Комплексный подход к экологически безопасному освоению техногенных массивов
А.М. Гальперин, д.т.н., профессор, Московский государственный горный университет
Ю.В. Кириченко, д.т.н., профессор, Московский государственный горный университет
Ю.И. Кутепов, д.т.н., профессор, Санкт"Петербургский государственный технологический институт (технический университет).
За работу «Разработка и внедрение технических средств и способов крупномасштабного освоения отвальных насыпей, гидроотвалов и хвостохранилищ на горных предприятиях» авторы: А.М. Гальперин (руководитель работы), В.Н. Зуй, Ю.В. Кириченко (МГГУ), Ю.И. Кутепов (СПбГИ (ТУ)), В.П. Жариков, С.В. Парамонов (Кузбассразрезуголь), А.В. Крючков, В.В. Семенов (Стойленский ГОК), А.В. Киянец (ВИОГЕМ), В.С. Круподеров (ВСЕГИНГЕО) решением Правительства РФ №285р от 25.02.2011 г. были удостоены Премии Правительства РФ в области науки и техники за 2010 год.
По просьбе журнала «Горная Промышленность» группа специалистов изложила в публикуемой ниже статье основные положения отмеченной премией работы.
Врезультате вмешательства человека в литосферу его геологическая деятельность стала сопоставимой с природными геологическими процессами. Это дало основание В.И. Вернадскому еще в 1925 году заявить, что человек своей научной мыслью создаёт «новую геологическую силу», причём эта сила непрерывно возрастает.
По имеющимся данным, общее количество ежегодно перемещаемой на планете горной массы превышает 100 млрд. т. Результатом такого воздействия стало образование техногенных массивов – искусственно сформированных в природном ландшафте геологических тел, представленных горными породами, отходами обогащения, золами, шлаками, шламами. Размеры земельных отводов крупнейших горнодобывающих предприятий измеряются тысячами гектаров отчуждаемых и нарушаемых земель. Разработка месторождений сопряжена также с потерями ценных компонентов в недрах при некомплексной переработке добытого минерального сырья.
В процессе обогащения руд в настоящее время теряется более трети олова и около четверти железа, вольфрама, молибдена и др. Совершенствование технологических процессов обогащения позволяет рассматривать техногенные массивы хвостохранилищ как месторождения различных видов минерального сырья.
В трудах академика К.Н. Трубецкого дана классификация техногенных месторождений, отмечается важность освоения хранилищ отходов горного производства в области построения системы природоохранной деятельности, рассматриваются особенности и экологические последствия развития минерально-сырьевого комплекса при переходе к концепции устойчивого развития природы и общества.
Высокий удельный вес открытого способа разработки российских месторождений полезных ископаемых свидетельствует о сохранении этого направления развития горнодобывающих отраслей. Производство открытых горных работ сопровождается формированием отвальных насыпей, хвостохранилищ, гидроотвалов. При этом воздействие на окружающую среду современных карьеров и техногенных массивов приобретает региональный характер (фото 1).
Фото 1 Вид объектов СтароYОскольского железорудного района КМА (снимок со спутника)
К числу негативных последствий формирования техногенных массивов следует отнести ухудшение состояния атмосферы, сокращение площадей земель, пригодных в большинстве случаев для сельскохозяйственного пользования, изменение природного ландшафта и загрязнение почвенного покрова, развитие эрозионных процессов, изменение состояния и свойств горных пород, слагающих основания техногенных массивов, а также гидрологического и гидрогеологического режима района, возникновение горно-геологических процессов и явлений, носящих порой катастрофический характер. Окружающая природная среда в районах разработки месторождений полезных ископаемых выходит из экологического равновесия – формируются горнопромышленные природно-техногенные системы.
Необходимая предпосылка разработки экологически безопасных технологических решений по формированию техногенных массивов состоит в учёте физико-географических, геологических, инженерно-геологических, гидрогеологических и горнотехнических факторов, определяющих состояние и характер возможного изменения геологической среды.
a)
б)
Фото 2 Отсыпка скальной вскрыши на гидроотвале: а) в зимний период; б) в летний период
К характерным инженерно-геологическим особенностям насыпных техногенных массивов и их оснований относятся: нарушенность структуры пород в теле насыпи, обусловливающая снижение прочности по сравнению с естественным залеганием; фракционированность пород и самовыполаживание откосов; существенное изменение прочности пород насыпей во времени – сопротивление сдвигу увеличивается в связи с уплотнением или снижается при увлажнении пород насыпи и основания; возникновение в водонасыщенных глинистых породах насыпей и их оснований порового давления, способствующего развитию оползней различных типов.
Намывные горнотехнические сооружения – гидроотвалы и хвостохранилища относятся к объектам повышенной экологической опасности, так как их формирование обуславливает изъятие значительных земельных площадей (более 4 га/млн. м3 укладываемого материала), загрязнение воздушного и водного бассейнов, изменение режимов подземных и поверхностных вод. Потеря устойчивости ограждающих дамб может привести к затоплению прилегающих территорий и соответственно к загрязнению глинистыми или токсичными пульпами плодородных земель, и также к дополнительному (по отношению к обусловленному фильтрационными потерями) загрязнению поверхностных и подземных вод.
Гидроотвалы предназначены для складирования с применением средств гидромеханизации (посредством намыва) вскрышных пород (покровных отложений) на открытых горных разработках. Гидровскрышные работы выполняются в бассейне КМА (где общий объём вскрыши, уложенной в гидроотвалы к 2009 г. составил около 500 млн. м3), Кузбассе (общий объём складированной гидровскрыши к 2009 г. более 1 млрд. м3), Канско-Ачинском бассейне, на Семилукских карьерах огнеупорных глин и на ряде месторождений цветных металлов. Состояние массивов гидроотвалов характеризуется следующими специфическими особенностями: перемещением фронта намыва от обвалования к прудку-отстойнику при увеличении мощности техногенного массива; формированием техногенных толщ тонкодисперсных отложений за периоды от нескольких лет до двух – трех десятилетий при интенсивности намыва 1–8 м/год; фракционированием пород при намыве и разнородностью складируемого материала, чем определяется пространственно-временная изменчивость структуры, текстуры, прочностных и деформационных характеристик техногенных отложений; концентрацией значительного объёма неконсолидированных отложений во внутренних зонах гидроотвалов, обусловливающей высокую землеёмкость этих сооружений и препятствующей последующему использованию намывных территорий после заполнения гидроотвалов.
Общий объём хвостохранилищ в Российской Федерации – около 5 млрд. м3. Главные технологические функции хвостохранилищ: складирование твердой фазы отходов обогащения; необходимое осветление воды и снижение содержания флотореагентов до значений, при которых допустимо использование всего слива хвостохранилища в технологическом процессе; создание накопительной ёмкости для водоснабжения при замкнутом водообороте. В связи с увеличением отрицательного влияния хвостохранилищ на окружающую среду в условиях роста объёмов перерабатываемого минерального сырья большое значение приобретают вопросы консервации и рекультивации этих сооружений. При этом первостепенное значение имеют пылеподавление на всех этапах формирования сооружения и обеспечение эффективного вторичного использования хвостов. Отличительная особенность формирования хвостохранилищ (по сравнению с гидроотвалами) заключается в преимущественно круглогодичном наращивании намывного массива.
Сложившаяся в Российской Федерации практика обращения с отходами ведёт к опасному загрязнению окружающей природной среды и создаёт реальную угрозу здоровью населения. Наряду с этим, с отходами безвозвратно теряются минеральные ресурсы, многими из которых страна практически уже не располагает. На территории России в отвалах различных типов накоплено свыше 85 млрд. т только твёрдых отходов, в том числе 80 млрд. т – горнопромышленных, количество которых ежегодно увеличивается почти на 2 млрд. т. Отвалами, шламонакопителями и хвостохранилищами занято свыше 300 тыс. га земель.
Инженерно-геологические, геомеханические и геологогеохимические исследования намывных техногенных массивов гидроотвалов и хвостохранилищ проводятся для повышения эффективности формирования и последующего использования этих сооружений, обеспечения экологической и промышленной безопасности. На основании исследований разрабатываются технологические решения по формированию намывных массивов с учётом направлений их последующего использования.
Решение вышеизложенного круга проблем было реализовано в совместных разработках учёных кафедры геологии МГГУ, Научного центра геомеханики и горного производства СПбГИ (ТУ), ВСЕГИНГЕО, ВИОГЕМ и производственников Кузбассразрезугля и Стойленского ГОКа.
Впервые в отечественной и зарубежной горной науке и практике реализован комплексный подход к экологически безопасному освоению техногенных массивов, предусматривающий:
- получение информации об их состоянии на всех стадиях формирования и последующего использования с применением различных средств и способов интерактивного мониторинга;
- разработку (преимущественно гидромеханизированную) как обводнённых техногенных месторождений;
- дальнейшее наращивание гидроотвалов и хвостохранилищ как намывных сооружений для повышения их вместимости, экономии земельных и водных ресурсов;
- использование территорий гидроотвалов и хвостохранилищ в качестве оснований отвалов «сухой» вскрыши (рис. 2);
- рекультивацию поверхности отвальных и гидроотвальных массивов;
- гидромеханизированную разработку гидроотвалов для подготовки перекрываемых ими угольных месторождений к разработке открытым способом;
- функционирование сложных природно-техногенных систем, включающих отвальную насыпь, намывной массив и борт карьера.
Исследования базируются на современных достижениях фундаментальной науки – теориях фильтрационной консолидации и ползучести грунтов, предельного напряжённого состояния и предельного равновесия сыпучей среды со сцеплением, а также прикладных наук – горного дела, инженерной геологии, гидрогеологии, гидрогеомеханики.
Разработке предложений по освоению техногенных массивов предшествовали теоретические исследования, к основным результатам которых относятся:
- решения плоской задачи уплотнения слоя конечной мощности применительно к формированию отвальных насыпей на сжимаемых основаниях и на этой основе определение условий применимости одномерных задач фильтрационной консолидации для прогноза уплотнения отвальных массивов;
- инженерные решения задач уплотнения слоя возрастающей во времени (переменной мощности), соответствующие различным этапам существования намывных массивов от строительства до консервации намывных сооружений;
- установление пространственной неоднородности консолидационных характеристик массива водонасыщенных пород под насыпью и вне зоны нагружения;
- разработка принципов и схемы технолитогенеза породных масс отвалов (сухих и гидравлических) как основы прогнозирования изменения свойств техногенных отложений в пространстве и во времени.
Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальными работами, включающими:
изучение динамики порового давления в техногенных массивах при формировании насыпных и намывных отвалов; изучение закономерностей изменения состава, состояния и свойств техногенных отложений;
Фото 3 Станция СПКYТ на полевых работах (гидроотвал «Берёзовый Лог» 2007 г.)
- установление параметров зоны влияния отвала при формировании насыпей на слабых водонасыщенных основаниях; - определение параметров нелинейной консолидации и ползучести намывных отложений;
- установление морфологии и механизма оползнепроявлений при отсыпке отвалов на слабых основаниях;
- инженерно-геологическое районирование техногенных массивов (рис. 3, 4);
- оценку качественных показателей техногенных угольных и рудных месторождений;
- обратные расчёты инженерно-геологических свойств (характеристик) по данным замеров порового давления, осадок техногенных массивов, оползневых смещений, с целью моделирования «поведения» массивов во времени.
В процессе реализации данной работы разработаны и внедрены новые способы и технические средства мониторинга техногенных массивов:
- способ комплексного зондирования устройствами МГГУ-ДИГЭС, пенетрационно-каротажной станцией ВСЕГИНГЕО, установкой гидрогеомеханического контроля УГК-1 и типоряд оригинальных зондов (фото 3, 4);
- способ дистанционного контроля состояния труднодоступных намывных территорий с применением аэрофотограмметрической съёмки для определения осадок намывного массива и его несущей способности;
- способ интерактивного удалённого контроля устойчивости откосов дамб намывных сооружений и отвальных насыпей на слабых основаниях по обоснованным гидрогеомеханическим критериям безопасности посредством сотовой связи стандарта GSM (рис. 3);
- технические средства измерения деформаций откосов отвалов сухих пород на слабых основаниях, обеспечивающих установление критических значений деформаций для управления процессом отвалообразования.
В результате теоретических и натурных исследований на горнодобывающих предприятиях КМА, Кузбасса, Олкона разработаны и внедрены безопасные и экологически эффективные технологические схемы отвальных и вскрышных работ, обеспечивающие повышение вместимости отвальных сооружений, ускорение водооборота при использовании средств гидромеханизации, сокращение сроков рекультивации отвалов, извлечение запасов полезного ископаемого под намывными объектами и сокращение площади нарушаемых земель, включающие:
- обоснование освоения техногенных массивов, путём выполнения комплекса полевых, лабораторных и расчётных работ, а также специальных научных исследований;
- формирование отвальных насыпей на намывных основаниях с использованием применяемого на открытых горных работах типового оборудования;
- использование средств гидромеханизации для размещения вскрышных пород в выработанном пространстве карьеров;
- регулирование режима возведения дамб гидроотвалов и хвостохранилищ с использованием оперативной информации, получаемой при выполнении на объектах мониторинга;
- выемку намывного массива средствами гидромеханизации для подготовки к отработке запасов угля открытым способом;
- создание устойчивых конструкций дамб гидроотвалов, ограждающих неудаляемые части намывного массива;
- формирование конструкций сложных природно-техногенных систем «борт+гидроотвал+отвал» «сухих» пород.
Фото 5 Подготовка наблюдательной сети на головной дамбе хвостохранилища ЛГОК
Фото 6 Монтаж системы удаленного контроля на головной дамбе
Новые технические средства и способы мониторинга и освоения техногенных массивов внедрены в регионе Кузбасса – в филиалах ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» – угольных разрезах Бачатском, Краснобродском, Талдинском, Моховском, Кедровском, в регионе КМА – на отвалах и хвостохранилищах Михайловского, Лебединского и Стойленского горнообогатительных комбинатов.
Внедрения результатов работы в регионах Кузбасса и КМА позволило обеспечить оперативный контроль устойчивости дамб и несущей способности слабых оснований, разместить на намывных основаниях свыше 0.5 млрд. м3 «сухой» вскрыши, исключить нарушение свыше 5000 га плодородных земель, сократить на десятилетия сроки рекультивации отвалов.
Общий экономический эффект от внедрения разработанных мероприятий на объектах Кузбасса составил более 15 млрд. руб., КМА – около 6 млрд. руб.
Предложенные технические средства и способы крупномасштабного освоения техногенных массивов внедрены в отвально-хвостовых хозяйствах горно-обогатительных комбинатов КМА в части реализации мониторинга, природоохранной технологии формирования гидроотвалов и разработки мероприятий по дальнейшему повышению вместимости хвостохранилищ и гидроотвалов.
Новизна средств и способов подтверждается 19 разработанными и внедренными авторскими свидетельствами и патентами, отличающимися от отечественных и зарубежных аналогов: в части аппаратуры и способов мониторинга – простотой и меньшими затратами при сопоставимой точности; в части формирования и последующего использования техногенных массивов – применением оборудования, используемого в основных технологических процессах при минимуме дополнительных затрат.
В ближайшей перспективе (до 2020 г.) дальнейшее использование результатов работы на объектах КМА обеспечит достижение экономического эффекта более 20 млрд. рублей, а на объектах Кузбасса – около 25 млрд. рублей.
