8. Накопители в карьерных выработках
Применение зернистых (сыпучих) отходов промышленных производств и теплоэнергетики при горно-технической рекультивации шахтных и карьерных выработок следует рассматривать как важный элемент рационального использования природных ресурсов. Данное направление в последние годы развивается в энергетике и на добывающих предприятиях, но далеко не всегда учитываются все экологические последствия. Зачастую складирование токсичных сыпучих отходов осуществляется примитивной отсыпкой и разравниванием. Не анализируется совместное существование отхода и окружающей природной системы, которое выражается в химических, физико-механических, гидравлических и др. взаимодействиях. Эксплуатация таких несовершенных накопителей экологически не безопасна.
На территории Сибири, включая районы Крайнего Севера, нет насыпных золоотвалов, полностью отвечающих основным нормативным требованиям по надежности и экологической безопасности. Задача полной гидроизоляции золоотвалов практически невыполнима и потребует неоправданно высоких затрат материальных средств. Поэтому реально лишь строительство относительно эффективных противофильтрационных устройств, сокращающих фильтрационные загрязнения до допустимой величины. При расчете величины предельно допустимой фильтрации необходимо учитывать разбавляющее влияние естественного грунтового потока на фильтрационные воды, их взаимное химико-физическое влияние и взаимодействие с вмещающими породами по пути движения к области стока.
На территории Сибири существуют десятки эксплуатируемых и заброшенных карьеров и шахт. В энергетических ресурсах Российской Федерации важнейшее место занимают угольные бассейны Восточной Сибири. В пределах трех бассейнов - Канско-Ачинского, Иркутского, Минусинского - сосредоточено 48,6% разведанных запасов углей России. Объемы, освобождающиеся от добычи углей в этих бассейнах, оцениваются в сотни миллионов кубометров ежегодно. При этом в гидрозолоотвалы теплоэлектростанций поступает около 1,2 млн. т золошлаков в год.
Наиболее целесообразно использовать гидрозолоотвалы как временные оперативные накопители, рассчитанные на относительно незначительные объемы золошлаковых отходов. Основной объем золошлаковых отходов должен частично компенсировать дефицит объема горных выемок, образовавшегося после извлечения угля.
Золошлаками невозможно полностью заполнить эти объемы, но их складирование в карьерных выработках позволит получить определенные положительные результаты, например, при рекультивации снизятся объемы естественных почвогрунтов, необходимых для заполнения выработки, расходы на их доставку и укладку.
Существуют два основных способа «сухого» складирования золошлаковых отходов в карьере:
Складирование сухого отхода непосредственно из аппаратов улавливания механических примесей из отходящих газов (в теплоэнергетике - зола уноса);
Использование обезвоженного материала, извлеченного из намывного гидроотвала.
При любом способе складирования отходов в карьерной выработке основной задачей является минимизация загрязнения окружающей среды.
Обычно эксплуатация гидрозолоотвалов характеризуется такими экологическими последствиями как местное загрязнение воздушной среды, влияние на почвы и растительность, воздействие на подземные и поверхностные воды, катастрофические прорывы и вытекания воды и золошлаков на прилегающую территорию. В карьерных накопителях основным становится воздействие на подземные воды. Пыление поверхности зольной насыпи наблюдается только на стадии ее возведения; после рекультивации пыление прекращается. Остальные загрязнения связаны с процессами геофильтрации. Следовательно, решение экологических задач при строительстве и эксплуатации насыпных карьерных золоотвалов обеспечивается применением перспективных методов гидроизоляции и дренирования массива отсыпанных отходов.
Рассмотрим некоторые технологии возведения насыпных карьерных золоотвалов с применением противофильтрационных и дренажных мероприятий для изоляции зольного массива от взаимодействия с подземными водами и поверхностными стоками, поступающими в карьер.
Первый способ основывается на использовании различной крупности и водопроницаемости материала намытого в различных зонах оперативного гидрозолотвала. Этот материал подвергается разработке и перескладированию в карьерную выработку. Сначала дно котлована выравнивают и экранируют слоем водонепроницаемого материала (суглинком), на котором устраивают дренаж в виде дренажного слоя из песчано-гравийного грунта и дренажной трубы. Поверхности денажного слоя придают уклон в сторону дренажной трубы, которую располагают в углублении над экраном. Затем в гидроотвале экскаватором разрабатывают частично обезвоженные отходы и во влажном состоянии механическим транспортом доставляют их в карьер, где их складируют путем отсыпки. При этом непосредственно у бортов отсыпают мелкие отходы, взятые из прудковой зоны гидроотвала, а в среднюю часть карьера отсыпают более крупные средне- и крупнозернистые отходы, взятые из зоны надводного пляжа гидроотвала, причем отсыпку отходов у бортов осуществляют с опережением по высоте над отходами, заполняющими среднюю часть карьера, обращая особое внимание на их уплотнение и выполнение условия:
где
и
– коэффициенты фильтрации отходов
соответственно у бортов котлована и в
его средней части.
В результате такого складирования в карьере образуют насыпной массив, в котором водопроницаемость отходов у бортов по меньшей мере на порядок ниже, чем водопроницаемость отходов в его средней части.
Отходы отсыпают слоями с образованием ярусов высотой h1, h2, и h3, между которыми при необходимости вдоль бортов карьера располагают противофильтрационные устройства в виде ленты шириною а из пленочного полимерного материала, примыкающей к борту с уклоном от него и, превышающей величину горизонтального заложения b части борта, расположенной в пределах яруса, на котором расположена лента.
Перескладирование отходов из гидроотвала осуществляют из поочередно освобождающихся карт (секций). После завершения перескладирования отходов из первой карты приступают к ее повторному заполнению, а отходы из второй карты аналогичным образом перескладируют в карьер.
Вода атмосферных осадков по поверхности отсыпаемых отходов скатывается от бортов карьера в его среднюю часть, скорость инфильтрации воды в которой многократно превышает скорость инфильтрации воды у бортов. Вся просочившаяся вода перехватывается дренажными слоем, отводится дренажной трубой за пределы карьера и подается в оборотную систему технического водоснабжения или на очистные сооружения.
Качественное уплотнение отходов существенно снижает их водопроницаемость. При виброуплотнении проникновение воды в окружающую среду уменьшается не только за счет более качественного уплотнения отходов, но и за счет закупорки отходами пор и трещин в породах бортов карьера.
Заполнение карьера отходами осуществляют одновременно по всей его площади или участками, после чего поверхность насыпи отходов покрывают слоями суглинка и растительного грунта с последующим посевом многолетних трав и организацией отвода поверхностных вод с отвала.
Данный способ реализован на Красноярской ТЭЦ-2.
По другому способу предлагается несколько иная технология складирования отходов, преимущественно золошлаковых, в карьерной выемке (рисунки 8.2, 8.3). Способ исключает фильтрационное загрязнение геологической среды и позволяет осуществить надежную консервацию массива золошлаков.
Рис. 8.3. Технология возведения насыпного золошлакоотвала в карьере, основанная на разнице проницаемостей в разных зонах насыпи
1 – дно карьера; 2 – экранирующий слой; 3 – дренажный слой; 4 – коллектор 5 – углубление для коллектора; 6 – борт карьера; 7 – отходы из прудковой зоны, 8 – крупнозернистые отходы; 9 – слои складирования; 10 – водоизоляционная лента; 11 – глубина инфильтрации в зоне крупнозернистых отходов; 12 – глубина инфильтрации в зоне тонкодисперсных отходов; 13 – водонепроницаемые породы.
Основными проблемами для большинства карьерных золоотвалов являются внешний водоотвод, внутренний водоотлив при поступлении в емкость атмосферного и естественного подземного стока, отвод или консервация загрязненных дождевых и талых вод, насыщающих массив складируемых отходов. В данном способе предлагается разделение относительно чистого естественного фильтрационного потока подземных вод, поступающих через борты и основание, и грязного инфильтрационного потока, поступающего с поверхности отсыпаемого массива отходов после выпадения на него атмосферных осадков.
Насыпной золоотвал в карьере устраивается следующим образом. Золошлаковые отходы из из оперативного гидрозолоотвала, предназначенные для перескладирования в карьер с относительно крутыми бортами и горизонтальным дном, расположенным выше или ниже уровня подземных вод (например, карьер Назаровского угольного разреза), предварительно частично осушаются. Затем намывной массив золошлаков разрабатывается механическим способом и золошлаки транспортируются к месту отсыпки на подготовленном участке карьера.
Основными этапами устройства сухого отвала золы в карьере являются:
Инженерная подготовка борта карьера, включающая планировку поверхности с приданием ей необходимой формы, обеспечивающей устойчивость откоса;
Отсыпка упрочняющей и выравнивающей призмы из вскрышных грунтов, в качестве основания наклонного дренажного слоя 6;
Планировка основания (дна) карьера с уклоном i = 0,01 от центра к бортам, вдоль которых укладывается внутренний дренажный коллектор;
Отсыпка основного дренирующего слоя из песчано-гравийного грунта или крупного щебня толщиной не менее 0,5 м, обладающего необходимой водопроницаемостью для обеспечения отвода фильтрата (поверхность этого слоя – горизонтальная). В ряде случаев при значительной площади накопителя и трудности отвода фильтрующейся жидкости в этом слое дополнительно могут укладываться трубчатые дрены;
Отсыпка водопроницаемой упорной дамбочки из крупнообломочных вскрышных пород, предотвращающей засорение и повреждение дренирующего слоя со стороны карьера;
Внутренний контурный дренаж (дренажный коллектор) устраивается по периметру накопителя вдоль борта карьерной выработки в виде горизонтальной трубчатой дрены, обеспечивающей отвод в накопительную емкость фильтрационных вод, а также сточных вод со дна карьера. Этот дренаж предназначен для снижения кривой депрессии, а также приема фильтрационной жидкости от всей дренажной системы и отвода ее к насосной станции;
Рис. 8.2. Перспективная конструктивно-технологическая схема складирования золошлаковых и других зернистых отходов в карьере
Вариант А – фильтрация происходит из внешнего водоотвода
1 – борт карьера; 2 – выравнивающая призма; 3 – экранирующее основание; 4 – коллектор 5 – дренирующий слой; 6 – наклонный дренирующий слой; 7 – проницаемая упорная дамба, 8 –ярусы складирования золошлаков; 9 – упорные дамбы; 10 – сточные воды карьера; 11 – нагорная канава; 12 – депрессионная поверхность фильтрационного потока; 13 – уровень воды в дренаже; 14 – рекультивационный слой; 15 – окно для водоотвода с поверхности насыпи.
Рис. 8.3. Перспективная конструктивно-технологическая схема складирования золошлаковых и других зернистых отходов в карьере
Вариант Б – фильтрация обусловлена притоком подземных вод
1 – борт карьера; 2 – выравнивающая призма; 3 – экранирующее основание; 4 – коллектор 5 – дренирующий слой; 6 – наклонный дренирующий слой; 7 – проницаемая упорная дамба, 8 –ярусы складирования золошлаков; 9 – упорные дамбы; 10 – сточные воды карьера; 11 – граница влияния карьера (граничное условие); 12 – депрессионная поверхность фильтрационного потока; 13 – уровень воды в дренаже; 14 – рекультивационный слой; 15 – окно для водоотвода с поверхности насыпи; 16 – уровень грунтовых вод.
Отсыпка наклонного дренирующего слоя толщиной не менее 0,5 м на подготовленную поверхность борта карьера для перехвата фильтрационного потока, поступающего в карьер извне и с поверхности насыпи через водоприемную канаву, прорезающую рекультивационный слой;
Отсыпка первого яруса золошлаков с уплотнением проходящим транспортом. Отходы отсыпают сразу на полную расчетную высоту яруса. Для условий Назаровского угольного разреза высота яруса должна быть не менее 1,7 м. Соответственно назначают плановые размеры отсыпаемых карт, учитывающие объемы складируемых отходов;
Отсыпка последующих ярусов производится аналогично. Эти ярусы также ограждаются упорными призмами;
Внешний откос поярусной насыпи фомируется упорными дамбочками;
На конечном этапе возведения насыпи отсыпается рекультивационный слой из грунтов, не подверженных эрозии.
Предлагаемое решение обладает рядом несомненных преимуществ. Консервация инфильтрационных дождевых и талых вод просочившихся в отсыпаемый массив золошлаков, происходит в его поровом пространстве / /. Отведение внешнего притока обеспечивает необходимую устойчивость насыпи. Дренажная система отделяет естественный фильтрационный поток, поступающий в карьер, от массива золошлаков и тем самым предотвращает загрязнение подземных вод.
Максимальный экологический эффект устройства дренажной системы будет достигаться при условии безнапорного режима работы дренажа; при таком режиме достигается минимальное инфильтрационное просачивание загрязненных вод через экран в основание.
Для обоснования экологической эффективности предложенного способа выполняется моделирование фильтрационного режима сооружения. Учитывая достаточно простую конструкцию сооружения и анизотропию массива насыпи, выполнить подобный расчет наиболее целесообразно в плоско-вертикальной постановке.
Рассмотрим решение этой задачи для приведенной технологической схемы (вариант А). На примере Назаровского угольного карьера рассмотрены наиболее сложные условия возведения насыпного отвала, отличающиеся близким расположением к карьерной выработке поверхностного внешнего водотока (нагорной канавы). Этот водоток является источником питания фильтрационного потока и определяет краевое условие на верхней границе расчетной области.
В отработанной части карьера расположен техногенный водный резервуар, являющийся областью разгрузки фильтрационного потока подземных вод и накопителем осадков. Боковые и нижняя границы исследуемой области приняты водонепроницаемыми. Рассмотрены варианты промежуточного и полного поярусного заполнения емкости отходами, отличающимися разной степенью консолидации.
В результате расчетов построены депрессионные поверхности и полные гидродинамические сетки (поля линий равных напоров и линий токов).
В расчетных вариантах накопитель заполнен полностью на всю проектную высоту. Учтено уплотнение золошлакового материала в каждом слое при отсыпке последующих верхних слоев и кольматация порового пространства насыпи при инфильтрации осадков, что существенно снижает проницаемость уплотняемых слоев.
В первом варианте (рисунок 8.4) рассмотрена ситуация отказа или отсутствия дренажного коллектора при возведении насыпи на полную высоту. Во втором варианте (рисунок 8.5) расчета фильтрационного режима рассмотрена окончательная стадия работы сооружения при совместном эффекте всех элементов дренажной системы.
Анализ результатов расчетов показывает, что отсутствие дренажа влечет за собой поднятие кривой депрессии. При этом происходит обводнение отсыпанного массива, а также образуются участки высачивания подземного потока на поверхность массива и на откос насыпи. Следовательно, необходимо ввести дополнительные элементы дренажной системы.
Анализируя результаты второго варианта расчета, можно констатировать, что в этом варианте фильтрационный поток полностью улавливается, не проникая в загрязняющее вещество насыпи. Воды со дна карьера также поступают в дренажный слой и отводятся по нему в коллектор. Следовательно, экологическое воздействие накопителя является минимальным.
Экологически благоприятный режим эксплуатации будет достигаться на всех этапах формирования насыпного накопителя. Дренажная система не допускает попадания подземных вод в массив отходов при любой мощности отсыпанного слоя. При безнапорном режиме работы дренажа массив отходов полностью изолирован от фильтрационного потока; загрязнение подземных вод вредными веществами практически не происходит.
Вода атмосферных осадков при инфильтрации в массив золошлаков должна полностью аккумулироваться в нем. Это обеспечивается дисперсностью зольного материала, а также химической и поверхностной активностью частиц золы и шлака. Известно, что частица золы имеет структуру полой гранулы, она активно поглощает и удерживает воду. Также высокой поглощающей способностью обладает и зольный материал в массиве, что объясняется структурой пор и высокой пористостью. Эти факторы определяют высокую влагоудерживающую способность материала, на что указывает такой параметр, как высота каппилярного поднятия. Для золошлаков разной влажности он находится в пределах 2 – 5 метров. Это означает, что золошлаки при постоянном питании снизу могут удерживать в себе слой воды до 5 метров.
В золошлаках канско–ачинских углей вся влага инфильтрационного потока будет испаряться раньше, чем сможет достигнуть дренажного слоя. Это объясняется большой площадью испарительной поверхности воды в
Рис. 8.4. Расчет фильтрации в проектируемой насыпи. Вариант 1
Рис. 8.5. Расчет фильтрации в проектируемой насыпи. Вариант 4
грунтах с высокой пористостью. Зона аэрации в золошлаковым массиве относится к испарительному типу, расходная часть водного баланса которого имеет нулевое значение стока.
Следовательно, миграция вредных веществ, содержащихся в золошлаках, не будет происходить. В этом случае мы получим полностью изолированный от окружающей геологической среды экологически приемлемый насыпной золоотвал.
Аналогичные схемы «сухого» складирования насыпных отходов в карьерах могут быть рекомендованы в горном деле (хвосты рудообогащения) и в различных областях промышленности (шламы). При этом важно достаточно сформировать достаточно влагоемкий массив отходов и обеспечить его изоляцию от потока подземных вод и окружающей геологической среды (проницаемое дно и стенки карьера) с помощью дренажных и экранирующих устройств.
Контрольные вопросы.
В каких условиях целесообразно складирование твердых промышленных отходов в карьерных выработках?
Какие природоохранные задачи необходимо решить при устройстве «сухих» накопителей в карьерах?
Какие способы защиты подземных вод от загрязнения промстоками применяются в рассмотренной конструкции накопителя?