Геолого-экологическая оценка намывных техногенных массивов хранилищ горнопромышленных отходов

Актуальность. Важность проблемы накопления и использования (утилизации) промышленных отходов очевидна. Особо рельефно острота этой проблемы проявляется применительно к отходам горного производства. Намывные техногенные массивы (HTM) хранилищ горнопромышленных отходов — гидроотвалы и хвостохранилища являются наиболее значительными объектами по объему, площади, степени и времени негативного воздействия на окружающую среду. В настоящее время только на ГОКах черной металлургии России эксплуатируется свыше 35 крупных хвостохранилищ, в которые с помощью гидротранспорта уложено свыше 2,5 млрд. м3 хвостов и 1 млрд. м' воды и ежегодно укладывается более 100 млн.т. хвостов. В гидроотвалы горных предприятий РФ уложено около 1,5 млрд. м" вскрышных пород.

На 01.01.1993 г. по данным Госкомстата РФ не восстановлено свыше 1 млн. га земель, нарушенных горным производством, в т. ч. на объектах металлургии около 247 тыс. га, на предприятиях топлива и энергетики -187 тыс.га. Площадь, занятая только хвостохранилищами КМА, превышает 30 км. Ореолы техногенного загрязнения превышают площади горного отвода на порядок и более.

Необходимость геологического изучения HTM хранилищ горнопромышленных отходов для оценки возможностей их освоения и экологической опасности обусловила выбор темы диссертационной работы, определила ее цель и задачи.

Намывные техногенные массивы (HTM) сложены преимущественно водонасыщенными раздельнозернистыми и глинистыми породами гидровскрыши и отходами рудообогащения. Основными критериями безопасности формирования гидросооружений, увеличения их вместимости, освоения новыми технологиями, либо рекультивации является устойчивость откосных сооружений и несущая способность внутренних юн. Сформированные по традиционным технологиям (без создания намывных дренажных элементов) намывные техногенные массивы остаются непригодными для последующего использования в течение десятилетий и требуют разработки методов их ресурсной оценки и форсированной консолидации.

Вовлечение техногенных ресурсов, сосредоточенных в хранилищах горнопромышленных отходов, в переработку позволяет уменьшить загрязнение окружающей среды, площади отчуждаемых для нужд горного производства земель, а также частично решает задачу ресурсосбережения.

Вопросы обеспечения безопасности возведения HTM и последующих эксплуатации либо консервации невозможны без комплексной оценки геолого-экологических, инженерно-геологических и технологических параметров, которые в свою очередь являются основой информационного обеспечения природоохранной деятельности. Поэтому создание научно-методических основ геолого-экологической оценки HTM представляется актуальным.

Цель работы — разработка научно-методических основ геолого-экологической оценки намывных техногенных массивов хранилищ горнопромышленных отходов для обеспечения экологически безопасных технологий их формирования и последующего освоения намывных территорий.

Идея работы заключается в том, что HTM (хвостохранилища и гидроотвалы) рассматриваются как инженерные сооружения, техногенные месторождения, экологически опасные объекты, для которых взаимосвязи инженерно-геологических, гидрогеологических, объемнокачественных и экологических показателей с технологией формирования массива отходов определяют возможности экономии водно-земельных ресурсов и получения нетрадиционных видов минерального сырья.

Задачи исследований, решаемые при геолого-экологической оценке намывных техногенных массивов, включали в себя:

— установление ресурсной ценности горнопромышленных отходов как источника вторичного минерального сырья на основе изучения пространственно-качественной структуры объекта;

— получение комплекса инженерно-геологических характеристик состава и свойств отходов для прогнозирования надежности и управления состоянием массива;

— получение характеристик состава горнопромышленных отходов как источника пылевыделения и установление зон и площадей пыления;

— изучение токсичности отходов как субстрата растительных компонентов при рекультивации, а также как источника загрязнения почв, подземных и поверхностных вод.

Методы исследований. Для достижения цели работы использован традиционный комплекс методов, включающий: анализ и обобщение данных научно-технической литературы по хранилищам горнопромышленных отходовсистемно-структурный анализ строения гидроотвалов и хвостохранилищ и геолого-экологических исследований HTMматематическое описание задач и математическое (графическое и компьютерное) моделирование геолого-экологических и технологических процессовметоды математической статистикиэкспериментальные работы в полевых и лабораторных условиях, а также разработанные кафедрой геологии МГГУ методы интерпретации результатов этих экспериментов, инженерно-геологического районирования и управления состоянием намывных массивовкомпьютерное моделирование технологически значимых и экологически опасных зон.

Основные научные положения, выносимые на защиту: 1. Намывные техногенные массивы хранилищ горнопромышленных отходов представляют собой: с позиции назначения — геотехнические системы, эффективность и надежность функционирования которых обусловлены степенью адекватности геологических условий и технологических параметров объектас экологических позиций — локальные, значительной масштабности пространственные источники длительного негативного воздействия на окружающую средус геолого-промышленных позиций — вторичные минеральные ресурсы, требующие оценки для их комплексного использования и утилизации.

2. Геолого-экологическая оценка HTM, как комплекс исследований состава, свойств и состояния массива, направлена на определение его промышленной значимости и экологической опасности, базируется на системном подходе и различных видах графико-математического моделирования пространственно-качественной структуры состояния геотехнического объекта и прогнозирования динамики его изменения.

3. HTM являются естественными классификаторами горнопромышленных отходов по крупности и массе частиц полидисперсного материала. Процесс формирования HTM является регулируемым, зависит от принятой технологии намыва и конкретной комбинации технологических параметров, что позволяет перейти к их направленному с заданными свойствами формированию.

4. В HTM происходит формирование вещественной неоднородности в плане и по глубине, что выражается в уменьшении доли крупных фракций с глубиной и формировании «глинистого ядра» внутренних зон.

5. Комплексный геолого-экологический мониторинг позволяет выполнять инженерно-геологическое, геолого-экологическое и геолого-технологическое картирование HTM. На основе этих материалов соответственно выполняются: разработка мероприятий по обеспечению устойчивости дамб, повышению вместимости и ускоренному восстановлению территорий гидросооруженийвыделение экологически опасных зон и разработка предложений по снижению их вредного воздействияоконтуривание промыш-ленно-значимых зон, определение способа и порядка их отработки как техногенных месторождений.

Научная новизна:

— осуществлен комплексный подход к оценке состава и состояния HTM как ответственных инженерных сооружений и перспективных месторождений вторичного минерального сырья;

— разработаны методические основы геолого-экологической оценки HTM, включающие математико-графическое моделирование массивов с учетом особенностей их состояния и формирования, а также разработку концепции банка данных;

— выявлены закономерности вещественной неоднородности и пространственно-временной изменчивости инженерно-геологических параметров HTM;

— разработана концепция непрерывного геолого-экологического мониторинга, включающего оперативное определение инженерно-геологических характеристик, вещественного состава техногенных отложений и оценку экологической опасности HTM на различных стадиях их формирования.

Практическая ценность работы:

— выполнена ресурсная оценка объектов исследований, как возможных месторождений вторичного минерального сырья;

— установлены геолого-геохимическая зональность и гранулярная неоднородность HTM с использованием данных которых определен рациональный порядок их отработки как техногенных месторождений (хвостохрани-лища Эльбрусского, Ковдорского, Оленегорского и Вяземского ГОКов);

— геолого-технологическим и геолого-экологическим картированием хвостохранилищ как техногенных месторождений и объектов повышенной экологической опасности выделены промышленные участки и экологически опасные зоны, пространственное положение которых учитывается при выборе порядка и технологии отработки месторождения (селективное складирование высокотоксичных отходов с изоляцией зон их повышенного содержания путем создания экранирующих устройств);

— на основании полевых и лабораторных инженерно-геологических исследований выполнено инженерно-геологическое районирование по несущей способности HTM и возможному диапазону их уплотнения, что позволило определить направление дальнейшего использования и выбрать технологии подготовки намывных территорий к рекультивации;

— оценка устойчивости откосных сооружений HTM Вяземского, Северного, Лебединского и Михайловского ГОКов позволила разработать мероприятия по их оперативному контролю и выбрать оптимальные параметры дамб с учетом их обводненности;

— выполнено геологическое обоснование горно-технологических решений по обеспечению промышленной и экологической безопасности намывных техногенных массивов.

Реализация работы.

Разработанные технические предложения по порядку отработки техногенных месторождений, обеспечению устойчивости ограждающих дамб (Вяземский ГОК) и повышению вместимости гидроотвалов и хвостохранилищ (ЛГОК, СевГОК), а также ускоренному последующему использованию их территорий внедрены при проектировании намывных объектов организациями: Центрогипроруда, ПК «Гидромехпроект», трестом «Энер го гидромеханизация», институтом УкрводоканалНИИпроект (г.Киев).

Результаты исследований внедрены в учебный процесс при подготовке учебника А. М. Гальперина, В. Фёрстера, Х.-Ю. Шефа «Техногенные массивы и охрана окружающей среды» (МГГУ, 1997) для студентов специальностей 90 500 — Открытые горные работы и 330 200 — Инженерная защита окружающей среды (в горной промышленности).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях МГИ-МГГУ «Неделя горняка" — научно-технических конференциях «Экологические проблемы горного производства» (Москва, 1°93 и 1995 г. г.) — первых и w вторых Ершовских чтениях (МГИ, 1990 и МГГУ, 1999), а также опубликованы в материалах 2-го регионального симпозиума АРСОМ'97(Москва, 1997), материалах 6-го международного симпозиума по горному проектированию и выбору оборудования (Острава, 1997), материалах 8-го международного конгресса МАИГ «Инженерная геология и окружающая среда» (Ванкувер, 1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ, в том числе 1 монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 85 рисунков, 62 таблицы, список литературы -177 наименований.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

1. Материалы инженерно-геологического районирования территории гидроотвала «Лог Шамаровский» использованы при разработке рекомендаций по порядку и направлениям его рекультивации. Предложенные технологические решения предусматривают отсыпку плодородного слоя при доставке его колесным транспортом на территории пляжной зоны и применение гидромеханизированного способа при горнотехнической рекультивации части промежуточной и прудковой зон.

2. Рассмотрены варианты создания орнитологических прудов в пределах прудковой зоны гидроотвала. Обоснование поэтапной рекультивации гидроотвала Лог Шамаровский произведено с учетом обеспечения экологической безопасности объема в процессе его возведения и по завершении работ.

3. Решение перечисленных выше задач геологического обеспечения горнотехнологический решений по формированию хвостохранилищ Вяземского ГОКа позволит сформировать экологически и технологически безопасный рельеф рекультивируемой поверхности HTM, определять конечные отметки поверхности гидроотвала и осуществлять ситуационное моделирование состояния HTM, находящегося в режиме периодического наращивания, на определенный момент времени.

4. Гидромеханизированные работы на Вяземском и Оленегорском хвостохранилищах будут выполняться с учетом мероприятий по охране окружающей среды. При применении электрического земснаряда вредные выбросы в атмосферу при намывных работах отсутствуют. Скопления вод, содержащих остатки масел, собираются в специальные емкости и сдаются на регенерацию. Разработка глинистых отложений производится со свободным всасом, что позволяет ликвидировать попадание масел с валовой линии рыхлителя в водоем. Работа производится на водообороте. Окончательный выпуск сбросных вод производится в отстойник хвостохранилища к земснаряду. Предложенный комплекс мер по безопасной разработке глинистых отложений и хвостов плавучими землесосными снарядами соответствует действующим нормативам и инструкциям по технике безопасности, охране труда и окружающей среды.

5. Для отстоя взвешенных частиц, образующихся в процессе намыва на Вяземском хвостохранилище, используются секции (выполняющие роль первичного отстойника), отстойник гидроотвала и затем отстойник хвостохранилища. Попеременное заполнение секций гидроотвала направлено на увеличение времени отстоя. Цикличность составляет 1−4 суток. Отвод сбросных вод из секций гидроотвала будет осуществляться через расположенные рас-средоточенно шандорные колодцы, что позволит поддерживать максимальный путь осаждения.

6. Произведена оценка устойчивости откосов хвостохранилища Вяземского ГОКа, предложены рекомендации по обеспечению безопасности персонала и работ по отгрузке песков экскаватором ЭКГ-5А.

7. Произведена блокировка хвостохранилища для его отработки как техногенного месторождения продольными и поперечными заходками.

8. Кафедрой геологии МГГУ предложен вариант гидромеханизированной разработки и транспортировки хвостов и совместно с проектной конторой «Гидромеханизация» треста «Энергогидромеханизация» Минтопэнерго РФ подготовлен рабочий проект разработки хвостов аварийного хвостохранилища Оленегорского ГОКа электрическим земснарядом, согласно которому будет достигнута значительная экономия материальных средств и обеспечены природоохранные мероприятия в процессе эксплуатации техногенного месторождения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дано решение актуальной научной проблемы, заключающейся в разработке научно-методических основ геолого-экологической оценки намывных техногенных массивов, что способствует эффективности геологического обоснования горно-технологических решений по обеспечению их ресурсной оценки как техногенных месторождений, промышленной и экологической безопасности формирования и дальнейшего использования, и имеет важное народнохозяйственное и социальное значение.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. На основании анализа физико-географических, геологических, технологических и экологических факторов выделены две группы HTM: первая-сформированные и формируемые на основе традиционных требований к складированию, т. е. без последующего освоениявторая — спроектированные с учетом качества складируемых отходов, формируемые целенаправленно с обоснованием оптимальных геолого-технологических параметров технологии последующей переработки.

Сложный химико-минералогический и гранулярный состав намывных техногенных массивов, широкий спектр полезных качеств (от главных и попутных компонентов до простейших стройматериалов), отсутствие ТЭО кондиций затрудняет расчет суммарного экономического эффекта от их переработки и требует создания методики геолого-экологической оценки HTM.

2. Магематико-графическое моделирование намывного техногенного массива основано на представлении его как геотехнической системы, состоящей из ряда подсистем с фиксированным набором элементов для каждой. Оно включает в себя: математическое — описание HTM, как горногеологического объекта, моделирование процессов его формирования, математическое преобразование системы геолого-маркшейдерской информации в графическую, алгоритмическое моделирование процессов создания оригиналов геолого-маркшейдерской графики. Поэтому математико-графическое моделирование HTM — неотъемлемая часть геолого-экологической оценки техногенных месторождений. Принципиальная особенность математико-графической модели HTM — ее представление в виде совокупности согласованных многоуровневых математических моделей. Выделены два подхода к решению проблемы моделирования HTM. Первый связан с постановкой задач прогнозной оценки показателей техногенного массива, второй — с моделированием поверхностей ограничивающих технологические, экологические, инженерно-геологические, гранулометрические и др. зоны.

Результаты моделирования Ковдорского техногенного месторождения позволили рекомендовать комплексную систему управления качеством руд с вовлечением в переработку складированных хвостов рудообогащения.

3. Для хвостохранилищ Эльбрусского рудника по мощности установлено двухслойное строение, отражающееся в геохимических особенностях. Анализ карт изоконцентрат Pb, Zn, As позволил выделить зоны, обогащенные полезными компонентами и представляющие повышенную экологическую опасность.

Различия в вещественном составе старого и нового хвостохранилищ Эльбрусского ГОКа, рассматриваются как результат изменения качества руд в процессе отработки месторождения.

Статистическим анализом выявлено, что хвостохранилища Ковдорского ГОКа — квазиоднородный объект, в котором с глубиной распределение полезных компонентов Р205 и Zr02 становится более однородным, что фиксируется основными статистическими показателями и их распределением.

Исследована послойно латеральная зональность хвостохранилища Ковдорского ГОКа. Анализ данных по обогащению хвостов, корреляционных связей между компонентами, статистических характеристик, гистограмм, вариограмм, карт послойных распределений компонентов и их основных статистик позволил обосновать рекомендации по геолого-технологическому и геолого-экологическому картированию.

Предложена методика выделения зон поверхностей хвостохранилищ по пылению, основанная на выделениии класса частиц пылеватой фракции и их картировании.

Предложена методика выделения и оценки технологических зон с учетом целевой направленности переработки и экологически безопасного депонирования отходов рудообогащения.

Выполнен комплекс геостатистических исследований на Вяземском техногенном месторождении. Выявленные закономерности были учтены при блокировке и подсчете запасов гравитационного золота. Даны рекомендации по вскрытию и разработке техногенного месторождения гидромониторным способом.

4. Выполненный комплекс полевых и лабораторных исследований позволил установить инженерно-геологическую зональность гидроотвалов с учетом гранулярного состава, прочностных показателей (сопротивления пе-нетрации и сдвигу) и консолидационных параметров намывных отложений. Результаты измерений осадок и комплексного зондирования массива третьей секции гидроотвала «Березовый Лог» свидетельствуют о том, что через 11 лет после его заполнения осадки поверхности стабилизировались и превысили 2. м, а степень уплотнения близка к единице. Стабилизация осадок слоя глинистых тонкодисперсных грунтов (мощностью около 20 м) определяется влиянием мощного (до 10 м) пористого штампа из отходов обогащения.

Для намывного массива гидроотвала «Лог Шамаровский» формирование которого закончено в 1993 г., установлена стабилизация осадок в пляжной и большей части промежуточной зоны. Грунты прудковой (ядерной) этого гидроотвала к лету 1999 г. находятся в нестабилизированном состоянии и их несущая способность не обеспечивает проходимость рекультивационного оборудования (Рдоп <1 кг/см).

Инженерно-геологическое районирование гидроотвалов «Березовый Лог» (ЛГОК), «Лог Шамаровский» (МГОК) позволило получить исходную информацию для определения направлений последующего использования их территорий.

5. С использованием полученной инженерно-геологической информации разработаны варианты технологических схем подготовки для последующего использования территории гидроотвала «Лог Шамаровский» (МГОК), предусматривающие создание орнитологических водоемов на месте прудковой зоны в сочетании с укладкой хвостов рудообогащения в промежуточной зоне и созданием плодородного слоя в пляжной зоне.

Выполненные в 1999 г. дополнительные топогеодезические и инженерно-геологические работы на гидроотвале «Березовый Лог» позволили получить исходные данные для составления проекта ликвидации этого объекта как гидротехнического сооружения и подготовки его территории для лесохо-зяйственного и сельскохозяйственного использования, предусматривающего реконструкцию техногенного рельефа и создание сети водоотводных канав.

6. Комплексный мониторинг намывных горнотехнических сооружений рассматривается как система, включающая: отбор проб для определения вещественного состава техногенных отложениймаркшейдерские инструментальные наблюдениягидрогеомеханический контроль с помощью датчиков порового давления стационарных (заложенных в тело дамбы, намывной массив и их основания) и встроенных в комбинированные зонды МГГУ-ДИГЭС, обеспечивающих также определение сопротивления грунтов пенетрации и вращательному срезу. Это позволяет обеспечить своевременное получение информации о физико-механических свойствах, геолого-геохимических параметрах и их пространственно-временной изменчивости. Система мониторинга МГГУ внедрена на хвостохранилищах Северного ГОКа (Кривбасс), Вяземского ГОКа, МГОКа, гидроотвалах «Березовый Лог» (ЛГОК) и «Лог Шамаровский» (МГОК).

7. С помощью данных геолого-технологического картирования хвосто хранилищ Вяземского ГОКа и Оленегорского ГОКа разработаны предложе ния по порядку гидромеханизированной отработки этих объектов как техногенных месторождений.