходе второго опытного заполнения выемки за счет смыва в карьер глинистого грунта после подъема в нем уровня воды до отметки -22м, т.е. как и в первом опыте. Потери воды из карьера через зоны дробления на момент прекращения слива пульпы (до намыва глины при втором заполнении составили 640 м3/час, при первом заполнении 700 м3/час), т.е. результаты были идентичными (рис.5). Однако, если при первом опыте потери воды по мере спада ее уровня снижались по линейному закону (см. рис.4), то при втором намыве (после намыва экрана толщиной около 0,15м) снижение потерь происходило более интенсивно, что обусловлено совместным влиянием тонкого экрана и уменьшением ширины трещин разгрузки за счет их отжатия шламами, расположенными ниже экрана по мере их осушения. Проектом предусмотрено создание горизонтальных экранов на отметках -50; + 85; +165м и на уровне земной поверхности в период окончания рекультивации карьера. Наклонные экраны на отметках +48 и + 85 м - для обеспечения надёжной гидроизоляции карстовых каналов (ряс. 5).

3. Для предотвращения возможности прорыва воды и пульпы в зону обрушения ЗРЗ была осуществлена ее засыпка горной массой, поступавшей с нижних горизонтов карьера при его доработке (см. рис.2). Однако из-за невозможности надежной оценки величины Кф в отвалах, который может достигать 30 м/сутки, по откосам отвальных ярусов выше гор. +72м на участке между РЛ 23 и РЛ 29 предусмотрено сооружение

Разрез

Рис. Схема расположения защитных экранов в Главном карьере: - экран № 1 отм. - 50 м; 2 - наклонный экран № 4 отм. + 48 м; 3 - наклонный экран № 5 отм. + 70 м; 4 - первая очередь заполнения карьера отм. + 85 м; 5 - вторая очередь заполнения карьера отм. + 165 м; 6 - защитный экран по окончанию рекультивационных работ

Рис. о. График зависимости потерь па фильтрацию от уровня воды в карьере: 1 - первое заполнение; 2 - второе заполнение наклонных противофильтрационных экранов из глинистого грунта. Сооружение экрана будет производиться последовательной накаткой нескольких слоев при общей мощности экрана т > 0,5м. Для предотвращения возможности оплывания экрана при его подтоплении предусмотрена пригрузка глинистого грунта скальной горной массой толщиной не менее 2.5м.

4. Для обеспечения возможности оперативного снижения уровня воды в хвостохранилище введена в эксплуатацию передвижная водоотливная установка с производительностью 1000 м3/час. Вода, забираемая этой установкой, подается по водоводу непосредственно на обогатительную фабрику для включения во внутрихозяйственный оборот.

По мере заполнения карьерной выемки шламами передвижная установка перемещается в новое положение по существующему автомобильному съезду.

5. Для обеспечения максимального использования рудничных вод ш."Магнетитов'ая", основную долю которых составляют потери фильтрата из хвостохранилищ, во внутрихозяйственном обороте и надежного водоснабжения МОФ-2 оборотной водой разработана и реализована схема водоотлива.

Депрессионная воронка ш."Магнетитовая" перехватывает не только фильтрационные потери из хвостохранилища, но и все внутрихозяйственные потери воды и атмосферных осадков, выпадающих на большую часть промплощадки, которые в виде рудничных вод собираются в зумпфах, что гарантирует возможность полного удовлетворения потребностей внутрихозяйственного потребления рудника.

В то же время контроль за состоянием загрязнения шахтных вод на водоотливе обеспечивает возможность принятия оперативных мер по их доочистке, если возникнет такая необходимость [6, 12, 14].

Внедрение вышеперечисленных рекомендаций обеспечило безаварийную эксплуатацию хвостохранилищ в Главном карьере в течение 4 лет.

За этот период не было зафиксировано случая загрязнения шахтных вод флотореагентами (бутиловый ксантогенат калия, 2-этилгексанол и полиакриламид) до уровня ПДК хотя бы по одному компоненту. Потери фильтрата из карьера также не превышают расчетных значений, хотя уровень воды в карьере за этот период поднялся с отметки -60м до + 25 м. Исходя из этого, можно ожидать, что после намыва межслоевого экрана на кровлю складируемых шламов на отметке +10. +15м потери воды на фильтрацию могут быть уменьшены в несколько раз. Однако для обеспечения МОФ-2 оборотной водой в этом случае необходимо увеличить мощность передвижной насосной станции в карьере до 2-3 тыс.м3/час, так как водопритоки к водоотливным установкам шахты "Магнетитовая" снизятся на эту же величину. В настоящее время производится технико-экономическая оценка целесообразности создания противофильтрационного экрана на отметке +10м или отказа от его формирования.

V. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОНСЕРВАЦИИ ЗАХОРОНЕНИЙ ОТХОДОВ В КАРЬЕРНЫЕ ВЫЕМКИ НА СТАДИИ ИХ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ.

Поскольку целью работы является разработка методов и средств реабилитации нарушенных земель, то при заполнении карьерных выемок отходами горного производства независимо от степени их токсичности и состояния (жидкие, твердые) завершающим видом работ по реабилитации участка должно быть выполнение технического этапа рекультивации. Лишь после выполнения этого этапа, в процессе которого должна быть обеспечена надежная гидроизоляция захоронения токсичных отходов и восстановлен естественный рельеф местности на нарушенной территории или создан искусственный, предусмотренный проектом, могут быть начаты работы по выполнению биологического этапа рекультивации участка, или он будет передан под застройку. Так как затраты на технический этап рекультивации карьерных выемок составляют не менее 90-95% от общей стоимости реабилитации участка (эта доля тем выше, чем больше глубина выемки и объем выработанного пространства), то его выполнение должно финансироваться предприятием, разрабатывавшим месторождение, или государством. Использование карьерных выемок и зон обрушения в качестве емкостей для складирования отходов горного производства позволяет выполнить основную часть технического этапа рекультивации в процессе их заполнения без особых затрат, однако выполнение реализации последней стадии этапа технической рекультивации, несмотря на относительно малый объем затрат невозможно без разработки комплекса мероприятий, учитывающих состояние заскладированных отходов, целесообразность и степень их консервации и обезвоживание, а также оценку их прочностных и деформационных характеристик, если на реабилитированной территории планируется промышленное и гражданское строительство с большими нагрузками на грунты, слагающие их основание. При разработке этих мероприятий необходимо учитывать следующее:

1. При размещении в карьерных выемках сухих техногенных отхоов, представленных несвязной горной массой, не содержащей токсиканты (отходы 1У класса токсичности или нетоксичные) заполнениеих может производиться или до уровня земной поверхности, если восстанавливаемая территория предназначается для последующей застройки, или на 0.5-0.7м ниже естественного рельефа, если предполагается осуществление биологического этапа рекультивации [2, 9, 11].

2. При заполнении карьерной выемки токсичными техногенными отходами, независимо от способа их укладки ("на сухую", с использованием гидротранспорта и т.п.), глубины залегания грунтовых вод и коэффициента фильтрации пород, слагающих борта карьера, устройство перекрывающего их противоинфильтрационного экрана обязательно.

3. Если заполнение карьера токсичными отходами произведено выше местного базиса разгрузки подземных вод, то при перекрытии захоронения противоинфильтрационным экраном необходимо обеспечить его качественное сочленение с бортовыми противофильтрационными экранами.

4. Если естественный уровень грунтовых вод располагается ниже дна выемки, заполненной токсичными отходами, при консервации захоронения достаточно его перекрытия только противоинфильтрационным экраном, исключающим возможность проникновения в отходы атмосферных осадков.

5. При формировании противоинфильтрационных экранов, независимо от способа складирования токсичных отходов и их состояния на момент консервации, поверхности последних должна быть придана куполообразная форма или форма, повторяющая естественный рельеф с целью обеспечения эффективного стока скапливающихся на поверхности экрана атмосферных осадков за пределы захоронения. Толщина экрана, сооружаемого из глинистого материала, должна быть не менее 0.5м (укатка в два слоя "на сухую"). Толщина защитного слоя над экраном для предотвращения его повреждения сезонным промерзанием для условий Уральского региона должна быть не менее 2м.

6. Если складирование отходов производилось с использованием гидротранспорта, то формированию противоинфильтрационного экрана должно предшествовать осушение отходов и ликвидация прудка отстойника. Эта операция может быть осуществлена одним из следующих образов: после замыва выемки на полную глубину вокруг ее создается кольцевая ограждающая дамба высотой - до 2-3 м, на которую укладывается пульповод и продолжается намыв складируемых тонкодисперсных отходов или пульпы из нейтрального песчано-глинистого материала до момента достижения дном прудка уровня, соответствующего самой низкой отметке рельефа по контуру карьера; слив пульпы прекращается и в карьер запускается расчетное количество коагулянта; после полного осветления воды в прудке производится ее откачка плавучей установкой, а оставшаяся часть сбрасывается на рельеф и собирается в канаву, соединяющую наиболее низкую часть контура карьера с прудком (ограждающая дамба ликвидируется); после полного стока воды и обезвоживания верхнего слоя отходов производится их перемещение (совместно с грунтом ограждающей дамбы) к центру захоронения с целью придания его поверхности заданной формы; на выровненную поверхность отходов накатывается глинистый фунт и отсыпается защитный слой грунта; если ограждающие дамбы были сооружены из глинистого грунта, а замыв верхней части захоронения производился нейтральной глинистой пульпой, то гидроизоляция захоронения от атмосферных осадков будет осуществлена в процессе перемещения этого грунта и его укатки, т.е. в устройстве специального экрана необходимости не возникнет.

VI. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТРАБОТАННЫХ ЁМКОСТЕЙ НА ПРИМЕРЕ ГЛАВНОГО КАРЬЕРА

Складирование вторичных отходов при переработке техногенных образований целесообразно и экономически выгодно производить в отработанные карьерные выемки. При этом не требуется отведение новых земельных участков для размещения отходов, исключаются затраты на строительство с учетом современных экологических требований поверхностных объектов складирования, осуществляется дорогостоящий технический этап рекультивации, ликвидируются пылеобразование и связанное с ним загрязнение атмосферы и почв окружающей территории.

Экономический эффект от использования Главного карьера для складирования отходов обогащения магнитно-обогатительной и флотационной фабрик Высокогорского горно-обогатительного комбината в период с июля 1995 по февраль 1999 гг. составил:

1. От неизъятия земель под строительство нового поверхностного шламохранилища

Эп = Эпл * С * Т, где Бпл - площадь шламохранилища, м2;

С - ставка платежей за 1 м2 площади, руб.;

Т - период эксплуатации шламонакопителя в Главном карьере, год;

3 500 ООО * 0,042 * 3,5 = 514,5 тыс. руб.

2. Снижение эксплуатационных затрат на складирование отходов за счет применения самотечного транспорта взамен гидротранспорта:

Зэке = Vx * (Сч - Сг), где Vx - объём заскладированных хвостов, т;

Сч - себестоимость складирования 1 т хвостов в Черемшанское хвостохранилище, руб./т,

Сг - себестоимость складирования 1 тонны хвостов в Главный карьер, руб/т.;

4 500 ООО * (3,8 - 1,14) = И 970 тыс. руб.

3. Снижение затрат на техническую рекультивацию Главного карьера за счет складирования в него отходов действующего производства по сравнению с традиционным способом рекультивации:

Зр = V * L * Стр + V * Сп, где Зр - затраты на рекультивацию карьера при перемещении в него отвальных пород, тыс. руб.

V - объём отвальных пород, т.;

L - расстояние транспортирования отвальных пород, км.;

Стр - себестоимость транспортирования 1 тонны пород, руб.;

С л - себестоимость погрузки 1 тонны пород, руб.;

4 500 ООО * 3 * 1,36 + 4 500 000 * 0,63 = 21 195 тыс. руб.

4. Снижение затрат на оплату за выбросы в атмосферу в связи с выполненной биологической рекультивацией 90 га площади Черемшанского шламохранилища.

Пв = Vn * Цт, где Vn - объём выброса пыли с площади 90 га в год, т;

Цт - цена платы за тонну пыли, руб.;

Пв= 150 * 10,2= 1,5 тыс. руб. Суммарный экономический эффект от использования Главного карьера в качестве хвостохранилища в течение 3,5 лет составил 33 681 тыс. руб.