СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ НАКОПИТЕЛЯ ЖИДКИХ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
METHOD FOR INCREASING RELIABILITY OF LIQUID INDUSTRIAL WASTE STORAGE UNIT

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть применено при эксплуатации накопителей жидких отходов, преимущественно способных самостоятельно твердеть и образовывать трещины деформации.
Самостоятельно твердеющие отходы, например золошлаковые, обладают цементирующими свойствами. К ним относятся золошлаковые материалы горючих сланцев, углей Канско-Ачинского бассейна и торфа. Эти золошлаки отличаются большим содержанием общего и свободного кальция - до 60 и 30% соответственно [1, приложение 1] и упрочняются до удельной силы сцепления с=0,5 МПа и более [1, приложение 9]. Самостоятельным твердением также обладают, например, нефелиновые шламы глиноземного производства, которые подвержены цементации солями шламовых вод [2], и другие. При этом предел прочности на сжатие затвердевших отходов достигает 2,0 МПа и более, и они могут быть уподоблены слабопрочному бетону, т.е. хрупкому материалу.
При намыве шлама образуется массив неоднородного сложения: рыхлый несцементированный верхний слой и сцементированные нижележащие слои. Первый слой распространен в пределах всего верхнего намываемого слоя и существует в несцементированном виде обычно в течение 2-3-х лет. Второй слой расположен под первым слоем и представляет собой трещиновато-пластовый (блочный) слой, разгрузка воды из которого происходит по трещинам с выходом на поверхность, чаще всего на низовой откос ограждающей дамбы, в виде участков высачивания и родников [2]. Этот трещиноватый слой распространяется до основания накопителя и скрыт от визуального наблюдения, при этом он обычно является основанием ограждающих дамб наращивания (дамб вторичного обвалования), тела которых в случае возведения дамб из отходов со временем затвердевают и становятся хрупкими.
Образование особо широкой, т.е. разломной (определяющей), трещины при складировании отходов в высокий накопитель, особенно при сотрясениях и/или неравномерных деформациях основания, может произойти, например, под действием веса складируемых отходов в секцию, примыкающую к такому накопителю. Такая трещина может произойти неожиданно и быстротечно. Она может повредить основание ограждающей дамбы и ее тело и привести к интенсивному сливу воды из отстойного пруда вместе с размываемыми, прежде всего рыхлыми отходами верхнего слоя, что создаст аварийную ситуацию.
Поскольку разломная трещина имеет высоту тела накопителя, т.е. до 50-и метров и более, то быстро и полностью закрыть выход из нее высоконапорной воды, способной размыть ограждающую дамбу и ее основание, экономически приемлемыми средствами не представляется возможным. Это не будет достигнуто даже путем прекращения подачи в накопитель жидких отходов, т.к. объем воды только в отстойном пруде часто составляет миллион и более метров кубических. При образовании разломной трещины происходит как горизонтальное, так и вертикальное смещение образовавшихся твердотельных блоков относительно друг друга. Такие трещины при пересечении коллектора водосбросного сооружения могут его повредить, что ведет к фонтанированию воды на откосе ограждающей дамбы и, по меньшей мере, к досрочному выводу водосбросного сооружения из эксплуатации [3].
Опасность образования трещины, пересекающей ограждающую дамбу, возрастает при наличии других особых факторов, способствующих трещинообразованию в теле ограждающей дамбы и ее основании, а именно:
- обезвоживание (усушка) тела дамбы вследствие интенсивного испарения влаги с поверхности в течение длительного засушливого периода года;
- сопряжение двух дамб под прямым или острым углом без округления.
Эти три воздействия (твердение отходов, обезвоживание тела дамбы и форма сопряжения двух дамб) в существенной мере формируют напряженно-деформированное состояние тела дамбы и ее основания. Указанные воздействия создают трудно определяемые особые нагрузки, которые не всегда должным образом учитываются в проектах и при декларировании безопасности гидротехнических сооружений накопителя, в том числе и при назначении материально-технического резерва, необходимого для обеспечения готовности накопителя к предотвращению развития опасного повреждения и аварийной ситуации. Все это снижает эксплуатационную надежность накопителя жидких отходов, поскольку накопитель не достаточно готов посредством материально-технического резерва к предотвращению развития опасного повреждения и аварийной ситуации при интенсивном сливе воды из отстойного пруда по трещине в отвердевших отходах.
Именно сочетание указанных трех воздействий, по мнению заявителя, могло стать причиной широко известной из СМИ аварии на накопителе отходов глиноземного завода в Венгрии 05.10.2010 г.
Из источника [4] известно, что на Сытыканском гидроузле, расположенном в условиях многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтов, в 2004 году была ликвидирована интенсивная фильтрация воды через береговую часть водохранилища путем создания посредством полимерной пленки противофильтрационного экрана. При этом пленочное полотнище площадью 6000 кв. м. на дно водохранилища укладывалось зимой путем заведения полотнища через майну посредством тросов под лед. Осуществленный пример наглядно демонстрирует возможность экранирования пленочным полотнищем аномально опасного участка дна водоема, находящегося в эксплуатации, даже в зимний период, причем в условиях Крайнего Севера.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эксплуатационной надежности накопителя жидких отходов, способных самостоятельно твердеть и образовывать трещины деформации. Достигаемый при этом технический результат заключается в готовности накопителя посредством материально-технического резерва оперативно устранить интенсивный слив воды из отстойного пруда по трещине в отвердевших отходах.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что при эксплуатации накопителя посредством материально-технического резерва обеспечивают готовность накопителя к предотвращению развития опасного повреждения и аварийной ситуации на его ограждающей дамбе и в ее основании. При этом в случае складирования отходов, способных самостоятельно затвердеть и образовать трещину, пересекающую в плане отстойный пруд, пляж и ограждающую дамбу, в состав резерва включают, по меньшей мере, рулон полимерного материала, выполненного в виде полотнища, намотанного на ось, каждый конец которой снабжен подшипником, и средства, обеспечивающие доставку рулона к заданному месту накопителя и сматывание полотнища с его оси при укладке полотнища с грузом на дно отстойного пруда над трещиной.
Дополнительно:
- ось рулона выполнена в виде пластмассовой трубы, а подшипник - в виде втулки или полувтулки скольжения;
- торцы пластмассовой трубы герметизированы, а размеры ее полости обеспечивают придание рулону заданной плавучести, при этом рулон связями может быть присоединен к механизму, обеспечивающему перемещение рулона над трещиной при сматывании полотнища с пластмассовой трубы, при этом узлы присоединения связей к рулону выполняют на втулках скольжения;
- рулон может быть оперт втулками скольжения на подставки, которые неподвижно устанавливают над трещиной за пределами отстойного пруда, при этом полотнище рулона присоединяют к механизму, обеспечивающему перемещение сматываемого с пластмассовой трубы полотнища над трещиной;
- механизм выполнен в виде моторного плавучего средства;
- механизм может быть установлен за пределами отстойного пруда на его противоположной стороне относительно начального расположения рулона;
- рулон снабжен ручным приводом, облегчающим сматывание полотнища с пластмассовой трубы.
Именно включение в состав резерва рулона полимерного материала указанной конструкции и средств, обеспечивающих по указанным правилам укладку полотнища на дно отстойного пруда над трещиной, обеспечивает достижение ранее указанного технического результата: готовность накопителя посредством материально-технического резерва устранить интенсивный слива воды из отстойного пруда по трещине в отвердевших отходах.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг.1 - накопитель отходов на завершающей стадии заполнения рабочей секции, план;
фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, разрез вдоль образовавшейся разломной трещины, пример 1;
фиг.3 - рулон полимерного материала, подготовленный к укладке полотнища на дно отстойного пруда, план;
фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2;
фиг.5 - разрез А-А на фиг.1, пример 2.
Пример 1. Рабочая секция (далее: секция) 1 накопителя равнинного типа поярусно образована ограждающими дамбами 2, выполненными из грунтового материала (природного и/или техногенного), и снабжена двумя водосбросными колодцами 3, коллекторы 4 которых отводят воду и замываются твердеющими отходами 5. Секция 1 снабжена полимерным противофильтрационным элементом 6 (фиг.2), предотвращающим проникновение сточной воды в основание 7, пульповодами магистральным 8 и распределительным 9 и водоводом 10 системы возврата на предприятие (не показана) воды, осветленной в отстойном пруду 11. Секция 1 находится на завершающей стадии заполнения и к ней примыкает резервная секция (далее: секция) 12, в которую также складируются отходы. Вес складируемых в секцию 12 отходов привел к новой дополнительной деформации основания 7 секции 1 и спровоцировал неожиданное и быстрое образование в затвердевших отходах 5 секции 1 разломной трещины 13. Эта трещина 13 пересекла в плане отстойный пруд 11, пляж 14 и ограждающую дамбу 2, повредила основание 15 ограждающей дамбы 2 и ее тело 16. Все это привело к относительно интенсивному сливу 17 воды из отстойного пруда 11 и выносу отходов 5, прежде всего из рыхлого верхнего слоя 18, что создало аварийную ситуацию. При этом уровень технического состояния и уровень безопасности накопителя сразу снизился, соответственно, до неработоспособного и опасного уровня [5].
Рыхлый верхний слой 18 отходов 5 имеет ограниченную толщину, нижний слой 19 отходов 5 и нижняя часть тела 16 ограждающей дамбы 2 имеют структурную прочность (сцементированы), а ширина «а» (фиг.4) трещины 13 ограничена и везде предположительно менее одного сантиметра. Поэтому слив 17 воды из трещины 13 не привел к интенсивному размыву отходов 5 и быстрому образованию прорана. Это обстоятельство позволяет квалифицированно подготовленному персоналу посредством привлечения указанного ниже материально-технического резерва оперативно предотвратить развитие возникшего опасного повреждения и аварийной ситуации на ограждающей дамбе 2 и в ее основании 15 следующим образом.
1. Визуально по проявлениям на пляжах 14, дамбах 2 и сливу 17 устанавливают положение трещины 13 в плане и вешками 20 ее обозначают.
2. В качестве основного резерва используют рулон полимерного материала (далее: рулон) 21. Этот рулон 21 выполнен в виде полотнища 22, намотанного на пластмассовую трубу (далее: труба) 23, каждый конец которой снабжен пластмассовой втулкой скольжения (далее: втулка) 24. При этом труба 23 образует собой ось рулона 21, а втулка 24 - подшипник. Торцы трубы 23 крышками 25 герметизированы, размеры полости трубы 23 обеспечивают рулону 21 запас плавучести, а сама труба 23 работает совместно с намотанным на нее полотнищем 22, что придает рулону 21 достаточную жесткость.
3. Доставку рулона 21 на пляж 14 к заданному месту осуществляют посредством погрузчиков и транспортных средств (на чертежах не показаны). Сматывание полотнища 22 с трубы 23 и укладку полотнища 22 на дно 26 отстойного пруда 11 над трещиной 13 осуществляют посредством механизма, соединенного с рулоном 21 жесткими связями 27 и гибкой связью 28. В качестве механизма используют моторное плавучее средство 29 и/или лебедку 30, установленную за пределами отстойного пруда 11 на его противоположной стороне относительно начального места расположения рулона 21. При этом связи 27 и 28 выполнены из полиэтиленовых труб, а узлы 31 присоединения жестких связей 27 к рулону 21 выполняют на втулках 24.
Уложенное на дно 26 отстойного пруда 11 полотнище 22 пригружают, например, заполненными отходами мешками 32.
Выполнение всех элементов рулона 21 и связей 27 и 28 из полимерных материалов, удельная плотность которых близка к удельной плотности воды, и герметизация трубчатых элементов обеспечивает рулону 21 запас плавучести, что упрощает работы по укладке полотнища 22 на дно 26 отстойного пруда 11 над трещиной 13. Основная особенность такой укладки полотнища 22 заключается в том, что при сматывании полотнища 22 с трубы 23 начальную торцевую кромку 33 полотнища 22 посредством трубчатого стержня 34 и элементов 35 закрепляют на пляже 11, а рулон 21 с вращением перемещают в воде отстойного пруда 11 вдоль трещины 13.
Особенность работы рабочей секции 1 накопителя после укладки полотнища 22 на дно 26 отстойного пруда 11 над трещиной 13 заключается в удлинении и изменении направления линий тока воды в отходах 5 при вхождении в трещину 13, прежде всего в ее верхней части (фиг.4). Здесь существовавшие до укладки полотнища 22 линии тока воды переориентируются из положения 36, близкого к вертикальному положению (на чертеже эти линии тока показаны пунктиром), в положение 37, близкое горизонтальному.
1
1
В результате указанного обстоятельства уменьшаются поступление воды в трещину 13 и ее напор. При этом трещина 13 работает как разгрузочный подпонурный дренаж, что обеспечивает уплотнение под полотнищем 22 верхнего слоя 18 рыхлых отходов 5. Одновременно с этим возрастают горизонтальные составляющие W гидростатического давления воды в сторону трещины 13 на отдельные блоки 38 сцементированных отходов 5. Под действием этого давления W происходит обжатие до ее минимальной толщины а трещины 13, следовательно, и дальнейшее снижение интенсивности слива воды из отстойного пруда 11 и вынос отходов 5 по трещине 13. Все это предотвращает развитие опасного повреждения и аварийной ситуации на его ограждающей дамбе 2.
Дальнейшее восстановление надежности секции 1 накопителя производят в соответствии с проектом.
Пример 2 (фиг.5). Отличие настоящего способа от способа, описанного в примере 1, заключается в том, что рулон 21 оперт втулками 24 на подставки 39, которые неподвижно установлены на пляже 14 над трещиной 13. При этом полотнище 22 рулона 21 своей кромкой 33 посредством дополнительной пластмассовой трубы 40 и гибких связей 41 присоединено к механизму (моторное плавучее средство 29, лебедка 30), обеспечивающему перемещение сматываемого с трубы 23 полотнища 22 над трещиной 13.
Поскольку полотнище 22 в воде находится во взвешенном состоянии, его протаскивание над трещиной 13 не связано с преодолением высоких сил трения. Дополнительно рулон 21 целесообразно снабдить ручным приводом в виде рукоятки 42, входящим в зацепление с трубой 23, что облегчит сматывание полотнища с трубы 23. Поэтому длина полотнища 22 может достигать 500 м и более.
Например, при ширине полотнища 15 м, длине 500 м и толщине 0,0005 м вес полотнища составит 3,75 т, а вес рулона вместе жесткими связями и подставками около 5,5 т.
В настоящее изобретение могут быть внесены различные модификации и изменения без отхода от объема изобретения. Например, ось рулона может быть выполнена из стальной трубы, а подшипники - в виде полувтулки скольжения, закрепленной на подставке. Другие изменения могут быть обусловлены местоположением трещины и нечеткостью ее проявления, а также другими местными условиями.
Использованные источники
1. Рекомендации по проектированию золошлакоотвалов тепловых электрических станций: П 26-85 / ВНИИГ, Л., 1986.
2. Декларация безопасности гидротехнических сооружений карты №1 шламохранилища ОАО «Ачинский глиноземный комбинат» при проектной отметке 312,0 м. Ачинск, 2005.
3. Патент Российской Федирации №2398067, кл. Е02В 7/06, опубл. 24.08.2010.
4. Патент Российской Федерации №2267576, кл. Е02В 7/06 опубл. 10.01.2006.
5. РД 03-443-02. Инструкция о порядке определения критериев безопасности и оценки состояния гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов на поднадзорных Госгортехнадзору России производствах, объектах и в организациях.