Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоэкологическое обоснование складирования и использования отходов обогащения кимберлитовых руд

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическое обоснование складирования и использования отходов обогащения кимберлитовых руд"

На правах рукописи

КОРШУНОВ Алексей Анатольевич

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СКЛАДИРОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ КИМБЕРЛИТОВЫХ РУД (НА ПРИМЕРЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ АЛМАЗОВ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА)

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь-2010

004600221

Работа выполнена в

Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Архангельский государственный технический университет"

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Невзоров Александр Леонидович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Харионовский Анатолий Алексеевич кандидат технических наук Антонинова Наталья Юрьевна

Ведущая организация - Институт экологических проблем Севера УрО РАН

Защита состоится «27» апреля 2010 года в 14 часов на заседаний диссертационного совета Д 004.026.01 при Горном институте Пермского научного центра Уральского отделения Российской академии наук по адресу: г. Пермь, ул. Сибирская, 78а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института УрО РАН.

Автореферат разослан .«¿^Г» марта 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бачурин Б. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В 2002 году в 100 км к северо-востоку от г. Архангельска началась опытно-промышленная разработка трубки "Архангельская" месторождения алмазов имени М.В. Ломоносова. В природно-климатических условиях Крайнего Севера это неизбежно ведет к повышению техногенной нагрузки на природную среду.

Характерной особенностью данного месторождения является преимущественное замещение породы кимберлитовых трубок глинистым минералом - сапонитом. Высокое содержание сапонита оказывает существенное влияние на способы обогащения и условия накопления сапонитсодержащих отходов. В процессе обогащения кимберлитовых руд песчано-глинистые пустые породы при классе крупности +3 мм формируют насыпные техногенные массивы, а при классе -3 мм направляются в обводненном состоянии в хвостохранилише, где ежегодно складируется до 1 млн. тонн отходов. В хвостохранилише происходит их фракционирование и формирование песчано-глинистых отложений на откосах ограждающей дамбы и мощных толщ неуплотненных тонкодисперсных фракций в отстойном пруде.

Присутствие в тонкодисперсных отложениях сапонита обуславливает их слабую водоотдачу, длительное осветление воды, а соответственно, и медленный водо-оборот, что, в свою очередь, вызывает увеличение расхода воды для работы системы гидротранспорта и скорости заполнения бассейна хвостохранилища. В результате во-донасыщенные слабоуплотненные отложения создают угрозу затопления прилегающих площадей. Поэтому, вопросы ускорения седиментации отложений и осветления воды являются актуальными.

Отходы обогащения, транспортируемые гидравлическим способом, требуют значительных площадей для складирования и устройства ограждающих дамб для их размещения, что связано с повышением техногенной нагрузки на природную среду. Одним из путей уменьшения отчуждаемых территорий является наращивание ограждающих дамб хвостохранилища по высоте и соответственно размещение дополнительных ярусов дамб на основании, сложенном из песчано-глинистых отложений. Это обуславливает необходимость изучения основных свойств песчано-глинистых отложений, оценки их влияния на безопасность гидротехнического сооружения и разработки мер по снижению потенциальной опасности развития внештатных и аварийных ситуаций на дамбах.

Улучшить геоэкологическую обстановку на месторождении можно путем решения вопроса утилизации тонкодисперсных отходов. Нами предложена методика использования глинистых отложений в качестве исходного компонента при произвол-

стве защитных противофильтрационных экранов на полигонах твердых бытовых отходов, полигонах по захоронению токсичных промышленных отходов, в строительстве подземных сооружений, что определяет актуальность настоящего исследования.

Цель н задачи исследования

Целью настоящего исследования является научное обоснование мероприятий по снижению негативного воздействия отходов обогащения кимберлитовых руд на природную среду Европейского Севера России за счет их использования и разработка мер по ускорению гравитационного осаждения тонкодисперсных отложений во внутренней зоне хвостохранилища.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать основные физические, прочностные и деформационные свойства отложений пляжной и прудковой зон хвостохранилища;

- изучить седиментационные свойства тонкодисперсных отложений прудковой зоны и разработать методы ускорения их гравитационного осаждения;

- оценить фильтрационные свойства тонкодисперсных отложений и возможность их использования для сооружения противофильтрационных экранов;

- выполнить моделирование работы противофильтрационных экранов, устраиваемых с использованием тонкодисперсных отложений;

- провести расчеты устойчивости ограждающей дамбы хвостохранилища, сооружаемой на основании из песчано-глинистых отложений пляжной зоны, и численное моделирование фильтрационных процессов в ней.

Научная новизна работы

Разработан новый способ использования тонкодисперсных отложений Прудковой зоны хвостохранилища в качестве основного компонента противофильтрационных экранов на основе изучения основных физико-механических свойств отложений.

Доказана эффективность применения морской воды для ускорения процессов осветления вод и формирования тонкодисперсных отложений прудковой зоны хвостохранилища.

Сконструирован и защищен патентом на полезную модель седиментационно-фильтрационный прибор.

Разработана методика проектирования ограждающей дамбы хвостохранилища на грунтовом основании, сложенном песчано-глинистыми отходами обогащения, с учетом поэтапного возведения ярусов ограждающей дамбы, намыва хвостовых отложений и подъема уровня воды в бассейне хвостохранилища.

Практическое зняченне работы

1. Предложены направления использования тонкодисперсных отходов обогащения прудковой зоны хвостохранилища в качестве противофильтрацион-ного материала для обеспечения изоляции полигонов твердых бытовых и промышленных отходов, защиты подземных сооружений.

2. Для ускорения процессов осветления воды, формирования тонкодисперсных отложений и повышения экологической безопасности в акватории Белого моря при эксплуатации хвостохранилища предложено использовать морскую воду.

3. Разработана технология возведения ярусов ограждающей дамбы с учетом стадийности ее возведения, поэтапности намыва хвостовых отложений пляжной зоны и постепенного подъема уровня воды в бассейне хвостохранилища.

Реализация результатов исследования

Результаты исследований физических, прочностных, деформационных и фильтрационных свойств хвостовых отложений, намытых в экран пионерной дамбы хвостохранилища, использованы при выполнении расчетов устойчивости ограждающей дамбы хвостохранилища опытно-промышленного участка разработки месторождения алмазов трубки «Архангельская».

Результаты исследования влияния концентрации коагулянтов и температуры на процессы седиментации твердой фазы тонкодисперсных отложений использованы при разработке схемы транспортировки и укладки хвостовых отложений.

Основные защищаемые положения:

- предложены экологически безопасные коагулянты, обеспечивающие ускорение процессов седиментации тонкодисперсных отходов обогащения кимбер-литовых руд во внутренней зоне хвостохранилища с учетом реальной динамики температуры воды в отстойном пруде;

- на основе исследования особенностей физико-механических свойств тонкодисперсных отходов обогащения кимберлитовых руд доказана возможность их использования для создания противофильтрационных экранов наземно-подземных инженерных объектов;

- методика проектирования ограждающей дамбы хвостохранилища, сооружаемой на грунтовом основании, сложенном сапонитизированными песчано-глинистыми отложеннями, основанная на поэтапном моделировании процессов возведения, эксплуатации и заполнения хвостохранилища .

б

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена применением классических положений теоретического анализа, численным моделированием изучаемых процессов, достаточным объемом натурных наблюдений и лабораторных экспериментальных исследований, а также результатами геотехнического мониторинга строящихся и эксплуатируемых ярусов ограждающей дамбы хвостох-ранилиша.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на межвузовской конференции «Геотехника: Научные и прикладные аспекты строительства надземных и подземных сооружений на сложных грунтах» (Санкт-Петербург, 2008), XVII польско-российско-словацком семинаре «Теоретические основы строительства» (Варшава, 2008), международной научно-технической конференции "Геотехника Беларуси: наука и практика" (Минск, 2008), международной научно-технической конференции «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, 2008), V международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций, оснований и фундаментов» (Волгоград, 2009), годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрологии «Сергеевские чтения: Моделирование при решении геоэкологических задач» (Москва, 2009), а также на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ (2005-2010 гг.).

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, в т.ч. одна статья опубликована в рецензируемом научном журнале из Перечня, рекомендованного ВАК, получен патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложения. Общий объем диссертационной работы составляет 125 страниц, включая 70 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 120 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе дан анализ работ разных авторов, посвященных вопросам утилизации вскрышных пород, а также отходов обогащения кимберлитовых руд месторождений алмазов, проблемам хранения и использования отходов. Приведена краткая

характеристика хвостохранилища месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова, минералогический состав и основные физические свойства отходов обогащения, формирующихся в хвостохрацилище. Сделан обзор аналитических и численных методов расчета фильтрационного потока в грунтовых дамбах. Изложены основные вопросы, связанные с устройством защитных противофильтрационных экранов на основе высокодисперсных глин. Сформулированы цель и задачи исследований.

Значительный вклад в решении задач обеспечения экологической безопасности разработки месторождений полезных ископаемых и охраны окружающей среды внесли Е.М. Сергеев, В.И. Осипов, A.M. Гальперин, В.Г. Румынии, В.А. Мироненко.Ф.Н.. Юдахин, А.И. Малов, Г.П. Кудрявцева, С.А. Гончаров, A.A. Ха-рионовский и др.

Для решения поставленных задач, улучшения геоэкологической обстановки на месторождении, снижения рисков возникновения внештатных и аварийных ситуаций при эксплуатации хвостохранилища, необходимо изучить основные свойства формирующихся сапонитизированных отложений в пляжной и прудковой зонах и разработать новые направления использования отходов обогащения в целях снижения техногенной нагрузки.

Во второй главе описаны методики и представлены результаты исследований физических, деформационных и прочностных свойств отходов обогащения.

Для исследования основных физико-механических, седиментационных и деформационных свойств в течение 4 лет было отобрано более 2100 образцов ненарушенной структуры, 390 нарушенной структуры песчано-глинистых отложений пляжной зоны и 140 образцов прудковых отложений. Схема отбора на одном из профилей представлена на рис. 1.

75...300М

и

\г

-г

Рис. 1. Схема отбора проб воды и хвостовых отложений: 1 - ограждающая дамба, 2 - пульпопровод, 3 — пляжная зона, 4 - пруд-отстойник, 5 - прудковые отложения, 6 - ось дамбы; I -уровень воды в пруде-отстойнике в 2006 г.; II -2007 г.; III -2008 г.

В результате исследований песчано-глинистых отложений пляжной зоны хвостох-ранилища установлено, что они обладают неоднородным гранулометрическим составом, соответствующим крупным, средней крупности, мелким, пылева-

тым пескам с содержанием глинистых частиц 3...5%. Характер пространственной изменчивости зернового состава по глубине представлен на рис. 2. Основные физико-механические характеристики пляжных отложений приведены в табл. 1. Глинистые частицы в основном представлены минералом с подвижной кристаллической решеткой - сапонитом (монтмориллонитом триоктаэдрическим).

Таблица 1

Основные физико-механические характеристики отложений пляжной зоны

Песок крупный Песок средней крупности

Песок мелкий Песок пылеватый

10 20 30 40 50 Расстояние от выпуска, м

Рис. 2. Схема зонирования песчано-глинистых отложений пляжной зоны по гранулометрическому составу: К - крупный, С - средней крупности, М - мелкий, П - пылеватый

Грунт Н О? н о Й Ь о н о £ п с£ л н о с н о £ Влажность Щ ед. 2 н о. й Ь П и о Л & о о б Коэффициент пористости е Содержание частиц размером менее 0,005 мм (%) Модуль деформации, МПа, в интервале давлений, МПа Прочностные характеристики Коэффициент фильтрации кГ10, м/сут

0-0,1 <ч о" о 0,2-0,3 ч я о-и 9- й С Ь2 О

Песок: 1 85 0,23 1,50 0,80 3,01 4 35 6,73 12,10 0,169

крупный

средней 1,83 0 24 1 48 0,83 4 1! 3,53 6,08 11,19 0,140

крупности 2,70 28,5 10.5

мелкий 1,81 0,26 1,44 0,88 4,84 3,13 5,49 11,19 0,120

пылеватый 1,76 0,26 1,40 0,93 5,2 1,82 4,35 8.26 0.090

Результаты испытаний песчано-глинистых отложений показали, что значение угла внутреннего трения отложений соответствует углу внутреннего трения песков, однако из-за присутствия глинистых частиц удельное сцепление отложений не характерно для песчаных грунтов. При этом в соответствии со СНиП 2.06.05-84 «Плотины из грунтовых материалов» и СНиП 2.02.02.85* «Основания гидротехнических сооружений» песчано-глннистые отложения пляжной зоны, имеющие такие прочностные характеристики, могут являться грунтовым основанием для возведения дополнительных ярусов дамбы. Вместе с тем низкие коэффициенты фильтрации грунтов обуславливают медленную консолидацию основания, что требует ограничения темпов наращивания дополнительных ярусов ограждающей дамбы.

Исследования проб воды и тонкодисперсных отложений из отстойного пруда показали, что в настоящее время в хвостохранилище происходит формирование неуплотненных тонкодисперсных отложений, представляющих собой текучие глины. Содержание сапонита в прудковых отложениях достигает 63%. Кроме того, в прудковых отложениях присутствуют следующие минералы: кварц - 10%, доломит - 10%, слюда мусковитового типа -5%, хлорит, апатит, полевой шпат - 12%

Результаты лабораторных исследований прудковых отложений приведены в табл. 2. Влажность на границе текучести (и пластичности (\\/р) составляет 0,79 и 0,31 соответственно.

Степень дисперсности тех или иных глин косвенно характеризуется их максимальной гигроскопической влажностью. Для глинистых минералов с подвижной кристаллической решеткой данная характеристика является основной.

Согласно методике проведения эксперимента, образцы тонкодисперсных отложений высушивали в течение 1-2 суток до постоянной массы, измельчали, просеивали на сите с диаметром ячеек 0,5 мм, выдерживали в эксикаторе до установления равно-

Таблица 2

Физические свойства прудковых отложений

Плотность частиц р5, т/м3 Содержание частиц, %. размером, мм

Глубина отбора Плотность р, т/м3 Влажность Жед о" л о о о" 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 | <0,001

2,0 2,84 1,11 4,95 0,21 16,28 12,53 20,13 30,19 20,66

3,0 2,84 1,14 4,27 0,44 21,69 10,45 19,31 28,50 19,61

4,0 2,85 1,22 2.66 3,44 42,24 18,33 10.37 14.89 10,74

весного состояния над водными растворами серной кислоты. Результаты исследований показали, что максимальная гигроскопическая влажность прудковых отложений составляет 25,5%. что свидетельствует о их высокой дисперсности.

Одним из косвенных признаков количества связной влаги в грунте является набухание, характеризуемое относительной деформацией набухания (е5ц,)- Установление этого показателя является важным при разработке направлений использования тонкодисперсных отложений.

Экспериментальные исследования образцов прудковых отложений, находящихся в воздушно-сухом состоянии, показали, что им свойственны значительные деформации набухания: 20...60% при полном замачивании и 20...40% при капиллярном увлажнении. Зависимость деформаций набухания от плотности скелета (р^) грунта является линейной (рис. 3) и определяется способом увлажнения.

Рис. 3. Зависимости деформации набухания от плотности скелета грунта: а - при капиллярном увлажнении, б - при полном замачивании;

1 - монтмориллонитовая глина, 2 - прудковые отложения, 3 - гидрослюдистая глина

Отходы обогащения, формирующиеся в отстойном пруде, относятся к высокодисперсным сильнонабухающим глинам, что необходимо учитывать при разработке направлений их использования.

Третья глава посвящена исследованиям процессов гравитационного и принудительного осаждения тонкодисперсных отходов обогащения прудковой зоны хво-стохранилища.

Исследования проб воды и прудковых отложений из пруда-отстойника показали, что содержание твёрдой фазы с увеличением глубины постепенно возрастает. При этом за последние 3 года наблюдений в результате увеличения содержания сапонита по глубине алмазоносной трубки отмечено повышение концентрации твердых частиц на глубине до 1 м, в 2006 году она составляла 0,2%, а в 2007 и 2008 - 10,0 и 12,5% соответственно. Графики изменения плотности и плотности скелета прудковых отложе-

и

ний (р(3) с увеличением глубины представлены на рис. 4. Наблюдения за формированием отложений прудковой зоны показывают, что тонкодисперсные отходы обогащения находятся в воде во взвешенном состоянии с момента размещения в хвостохрани-лнще по настоящее время.

Исследование процесса седиментации прудковых отложений выполнялось также в лабораторных условиях в специально изготовленном седиментационно-фильтрационном приборе (рис. 5). Прибор позволяет определять скорость осаждения твердых частиц в суспензии дифференцировано по времени и глубине, а также измерять проницаемость слоев осадка, образующегося на разных этапах осаждения.

Наблюдения за процессом седиментации в полевых и лабораторных условиях показали, что формирующиеся высокодисперсные отложения обладают низкой седи-ментационной активностью, слабой водоотдачей и требуют принудительного осаждения.

На основе изучения влияния различных реагентов на процессы седиментации глинистых суспензий в качестве основного коагулянта был принят хлорид натрия. Данный реагент является экологически безопасным, содержится как в морской воде, так и в подземных водах, вскрытых при разработке алмазоносной трубки.

Установлено, что значительное влияние на ускорение процесса осаждения твердых частиц прудковых отложениях оказывает введение в глинистую суспензию морской воды.

Для оценки седиментационной активности отложений используется понятие относительного седиментационного объема, который определяется по формуле

где У$е(1 - объем образовавшегося осадка в момент времени I; У0 - начальный объем глинистой суспензии.

а б

Рис. 4. Зависимости плотности (а) и плотности скелета прудковых отложений (б) от глубины: 1 - отбор проб в июне 2006 г., 2 - в августе 2007 г., 3 - в августе 2008 г.

Процессы седиментации в хвостохранилище в течение полугода протекают при температуре воды 0°С. Таким образом, для изучения кинетики осаждения очень важным является температурный фактор.

Как показали исследования, снижение температуры до О°С замедляет скорость седиментации твердых частиц, уменьшает плотность осадка, требует повышения концентрации коагулирующих растворов. Изменения относительного седиментационного объема во времени при различных концентрациях коагулянта и температурах глинистой суспензии представлены на рис. 6. Из рисунка видно, что максимально эффективная концен- Рис. 5. Схема седиментационно-

трация хлорида натрия составила фильтрационного прибора: 1 - прозрачный

. .... мерный стакан, 2 - сливной патрубок, 3 - кран, 0,15%, что соответствует концен- . с с л.

1 4 - основание прибора, 5 - емкость для фильтрации соли 0,10...0,12 г/л. Это в трата, 6 - отводящая трубка, 7 - отводящий па-сотни раз меньше содержания соли трубок, 8 - фильтрационный элемент, 9- крыш-

г- ка фильтрационного элемента, 10 - перфориро-в морской воде, поэтому при сбро- г ,, ' 14 '

ванное дно элемента, 11-труба для подачи су-

се вод из хвостохранилища не бу- спензии

дет происходить загрязнение прилегающей акватории Белого моря. Учет изменения концентрации хлорида натрия в Прудковых отложениях в зависимости от температуры воды в отстойном пруду позволит достичь максимального эффекта от применения экологически безопасных реагентов.

О 40 80

120 160 ^ч а

-9-- 10 -Й-- 11 12

0,75 -

0,50 -

0.25

0 40 80 120 160 I, ч

б

Рис. 6. Зависимость относительного седиментационного объема от времени при введении коагулирующих добавок при температуре глинистой суспензии 20 (а) и 0°С(б) для концентраций хлорида натрия 1- 0,015; 2- 0,07; 3-0,15; 4- 0,22; 5- 0,44; 6- 0,73; 71,46; 8- 0,01; 9-0,1; 10- 0,25;11-0,5; 12- 1,0; 13-0,0%.

Четвертая глава посвящена обоснованию целесообразности применения тонкодисперсных отложений пляжной зоны в конструкциях гидроизоляционных материалов при устройстве полигонов твердых бытовых отходов и промышленных токсичных и нетоксичных отходов, а также защиты подземных сооружений от поверхностных и грунтовых вод. Выполнено численное моделирование работы ограждающей дамбы на основании, сложенном песчано-глинистыми отложениями, на этапе возведения и эксплуатации, с учетом стадийности возведения, поэтапности намыва хвостовых отложений и подъема уровня воды в бассейне хвостохранилиша.

Для оценки степени применимости высокодисперсных сильнонабухающих отходов обогащения в качестве основного компонента защитных противофильтрацион-ных экранов была проведена серия экспериментов по определению их водопроницаемости. Эксперименты проводились с образцами, в которых в качестве исходного материала использовалась глинистая суспензия с плотностью скелета р^=0,17...0,29 т/ м-'.

отобранная из отстойного пруда. Экспериментальные образцы готовились по 5 различным схемам:

- Серия образцов «О». Глинистая суспензия отстаивалась в седиментационно-фильтрационном приборе.

- Серия образцов «I». В исходный материал вводили коагулирующую добавку, содержащую хлорид натрия.

- Серия образцов «II». Исходный материал подвергался центрифугированию.

- Серия образцов «III». В качестве исходного материала использовались образцы «I», которые подсушивались до влажности W=0,7...0,9 ед.

- Серия образцов «IV». Исходный материал высушивался до постоянной массы при температуре 100 ± 5°С, измельчался и просеивался на ситах с диаметром отверстий 1 и 5 мм, т.е. для проведения экспериментов готовились образцы с размерами микроагрегатов менее 1 и 5 мм соответсвенно.

Испытания проводили в компрессионно-фильтрационном приборе, где экспериментальный образец укладывали между двумя слоями песка с геотекстилем (дор-нитом). Предварительно нижний слой песка уплотняли до максимальной плотности при оптимальной влажности, верхний слой песка имел насыпную плотность.

Многослойную конструкцию при закрепленном штоке выдерживали до полного водонасыщения в течение 15 суток. Испытания проводили при ступенях нагрузки 0, 10, 20, 40, 60, 100 кПа. На каждой ступени после стабилизации деформации определяли водопроницаемость образца.

Для построения компрессионной кривой тонкодисперсных отложений была проведена серия отдельных опытов с песком и геотекстилем, позволившая дифференцировать осадку многослойной конструкции. Получены кривые уплотнения образцов тонкодисперсных отложений в виде зависимости pd=f(p), где

В соответствии со СНиП 2.01.28-85 «Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Основные положения по проектированию» при проектировании

р - нормальное давление на образец (рис. 7). Для каждого значения р^ получены параметры зависимости Дарси.

Рис. 7. Зависимость плотности скелета высокодисперсных отложений от давления: О - IV - серии образцов

противофильтрационных экранов полигонов для твердых бытовых отходов допускается использование слоя глины с коэффициентом фильтрации не более МО"3 м/ сут, а при проектировании полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов устраивать глиняные экраны с коэффициентом фильтрации не более 0,08-10"3 м/сут.

Результаты проведенных исследований показывают, что прудковые отложения при плотности скелета более 0,7...1,0 т/м3 (рис. 8) могут использоваться в качестве основного компонента противофильтрационных экранов на полигонах твердых бытовых и промышленных отходов. А при плотности скелета более 1,12...1,16 т/м3 допускается применение отходов обогащения на полигонах по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов.

Степень защиты грунтовых вод и почв от агрессивного воздействия фильтрата, образующегося на полигонах захоронения отходов твердых бытовых и токсичных промышленных, определяется объемом фильтрационных потерь через защитный экран.

На численной модели (рис. 9) полигона хранения или накопления токсичных промышленных отходов при устройстве однослойного глиняного экрана толщиной 0,5...1,0м, основным компонентом которого являются прудковые отложения, нами изучался фильтрационный режим работы накопителя, устанавливались фильтрационные потери фильтрата через основание полигона. Прием отходов на захоронение осуществляется в течение 5 лет. Общий срок эксплуатации сооружения 50 лет. Фильтрационные расчеты производились с установившимся и неустановившимся режимами фильтрации при постепенном повышении уровня заполнения полигона отхо-

Рис. 8. Области применения прудковых отложений для полигонов твердых бытовых отходов (а); полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов (б): 0 - IV - схемы подготовки образцов

Отходы

Атмосферные осадки д^д

Дренажная

Противофильтрационный экран\ Рис. 9. Расчетная схема полигона хранения или накопления отходов

дами, с учетом инфильтрации атмосферных осадков. Численное моделирование выполняли с использованием программно-вычислительного комплекса «Р1ах15 20» и геофильтрационного модуля «Р1ахР1о\у».

Результаты расчета показывают, что постоянный режим фильтрации устанавливается через 200...250 дней после укладки очередного слоя отходов. Зависимость общих фильтрационных потерь <3 на 1м2 защитного экрана от времени является линейной (рис. 10) и может быть представлена в виде

<3=а-1+Ь,

где а, Ь - коэффициенты, определяемые толщиной экрана; 1 - период эксплуатации полигона. Значения параметров представлены в табл. 3.

Таким образом, численный эксперимент доказал эффективность использования хвостовых отложений прудковой зоны хвостохранилища в качестве основного компонента защитных противофильтрационных экранов. Применение численных методов расчета позволило оценить толщину защитного экрана и фильтрационные потери загрязняющих веществ.

Для защиты эксплуатируемых подвальных помещений зданий и сооружений от проникновения поверхностных и грунтовых вод внутрь помещений необходимо вы-

Таблица 3 Значения коэффициентов а, Ь

Рис. 10. Зависимость общих фильтрационных потерь от времени при толщине экранов: 1 - 0,5; 2 -0,8; 3- 1,0 м

Толщина экрана, м а х10"3 ЬхЮ"3

0,5 9,61 13,48

0,8 6,21 9,36

1,0 5,00 7.63

^ поднять их гидроизоляцию. Нами предложено решение, основанное на использовании тонкодисперсных отходов обогащения кимберлитовых руд.

Основная задача заключается в выборе конструкции гидроизоляции и определе-[ нии оптимальной толщины этого слоя в зависимости от внешних факторов: положения уровня грунтовых вод относительно пола подвального помещения (напора грунтовых вод), инфильтрации атмосферных осадков.

Для оценки применимости гидроизоляционного материала на основе сапонита при организации защиты подвальных помещений зданий была выполнена масштабная модель, представляющую собой фильтрационный лоток, в котором сконструирована стена подвального помещения и выполнена гидроизоляция исследуемым материалом.

Гидроизоляционный материал представляет собой прошитый мат, состоящий из двух слоев геотекстиля и слоя высушенных агрегатов (диаметром до 1 мм) тонкодисперсных отложений.

Результаты натурных экспериментов показали, что защита подвального помещения обеспечена в течение всего срока проведения испытаний. В течение наблюдений "мокрые" пятна на открытой поверхности стены не были зафиксированы, что свидетельствует о водонепроницаемости гидроизоляционного слоя.

Проведение натурного эксперимента сопровождалось моделированием. Численная модель, созданная на основе масштабной, представлена на рис. 11, где выделены по высоте характерные сечения. В каждом сечении определяли расчетные значения градиента напора и сравнивали их с начальными градиентами напора для изучаемого материала. По результатам расчетов получены графики, устанавливающие толщину гидроизоляции в

0.000 0.500 1.000 1.500

зависимости от напора грунтовых вод и положения расчетного сечения. Эксперименты на масштабной модели показали, что для получения гидроизоляционного материала с заданной степенью плотности, обеспечивающей определенные фильтра-

-0.000 -0.250

0 500 ^одвальнош помещения

-0.750 -1.000 -1.250 -1.500 .

- Дренаж

Рис. 11. Численная модель фильтрационного лотка (1-7 - номера сечений)

Гидроизоляция на основе сапонита

ционные характеристики материала, оптимальная толщина одного слоя должна быть не менее 8... 10 мм.

Таким образом, на основе экспериментов установлена зависимость толщины гидроизоляционного слоя от напора грунтовых вод и начального градиента напора изолирующего материала. Значения начального градиента напора соответствуют гидроизоляционным материалам на основе тонкодисперсных отходов обогащения с содержанием в них сапонита в пределах 60...65%. При увеличении содержания сапонита в отходах обогащения значения начального градиента будут возрастать, что позволит воспринять большее гидростатическое давление, чем в момент проведения настоящего исследования.

Складирование отходов обогащения требует значительных площадей. Сократить эти площади можно путем наращивания высоты ограждающей дамбы хвостох-ранилища. Для решения поставленной задачи были использованы численные методы, реализованные в программе "Р1ах15 20".

Особенность конечно-элементного моделирования заключалась в учете стадийности возведения и эксплуатации ограждающей дамбы. В расчетах первоначально возведена пионерная дамба, далее выполнен намыв хвостовых отложений на неконсолидированном основании из песчано-глинистых отложений, устроен 1 ярус дамбы. При этом процесс возведения I яруса дамбы также выполнялся постадийно, с учетом консолидации ее основания. Далее выполнялся намыв хвостовых отложений уже в экран I яруса с одновременным подъемом уровня воды в пруде-отстойнике. В расчетах учтено также дополнительное давление от лрудковых отложений, которые формировались также поэтапно. Расчетная схема ограждающей дамбы представлена на рис. 12.

Для моделирования грунтового массива (тела и основания насыпи) была ис-

Рис. 12. Поперечный разрез ограждающей дамбы хвостохранилища: 1, 2, 3 - грунты основания дамбы 1 яруса; 4 - дамба 1 яруса; 5 - дамба 11 яруса; б — хвостовые отложения, намытые на откос дамбы I яруса; 7 - хвостовые отложения, намытые на откос дамбы II яруса; 8 - пруд-отстойник

пользована численная модель с критерием прочности по Кулону-Мору. Модель состояла из 50...70 тысяч треугольных конечных элементов, в зависимости от степени сгущения сетки. Каждый конечный элемент имел 15 узлов, в которых определяли перемещения, и 12 точек, в которых вычисляли напряжения. Для прогноза осадки дамбы применялась теория фильтрационной консолидации грунтов. Основные физико-механические свойства песчано-глинистых отложений, грунтов дамбы и ее основания приведены в табл. 4.

Результаты расчета показывают, что в процессе возведения ограждающей дамбы на песчано-глинистых отложениях требуется строго соблюдать последовательность отсыпки в связи со снижением прочностных характеристик намываемого материала из-за роста содержания сапонита в отходах, а также увеличения времени на консолидацию основания. Было рассчитано 12 моделей с различными условиями на-гружения дамбы. Наименьший расчетный коэффициент запаса устойчивости составил 1,28, что превышает нормативный (1,15) для данного класса сооружений.

Кроме анализа напряженно-деформированного состояния грунтов в основании были выполнены фильтрационные расчеты. Для расчетов фильтрации в насыщенных и ненасыщенных водой грунтовых массивах при установившемся и неустановившемся режимах использовалась классическая модель Ван Генухтена. Фильтрационные характеристики грунтов приняты на основе данных лабораторных исследова-

Таблица 4

Основные физико-механические свойства песчано-глинистых отложений, грунтов дамбы и ее основания

Прочностные С

Р н А Н § Р •е- а й с характеристики л —4 с? 2 а

Наименование грунта 5 ь о С! С о 0 1 ч Ф, град с, кПа II * 9- Ли £ Й •£ Э- О Л ^ 5 •§•

Грунты основания дамбы 1 Суглинок 1 2,17 0,20 0,52 23,3 10,0 27400 0,011

яруса: Песок (М) 2 1,97 0,27 0,71 25,0 1,0 14000 5,000

Торф 3 1,05 2,20 3,60 10,0 5,0 750 0,012

Грунт тела дамбы 1 яруса Песок (С) 4 2,09 0.13 0,46 30,2 12,7 21500 0,130

Грунт тела дамбы II яруса Песок (С) 5 1,90 0,09 0,51 33.4 0,0 15390 0.175

Хвосты I яруса: Песок (П) 6а 1,76 0,26 0,93 21,8 9,0 3100 0,090

Песок (М) 66 1,81 0,26 0,88 24,3 9.0 4400 0,120

Песок(С) 6в 1,83 0,24 0,83 26,0 8,8 5100 0,140

Песок (К) 6г 1,85 0,23 0,80 28.0 8,0 4100 0.169

Хвосты 11 яруса Песок (С) 7 1.85 0,26 0,81 28,2 9,0 6370 1,580

ний. Результаты расчетов и наблюдений в натурных условиях за депрессионной кривой (рис. 13) показали, что наблюдаемый уровень воды в пьезометре на низовом откосе дамбы составил 18,15 м, а расчетные значения - 18,86 (методом конечных элементов) и 19,00 м (аналитическим методом), что говорит о хорошей сходимости результатов. Нами рассчитан также предельный уровень подъема воды в отстойном пруде хвостохранилища, при котором обеспечивается устойчивость ограждающей дамбы. Результаты расчета показали, что в процессе эксплуатации ограждающей дамбы расчетный коэффициент запаса устойчивости составил к${=1,16, что выше нормативного.

Таким образом, предложенные подходы к проектированию ограждающий дамбы хвостохранилища позволили обеспечить нормативный коэффициент запаса устойчивости при соблюдении технологии строительства и заполнения бассейна хвостохранилища, а также определить оптимальные сроки возведения и консолидации основания дамбы, при которых обеспечена ее безопасность в течение всего периода возведения и эксплуатации. Предложенная технология применяется при эксплуатации хвостохранилища.

О

60 __i_

120

180

30-

(а)+18,15 м

(б)+18,86 м

Пьезометр

Рис. 13. Положение депрессионной кривой по данным натурных наблюдений (а) и по результатам численного моделирования (б) (на январь 2008 года)

Общие выводы

1. Экспериментальные исследования тонкодисперсных отходов обогащения, ак- ^ кумулируемых в отстойном пруду, показали, что в настоящие время происходит формирование неуплотненных тонкодисперсных отложений, представляющих собой те- 1 кучие глины. Основным компонентом таких глин является минерал с подвижной кри- 1 сталлической решеткой - сапонит. В результате натурных и лабораторных исследований седиментационных свойств прудковых отложений установлено, что они облада- ^ ют низкой седиментационной активностью. Концентрация твердых частиц на глубине до 1 м за 3 года наблюдений увеличилась с 0,2 до 12,5%, при этом отмечен незначительный рост плотности скелета прудковых отложений, от 0,1 до 0,35 т/мЗ.

2. Выполнено зонирование песчано-глинистых отложений пляжной зоны хво-стохранилища по гранулометрическому составу, прочностным и деформационным свойствам. Исследованные характеристики учтены при моделировании поэтапного возведения ограждающей дамбы на основании, сложенном данными отложениями, намыва хвостовых отложений и заполнения бассейна хвостохранилища.

3. Экспериментальные исследования свойств тонкодисперсных отложений на седиментацнонно-фильтрационном приборе, который защищен патентом на полезную модель, показали, что скорость осветления воды и седиментации прудковых отложений значительно увеличивается при введении коагулирующих добавок, содержащих хлорид натрия. Доказана эффективность влияния морской воды на кинетику осаждения тонкодисперсных отложений. По результатам исследования установлены эффективные концентрации коагулянтов с учетом реальной динамики температуры воды в отстойном пруду.

4. Исследована водопроницаемость противофильтрационного материала на основе тонкодисперсных отходов обогащения. Путем выполнения численных экспериментов и натурных наблюдений доказана возможность применения противофильтрационного материала при проектировании полигонов твердых бытовых отходов, полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов, а также для защиты подземных сооружений.

5. Предложенные на основе численного моделирования подходы к проектированию ограждающей дамбы с учетом поэтапности ее возведения и эксплуатации позволили обеспечить нормативный коэффициент запаса устойчивости при соблюдении технологии строительства и заполнения бассейна хвостохранилища, определить оптимальные сроки возведения и консолидации основания дамбы, обеспечивающие безопасность ее возведения и эксплуатации в течение всего периода. Предложенная технология применяется при эксплуатации хвостохранилища.

Таким образом, выполненные в диссертационной работе исследования позволили разработать технологические подходы к ускорению процессов седиментации тонкодисперсных фракций отходов обогащения кимберлитовых руд и обосновать их использование для создания противофильтрационных экранов, что имеет существенное значение для снижения негативного воздействия объектов хвостового хозяйства на природную среду.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Коршунов A.A., Невзоров АЛ. Исследование набухания хвостовых отложений, образующихся в процессе обогащения кимберлитовых руд месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова/ Вест. Арханг. гос. техн. ун-та. Сер. «Прикладная геоэкология». Архангельск: Изд-во АГТУ, 2007. Вып. 70. C.I30-134.

2. Коршунов A.A., Невзоров A.J1. Применение хвостовых отложений в качестве основного компонента противофильтрационных экранов при проектировании полигонов отходов// Межвуз. темат. сб. тр. «Геотехника: Научные и прикладные аспекты строительства надземных и подземных сооружений на сложных грунтах». СПб: Изд-во СПбГАСУ, 2008. С.95-99.

3. Расчет устойчивости ограждающей дамбы хвостохранилища/ Коршунов A.A. [и др]// Сб. тр. XVII польско-российско-словацкого семинара «Теоретические основы строительства». Варшава, Вроцлав: Изд-во Zilina, 2008. Том I, II. С.284-291.

4. Коршунов A.A., Невзоров A.JI. Исследование глинистой суспензии в седиментационно-фильтрационном приборе // Сб. тр. XVII польско-российско-словацкого семинара «Теоретические основы строительства». Варшава, Вроцлав: Изд-во Zilina, 2008. Том I, II. С.292-297.

5. Коршунов A.A., Невзоров А.Л. Комплексное исследование хвостовых отложений при использовании их в качестве основного компонента противофильтрационных экранов при проектировании полигонов отходов // Сб. науч. ст. меж-дунар. науч.-техн. конф. «Геотехника Беларуси: наука и практика» Минск: Изд-во БНТУ,

2008. С.322 330.

6. Коршунов A.A., Невзоров А.Л. Особенности складирования и перспективы утилизации отходов обогащения кимберлитовых руд на месторождении алмазов им. М.В. Ломоносова// Вестник Арханг. гос. техн. ун-та. Сер. «Прикладная геоэкология». Архангельск: Изд-во АГТУ, 2008. Вып. 75. С. 46-59.

7. Геотехнический контроль строительства и эксплуатации дамбы хвостохранилища при разработке трубки "Архангельская" на месторождении алмазов им. М.В. Ломоносова/ Невзоров А.Л., Коптяев В.В., Коршунов A.A. [и др]// Матер. IV междунар. науч.-техн. конф. 18-19 дек. 2008г. «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации». М.: ОАО ПНИИИС, 2009. С.131-133.

8. Результаты геотехнического контроля строительства и эксплуатации ограждающей дамбы хвостохранилища/ Невзоров А.Л., Коптяев В.В., Коршунов A.A. [и др]// Матер. V междунар. науч.-техн. конф. «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций, оснований и фундаментов». Волгоград: ВолгГАСУ,

2009. Ч.Ш. С.94-100.

9. Коршунов A.A., Невзоров A.JI., Уваров С.А. Моделирование геофильтраци-оных процессов в ограждающей дамбе хвостохранилища// Матер, годичной сессии Научн. совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения: Моделирование при решении геоэкологических задач». М.: Изд-во ГЕОС, 2009. Вып. 11. С. 361-364.

10. Коршунов A.A., Невзоров А.Л Перспективы и направления утилизации отходов обогащения кимберлитовых руд на месторождении им. М.В. Ломоносова// Проблемы региональной экологии. 2009. № 2. С. 213-216

11. Коршунов A.A. Исследование седиментации тонкодисперсных отходов обогащения кимберлитовых руд месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова// Вест. ВОЛГАСу. Сер. Стр-во и архит.: науч.-теор. и произв.-практ. журн. Волгоград: Волг-ГАСУ, 2009. Вып. 16(35). С.177-182.

12. Седиментационно-фнльтрационный прибор: пат. 64372 Рос. Федерация, МПК G 01N15/08/2006134841 /22, заявитель и патентообладатель Арханг. гос. техн. унт., Невзоров А.Л., Коршунов A.A. - №2006134841/22, заявл. 02.10.06; опубл. 27.06. 07, Бюл. №18. 4с.

Подписано в печать 23.03.2010. Формат 70x84/16. Усл. печ. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ № 43.

Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленного оригинал-макета в типографии ГОУ ВПО «Архангельский государственный технический университет»

163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Коршунов, Алексей Анатольевич

СТРУКТУРА РАБОТЫ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. ПРОБЛЕМЫ ХРАНЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ АЛМАЗОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

1.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ХВОСТОХРАНИЛИЩА НА МЕСТОРОЖДЕНИИ АЛМАЗОВ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА

1.3. МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХВОСТОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ.

1.4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОФИЛЬТРАЦИОННЫХ И ГЕОМИГРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ.

1.5. ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ЭКРАНЫ.

1.6. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ХВОСТОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ.

2.1. ОРГАНИЗАЦИЯ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ ХВОСТОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ.

2.2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ПЛЯЖНОЙ ЗОНЫ ХВОСТОХРАНИЛИЩА.

2.2.1. Физические свойства.

2.2.2. Водопроницаемость и деформационные свойства.

2.2.3 Прочностные свойства.

2.2.4. Выводы.

2.3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ПРУДКОВОЙ ЗОНЫ ХВОСТОХРАНИЛИЩА.

2.3.1. Физические свойства.

2.3.2. Набухание.

2.3.3 Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геоэкологическое обоснование складирования и использования отходов обогащения кимберлитовых руд"

4.3.2. Изготовление гидроизоляционного слоя.96

4.3.3 Постановка исследования.97

4.3.4. Постановка численного эксперимента. 100

4.3.5. Постановка лабораторных испытаний.103

4.3.6. Выводы.105

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.107

ЛИТЕРАТУРА.109

ПРИЛОЖЕНИЕ.118

Обоснование актуальности темы I

Постановка цели и задач исследований

Тонкодисперсные отходы

Изучение физических свойств I

Исследование водопроницаемости и деформационных свойств X

Изучение седиментационных свойств Изучение физико-механических и деформационных свойств 1

Исследование способов ускорения осаждения Моделирование этапов возведения и эксплуатации ограждающей дамбы

НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Изоляция полигонов твердых бытовых и промышленных отходов

Изоляция подземных конструкций сооружений

Использование в основании дамб хвостохранилищ П ч о

1 ■О

О) тз ел о •м а*

Введение

В 2002 году в 100 км к северо-востоку от г. Архангельска началась опытно-промышленная разработка трубки «Архангельская» месторождения алмазов имени М.В. Ломоносова. В природно-климатических условиях Крайнего Севера это неизбежно ведет к повышению техногенной нагрузки на природную среду.

Характерной особенностью данного месторождения является преимущественное замещение породы кимберлитовых трубок глинистым минералом - сапонитом. Высокое содержание сапонита оказывает существенное влияние на способы обогащения и условия накопления сапонитсодержащих отходов. В процессе обогащения кимберлитовых руд песчано-глинистые пустые породы при классе крупности +3 мм формируют насыпные техногенные массивы, а при классе -3 мм направляются в обводненном состоянии в хвостохранилище, где ежегодно складируется до 1 млн. тонн отходов. В хвостохранилище происходит их фракционирование и формирование песчано-глинистых отложений на откосах ограждающей дамбы и мощных толщ неуплотненных тонкодисперсных фракций в отстойном пруде.

Присутствие в тонкодисперсных отложениях сапонита обуславливает их слабую водоотдачу, длительное осветление воды, а соответственно, и медленный водооборот, что, в свою очередь, вызывает увеличение расхода воды для работы системы гидротранспорта и скорости заполнения бассейна хвостохранилища. В результате водонасыщенные слабоуплотненные отложения создают угрозу затопления прилегающих площадей. Поэтому, вопросы ускорения седиментации отложений и осветления воды являются актуальными.

Отходы обогащения, транспортируемые гидравлическим способом, требуют значительных площадей для складирования и устройства ограждающих дамб для их размещения, что связано с повышением техногенной нагрузки на природную среду. Одним из путей уменьшения отчуждаемых территорий является наращивание ограждающих дамб хвостохранилища по высоте и соответственно размещение дополнительных ярусов дамб на основании, сложенном из песчано-глинистых отложений. Это обуславливает необходимость изучения основных свойств песчано-глинистых отложений, оценки их влияния на безопасность гидротехнического сооружения и разработки мер по снижению потенциальной опасности развития внештатных и аварийных ситуаций на дамбах.

Улучшить геоэкологическую обстановку на месторождении можно путем решения вопроса утилизации тонкодисперсных отходов. Нами предложена методика использования глинистых отложений в качестве исходного компонента при производстве защитных противофильтрационных экранов на полигонах твердых бытовых отходов, полигонах по захоронению токсичных промышленных отходов, в строительстве подземных сооружений, что определяет актуальность настоящего исследования.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Коршунов, Алексей Анатольевич

Общие выводы

1. Экспериментальные исследования тонкодисперсных отходов обогащения, аккумулируемых в отстойном пруду, показали, что в настоящие время происходит формирование неуплотненных тонкодисперсных отложений, представляющих собой текучие глины. Основным компонентом таких глин является минерал с подвижной кристаллической решеткой - сапонит. В результате натурных и лабораторных исследований седимента-ционных свойств прудковых отложений установлено, что они обладают низкой седиментационной активностью. Концентрация твердых частиц на глубине до 1 м за 3 года наблюдений увеличилась с 0,2 до 12,5%, при этом отмечен незначительный рост плотности скелета прудковых отложений, от ОД до 0,35 т/мЗ.

2. Выполнено зонирование песчано-глинистых отложений пляжной зоны хво-стохранилища по гранулометрическому составу, прочностным и деформационным свойствам. Исследованные характеристики учтены при моделировании поэтапного возведения ограждающей дамбы на основании, сложенном данными отложениями, намыва хвостовых отложений и заполнения бассейна хвостохранилища.

3. Экспериментальные исследования свойств тонкодисперсных отложений на седиментационно-фильтрационном приборе, который защищен патентом на полезную модель, показали, что скорость осветления воды и седиментации прудковых отложений значительно увеличивается при введении коагулирующих добавок, содержащих хлорид натрия. Доказана эффективность влияния морской воды на кинетику осаждения тонкодисперсных отложений. По результатам исследования установлены эффективные концентрации коагулянтов с учетом реальной динамики температуры воды в отстойном пруду.

4. Исследована водопроницаемость противофильтрационного материала на основе тонкодисперсных отходов обогащения. Путем выполнения численных экспериментов и натурных наблюдений доказана возможность применения противофильтрационного материала при проектировании полигонов твердых бытовых отходов, полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов, а также для защиты подземных сооружений.

5. Предложенные на основе численного моделирования подходы к проектированию ограждающей Дамбы с учетом поэтапности ее возведения и эксплуатации позволили обеспечить нормативный коэффициент запаса устойчивости при соблюдении технологии строительства и заполнения бассейна хвостохранилища, определить оптимальные сроки возведения и консолидации основания дамбы, обеспечивающие безопасность ее возведения и эксплуатации в течение всего периода. Предложенная технология применяется при эксплуатации хвостохранилища.

Таким образом, выполненные в диссертационной работе исследования позволили разработать технологические подходы к ускорению процессов седиментации тонкодисперсных фракций отходов обогащения кимберлитовых руд и обосновать их использование для создания противофильтрационных экранов, что имеет существенное значение для снижения негативного воздействия объектов хвостового хозяйства на природную среду.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Коршунов, Алексей Анатольевич, Архангельск

1. Айзенштадт А.М, Боголицын К.Г. Коллоидная химия (свойства коллоидно-дисперсных систем): учебное пособие. Изд., 2-е. испр. и доп. Архангельск: Изд-во Арханг. гос. техн. ун-та, 2003. 116 с.

2. Алфимова Н.И. Повышение эффективности стеновых камней цементных с учетом использования композиционных вяжущих и отходов алмазообогаще-ния: Автореф. дис. канд. техн.наук. Белгород, 2007. 18с.

3. Архангельская алмазоносная провинция (геология, петрография, геохимия и минералогия) / под ред. O.A. Богатикова. М.; Изд-во МГУ, 1999. 524 с.

4. Атрощенко Ф.Г., Гальперин A.M., Горбатов Ю.П. Экологически безопасные технологии складирования техногенных отложений хвостохранилищ на разрабатываемых месторождениях Якутской алмазоносной провинции// Геоэкология. 2008. №2

5. Бабенков Е.М. Очистка вод коагулянтами. М.: Наука, 1977. 355 с.

6. Бартоломей A.A., Х.Брандл, Понамарев А.Б. Основы проектирования и строительства хранилищ отходов: уч. пособ. М.: Изд-во АСВ, 2004 144с

7. Бересневич П.Б., Кузьменко П.К., Неженцева Н.Г. Охрана окружающей среды при эксплуатации хвостохранилищ. М.: Недра. 1993. 128 с.

8. Бурцов В.Я., Горбенко В.А., Гойштейн М.С. Эффектиный способ складирования хвостов// Горный журнал, 1988, №6

9. Бутюгин В.В., Скачков М.С. Опыт эксплуатации хвостохранилищ в Норильском промышленном районе.//Горный журнал. 2004. №5. С.54-58.

10. Бычинский В.А., Диденков Ю.Н. Комплексные мероприятия по снижению загрязнения природных вод в районах шламохранилищ глиноземных комбинатов// Геоэкология. 2008. №3.

11. Валуев Е.П., Иванов А.К., Фортыгин B.C., Юдахин Ф.Н., Губайдуллин М.Г. Результаты опытно-промышленных работ на месторождении алмазов им. М.В.Ломоносова. Сб. научных трудов "Север: экология". Уральское отделение РАН, Екатеринбург. 2000 С.163-169.

12. Васильев A.B., Акиныиин Л.П., Воронов В.И. Классификация методов проти-вофильтрационной защиты хвостохранилищ горно-обогатительных комби-натов//Горный журнал. 1987. №6

13. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1984. 573с.

14. Галицкая И.В., Путилина B.C., Юганова Т.И. Поведение органического вещества в фильтрате и подстилающих породах свалки. Влияние на миграцию тяжелых металлов// Геоэкология. 2007. №6

15. Галицкая И.В., Путилина B.C., Юганова Т.И. Роль органического вещества в миграции тяжелых металлов на участках складирования твердых бытовых отходов// Геоэкология. 2005. №5

16. Гальперин A.M., Дьячков Ю.Н. Гидромеханизированные природоохранные технологии. М.: Недра, 1989.

17. Гальперин A.M., Зайцев B.C. Внедрение природоохранных технологий формирования и последующего использования намывных массивов//Горный журнал. 2007. №7. С.87-94.

18. Гальперин A.M., Тищенко Т.В., Жилин С.Н. Технологии экологически безопасного освоения намывных техногенных массивов на горных предприятиях// Геоэкология. 2005. №2

19. Гальперин A.M., Ферстер В., Шеф Х.-Ю. Техногенные массивы и охрана окружающей среды: учебник для вузов. Изд. 2-е, стер. М.: Изд-во МГГУ, 2001. 534 с.

20. Гидравлическое складирование хвостов обогащения: Справочник. /В.И.Кибирев и др. М.:Недра, 1991

21. Гольдберг В.М., Скворцов Н.П., Кузьменко П.К. Проницаемость и фильтрация в глинах. М.: Недра, 1986. 160 с.

22. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин: учебное пособие. М.: Изд-во АСВ, 2001. 384 с.

23. Гончаров С.А. Перемещение и складирование горной массы: учебник. Изд. 2-е, стереотип. М.: Издательство МГГУ, 2000. 285с.

24. ГОСТ 12.1.007-76. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности. М.: Госстандарт, 1977.

25. ГОСТ 12071-2000. Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов. Взамен ГОСТ 12071-84 - введ. 2001-07-01. М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов, 2001. 12с.

26. ГОСТ 12536-79. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава. Взамен ГОСТ 12536-67; введ. 1980-07-01. М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов, 1980. 19с

27. ГОСТ 20522-96. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. Взамен ГОСТ 20522-75; введ. 1997-01-01. М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов, 1997. 14 с

28. ГОСТ 24143-80. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик набухания и усадки. введ. 1980-01-01. М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов, 1987. 20с.

29. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. Текст. введ. 1996-07-01. М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов, 1996 г. 24 с

30. ГОСТ 25584-90. Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации. введ. 1990-09-01. М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов, 1990. 17 с

31. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. Взамен ГОСТ 5180-75, ГОСТ 5181-78, ГОСТ 5182-78, ГОСТ 5183-77- введ. 1985-07-01. И.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов, 1985, 20с.

32. Губайдуллин М.Г. Геожэкологические условия освоения минерально-сырьевых ресурсов Европейского Севера России. Архангельск: Изд-во ПГУ, 202. 310с.

33. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. Л.: Стройиздат, 1988. 415 с.

34. Жуков Р.В. Автоклавные строительные материалы с использованием попутно-добываемых пород Архангельской алмазоносной провинции: Авто-реф дис. канд. техн. наук. 05.23.05 Белгород, 2007. 23с.

35. Заручевных И.Ю., Невзоров А.Л. Механика грунтов в таблицах и схемах: Уч. пособие. СПб.: "Недра", 2006. 112с.

36. Злочевская Р.И., Королев В.А. Электроповерхностные явления в глинистых породах. М.: Изд-во МГУ, 1988. 177 с.

37. Зонтаг Г., Штренге К. Коагуляция и устойчивость дисперсных систем. Л.: Химия. 1973. 151с.

38. Инженерно-геологическое и геомеханическое обеспечение формирования отвальных насыпей на намывных основаниях./А.М.Гальперин и др. //Геоэкология. 2007. №5

39. Инструкция по определению экономической эффективности использования в строительстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. СН 509-78. М.: Стройиздат, 1988. 65 с.

40. Инструкция по проектированию и строительству ограждающих дамб хво-стохранилищ с использованием вскрышных пород. РСН 319-91. Киев.: НИ-ИСП Госстроя УССР, 1981.

41. Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для твердых бытовых отходов. M.: АКХ им.Памфилова, 1983. 19с.

42. Калишевский В.Н. Возведение противофильтрационных конструкций и ограждающих сооружений хвостохранилищ. //Горный журнал. 1990. №2

43. Калишевский В.Н. Эффективность совместного складирования отходов обогащения и вскрышных пород. //Горный журнал. 1981. №2

44. Калягин И.А., Климентов М.Н. Погорелов Ю.С. Противофильтрационные экраны для локализации промышленных отходов//Горный журнал. 2002. №8. С.72-74.

45. Карпенко Ф.С. Влияние сапонита на устойчивость гидротехнических сооружений хвостохранилищ на месторождении им. М.В. Ломоносова Архангельской области. //Геоэкология. 2008. № 3. С.269-271.

46. Карпенко Ф.С. Условия накопления сапонитсодержащих осадков и технология их сгущения в хвостохранилище месторождения алмазов: Автореф. дис. канд. геол.-мин. наук. 25.00.08. Москва, 2009. 38с

47. Кирнарский A.C., Красуля A.C., Пилов П.И. Технология сгущения хвостовой пульпы на Полтавском ГОКе// Горный журнал. 2008. №6

48. Климат Архангельска/ под ред. Ц.А. Швер, A.C. Егоровой. Л.: Гидрометеоиз-дат, 1982. 208 с.

49. Ковтун М.Н. Мелкозернистые бетоны с использованием отходов алмазообо-гащения: Автореф. дис. канд. техн. наук. 05.23.05 Белгород, 2007. 22с.

50. Коршунов A.A., Невзоров А.Л Перспективы и направления утилизации отходов обогащения кимберлитовых руд на месторождении им. М.В. Ломоносова// Проблемы региональной экологии. 2009. № 2. С. 213-216.

51. Коршунов A.A., Невзоров А.Л. Исследование глинистой суспензии в седиментационно-фильтрационном приборе ^Теоретические основы строительства:сб. тр. XVII польско-российско-словацкого семинара. Варшава, Вроцлав: Изд-во Zilina, 2008. Том I, И. С.292-297.

52. Кудрявцева Г.П. Изучение минерального состава и свойств отходов обогатительной фабрики: отчет о НИР. М.: Изд-во МГУ Геологический факультет, 1991. 45 с.

53. Кутепов Ю.И., Кутепова H.A. Техногенез намывных отложений //Геоэкология. 2003. №5

54. Кутинов Ю.Г., Чистова З.Б. Иерархический ряд проявлений щелочно-ультраосновного магматизма Архангельской алмазоносной провинции. Их отражение в геолого-геофизических материалах. Архангельск: ОАО "ИПП " Правда Севера", 2004. 285с.

55. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований: уч. пособ. для вузов. Изд. 2-е, перераб.и доп. Л.: Недра, 1990.328с.

56. Лютенко А.О. Дорожные грунтобетоны на основе вскрышных пород Архангельской алмазоносной провинции: Автореферат дис. канд. техн. наук: 05.23.05 Белгород, 2007 23с.

57. Малов А.И. Оценка фонового состояния и антропогенного загрязнения тяжелыми металлами почв и донных отложений юго-восточного Беломорья// Геоэкология, 2000, №1 С.144-149

58. Мельникова Т.Н., Ятлукова Н.Г Экериментальные исследования нового реагента для осетления оборотных вод в условиях россыпной золотодобычи// Горный журнал. 2006. №8. С.90.

59. Методические рекомендации по строительству противофильтрационных конструкций хвостохранилищ из глинистых грунтов без механического уплотнения /НИИСП Госстроя УССР. Киев, 1988.

60. Невзоров А.Л. Зависимости набухания глинистых грунтов от влажности // Инженерная геология. 1989. № 5. С.15-20. .

61. Невзоров А.Л. Определение капиллярных сил в набухающих почвах // Почвоведение. 1988. № 5. С. 137-140.

62. Невзоров А.Л., Коршунов A.A. Исследование свойств хвостовых отложений, образующихся при разработке месторождения алмазов им. М.В.Ломоносова, как источника техногенной нагрузки на окружающую среду // ИВУЗ Лесн. журн. 2007. №4. С. 140-144.

63. Недрига В.П. Инженерная защита подземных вод от загрязнения промышленными стоками. М.: Стройиздат, 1976. 95 с.

64. Овчаренко Ф.Д., Тарасевич Ю.И. Адсорбция глинистых грунтов Киев: Наук, думка, 1975 351с.

65. Осипов В.И. , Чистяков A.A., Касаткин Ф.Г. Принципы размещения и экологической безопасности хвостохранилища Поморского ГОКа // Геоэкология. 1994. №1. С 28 43.

66. Осипов В.И. Экологические проблемы разработки алмазов месторождения им. М.В. Ломоносова // Материалы международной конференции "Экология северных территорий России.". Архангельск. ИЭПСУрО РАН, 2002. Т. 1. С. 32 42.

67. Официальный сайт ОАО «Севералмаз». URL: http://www.severalmaz.ru/ about, htm (дата обращения: 12.11.2005)

68. Охотин В.В. Грунтоведение. СПб: Охотинское общество грунтоведов, 2008. 231 с.

69. Пат. на изобрет. 2206534 Российская Федерация, МПК G 01N15/08. Способ переработки отходов алмазодобывающей промышленности : Безборо-дов С.М., Вержак В.В., Гаранин В.К. и др. (RU); патентообладатель ГОУ ВПО АГТУ; приоритет 02.10.2006; заявка №2006134841

70. Пат. на полезн. модель 64372 Российская Федерация, МПК G 01N15/08. Седиментационно-фильтрационный прибор/ Невзоров А.Л., Коршунов A.A. (RU); патентообладатель ГОУ ВПО АГТУ; приоритет 02.10.2006; заявка №2006134841

71. ПБ 06-123-96. Правила безопасности при эксплуатации хвостовых, шламовых и гидроотвальных хозяйств. М.: Стройиздат, 1997

72. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83)./ НИИОСП им. Герсеванова Госстроя СССР. М.: 1986, 415 с.

73. Пособие по проектированию полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов: Основные положения по проектированию (к СНиП 2.01.28-85). М.:Стройиздат, 1990.

74. Правила безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов/ Постановление Федерального горного и промышленного надзора России от 28.01.2002 N 6.

75. Предельное количество токсичных промышленных отходов, допускаемое для складирования в накопителях (на полигонах) твердых бытовых отходов (нормативный документ)./Минздрав СССР М., 1985

76. Предельное количество токсичных соединений в промышленных отходах в накопителях, расположенных вне территории предприятия (организации)./ Минздрав СССР М., 1985

77. Рабочий проект эксплуатации хвостового хозяйства с оборотным водоснабжением на 2007-2008 г.г. Вторая очередь ограждающей дамбы/ ЗАО «МЕХА-НОБР ИНЖИНИРИНГ». 2007.

78. Расчет устойчивости ограждающей дамбы хвостохранилища/ А.А.Коршунов и др.// Теоретические основы строительства, сб. тр. XVII польско-российско-словацкого семинара. Варшава, Вроцлав: Изд-во Zilina, 2008. Т. I, II. С.284-291.

79. Рациональная технология складирования хвостов в Заполярье. /М.Н.Захаров и др. //Горный журнал. 1987. №1

80. РД 34 15.009-88. Инструкция по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве. М., 1989.

81. РД 34 15.073-91. Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве. Л., 1991.

82. Розанов H.H. Плотины из грунтовых материалов. М.: Стройиздат, 1983. 296 с.

83. Руководство пользователя PlaxFlow СПб: Изд-во "НИП- Информатика", 2008. 180 с.

84. Руководство пользователя Plaxis СПб: Изд-во "НИП- Информатика", 2008. 416 с.

85. СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений./ Госстрой СССР М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. 48 с.

86. СанПин 3209-85. Предельное количество накопления токсичных промышле-ных отходов на территории предприятия (организации)./Минздрав СССР М., 1985.

87. СанПин 42-128-443387. Санитарные нормы допустимых концентраций химических веществ в почве./Минздрав СССР М., 1988.

88. Сергеев Е.М., Голодковская Г.А., Зиангиров P.C. Грунтоведение /под общ. ред. чл.-корр. АН СССР Е.М.Сергеева. М.: Изд-во МГУ, 1973. 388 с.

89. Слепцов О.И., Борисов C.B., Васильева Л.П. Перспективы использования отходов алмазодобывающей промышленности в производстве сварочных электродов // Наука производству, 2004. № 9. С. 65-67.

90. СНиП 2.01.28-85. Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Основные положения по проектированию. М.: Стройиздат, 1985, 76с.

91. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1985. 41 с.

92. СНиП 2.06.04-82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)/ Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1984. 76 с.

93. СНиП 2.06.05-84*. Плотины из грунтовых материалов./ Госстрой СССР М.: АПП ЦИТП, 1991.

94. СНиП 3.02.01-87. Земляные сооружения, основания и фундаменты. М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1988.

95. СНиП 33-01-2003 Гидротехнические сооружения. Основные положения. / Госстрой России. М.: Стройтрудобезопасность, 2001

96. СНиП 33-01-2003 Гидротехнические сооружения. Основные положения. / Госстрой России. М.: Стройтрудобезопасность, 2001. 25с

97. СП 2.1.5,1059-01 Гигиенические требования к охране подземных вод от за-грязнения./Минздрав РФ М., 2002

98. СП 2.1.7.1038-01 Гигиенические требования к устройству и содержанию полигонов для твердых бытовых отходов./ Минздрав РФ М., 2001

99. СП 2.1.7.1322-03 Гигиенические требования к размещению и обезвреживанию отходов производства и потребления./Минздрав РФ. М., 2003

100. Харионовский А. А. Методические и технологические основы экологически эффективной очистки шахтных вод от техногенных загрязнений. Дисс. на соиск. уч. ст. д-р техн. наук. Защищена 12.09.2003; /Пермский государственный университет. - Пермь, 2003. -48 с.

101. Цытович H.A. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1983. 288 с.

102. Чаповский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов. М.: Недра, 1975. 304 с.

103. Шпилевая Д.В. Геологическое строение, минеральный состав и эколого-экономические аспекты освоения трубки Архангельская (месторождение алмазов им. М.В. Ломоносова: Автореф. дис.канд. геол.-мин. наук: 25.00.11 Москва, 2008. 22 с.

104. Щелочные ультраосновные породы Беломорья и перспективы их промышленного использования./В.В.Вержак и др. В кн.: Сырьевая база неметаллических полезных ископаемых и современное состояние научных исследований в России. М.: Изд-во ГЕОС, 2003. С. 16-18.

105. Юдахин Ф.Н., Губайдуллин М.Г., Коробов В.Б. Экологические проблемы при освоении минерально-сырьевых ресурсов Архангельской области// Геоэкология. 2004. №3

106. C.Simota, T.Mayr Predicting the Soil Retention Curve from Readily-Available Data Obtained during Soil Surveys. International Agrophysics year: 1996, vol: 10, number: 3, pages: 185-188

107. M. Th. Van Genuchten A Closed Form for Predicting the Hydraulic Conductivity of Unsatured Soils. URL: http://www.ars.usda.gov/ SP2UserFiles/Place/53102000/ pdfpubs/P0682.pdf (дата обращения: 04.02.2009)