Оценка и прогнозирование экологический аспектов эксплуатации кранилитовых остов обогащения в криолитовой зоне

Краткое описание

Введение...3

Глава 1. Состояние вопроса, задачи исследований...7

1.1. Особенности содержания хвостохранилищ в криолитозоне...7

1.2. Промышленная и экологическая безопасность хвостохранилищ...9

1.3. Природно-техногенный комплекс хвостохранилище "Лебяжье" — окружающая среда...14

1.4. Задачи исследований...28

Глава 2. Методика расчетного мониторинга промышленной и экологической безопасности хвостохранилищ...31

2.1. Общие положения...31

2.2. Исследование физико-механических свойств хвостов...37

2.3. Моделирование процесса намыва ограждающей дамбы...41

2.4. Моделирование устойчивости ограждающей дамбы...49

Выводы по главе...57

Глава 3. Геоэкологические особенности хвостохранилища "Лебяжье"... 59

3.1. Технология управляемого намыва...59

3.2. Закономерности строения намывного массива...67

3.3. Оценка воздействий хвостохранилища на окружающую среду...80

Выводы по главе...88

Глава 4. Прогноз экологической безопасности хвостохранилища...90

4.1. Прогноз аварийных ситуаций и их последствий...90

4.2. Прогностические модели устойчивости...94

4.3. Основные положения расчетного мониторинга устойчивости хвостохранилища...97

4.4. Эколого-экономическая оценка результатов исследований...104

Выводы по главе...110

Заключение...112

Список литературы...115
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. К наиболее опасным источникам техногенного воздействий на экосистемы окружающей среды относятся хранилища хвостов обогащения руд. Возрастающие масштабы их негативного влияния на прилегающие территории региона особенно опасны в криолитовой зоне, экологические системы которой по критерию природной устойчивости относятся к особой уязвимой категории с низкой биологической продуктивностью и слабой способностью самовосстановления. Поэтому разработка научных, методических и технологических решений, повышающих экологическую безопасность хвостохранилищ на всех стадиях их существования, особенно в условиях интенсивного развития горного производства в северных регионах России, формирует самостоятельную научно-практическую задачу, актуальность которой имеет глобальное значение.

Цель работы - предотвращение негативного влияния хвостохранилищ криолитовой зоны на экосистемы окружающей среды в процессе их строительства и эксплуатации.

Идея работы состоит в том, что предотвращение негативного влияния хвостохранилищ на окружающую среду обеспечивается комплексированием природоохранных методов и технологий эксплуатации и системы мониторинга.

Методы исследований. Обобщение и критический анализ опыта, теоретические исследования, физическое и математическое моделирование, лабораторный эксперимент, системный анализ полученных результатов исследований с использованием методов математической статистики информационных технологий.

4

Научные положения, выносимые на защиту:

1.Состояние экосистем в окрестностях хвостохранилища "Лебяжье" в криолитовои зоне коррелятивно зависит от динамики вторичных процессов в системе хвостохранилища.

2. Оптимизации процессов формирования массива хвостов адекватно достигается при использовании предлагаемой модели природоохранной технологии.

3. Минимизация негативного воздействия хвостохранилища на экосистемы окружающей среды обеспечивается при управляемом намыве ограждающей дамбы хвостохранилища по предлагаемой технологии.

4. Радикальная защита экосистем окружающей среды в окрестностях хвостохранилища обеспечивается применением методов расчетного мониторинга систем хвостохранилища.

Научная новизна работы:

1. Установлены новые закономерности изменения состояния экосистем в окрестностях хвостохранилища "Лебяжье" в криолитовои зоне.

2. Установлены новые закономерности изменения физико-механических и структурных свойств в намывных массивах.

3; Предложена новая технология намыва дамбы хвостохранилища.

4. Разработана модель мониторинга экологической безопасности

хвостохранилища и методика ее реализации.

Научное значение работы. Установлены закономерные связи между природными и техногенными факторами формирования состояния экосистем окружающей среды в окрестностях хвостохранилищ и описан механизм ее регулирования путем комплексированием природоохранных методов и технологий эксплуатации и системы мониторинга.

Практическое значение работы. Установленные закономерности изменения состояния экосистем в окрестностях хвостохранилищ в криолитовои зоне, закономерности изменения свойств в массивах хвостов, технологии

5

строительства объектов хвостохранилища и модель мониторинга экологической безопасности экосистем пригодны для реализации на горных предприятиях России и Зарубежья.

Достоверность научных полоэ/сений; выводов и рекомендаций подтверждается использованием большого объема статистических данных, применением современных методов исследований, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с результатами опытно-промышленных работ и положительными результатами практической реализации.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке мероприятий по повышению устойчивости дамбы хвостохранилища "Лебяжье" (2001-2003 г.г.), внедрены в проекты эксплуатации хвостохранилища "Лебяжье" (1998, 2000 г.), отражены в отчетах о состоянии хвостохранилища "Лебяжье" перед Госгортехнадзором России (акт внедрения № ЗФ — 73/1459-акт от 09.11.04 г.) и учебном процессе по дисциплинам: "Экология", "Экологические проблемы городов", "Горное дело и охрана окружающей среды", Природопользование", "Механика грунтов" (акт внедрения от 01.11.04 г.).

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и одобрены на научно-технических конференциях и семинарах: научно-практическом семинаре «Геокриологические и геоэкологические проблемы строительства в районах Крайнего севера» (Норильск, 2001), Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая природная среда и экологическое образование и воспитание» (Пенза, 2001), Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф» (Пенза, 2002), научно-практической конференции «Норильский промышленный район: наука, образование, технологии, производство» (Норильск, 2001), научно-практической конференции «Достижение науки и техники - развитию

б

Норильского промышленного района» (Норильск, 2003), научно-технической конференции «Социально-экономические, научно-технические проблемы и пути их решения в НПР» (Норильск, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 13 печатных трудов, в том числе 4 учебных пособия.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 112 наименований. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста и включает 42 рисунка и 27 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность за консультации в процессе выполнения диссертационной работы всем, кто принимал участие в обсуждении и содействовал ее завершению.

7

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

В главе рассматриваются общие вопросы обеспечения экологической безопасности хвостохранилищ, технологические схемы эксплуатации, основные требования нормативных документов, предъявляемые к хвостовому хозяйству, обсуждаются проблемы, с которыми сталкивается исследователь, проектировщик, строитель и эксплуатационник.

1.1. Особенности содержания хвостохранилищ в криолитозоне

Вопросы проектирования, строительства и безопасной эксплуатации накопителей отходов обогащения как опасных производственных объектов и источников воздействий на окружающую среду в настоящее время приобретают все большую актуальность. Связано это с неуменьшающимся количеством аварий, увеличивающимися потребностями в строительстве новых хвостохранилищ, а также неудовлетворительным состоянием сооружений и природной среды на прилегающих к ним территориях. При этом устойчивость накопителя, его негативное воздействие на компоненты окружающей среды, в первую очередь, определяются техническими решениями, принимаемыми на стадии проектирования и реализуемыми впоследствии на практике.

Технологические схемы эксплуатации и проектирования объектов промышленной гидротехники, требования к обеспечению их промышленной и экологической безопасности достаточно полно отражены в нормативных документах: Федеральный закон о безопасности гидротехнических сооружений (1997); Инструкция о ведении мониторинга (1988); Типовая инструкция по эксплуатации хвостовых хозяйств (1976); Рекомендации по проектированию и строительству шламонакопителей и хвостохранилищ... (1986); СНиП (1986); Правила безопасности при эксплуатации хвостохранилищ..." (1997, 2002) и др. Решению этих вопросов посвящены многочисленные работы

специализированных организаций (НИИ ВОДГЕО, Гидропроект, ГУП ВИОГЕМ, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, АОЗТ «Механобр инжиниринг» и др.), а также работы Е.Б. Близняка (1937), Г.К. Бондарика, Л.А. Ярга (1990); В.Т. Галзитского, C.F. Аксенова, А.В. Хныкина (1999), A.M. Гальперина, Ю.Н. Дьячкова (1993), Голика В.И., Гегуева СМ. и других (2003), Голика В.И., Алборова И.Д. (1995), АЛ. Гольдина, Л.Н. Рассказова (1987), М.М.Гришина (1979), В.Г. Зотеева (1997), A.M. Ильина (1989), Г.И. Кузнецова (1998), А.Б. Лолаева, В.В. Бутюгина В.В., Н.Г. Кайтмазова (2001), В.П. Недриги (1983), Н.Н. Розанова (1983), Сидакова А.Г., Цидаева. Т.С., Сатцаева A.M. (2002) и других.

Основные требования, предъявляемые к строительству хвостохранилищ, независимо от способа их возведения (намыв, отсыпка), сводятся к обеспечению устойчивости откосов от оползания, обрушения, оплывания, снижению пыления и фильтрации техногенных вод. Для гидротехнических сооружений (ГТС) в криолитозоне рядом организаций (ВНИИ ВОДГЕО, ГИДРОПРОЕКТ, ГУП ВИОГЕМ, и др.) и авторов (П.Л. Иванов, 1991; Г.И. Кузнецов, 1998; В.И. Макаров, 1989, и др.) рекомендуется использование охлаждающих систем различного принципа действия. При этом особое внимание уделяется мерзл отно-геологическим условиям возведения накопителей, теплофизическим и физико-механическим характеристикам грунтов, фильтрационно-тепловому режиму грунтовых ограждающих сооружений. Этим вопросам посвящены работы С.Г. Аксенова, В.П. Жабовского (1997), Г.Ф. Биянова (1975), Г.Ф. Биянова, Когадовкского, В.И. Макарова (1989), Е:Б. Близняка (1937), Ю.Я. Велли (1979), A.M. Гальперина, Ю.Н. Дьячкова (1993), P.M. Каменского (1977, 2001), Я;А. Кроника (1990, 1996, 2001), Г. И. Кузнецова (1981,1988, 1992, 1999), В.И. Макарова (1989), Г.З. Перльштейна, Д.А. Павленко (2001), В.Т. Трофимова (1995), Л.Н. Хр'усталева (2001), С.Г. Цветковой (1960), Н.А Цытовича (1928, 1979), Р.В. Чжана (1976, 2001) и других.

9

Следует отметить, что эксплуатация намывных хвостохранилищ, расположенных в суровых климатических условиях, достаточно жестко регламентируется [79, 80]: до температуры воздуха не ниже -5°С ведется намыв дамбы рассредоточенным способом, а ниже —5°С осуществляется сосредоточенное складирование хвостов под лед. Учитывая это, летний намыв ограждающей дамбы должен обеспечить емкость прудка, достаточную для зимнего складирования хвостов и оборотного водоснабжения обогатительных фабрик. Другими словами, технология строительства должна вестись с повышенной интенсивностью намыва дамб вторичного обвалования. Однако, даже в условиях Крайнего Севера может не произойти их полного промерзания в зимний период, что, в свою очередь, скажется на снижении устойчивости, сооружения и последующих негативных воздействиях (в том числе и катастрофических) на окружающую среду.

1.2. Промышленная и экологическая безопасность хвостохранилищ

Большинство накопителей не представляет серьезной угрозы для крупных населенных пунктов и промышленных предприятий, но каждый из них в той или иной мере загрязняет или создает угрозу загрязнения поверхностных и подземных вод, почвенно-растительного покрова и атмосферного воздуха. Кроме того, недостаточно ясно, какие изменения будут происходить в окружающей среде в случае аварийного разрушения ограждающих сооружений. Даже если на объектах установлены размеры зон затопления и загрязнения, даны стоимостные оценки ликвидации последствий об опасностях, связанных с накоплением в окружающей среде критических концентраций загрязняющих веществ, постепенно приводящих территории к условиям непригодным для жизни, не знают ни работники предприятий, ни население регионов. В то же время, как отмечается многочисленными авторами, не требуется каких-то особых затрат, чтобы существенно снизилась вероятность

10

•щ аварийных ситуаций на накопителях, нужно только своевременно отслеживать

фактическое состояние накопителей [23,25,38].

Промышленная и экологическая безопасность хвостохранилищ непосредственно связана с устойчивостью гидротехнических сооружений и, в первую очередь, определяется технологическими приемами эксплуатации объектов и во многом зависит от состояния их отдельных элементов, за которыми проводятся регулярные наблюдения. Полученные результаты используются как для совершенствования: технологии эксплуатации и уточнения научно-методического сопровождения промышленной безопасности объектов, так и принятия решений по снижению их негативного воздействия на окружающую среду. Поэтому для решения проблем промышленной и экологической безопасности хвостохранилищ, особенно в; криолитозоне,

ш которая характеризуется повышенной чувствительностью к антропогенным

нагрузкам, необходимы совместные действия служб эксплуатации, науки, органов Госгортехнадзора и природоохранных организаций [14]. Несмотря на то, что данный тезис не отличается новизной, практически все авторы отмечают отсутствие комплексного подхода к решению геоэкологических и технологических вопросов накопителей отходов, многие предлагают оригинальные виды исследований, но только единицы реализуют их на практике. Наиболее интересные разработки в данном направлении получены в институтах ГУП ВИОГЕМ, ВНИИ ВОДГЕО, МГСУ, МГГУ, СГТУ и др.

*ф Заслуживают рассмотрения концепция геомеханической модели

хвостохранилищ и комплексная система обоснования конструкций ограждающих конструкций, разработанные в ГУП ВИОГЕМ: В соответствии с ними, намывное сооружение представляет собой водонасыщенный массив, находящийся в динамичном состоянии. Для исследования используются методы математического и физического моделирования, позволяющие определять напряженно-деформированное состояние сооружений и их оснований, температурный, фильтрационный режимы, влияния на элементы

11

природной среды. Особое внимание в концепции геомеханической модели уделяется физико-механическим свойствам хвостов. Однако, содержание самой модели практически не раскрыто, и, в результате, тезис о комплексной системе конструирования ограждающих сооружений трансформировался в три частных направления повышения надежности сооружений технологического характера

[2].

Более широкое направление имеет концепция инженерно-геологического контроля (ИГК), основными принципами которой являются: геологическая направленность, требующая учета инженерно-геологических условий района размещения хвостохранилища; генетический подход к оценке намывных отходов, требующий учета особенностей разрабатываемого генетического типа; месторождения; пространственно-временная оценка массива хвостов; индивидуально-творческий подход к проведению ИГК и др. При всех,, на первый взгляд, положительных моментах предложенной концепции, ее реализация также выразилась в исследовании физико-механических свойств хвостов полевыми и лабораторными методами [26].

Вопросы контроля промышленной и экологической безопасности гидротехнических сооружений практически полностью находятся в ведении органов Госгортехнадзора РФ. При этом организации, занимающиеся проектированием хвостохранилищ, практически не отходят от положений нормативных документов (СНиП, Правила... и т.д.), и только научно-исследовательские структуры пытаются разработать новые технологии эксплуатации, методическое и теоретическое обоснования безопасного содержания ГТС (ГУП ВИОГЕМ, ВНИИ ВОДГЕО, МГГУ, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, ПНИИИС и др.). Ряд оригинальных предложений, связанных с промышленной и экологической безопасностью, содержатся в работах С.Г. Аксенова, В.П. Головишникова (1997), A.M. Гальперина, Ю.Н. Дьячкова (1993), П.Л. Иванова (1991), Г.И. Кузнецова (1999), В.Г. Зотеева (2001), Г.З. Перльштейна, Д.А. Павленкова (2001) и др.

12

В сохранении проблемы безопасного содержания хвостохранилищ разные авторы по-своему видят причины: отступления от требований нормативных документов; неудовлетворительное качество проектной документации; неудовлетворительное ведение натурных наблюдений и др.

К этому следует добавить особенности современного состояния экономики страны в целом и научно-производственного потенциала подразделений хвостовых хозяйств в частности: отсутствие финансирования, достаточного для решения самых насущных задач; недостаточное представление о хвостохранилище как опасном производственном объекте; недостаточная экологизация проблем хвостохранилищ; отсутствие корректной, комплексной эколого-промышленной концепции безопасной эксплуатации хвостохранилищ и действенного системного подхода к их решению.

Известно, что контроль за надежностью и экологической безопасностью гидротехнических сооружений основан на сопоставлении фактических показателей надежности: с их нормативными значениями [103], надлежащим образом утвержденными [79,80]. Однако, как показывает опыт, несоответствие фактического состояния ГТС проектному проявляется уже с самого начала строительства сооружений. Это обуславливается изменяющимися в процессе эксплуатации составом и свойствами хвостов, геокриологическими условиями как оснований, так и тел подпорных сооружений, и т.д. Поэтому для таких сооружений на первое место встают вопросы научно-технического сопровождения безопасности накопителя в процессе всего периода его существования [14].

Одним из ведущих факторов, обеспечивающих представительность инженерных расчетов, являются физико-механические свойства естественных и искусственных грунтов. При этом, в качестве основного параметра, формирующего физико-механические свойства намывных грунтов, принимается зерновой состав. Несомненно, что в отдельных случаях это так, но свойства хвостов, если пользоваться в применении к ним понятием грунт [Е.М.

13

Сергеев, 1978], определяются многими факторами, до настоящего времени практически не исследованными: структурные связи, микростроение, химический состав и т.д., которыми объясняется широкий разброс значений прочностных и деформационных свойств и несопоставимость результатов различных исследователей.

Методические положения систематизации сведений о техногенных воздействиях начали разрабатываться с 50-60-х годов. Обобщающие классификационные схемы, учитывающие воздействующие факторы на геологическую среду, разработаны С. И. Пахомовым и А. М. Монюшко (1988), К. О. Цуриковым (1991). Классификация источников воздействия горнодобывающего комплекса на природную среду, типизация нарушений и загрязнений ими вызванных, представлена в работе Г. Г. Мирзаева, Б:А. Иванова и др. (1991). Наиболее полный и детальный анализ техногенных воздействий на геологическую среду проведен В. Т. Трофимовым, В. А. Королевым и А. С. Герасимовой (1997). Разработанная ими классификация техногенных объектов учитывает различия в природе техногенных процессов, отражающих механизм воздействий на компоненты геологической среды, и включает характеристику прямых экологических последствий этих воздействий на биоту. Наиболее значимые работы в этом направлении выполнены НИИ ВОДГЕО, АОЗТ «Механобр инжиниринг», ГУП ВИОГЕМ, МГУ, МГГУ, МГСУ СГТУ и др. и содержатся в работах С.Г. Аксенова (1997), А.Е. Воробьева (1989,1998), A.M. Гальперина (1993), Голика В.И., Гегуева СМ; и других (2003), Голика В.И., Алборова И.Д. (1995), ИШ. Дмитриевой (1998), Г.И. Кузнецова (1996), В. В. Мосейкина (2000), Сидакова А.Г., Сатцаева A.M. (2002), Н.А. Черкащенко и В.Г. Зотеева (1997) и др.

Первой попыткой научного подхода к раскрытию проблем Норильского региона явилась работа [89], в которой рассмотрены малоизвестные экологические проблемы Таймыра, его уникальные природные условия и техногенное воздействие на них предприятий НПР. Фрагментарные сведения о

14

проблемах экологии и полученных результатах исследований, в основном, содержатся в виде научных статей (1997-2004). Большая часть собранных материалов хранится в фондах предприятий. Следует отметить, что, несмотря на негативную оценку экологической обстановки в ЫПР средствами массовой информации, а также некоторых исследователей, работы в экологическом направлении набирают силу. В 1998 г. Норильским горно-металлургическим комбинатом принимается «Комплексная программа по охране окружающей среды на 1998-2005 годы». В конце 1998 г. формируется концепция развития предприятий ОАО «Норильская горная компания» на период до 2015 г. В соответствии с этими документами приоритетными являются модернизация и техническое перевооружение основного производства, так как именно его ростом с 1994 г. обусловлено увеличение всех видов отходов, негативно влияющих на состояние окружающей среды. В этот период отмечается увеличение объемов мониторинговых наблюдений и повышается качество проводимых исследований.

С 1997 г. комплекс исследований, наблюдений, технологических мероприятий на хвостохранилище "Лебяжье" проводится с участием эксплуатационного персонала, службы контроля и Норильского индустриального института. Данное направление развивается под руководством А.Б. Лолаева и В.В. Бутюгина (1997-2004), результаты исследований отражены в многочисленных публикациях и отчетах о НИР, в которых автор принимал самое непосредственное участие [9, 12-14, 31, 52-65].

1.3. Природно-техногенный комплекс хвостохранилище "Лебяжье" — окружающая среда

Норильский промышленный район (НПР), на территории которого эксплуатируются уникальные хвостохранилища ЗФ ОАО "ГМК"Норильский Никель", имеет площадь около 60 тыс. км2, и расположен к востоку от р.

15

Енисей между 86-92° восточной долготы и 68-70° северной широты, в северозападной части Средне-Сибирского плоскогорья (рис. 1.1).

Северный ледовитый океан

Рис. 1.1. Местоположение Норильского промышленного района

Основное промышленное предприятие НПР - крупнейший в России горно-металлургический комбинат, добывающий и перерабатывающий медно-никелевые руды. Обогащение руд осуществляется на Норильской и Талнахской обогатительных фабриках (НОФ и ТОФ), доставка продуктов и отходов обогащения к местам переработки и складирования осуществляется по системе гидротранспорта общей протяженностью более 200 км.

Климат района субарктический, характеризуется отрицательной среднегодовой температурой воздуха, равной в среднем - 9,8°С [90]. Устойчивые морозы наступают в конце сентября и заканчиваются в начале июня. Число дней с температурой воздуха ниже -30 С достигает 110. Снежный

16

покров устанавливается в середине-конце сентября. Продолжительность его существования - 240-250 дней. Преобладающие направления ветра в зимний период - юго-восточное и восточное, в летний период - северо-восточное и северное. Среднемесячная скорость ветра может достигать 9,4 м/с, максимальная - до 30 м/с и более.

Гидрографическая сеть района, в основном, принадлежит к бассейну оз. Пясино. Наиболее крупными водными артериями являются р. Норильская, реки второго порядка - Щучья, Купец, Амбарная и другие являются ее притоками или непосредственно впадают в оз. Пясино (рис. 1.2).

Г

Рис. 1.2. Гидрографическая сеть НПР

Питание рек и озер осуществляется за счет вод весеннего снеготаяния, летне-осенних дождей и, в меньшей степени, за счет подземных. Замерзание наблюдается в конце сентября - начале октября, вскрытие - в первой половине июня. По химическому составу поверхностные воды являются,

17

преимущественно, гидрокарбонатными кальциевыми, реже гидрокарбонатными кальциево-натриевыми с минерализацией от 0,03 до 0,3 г/дм3.

В соответствии с принятой схемой геокриологического районирования, территория HTTP относится к Енисей-Путоранскому геокриологическому региону. Если ММП по мощности превышают 50,0 м, то мерзлая толща имеет сплошной характер, если менее 50,0 м - массивно-островной и островной (А.О. Яковлев (1989), В.И. Вожов, А.А. Кузьмин (1996)). Многообразие типов природных условий обуславливает особенности сезонного промерзания и оттаивания пород, скорость формирования и деградации сезонноталого (СТС) и сезонномерзлого (CMC) слоев (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Характеристика промерзания-оттаивания грунтов различного литологического состава

Наименование грунта Мощность СТС, м Мощность CMC, м

Торф 0,3-0,5 0,4-0,6

Глины 0,4-1,0 0,6-1,5

Суглинки и супеси 0,9-2,0 1,4-2,5

Пески 1,0-2,5 1,5-3,0

Крупнообломочные грунты 2,0-3,5 2,5-4,0

Коренные горные породы 4,0-5,0 До 6,0

В освоенной части района изменения мощностей СТС и CMC находятся в прямой зависимости от степени инженерной подготовки. По результатам детальных исследований толща ММП находится в аградационном режиме. Тем не менее, главной особенностью вечной мерзлоты является высокая изменчивость вследствие естественной эволюции природных условий и техногенного воздействия [111].

Гидрогеологические условия территории Норильского промышленного района являются достаточно сложными. Подземные воды представлены надмерзлотными, подмерзлотными и водами сквозных таликов. Естественный

Список литературы