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 работыскладирование 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-, шламои 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, 1999 г.) — Научно-практическом семинаре «Экологические проблемы промышленных регионов» на Международной выставке «Уралэкология. Техноген-99» (Екатеринбург, 1999 г.) — семинаре «Вопросы инженерно-геологических, инженерно-экологических и инженерно-геодезических изысканий в Уральском регионе» (Екатеринбург, 1999 г.).

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.

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).

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.