СПОСОБ ПОЯРУСНОГО СКЛАДИРОВАНИЯ ЗЕРНИСТЫХ ОТХОДОВ В ГИДРООТВАЛ, ДРЕНИРОВАННЫЙ У ОСНОВАНИЯ ПЛЯЖНОЙ ЗОНЫ
METHOD FOR TIER STOCKING OF GRAIN WASTES INTO SLUDGE POND DRAINED NEAR BASE OF BEACH ZONE

Изобретение относится к гидротехнике и может быть применено при поярусном складировании зернистых отходов в гидроотвалы, например шламонакопители, хвостохранилища и золоотвалы, которые дренированы у основания пляжной зоны и расположены преимущественно в районах с высокой сейсмической активностью.
Известен способ поярусного складирования зернистых отходов в гидроотвал, включающий создание емкости первого яруса путем возведения первичной дамбы, выпуск пульпы из пульповода в емкость первого яруса с образованием перед первичной дамбой из отходов пляжной зоны, а на расстоянии - отстойного пруда, последовательное создание емкостей вышерасположенных ярусов путем возведения каждый раз на пляже намыва предыдущего яруса дамбы наращивания (то же: вторичная дамба) и выпуск пульпы из пульповода каждый раз в емкость яруса с образованием перед дамбой наращивания из отходов пляжной зоны и сохранением отстойного пруда. В гидроотвале выполняют самотечную дренажную систему перехвата фильтрационного потока в виде двух дрен, размещенных непосредственно у дамб с их верховой стороны, одна из которых размещена вдоль первичной дамбы, а другая - вдоль дамбы наращивания [1].
Поскольку дрены размещены непосредственно у дамб, то они работают неэффективно. При складировании отходов, даже при значительном удалении отстойного пруда от дамб, на участке намыва вода, фильтрующая из блуждающих на пляже намыва потоков пульпы мимо дрен, насыщает возле дамб отходы до основания гидроотвала, а порою и высачивается на низовом откосе дамбы. При сейсмическом сотрясении водонасыщенные отходы разжижаются. Это может привести к прорыву дамб и аварийному изливу разжиженных отходов с катастрофическими последствиями [2]. В случае мелкодисперсных отходов угроза такого прорыва может существовать в течение ряда лет и после вывода гидроотвала из эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ поярусного складирования зернистых отходов в гидроотвал, дренированный у основания пляжной зоны, включающий создание емкости первого яруса путем возведения первичной дамбы, выпуск пульпы из пульпопровода в емкость первого яруса с образованием перед первичной дамбой из отходов пляжной зоны, а на расстоянии - отстойного пруда, последовательное создание емкостей вышерасположенных ярусов путем возведения каждый раз на пляже намыва предыдущего яруса дамбы наращивания и выпуск пульпы из пульпопровода каждый раз в емкость яруса с образованием перед дамбой наращивания из отходов пляжной зоны и сохранением отстойного пруда. По меньшей мере, перед одной дамбой наращивания из грунтового материала создают понур, который обеспечивает образование между собой и основанием пляжной зоны в отходах аэрированной зоны, заданных из условия безопасности размеров [3].
Недостатки этого способа заключаются в следующем.
1. Понур создают из привозного грунтового материала, уменьшающего к тому же полезный объем емкости гидроотвала, что увеличивает расходование средств на осуществление способа.
2. При создании понура используют землеройную технику, которая длительное время работает на пляже намыва, не успевшего в стадии отстоя приобрести достаточную несущую способность. Все это усложняет работы при осуществлении способа и, соответственно, увеличивает расходование средств.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности способа за счет экономии средств и упрощения работ при создании перед дамбой наращивания понура. Эта задача решается за счет того, что в способе поярусного складирования зернистых отходов в гидроотвал, дренированный у основания пляжной зоны, включающем создание емкости первого яруса путем возведения первичной дамбы, выпуск пульпы из пульпопровода в емкость первого яруса с образованием перед первичной дамбой из отходов пляжной зоны, а на расстоянии - отстойного пруда, последовательное создание емкостей вышерасположенных ярусов путем возведения каждый раз на пляже намыва предыдущего яруса дамбы наращивания и выпуск пульпы из пульпопровода каждый раз в емкость яруса с образованием перед дамбой наращивания из отходов пляжной зоны и сохранением отстойного пруда, при этом, по меньшей мере, перед одной дамбой наращивания создают понур, который обеспечивает образование между собой и основанием пляжной зоны в отходах аэрированной зоны, заданных из условия безопасности размеров, согласно изобретению понур создают путем кольматации у поверхности пляжа намыва слоя отходов высокодисперсным (микродисперсным) диоксидом кремния, который после прекращения на участке выпуска пульпы наносят на поверхность пляжа намыва в заданном количестве в виде слоя водно-коллоидной суспензии. Слой водно-коллоидной суспензии на поверхность пляжа наносят после наступления холодного периода года и образования у поверхности пляжа намыва мерзлой корки, обеспечивающей ведение работ, а выпуск пульпы из пульпопровода возобновляют после наступления теплого периода года и таяния на пляже намыва снега, образующего воду, которая вносит диоксид кремния в слой отходов.
Дополнительно:
- после таяния снега и оттаивания отходов у поверхности пляжа намыва на глубину не менее 0,1 метра производят уплотнение отходов;
- при возобновлении на участке выпуска пульпы пляж намыва непосредственно в месте выпуска пульпы из пульповода покрывают выполненным из геотекстильного материала полотном, предотвращающим размыв потоком пульпы кольматированного слоя отходов.
Противофильтрационное укрепление грунтов путем введения в грунт кольматанта в виде водной суспензии высокодисперсного диоксида кремния и обработки после этого грунта импульсным воздействием известно [4]. Этот кольматант в источниках [5 и 6] получил название микродисперсного кольматанта (МК) и микродисперсного кольматанта-сорбента (МКС), а его использование в накопителях отходов осуществляют средствами гидромеханизации. Последнее обстоятельство ограничивает область применения кольматанта и обуславливает непродуктивное рассеивание кольматанта в большом объеме отходов, а применительно предлагаемого изобретения еще и усложняет работы.
Именно создание понура путем кольматации у поверхности пляжа намыва слоя отходов и выполнение этого кольматирования вышеуказанным и ранее не известным «сезонным» методом обеспечивает экономию средства и упрощает работы.
На фиг.1 схематично изображен пятиярусный гидроотвал на завершающем этапе складирования зернистых отходов, поперечный разрез; на фиг.2 - узел I на фиг.1, создание понура.
На чертежах имеются следующие обозначения:
1 - зернистые отходы (далее: отходы);
2 - основание;
3 - первичная дамба;
4 - экран;
5 - дренажный слой;
6 - дренажная труба;
7 - пляжная зона;
8 - пульпопровод;
9 - отстойный пруд;
10 - пляж намыва (далее: пляж);
11 - дамба наращивания второго яруса;
12 - дамба наращивания третьего яруса;
13 - дамба наращивания четвертого яруса;
14 - дамба наращивания пятого яруса;
15 - понур (то же: кольматированный слой);
16 - аэрированная зона;
17 - граница аэрированной зоны;
18 - слой водно-коллоидной суспензии (далее: слой суспензии);
19 - снег;
20 - мерзлый слой;
21 - талый слой;
22 - буртик;
23 - прудковая зона.
Гидроотвал создают и в него поярусно складируют зернистые отходы (далее: отходы) 1 в следующей последовательности.
На основании 2 и верховом откосе первичной дамбы 3 размещают экран 4. На экране 4 в пределах верхового откоса первичной дамбы 3 и на прилегающей к ней части экрана 4 выполнен дренажный слой 5, который содержит две дренажные трубы 6 и вместе с ними и отводящими трубами (на чертеже отводящие трубы не показаны) образует над основанием 2 в пределах пляжной зоны 7 самотечную дренажную систему. В созданную таким образом емкость первого яруса участками по периметру емкости производят выпуск пульпы из пульпопровода 8 с образованием перед первичной дамбой 3 из отходов 1 пляжной зоны 7, а на расстоянии - отстойного пруда 9. После заполнения отходами 1 емкости первого яруса последовательно создают емкости вышерасположенных, со второго по пятый, ярусов. С этой целью каждый раз на пляже намыва (далее: пляж) 10 предыдущего яруса возводят дамбу наращивания, соответственно 11, 12, 13 и 14, и каждый раз участками производят выпуск пульпы из пульпопровода 8 в емкость яруса с образованием перед соответствующей дамбой наращивания из отходов 1 пляжной зоны 7 и сохранением отстойного пруда 9.
п
Перед дамбой наращивания 13 на пляже 10 третьего яруса создают понур 15, длина l которого обеспечивает образование между понуром 15 и основанием 2 в отходах 1 пляжной зоны 7 аэрированной зоны 16, заданных из условия безопасности размеров и с границей 17 (на чертеже граница показана пунктиром).
Понур 15 создают путем кольматации у поверхности пляжа намыва 10 слоя отходов 1 высоко дисперсным (микродисперсным, нанодисперсным) диоксидом кремния, который в заданном количестве наносят на поверхность пляжа 10 после прекращения на участке выпуска пульпы из пульпопровода 8, т.е. в период отстоя пляжа 10. Этот диоксин кремния наносят в виде слоя водно-коллоидной суспензии 18 (на чертеже этот слой показан пунктиром) преимущественно после наступления холодного периода года и образования у поверхности пляжа 10 мерзлой корки, обеспечивающей ведение работ. Выпуск пульпы из пульпопровода 8 возобновляют после наступления теплого периода года и таяния на пляже 10 снега 19.
Механизм образования понура 15, а также работы, способствующие образованию понура 15, заключаются в следующем.
1. В период отстоя пляжа 10 отходы 1 у его поверхности умеренно обезвоживаются. В холодный период года такие отходы 1 при промерзании повышают несущую способность и уменьшают способность принимать в себя влагу. Поэтому в холодный период года упрощается применение механизмов при нанесении на поверхность пляжа 10 слоя суспензии 18, а проникновение этой суспензии 18 вглубь мерзлого слоя 20 отходов 1 существенно ограничивается.
2. С наступлением теплого периода года вода, образующаяся при таянии снега 19, вместе с диоксидом кремния (кольматантом) впитывается отходами 1, преимущественно их верхним талым слоем 21. Проникновение же кольматанта вглубь мерзлого слоя 20 может происходить только в малом количестве. В результате этого в талом слое 21, толщина которого обычно равна 0,1-0,3 метра, концентрируется практически весь кольматант слоя суспензии 18.
2
3. Именно уплотнение талого слоя 21 после концентрированного его насыщения кольматантом в существенной мере снижает водопроницаемость талого слоя 21, создание которого, т.е. понура 15, стало возможным благодаря ранее изложенным «сезонным» правилам ведения работ. При этом полученный эффект (снижение водопроницаемости) превышает простую сумму отдельных эффектов от кольматации и уплотнения. Это объясняется тем, что кольматант состоит в основном из частиц крупностью от 5 до 80 нм и в силу высокой удельной площади поверхности (40-50 м/г) и способности диоксида кремния активно, с повышением поверхностного натяжения воды, закрепляться на поверхности минеральных зерен обладает высокой водоудерживающей и сорбционной способностью [5 и 6]. Эта способность кольматанта проявляется тем сильнее, чем мельче фильтрационные каналы, т.е. от степени уплотнения грунта зернистого материала.
После создания понура 15 на участке возобновляют выпуск пульпы из пульпопровода 8. При этом пляж 10 непосредственно в месте выпуска пульпы покрывают выполненным из геотекстильного материала полотном, предотвращающим размыв потоком пульпы понура 15.
Средства (малогабаритные и многофункциональные машины) и технологические приемы, необходимые для получения водно-коллоидной суспензии и нанесения ее на поверхность пляжа 10, а также последующего уплотнения насыщенного кольматантом талого слоя 21, назначаются проектом.
Работа гидроотвала в целом осуществляется следующим образом.
При намыве отходов 1 в первые три яруса устойчивость борта гидроотвала обеспечивается его запасом устойчивости, создаваемым прежде всего первичной дамбой 3 и дамбами наращивания 11 и 12, которые рассчитываются на воздействие, по меньшей мере, водонасыщенных, а при необходимости и разжиженных отходов.
При намыве отходов 1 в последующие четвертый и пятый яруса устойчивость всего борта гидроотвала обеспечивается, прежде всего, тем, что отходы 1 аэрированной зоны 16, находящиеся между дамбами 3, 11 и 12, с одной стороны, и границей 17, с другой стороны, понуром 15 защищены от полного водонасыщения, следовательно, и разжижения. Этому способствует непрерывный вывод воды дренажными трубами 6 из дренажного слоя 5. В этих отходах 1 вода, просочившаяся через понур 15, движется в виде отдельных капель, поэтому такие отходы 1 не разжижаются даже при сильном сейсмическом воздействии. Локальные протечки в понуре 15 обычно не приводят к водонасыщению всех нижерасположенных отходов 1, поэтому они в существенной мере не влияют на устойчивость борта гидроотвала. Устойчивость же борта гидроотвала выше третьего яруса, перед которым при намыве насыщение водою отходов 1 возможно, обеспечивается дамбами наращивания 13 и 14, которые рассчитываются на воздействие водонасыщенных, а при необходимости и разжиженных отходов 1.
Экран 4 выполняют из грунтового материала или, чаще всего, из полимерных рулонных материалов. В случае высокой водопроницаемости основания 2 и отсутствии экрана 4, если это не противоречит экологическим требованиям, самотечная дренажная система в основании пляжа намыва 9 может не выполняться.
Источники информации
1. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика / Под ред. В.П.Недриги. - М.: Стройиздат, 1983. С.510, рис.21.1.
2. Мелентьев В.Д., Павчич М.П. Катастрофические аварии хвостохранилищ. // Гидротехническое строительство. 1986. №11.
3. Патент РФ №2261952. Гидроотвал отходов промышленных предприятий. / Ягин В.П. Аржеуцкий А.В. Вайкум В.А. МПК E02B 7/06. Опубл. 10.10.2005.
4. Заявка РФ №93025309. Способ противофильтрационного укрепления грунтов. / Зубченко Г.В., Вольницкая Э.М., Атакулов Т. и др. МПК E02D 3/12. Опубл. 10.08.1995.
5. Зубченко Г.В. Микродисперсные реагенты и кольматанты - новые средства повышения технико-экономических и экологических показателей работы горно-обогатительных предприятий. // Горный журнал. 2005. №3.
6. Зубченко Г.В. Усиление гидроизоляции очистных сооружений без отключения и нарушения процесса эксплуатации. // Металлург. 2005. №5.