СПОСОБ РЕКУЛЬТИВАЦИИ СЕКЦИИ ГИДРООТВАЛА, ЗАПОЛНЕННОЙ ЗЕРНИСТЫМИ ОТХОДАМИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
METHOD FOR RECLAMATION OF SLUDGE POND COMPARTMENT FILLED WITH GRAINY WASTES OF INDUSTRIAL ENTERPRISES

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть применено при рекультивации (консервации) гидроотвалов, например хвостохранилищ, шламонакопителей и золошлакоотвалов.
Известен способ рекультивации (консервации), согласно которому в секцию гидроотвала намывают отходы до проектного уровня, затем намыв прекращают и осуществляют рекультивацию [1 и 2].
Однако конечное состояние поверхности гидроотвала не обеспечивает удобный рельеф. Поэтому при планировке центральную часть секции наращивают отходами, взятыми из пляжной зоны, и привозным карьерным грунтом, создавая, таким образом, над секцией тело планировки, как элемента технической стадии рекультивации (далее: тело рекультивации). При этом ограждающие дамбы, воспринимавшие в процессе намыва отходов в секцию расчетные гидравлические нагрузки, срезают по высоте до 20 процентов. Дополнительно, наличие неконсолидированных водонасыщенных отходов в центральной части секции не позволяет начать работы по рекультивации длительное время после завершения намыва отходов, что затягивает передачу площади секции для дальнейшего использования. Кроме этого конечный коэффициент заполнения гидроотвала при таком способе рекультивации равен 0,75-0,85, а планировочные работы и затягивание рекультивации обуславливают аномальное поступление в атмосферу мелких фракций отходов в виде пыления, особенно на золошлакоотвалах. Все это ведет к высоким затратам средств и к существенным экологическим издержкам.
Известен способ рекультивации секции гидроотвала, заполненной зернистыми отходами промышленных предприятий, включающий формирование над секцией, созданной ограждающими дамбами, из отходов тела рекультивации (тела намыва) путем точечного выпуска пульпы в центральную часть из пульповода, расположенного над секцией, и покрытие наружной поверхности тела рекультивации слоем почвы. При этом избыточную воду, поступающую в секцию, посредством водовода направляют в систему водоснабжения гидротранспорта отходов, а высотное положение наружной поверхности тела рекультивации обеспечивает ему после осадки отложений в секции сохранение выпуклой формы, необходимой для стока воды с его поверхности [3].
Недостатки этого способа, снижающие его эффективность, заключаются в следующем:
- непосредственно вдоль ограждающих сооружений по всему периметру секции образуется узкий пруд-канал, вода которого обуславливает высокое гидравлическое воздействие на ограждающие сооружения, что снижает надежность, прежде всего экологическую, заполненной отходами секции;
- из пруда-канала необходимо периодически удалять осевшие в него шламы, что связано с дополнительными затратами;
- все тело рекультивации насыщается водой, которая в зимнее время года под напором воздействует на слой сезонного промерзания отходов с образованием бугров пучения и ключей, разрушающих наружную боковую поверхность тела рекультивации, что снижает надежность создаваемого тела рекультивации;
- на протяжении всего периода такого практически без прудка формирования тела рекультивации необходимо осуществлять пылеподавление на всей поверхности секции, что связано с высокими затратами средств и с существенными экологическими издержками;
- уклон наружной поверхности тела рекультивации при точечном выпуске пульпы формируется естественным и практически неуправляемым путем, а его величина зависит от физико-механических характеристик отходов и может быть недостаточной, при этом уклон изменяется (уменьшается) в направлении от места выпуска пульпы к ограждающим дамбам, что не обеспечивает формирование оптимально заданной формы тела рекультивации.
Известен способ возведения хвостохранилища, в котором по продольной оси накопителя хвостов от одной ограждающей дамбы до противоположной зенитным намывом из хвостов формируют разделительную дамбу, гребень которой превышает гребень ограждающих дамб. Затем участками переходят на двусторонний рассредоточенный выпуск пульпы, вследствие чего к моменту заполнения накопителя его поверхность приобретает выпуклый профиль, что увеличивает вместимость хвостохранилища и обеспечивает возможность начать выполнение всех работ технической стадии рекультивации последовательно участками [4].
Недостатки этого способа, снижающие его эффективность, заключаются в следующем:
- высокая степень готовности ограждающих сооружений к началу рассредоточенного намыва;
- ограждающие дамбы по всему периметру хвостохранилища длительное время находятся под высоким гидравлическим воздействием поверхностных и грунтовых вод;
- недостаточная возможность осуществления рекультивации до полного заполнения хвостохранилища;
- наличие неконсолидированных водонасыщенных хвостов возле ограждающих дамб не позволяет начать работы по рекультивации длительное время после завершения намыва на участке;
- неуправляемость формирования оптимальной выпуклости поверхности накопителя.
Известен способ, в котором земельный отвод под хвостохранилище делят на участки со сроком эксплуатации от одного до двух лет и вводят их в эксплуатацию последовательно один за другим. Причем на третьем участке ведут обваловку, второй эксплуатируется, а на первом участке проводят рекультивацию через 2-4 года после начала эксплуатации хвостохранилища [5].
По сути, предложен способ строительства и рекультивации многосекционного хвостохранилища, заполнение каждой секции, т.е. участка, осуществляется за 1-2 года. При осуществлении такого способа возникают трудности, связанные, во-первых, с формированием отстойного пруда необходимых для забора из него воды размеров, во-вторых, с ликвидацией этого пруда при планировке участка. Все это снижает эффективность и сужает область использования способа как строительства хвостохранилища, так и его рекультивации.
Известен также способ рекультивации (консервации) секции гидроотвала, заполненной зернистыми отходами промышленных предприятий, принятый за прототип, включающий выполнение по периметру секции с верховой стороны от ее ограждающей дамбы дренажной траншеи, заглубленной в отходы секции и понижающей уровень грунтовой воды перед ограждающей дамбой, формирование над секцией из отходов тела рекультивации (консервации) с приданием ему заданной по высоте выпуклой формы наружной поверхности, и покрытие этой поверхности слоем почвы. По меньшей мере, нижнюю часть тела рекультивации формируют ярусами, каждый из которых выполняют путем намыва тела яруса с образованием отстойного пруда и пляжной зоны, осуществляемого под защитой ограждающего элемента, возведенного по периметру яруса из обезвоженных перед разработкой отходов пляжной зоны землеройной техникой, преимущественно посредством бульдозера, и обеспечивающего в пределах высоты тела яруса придание телу рекультивации заданной формы наружной поверхности [6].
Недостатки этого способа, снижающие его эффективность и сужающие область его использования, заключаются в следующем:
- сложность работ по обезвоживанию перед разработкой мелкозернистых и/или пылеватых отходов, например, золошлаков тепловых электрических станций, что увеличивает затраты и сужает область использования способа;
- материал оголовка, временно выполняющего в ограждающем элементе конструктивные и технологические функции, используется недостаточно продуктивно, что увеличивает затраты;
- интенсивность пыления при разработке и перемещении бульдозером обезвоженных отходов, что приводит к экологическим издержкам;
- тело рекультивации насыщается водой, которая в зимнее время года может под напором воздействовать на слой сезонного промерзания отходов с образованием бугров пучения и ключей, разрушающих наружную боковую поверхность выполненной части тела рекультивации, что снижает надежность способа.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности способа, а достигаемый при этом технический результат при осуществлении способа заключается в уменьшении затрат и экологических издержек, в повышении надежности и в расширении области использования.
в
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе, включающем формирование над секцией из отходов тела рекультивации с приданием ему заданной по высоте формы наружной поверхности, и покрытие этой поверхности слоем почвы, при этом, по меньшей мере, нижнюю часть тела рекультивации формируют ярусами, каждый из которых выполняют путем намыва тела яруса с образованием отстойного пруда и пляжной зоны, осуществляемого под защитой ограждающего элемента, возведенного по периметру яруса землеройной техникой и обеспечивающего в пределах высоты тела яруса придание телу рекультивации заданной формы наружной поверхности, согласно изобретению, ограждающий элемент в поперечном сечении возводят последовательно частями, при этом сначала из грунтового материала возводят верховую призму, затем из отходов пляжной зоны возводят низовую призму, после чего из грунтового материала, пригодного для последующего покрытия им наружной поверхности тела рекультивации, т.е. слоя почвы, возводят оголовок, который располагают над верховой и частично над низовой призмой и который состоит из временной (срезаемой) части и постоянной, образующей над верховой и частично над низовой призмой слой почвы, причем низовую призму возводят посредством экскаватора, который перемещается по верховой призме, производит разработку отходов пляжной зоны и укладывает их в низовую призму, наружную поверхность которой, после придания ей заданной формы, покрывают слоем грунтового материала временной части оголовка ограждающего элемента предыдущего яруса, а площадь поперечного сечения временной части оголовка w возводимого ограждающего элемента удовлетворяет условию:
в
п
w≤b×e,
где b - подлежащая покрытию ширина наружной поверхности низовой призмы ограждающего элемента, намеченного к возведению для намыва последующего по высоте яруса;
п
е - толщина слоя почвы (покрытия).
Дополнительно:
- экскаватор оборудован драглайном;
- по периметру секции с верховой стороны от ее ограждающей дамбы выполняют водосборную канаву;
- в случае выполнения по периметру секции с верховой стороны от ее ограждающей дамбы дренажной траншеи, заглубленной в отходы секции и понижающей поверхность грунтовой воды перед ограждающей дамбой, величина заглубления дренажной траншеи обеспечивает понижение поверхности грунтовой воды в ограждающем элементе и в теле яруса в нижних (первых) ярусах тела рекультивации ниже подошвы слоя их сезонного промерзания;
- секцию снабжают водоводами, обеспечивающими слив воды из водосборной канавы и дренажной траншеи за пределы секции.
Основными отличительными признаками предложенного способа, обеспечивающими достижение указанного технического результата, является группа признаков по последовательному частями возведению оголовка ограждающего элемента с использованием экскаватора драглайна, конкретизация грунтового материала и размера оголовка, временно выполняющего в ограждающем элементе конструктивные и технологические функции и выполнение по периметру секции водосборной канавы и дренажной траншеи с уточненной величиной ее заглубления.
Изобретение поясняется чертежами, на которых секция изображена на момент окончания выполнения 8-го яруса, при этом степень уменьшения горизонтальных размеров превышает степень уменьшения вертикальных размеров на фиг.1 в 10 раз, на фиг.2 - в 5 раз, на фиг.3 - без уменьшения:
- на фиг.1 изображена рекультивируемая секция гидроотвала, поперечный разрез;
- на фиг.2 - узел 1 на фиг.1;
- на фиг.3 - поперечный разрез по ограждающему элементу.
ф
пл
я
Секция 1 (далее: секция) создана на равнинной местности ограждающими дамбами 2 и заполнена до проектной отметки отходами, которые являются мелкозернистыми и/или пылеватыми, например, золошлаки тепловых электрических станций. Отходы пляжной зоны 3 характеризуются коэффициентом фильтрации k<1 м/сут и уклоном поверхности пляжа 4 i<0.005, доля единицы, а сам пляж 4 обладает слабой несущей способностью. Прудковая зона 5 сложена из пылевато-глинистых фракций. Избыточная вода, поступавшая в секцию при ее заполнении, посредством не показанных на чертежах водосбросных колодцев, водосбросных труб и отводящего канала направлялась в систему оборотного водоснабжения гидротранспорта отходов, осуществляемого по магистральному пульповоду. Рекультивацию осуществляют путем формирования над секцией из отходов тела рекультивации 6 с приданием ему заданной по высоте выпуклой формы наружной поверхности 7 и покрытия этой поверхности слоем почвы 8. Нижнюю и среднюю по высоте часть тела рекультивации 6 формируют ярусами 9, каждый из которых выполняют путем намыва из отходов тела яруса 9 с образованием отстойного пруда 10 и пляжной зоны 3. Этот намыв осуществляют под защитой ограждающего элемента 11, возведенного по периметру намеченного к выполнению яруса 9 землеройной техникой и обеспечивающего в пределах высоты h тела яруса 9 придание телу рекультивации 6 заданной формы наружной поверхности 7.
Уже при выполнении первого яруса 9 по периметру секции с верховой стороны от ограждающей дамбы 2, если секция не дренирована, выполняют дренажную траншею 12. Величина заглубления дренажной траншеи 12 в отходы секции обеспечивает понижение поверхности грунтовой воды (кривая депрессии) 13 перед ограждающей дамбой 2 на заданную величину, а в теле и основании ограждающего элемента 11 - ниже подошвы 14 слоя сезонного промерзания. Одновременно выполняют водосборную канаву 15, которую располагают над дренажной траншеей 12 или рядом с ней. Секцию 1 снабжают водоводами (не показаны), которые обеспечивают слив воды из водосборной канавы 15 и дренажной траншеи 12 за пределы секции 1.
Ограждающий элемент 11 (фиг.3) в поперечном разрезе состоит из верховой призмы 16, низовой призмы 17 и оголовка 18. Оголовок 18, временно выполняющий конструктивные и технологические функции, состоит из временной (срезаемой) части 19 и постоянной части 20, которая образует слой почвы 8 переменной толщины над верховой призмой 16.
в
Ограждающий элемент 11 возводят последовательно частями. Сначала из грунтового материала возводят верховую призму 16, затем из отходов пляжной зоны возводят низовую призму 17. После всего этого из грунтового материала, пригодного для последующего покрытия им наружной поверхности тела рекультивации 6, возводят оголовок 18. Этот оголовок располагают над верховой 16 и частично над низовой 17 призмой. Низовую призму 17 возводят посредством экскаватора 21, который оборудован драглайном, перемещается по верховой призме 16, производит разработку отходов в карьере 22 пляжной зоны 3 и укладывает их в низовую призму 17. Посредством бульдозера (бульдозер не показан) наружной поверхности низовой призмы 17 придают заданную форму и покрывают ее слоем 8 грунтового (почвенного) материала временной (срезаемой) части 19 оголовка 18 ограждающего элемента 11 предыдущего яруса 9. Площадь поперечного сечения временной части оголовка w возводимого ограждающего элемента удовлетворяет условию:
в
п
w≤b×e,
где b - подлежащая покрытию ширина наружной поверхности низовой призмы ограждающего элемента, намеченного к возведению для намыва последующего по высоте яруса;
п
е - толщина слоя почвы (покрытия).
В приведенной зависимости при соблюдении условия «меньше» при выполнении слоя почвы 8 на участке потребуется дополнительная доставка грунтового материала, а при условии «равно» баланс грунта будет оптимальным. На фиг.3 ширина покрытия b=24 м при условии, что покрытие выполняют с опережением возведения оголовка 18 последующего яруса 9.
я
p
я
p
Угол наклона поверхности тела рекультивации по отношению к горизонту α обычно не превышает 3-х градусов [7]. При высоте яруса h=1,5 и принятом уклоне тела рекультивации i=0,05 расстояние между осями оголовков 18 ограждающих элементов 11 (ширина полосы рекультивации) l=h/i=1,5 /0,05=30 м.
При намыве тел ярусов 9 забор воды из отстойного пруда 10 осуществляют посредством сначала наращиваемых водосбросных колодцев (не показаны), затем посредством строительства новых водосбросных колодцев (не показаны) или выполнением плавучих машинных или сифонных водозаборов 23. Формирование верхней части 24 тела рекультивации 6 осуществляют в соответствии с проектом.
Предложенному способу присущи следующие достоинства.
1. Верховая призма 16 и оголовок 18 как при возведении, так и при эксплуатации практически не создают пыление.
2. К верховой призме 16 предъявляются требования устойчивости. Противофильтрационные функции при намыве тела яруса 9, как крайний случай, полностью может взять на себя низовая призма 17. При этом объем верховой призмы 16 не велик, его высота обычно не превышает 1,5 м, а дорожная одежда 25 под экскаватор 21 специально может не потребоваться или быть облегченной, причем без использования геосинтетиков.
3. Ось экскаватора располагается равноудаленно как от карьера 22, так и от центра низовой призмы 17. Это позволяет применить экскаватор-драглайн с умеренной длиной стрелы, что уменьшит затраты на экскавацию отходов.
4. Экскаватор 21, оборудованный драглайном, разрабатывает отходы, находящиеся за счет капиллярого поднятия воды во влажном состоянии, а при необходимости, и ниже уровня грунтовых вод. После укладки таких влажных и водонасыщенных отходов в низовую призму 17 ей сразу короткими участками бульдозером придают заданную форму и покрывают слоем почвы 8. В таких условиях эти работы осуществляются практически без образования сухих поверхностей отходов и они не создают существенного пыления и не требуют значительных затрат на пылеподавление поливочными машинами.
5. Продуктивно используется грунтовый материал оголовка 18, сначала он временно используется в ограждающем элементе 11, затем - постоянно в теле консервации 6, как его слой почвы 8.
Указанные достоинства способа в указанной мере не могут быть обеспечены при расположении дороги 25 под экскаватор 21 как у поверхности со слабой несущей способностью пляжа 4, так и на гребне оголовка 18, а также на ином промежуточном уровне.
Использованные источники
1. Рекомендации по проектированию золошлакоотвалов тепловых электрических станций: П 26-85/ВНИИГ, Л., 1986. С.67-68.
2. Рекомендации по рекультивации отработанных золошлакоотвалов тепловых электростанций». РД 34.202-95.М.: СПО ОРГРЭС, 1997.
3. Авторское свидетельство СССР №1052614. Способ мокрого складирования хвостов обогощения. / Саратов И.Е., Ремизов Б.И., Бондаренко А.И. и др., МПК Е02В 7/06, 1981.
4. Патент РФ №2162151. Способ возведения хвостохранилища. / Макеев А.Ю., Зотеев В.Г., Камкин И.Р. и др. МПК Е02В 7/06, Е21C 41/26. Подано 2000.04.26. Опубл. 2001.01.20.
5. Патент РФ №2335631. Способ совместного строительства и рекультивации хвостохранилища. / Сенкус В.В, Перфилов А.А., Сенкус В.В. и др. МПК Е21С 41/32, Е02В 7/06, Подано 2006.10.31. Опубл. 2008.05.10.
6. Заявка РФ №2007141429. Способ консервации секции гидроотвала зернистых отходов промышленных предприятий. / Вайкум В.А., Руднов В.М., Ягин В.П., МПК Е02В 7/00. Подано 07.11.2007. Опубл. 20.05.2009.
7. Рекомендации по рекультивации отработанных золошлакоотвалов тепловых электростанций. РД 34.202.-95 /РАО «ЕЭС России». - М.: СПО ОРГРЭС, 1997.
Обозначения
1 - секция
2 - ограждающая дамба (секции)
3 - пляжная зона
4 - пляж (поверхность)
5 - прудковая зона
6 - тело рекультивации
7 - наружная поверхность (тела рекультивации)
8 - слой почвы (покрытие)
9 - ярус (тела рекультивации)
10 - отстойный пруд
11 - ограждающий элемент
12 - дренажная траншея
13 - кривая депрессии
14 - подошва слоя сезонного промерзания
15 - водосборная канава
16 - верховая призма (ограждающего элемента)
17 - низовая призма (ограждающего элемента)
18 - оголовок (ограждающего элемента)
19 - временная (срезаемая) часть оголовка
20 - постоянная часть оголовка
21 - экскаватор (драглайн)
22 - карьер
23 - плавучий водозабор
24 - верхняя часть тела рекультивации
25 - дорожная одежда
я
h - высота тела яруса.
пл
i - уклон пляжа
p
i - уклон поверхности тела рекультивации
п
е - толщина слоя почвы (покрытия)
l - расстояние между осями оголовков ограждающих элементов
b - ширина наружной поверхности низовой призмы ограждающего элемента
α - угол наклона поверхности тела рекультивации по отношению к горизонту.