Комбинированная противофильтрационная защита технологических плотин

Ю.В. Субботин

КОМБИНИРОВАННАЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННАЯ ЗАЩИТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЛОТИН

Замкнутая система оборотного водоснабжения на дражных и гидромеханизированных разработках россыпей требует сооружения земляных водоподпорных плотин, необходимых для во-доподготовки, создания отстойников, прудов-осветлителей и предохранения талых пород от промерзания в зимний период затоплением. Технология их строительства проста и не требует значительных капитальных вложений.

Для отсыпки тела водоподпорной плотины обычно используют породы вскрыши, включающие глины, суглинки и растительный торф (чернозем). Поэтому после затопления полигона водой, как правило, наблюдаются нежелательные (особенно при разработке малообводненных россыпей) фильтрационные потери, которые зависят от водопроницаемости горных пород тела и основания плотины.

В практике производства горных работ известны различные способы противофильтрационной защиты плотин, позволяющие снизить коэффициент фильтрации пород в десятки раз. Технология экранирования плотин достаточно полно освещена в трудах проф., д.т.н. А.В. Рашкина, М.В. Костромина, В.Г. Пятакова и др. [1, 2, 3, 4]. Установлено, что наиболее эффективной про-тивофильтрационной защитой являются экраны (ПФЭ), выполненные из полимерных пленок и завесы (ПФЗ) из химического реагента натрийкарбоксиметилцеллюлозы (№-КМЦ).

Применение пленочных экранов повышает эффективность и надежность земляных плотин. Фильтрационные потери сокращаются не менее чем в 2 раза [1]. Однако, несмотря на высокую эффективность, использование пленочных экранов не гарантирует сохранение воды на затопляемых площадях, т.к. тяжелые условия отсыпки, высокая валунистость, неоднородность и абразивность горных пород способствуют образованию преждевременных повреждений полимерной пленки от проколов, порывов и истирания.

Первый опыт применения №-КМЦ для создания конструктивных схем ПФЗ в плотинах при предохранении пород от промерза-

ния затоплением был успешно осуществлен на дражном полигоне россыпи р. Бульбухта треста «Лензолото» в 1969 году. Поэтому в последствии противофильтрационные устройства с применением химической кольматации пород полиэлектролитами или экранированием мокрого откоса плотины полиэтиленовой пленкой, проходкой зуба и созданием понура нашли широкое применение на дражных разработках золотоносных россыпей РФ.

Наибольший эффект снижения водопроницаемости пород наблюдается при обработке мокрого откоса плотины порошком №-КМЦ. Техническая №-КМЦ (ГОСТ 5.588-70) гигроскопична и представляет собой натриевую соль целлюлозногликолевой кислоты в виде мелкозернистого порошкообразного или волокнистого абсолютно безвредного продукта белого или кремового цвета [2].

Химическая кольматация тела плотины растворами полиэлектролитов характеризуется сложностью технологии, требующей инъекции химических растворов в породу. При безинъекционном кольматаже не обеспечивается необходимая толщина противо-фильтрационной завесы. Например, при смешении растворов №-КМЦ и FeCl3 на поверхности плотины образуются не растворимые в воде пленки и агрегаты, закрывающие поры только на дневной поверхности, но не проникающие в горный массив.

Для повышения эффекта проникновения реагента в горные породы, снижения трудоемкости работ и повышения устойчивости противофильтрационной завесы нами была предложена попеременная обработка горных пород водным раствором катионного типа №-КМЦ концентрации 0,5-2,0 % со степенью полимеризации 200-600, а затем раствором треххлористого железа FeCl3 той же концентрации с повторением указанных операций в два-три цикла, в каждом из которых расход реагентов составляет 5-10 л/м2.

При попеременной обработке происходит оструктуривание поверхностного слоя породы за счет перераспределения связей с образованием Fe-КМЦ и перенос реагента на значи-

Рис. 1. Комбинированная противофильтрационная защита плотины: 1 - водоподпорная плотина; 2 - противофильтрационный экран (полотно геотекстиль-ного материала «Дорнит»); 3 - порошок №-КМЦ; 4 - мокрый откос плотины; 5 -противофильтрационная завеса (защитный слой покрывающих пород, обработанный порошкообразным №-КМЦ); 6 - вода; 7 - водонепроницаемые подстилающие породы

тельную глубину [5]. Однако в неоднородных породах с высоким коэффициентом фильтрации более 40-50 м/сут сооружение проти-вофильтрационных завес путем химической кольматация не достаточно эффективно, т.к. химические реагенты, а также пленки и агрегаты, образуемые при их смешении, постепенно вымываются фильтрационным потоком.

Поэтому представляет научный интерес создание более надежной комбинированной противофильтрационной защиты плотины, выполненной в виде совокупности противофильтра-ционного экрана и противофильтрационной завесы (рис. 1).

В качестве противофильтрационного экрана целесообразно использовать полотно геотекстильного материала, которое обладает высокой прочностью, технологичностью при монтаже и эксплуатации, а также имеет низкую стоимость.

Геотекстильные материалы изготовляют на основе синтетических волокон: полиамида, полиэфиров, полипропилена, путем механического скрепления иглопробивным способом (табл. 1). Они имеют высокий коэффициент фильтрации, изменяющийся от 50 до 150 м/сут.

Отечественная промышленность производит иглопробивным способом геотекстильные материалы «Дорнит» и «Нетканый», объемной плотностью от 90 до 150 кг/м3. При этом относительное удлинение достигает 60-80 %.

Геотекстильные материалы «Дорнит» и «Нетканый» обладают высокой прочностью на растяжение от 9,0 до 20,0 кН/м Таблица 1

Характеристика геотекстильных материалов

Название Страна изготови- тель Ширина полотна, м Толщина материала, м Прочность на растяжение, кН/м

Дорнит Россия 2,5-5,0 0,004 9,0-10,0

Нетканый Россия 2,5 0,003 18,0-20,0

Типар США 5,0 0,002-0,003 10,0-12,0

Г ейдельбергский Г ермания 4,0 0,001-0,003 3,0-12,0

Террам Англия 3,0 0,001-0,002 3,0-5,0

Стратум Италия 3,0 0,003-0,006 6,0-20,0

и характеризуются однородной мелкопористой структурой (см. табл. 1). Размеры пор достигают 50-75 мкм, как в поперечном, так и продольном направлении полотна [1].

Технология сооружения комбинированной противофильтраци-онной защиты плотины путем применения геотекстильных материалов и химической кольматации пород полимерами является максимально простой и доступной в любых условиях. Применение порошковой №-КМЦ не требует сложного инъекционного оборудования и растворных узлов.

Она наносится на поверхность геотекстильного материала размещенного со стороны мокрого откоса водоподпорной плотины перед затоплением исходя из расчета 0,1-0,5 кг/м2. Предохранительный слой породы толщиной 0,2-0,3 м отсыпают поверх слоя полимера №-КМЦ бульдозером в направлении фронтально створу плотины или же с ее гребня драглайном. В совокупности с полимером предохранительный слой горной породы образует противо-фильтрационную завесу.

При взаимодействии порошка №-КМЦ с молекулами воды полимер набухает в грунте, образует макромолекулы, а также не растворимые в воде пленки и агрегаты, которые закрывают поры геотекстильного фильтровального нетканого материала «Дорнит». За счет своей мелкопористой структуры и высокой адсорбционной способности «Дорнит» задерживает не только макромолекулы №-КМЦ, химические реагенты, пленки и агрегаты, образуемые при их смешении, но также и мельчайшие взвешенные частицы, химиче-

К,/к 0,8 0,6 0,4 0,2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 кг/м3

Рис. 2. Зависимость относительной эффективности химической кольмата-ции от удельного расхода реагентов: (К=47 м/сут - исходный коэффициент фильтрации пород, Кх - коэффициент фильтрации после обработки пород реагентами); 1 - обработка пород раствором №-КМЦ (по А.В.Рашкину); 2 - последовательная обработка растворами Fe(NO3)3 + №-КМЦ; 3 - последовательная обработка растворами ПЭИ + №-КМЦ (по К.И.Карасеву и А.В.Рашкину -а.с.№1102853); 4 - попеременная многократная обработка растворами №-КМЦ + FeCl3 (по а.с№836277); 5 - обработка порошком №-КМЦ (по М.В.Костромину); 6 - предлагаемый способ с использованием геотекстильного материала

ские соединения тяжелых металлов и нефтепродуктов, находящиеся как в эмульгированном состоянии, так и в виде плавающих примесей.

В результате на поверхности мокрого откоса водоподпорной земляной плотины образуется высокоэффективная не склонная к вымыванию высококонцентрированная тиксотропная система, содержащая значительное число гелевых частиц и способная противодействовать гидростатическому давлению фильтрующей воды.

Для создания противофильтрационной завесы увеличенной толщины и повышения эффекта гидроизоляции перед заполнением водоема водой уложенный предохранительный слой пород дополнительно попеременно обрабатывают с помощью поливомоечной машины сначала водным раствором №-КМЦ с расходом 5-10 л/м2, а затем водным раствором хлорного железа FeClз с тем же расходом с повторением указанных операций в два-три цикла. Водные растворы приготовляют одинаковой концентрации 0,5-2,0 % в специальных баках [5]. При этом за счет изменения структуры скелета грунта и перераспределения связей с образованием адсорбционных

центров в виде катионов Fe3+, Fe2+ и Fe-КМЦ коэффициент фильтрации резко снижается, а эффект кольматации возрастает в 3-5 раз, Таблица 2

Технико-экономическое сравнение способов создания противофильтрационной защиты плотины

Способ создания противофильтра- Относитель- Относитель- Трудоем-

ционнои защиты плотины ная эффек- ная себестои- кость,

тивность, доли мость, доли ед. чел.ч.

ед. 1000 м2

Противофильтрационный экран созданный из полимерной пленки 0,20-0,50 1,0 5-10

Противофильтрационная завеса

созданная путем обработки по-

род: - раствором ПЭИ; 0,04 1,5 5-12

- раствором К-4; - раствором №-КМЦ; - порошком №-КМЦ; 0,06 0,10 0,20 0 2 4 5-12 5-12 6-10

- попеременно растворами №-КМЦ, FeQ3; 0,80 2,0 8-16

- последовательно растворами ПЭИ и ПАК (поверхностная); 0,85 2,5 8-16

- последовательно инъекцией

растворов ПЭИ и ПАК в пласт; 0,95 3,0 25-30

Химическая кольматация взрывом 1,00 5,0 10-20

Комбинированный (Дор-нитШакМц) 1,00 1,8 8-16

значительно превышая эффективность возведения противофильт-рационных завес на основе взрывной кольматации [3].

Опыты позволили установить зависимость эффективности химической кольматации породы от концентрации и удельного расхода №-КМЦ, а также от коэффициента фильтрации горных пород плотины.

Полученные зависимости подтверждаются исследованиями (рис. 2), ранее выполненными в Иргиредмете и ЧитГУ (проф. А.В.Рашкин - 1969 г., проф. М.В.Костромин - 1976 г., проф. К.И.Карасев - 1984 г.).

Показатели относительной эффективности снижения фильтрационного расхода воды через плотину, относительной трудоемкости и относительной себестоимости свидетельствует о том, что для

обеспечения эффективной и надежной противофильтрационной защиты плотины важное значение имеет трудоемкость ее возведения и способ создания (табл. 2).

--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рашкин А.В., Авдеев П.Б., Субботин Ю.В. Тепловая и водная подготовка горных пород при разработке мерзлых россыпей. - М.: Горная книга, 2004. - 353 с.

2. Рашкин А.В., Костромин М.В., Стафеев П.Ф. Противофильтрационная защита земляных плотин при разработке россыпей. - Горный журнал № 10, 1976. - С. 12-14.

3. А.с. 908994 СССР МКИ3 Е 02 В 3/16. Способ возведения противофильт-рационных завес /А.В. Рашкин, В.С. Абалаков, М.В. Костромин и др.

4. Жученко Е.Т., Петрович Н.В., Пятаков и др. Опыт применения полимерных экранов при сооружении плотин на дражных полигонах// Колыма.- 1968.-№2.-С. 12-14.

5. А.с. 836277 СССР МКИ3 Е 02 В 3/16. Способ создания противофильтра-ционных завес /А.В.Рашкин, Е.И. Комаров, В.С. Абалаков, Ю.В. Субботин.

— Коротко об авторах --------------------------------------------

Субботин Юрий Викторович - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры ОГР, Читинский государственный университет.