способ экологически безопасного отвалообразования

Формула изобретения

Способ экологически безопасного отвалообразования, включающий сооружение дамбы обвалования из вскрышных пород и водоупорного экрана из суглинков, складирование отходов и различных типов горной массы внутри этой дамбы, отсыпку пород ярусами с образованием откосов и берм ярусов, отличающийся тем, что сооружение дамбы обвалования производят на каждом ярусе по конечному его контуру, поверх водоупорного экрана отсыпают слой цеолитов для нейтрализации ядовитых газов, насыщенную рассолами породу складируют внутри сформировавшейся чаши в направлении от периферии яруса к его центру, по мере заполнения яруса рассолонасыщенными породами их сверху покрывают слоем цеолитов, затем приступают к формированию верхнего яруса в такой же последовательности, после завершения отсыпки всех ярусов геометрии профилей откосов придают изменчивую крутизну для засыпки сапропелем, а конфигурацию отвала формируют эллипсоидальной формы, ориентированной по розе ветров.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к горной промышленности и создано применительно к экологически безопасному складированию и содержанию насыщенных агрессивными рассолами породных отвалов при разработке глубокозалегающих кимберлитовых трубок в условиях криолитозоны Севера.

Уровень техники

Известен способ формирования отвала, включающий отсыпку пород ярусами с образованием откосов и берм ярусов (Томаков П.И., Коваленко B.C., Михайлов А.М., Калашников А.Т. Экология и охрана природы при открытых горных работах. - М.: Изд. МГГУ. - 1994, 418 с. - с.144-155).

Недостатком данного способа является не обеспечение отсортированности различных типов горной массы в процессе поярусной отсыпки отвала.

Известен также способ отвалообразования, включающий отсыпку пионерных насыпей, формирование между ними пространства для складирования различных типов горной массы и последующее создание по периметру и поверхности отвала антифильтрационного слоя (Авторское свидетельство СССР №1180502, кл. E21С 41/00. Способ твалообразования, 1980).

Однако данному способу присущи ограниченная область применения, поскольку способ не решает проблему безопасного складирования насыщенных агрессивными рассолами горных пород, т.к. стекающие с горных пород рассолы и выделяющиеся из них ядовитые газы попадают в окружающую природную среду, загрязняя ее. Кроме того, при таком способе формирования отвала его конструктивные элементы и конфигурация не допускают в полном объеме производить рекультивацию откосов по фактору ветровой эрозии.

Наиболее близким к изобретению является способ отвалообразования, включающий сооружение дамбы обвалования из вскрышных пород, водоупорный экран из суглинков и складирование отходов внутри этой дамбы (Ялтанец И.М. Проектирование гидромеханизации открытых горных работ: Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Изд. МГГУ, 1994. - с.366-381).

Недостатком способа является низкая экологичность ввиду наличия вредных выделений ядовитых газов из насыщенных рассолами горных пород в окружающую природную среду, т.е. отвал становится постоянным загрязнителем воздушного, водного бассейнов и растительного покрова земной поверхности.

Сущность изобретения

Целью изобретения является повышение эффективности безопасного складирования и содержания насыщенных агрессивными рассолами породных отвалов.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу экологически безопасного отвалообразования, включающего сооружение дамбы обвалования из вскрышных пород и водоупорного экрана из суглинков, складирование отходов и различных типов горной массы внутри этой дамбы, отсыпку пород ярусами с образованием откосов и берм ярусов, отличающемуся тем, что сооружение дамбы обвалования производят на каждом ярусе по конечному его контуру, поверх водоупорного экрана отсыпают слой цеолитов для нейтрализации ядовитых газов, насыщенную рассолами породу складируют внутри сформировавшейся чаши в направлении от периферии яруса к его центру, по мере заполнения яруса рассолонасыщенными породами их сверху покрывают слоем цеолитов, после чего приступают к формированию верхнего яруса в такой же последовательности, после заполнения всех ярусов откосы отвала отсыпают сапропелем, при этом геометрию отвала в плане формируют эллипсоидальной формы, ориентированной по розе ветров.

В предлагаемом способе новыми признаками в сравнении с прототипом являются:

- формирование отвала чашеобразными ярусами, для чего вначале отсыпают дамбу обвалования по контуру яруса нерассолосодержащими породами, а затем заполняют внутреннее пространство рассолонасыщенными породами;

- для нейтрализации ядовитых газов, выделяющихся из рассолонасыщенных пород, их засыпают слоем цеолитов, после чего приступают к формированию верхнего яруса отвала;

- использование цеолитов в конструкции дамбы обвалования в качестве защитного экрана;

- формирование эллипсоидальной формы отвала, ориентированной по розе ветров, с отсыпкой его откосов сапропелем.

Указанные новые признаки исключают недостатки существующих способов отвалообразования при отработке глубоких кимберлитовых карьеров и обеспечивают следующие усиленные положительные свойства:

- формирование чашеобразной формы ярусов отвала и складирование в них агрессивных рассолонасыщенных пород, выделяющих вредные ядовитые газы, радиоактивные аэрозоли, токсичные вещества, обеспечивает защиту внешней природной среды от загрязнения;

- покрытие рассолонасыщенных пород в чаше слоем цеолита позволяет нейтрализовать выделяющиеся от рассолов вредные выбросы, формируя таким образом своеобразный поярусный могильник для вредных отходов горного производства;

- использование в конструкции дамб обвалования в качестве защитного экрана отсыпанного слоя цеолитов также нейтрализует вредные выбросы при возможном просачивании их через тело дамбы;

- формирование эллипсоидальной формы отвала и ориентация его по направлению преобладающих ветров, а также отсыпка его откосов сапропелем позволяют до минимума сократить влияние ветровой эрозии на разрушение отвала и создать лучшие условия рекультивации.

Весь комплекс новых признаков, в целом, полностью гарантирует создание отвала нового типа «Экологически безопасный отвал».

Способ поясняется чертежами. На фиг.1 изображена схема отсыпки первого яруса отвала; на фиг.2 - разрез А-А; на фиг.3 - схема формирования второго яруса отвала; на фиг.4 - поперечный разрез отвала в окончательном виде; на фиг.5 - план отвала, ориентированный по розе ветров.

Способ осуществляется следующим образом.

Формирование отвала начинают с отсыпки дамбы обвалования 1 (фиг.1) первого яруса из пустых нерассолонасыщенных пород, создания защитного экрана из слоя суглинков 2, слоя цеолитов 3 (фиг.2) и покрытия наружного откоса яруса отвала слоем сапропеля 4. Таким образом, созданную чашу 5 яруса отвала заполняют рассолонасыщенными породами 6 и покрывают сверху слоем цеолитов 7. Затем приступают к формированию дамбы обвалования 8 второго яруса отвала с сохранением бермы яруса 9 (фиг.3), после завершения которого и создания защитного экрана из суглинков 2, цеолитов 3 и отсыпки откоса сапропеля 4 производят укладку рассолонасыщенных пород 6 в чашу второго яруса отвала.

Аналогичные операции выполняют в той же последовательности на верхних ярусах отвала, формируя отвал с захороненными в его теле вредными отходами. В окончательном виде отвал формируют в виде эллипса 10, длинная ось которого 11 ориентирована по направлению розы ветров 12, а вся поверхность отвала засыпана слоем сапропеля 4 для лучшего выполнения рекультивационных работ.

Пример конкретного выполнения способа

Техническая сущность и преимущества нового технического решения раскрыты на примере формирования многоярусного отвала при разработке глубокозалегающих кимберлитовых трубок в условиях существования агрессивных сероводородных рассолов в горных породах, выделяющих токсичные вещества, ядовитые газы и т.д.

Приняты следующие исходные данные для расчетов:

Таблица 1
№	Параметр:	Значение:
1.	Высота отвала, м	60
2.	Высота яруса отвала, м	20
3.	Ширина бермы яруса, м	6
4.	Угол откоса яруса отвала, °	28
5.	Тип вмещающих пород	известняки
6.	Крепость пород по шкале проф. Протодьяконова	6÷8
7.	Насыщенность кимберлитовмещающих пород рассолами, %	15
8.	Плотность рассолов, т/м3	1,2
9.	Емкость отвала, млн. м3	50
10.	В т.ч. рассолонасыщенных пород, млн. м3	30

1. Определение основных параметров отвала.

Обоснование основных параметров отвала сводится к установлению параметров дамб обвалования, контуров ярусов отвала, объемов работ по отсыпке защитных экранов откосов ярусов и т.д.

а). Количество ярусов отвала - n_я,

где Н₀ - высота отвала, м; h_я - высота яруса отвала, м.

б). Угол откоса отвала - ,

где а - длинна проекции откоса на горизонтальную плоскость, м.

a=H₀×ctg( )+2Ш_я=60×ctg(28°)+2×6=135

где - угол откоса яруса отвала, °; Ш_я - ширина бермы яруса отвала, м.

в). Длина (периметр) дамбы обвалования - L_д, м.

где V_д - объем работ по сооружению дамбы обвалования из скальных пород, млн. м ³ (V_д=20 млн. м³ ); Ш_д - ширина дамбы обвалования по верхней отметке, м (Ш_д=20 м).

г). Площадь откосов отвалов - S₀, м ²

При длине дамбы обвалования L, высоте отвала Н ₀ и угле откоса площадь откоса отвала S₀ определяется по формуле

А площадь внутренней поверхности дамбы обвалования S_в, м², для складирования вредных рассолонасыщеных пород устанавливаем по формуле боковой поверхности усеченного конуса

д). Объем поярусного складирования вредных рассолонасыщенных пород - V_pi, м³

V_pi=S_pi×h _i,

где V_pi - объем рассолонасыщеных пород, укладываемых в i-й ярус отвала, м³ ; S_pi - средняя площадь сечения i-го яруса отвала, м²; h_i - высота i-го яруса отвала, м (h_i=h _я).

Соответственно для трехъярусного отвала V _p1, V_p2, V_p3 найдется из выражений:

V_p2= ×R²×h_я ,

V_p3=V_p2 + V;

V_p1=V_p2 - V;

где V_p - весь объем вредных рассолонасыщеных пород, складируемых в отвал, м ³ (V_p=30 млн. м³ ); R - средний радиус котлована отвала для складирования вредных пород, м.

V_p2= ×20×400²=10048000=10,048 млн. м³,

V_p3=10.048+6.65=16.7 млн. м³,

V_p1=10.048-6.65=3.25 млн. м³.

2. Обоснование конструкции отвала с учетом ветровой эрозии

Главным условием при выборе конфигурации отвала выступает необходимость инженерного решения при его формировании, а именно - предусмотреть такую крутизну, которая бы обеспечивала сцепление между добавляемыми сапропелями (жидкими илами) и отсыпаемыми породами отвала (<30-35°), и предотвращала смыв удобрений атмосферными осадками. По предварительным расчетам, уже на первом году, при входе травостоя и кустарничковых растений, начнет формироваться их корневая система, которая должна способствовать упрочнению образующегося почвенно-растительного слоя и относительно быстрому ее разрастанию. Соответственно, резко уменьшается (в перспективе - до ее полной нейтрализации) степень влияния ветровой эрозии и образования пылевых облаков вокруг отвалов.

Вторым условием является высота ярусов отвалов, не превышающая 20-25 м, как это принято в расчетах, что необходимо для нейтрализации роли криогенных процессов на поверхности отвалов, создания условий предотвращения текучести грунтов и смещения их по зеркалу оттайки в теплое время года.

Третьим условием рассматривается необходимость учета ветровой эрозии, для уменьшения силы которой предлагается придание отвалу эллипсоидальной формы, развернутую по господствующей розе ветров, что уменьшает площадь «встречного экрана», его обтекаемость и, соответственно, объема поднимаемой пыли в летнее и зимнее время. В рекомендуемом новом технологическом решении с учетом изложенного откосы ярусов отвалов сформированы под углами 28°, а длинная ось эллипсоидального отвала ориентирована на северо-запад (фиг.5), откуда дуют преобладающие в течении года ветры.

3. Обоснование эффективности применения цеолитов и сапропелей в конструкции экологически безопасного отвала.

Применение цеолитов обусловлено их исключительно высокими физико-механическими и адсорбционными свойствами, что позволяет целенаправленно использовать их в качестве природных сорбентов с целью поглощения катионов тяжелых металлов, ядовитых газов и нефтепродуктов: т.к. физико-механические свойства основаны на их механической прочности пористости и проницаемости, повышенной влажности и высокой степени катионообменной емкости (от 45 до 73 мг - экв. 100 г породы);

- Химические свойства предопределяют высокую степень селективного поглощения катионов по схеме

Cs>Rb>K>NH₄>Pb>Ag>Ba.Na.Sr>Li>Cd>Ca>Mn>Zn>Cu>Fe>Co>Ni,

что направлено на создание буферной смеси в отвалообразующих породах с целью поглощения запаха сероводорода и углеводородов из обводненных и битуминизированных пород подземных водоносных комплексов, нейтрализации процессов водной миграции, химически опасных элементов в условиях современного выветривания отвалов и сорбирования их, т.к. собственно минеральный состав и химические свойства цеолитов позволяют рассматривать их как минеральную новообразованную добавку при рекультивации и озеленении отвалов, которые за счет поглощаемых биогенных элементов (Mn, Zn, Cu, Fe, Co, Mo, Ba, P, Ca) формируют благоприятную питательную среду для растений (Актуальные проблемы освоения цеолитового сырья месторождения Хонгуруу, Якутск. 2005).

Согласно известных характеристик природных цеолитов (истинная плотность 2200-2410 кг/м³; насыпная плотность 1680-1940 кг/м ³; общая пористость 19-31%; истираемость 0,4-8%; влажность 8-18,5%; адсорбция по парам воды 6,2-8,2%) и экспериментальных данных адсорбционных свойств цеолитов (например, для извлечения нефтепродуктов из водных и газовых сред) для сорбции растворенных углеводородов на контакте цеолитов и воды, содержащей 5,9 мг/л газов, необходимо всего 7 суток. Максимальная величина адсорбции цеолита в статических условиях составляет 12×10 ^-3 мг/кг. Насыщенность кимберлитовмещающих пород рассолами (на примере района г. Мирный) составляет до 15%. Плотность рассолов 1,2 т/м³. Емкость отвала (при h=60 м, h яруса=20 м; ширина бермы яруса - 6 м) до 50 млн. м ³, в т.ч. рассолонасыщеных пород - до 30 млн. м ³. Соответственно, для дегазации пород и создания буферной адсорбционной смеси, толщина цеолитового слоя должна составлять не менее 0,5-0,75 м.

Использование сапропелей (жидких илов) при отсыпке отвалов призвано создать благоприятные условия для роста растений на начальной стадии образования собственного почвенно-минерального слоя, т.к. сугубо карбонатный состав кимберлитовмещающих пород раннего палеозоя, высокая степень их обводненности за счет высокоминерализованных рассолов подземных водоносных комплексов является исключительно неблагоприятным для растительности, а относительная устойчивость (крепость) известняков и доломитов определяет длительность процессов их физико-химического разрушения, что соответствующим образом требует дополнительных факторов, способствующих образованию современных почв на отвалах.

Сапропели представляют собой органоминеральные современные отложения закрытых водоемов (озер), образовавшиеся за счет продуктов разложения, живущих в них растительных, животных организмов и привнесенной растительности, насыщены растворенными биогенными окислами и элементами (Ca, Mg, Fe, P, В и др.), широко используется в сельском хозяйстве в качестве минеральных удобрений для истощенных, почв и повышения урожайности (в т.ч. и для увеличения объема биомассы).

Добыча сапропеля (жидких илов), после соответствующей подготовки, возможна из многочисленных озер вокруг карьеров г.г. Мирный, Удачный, Айхал, вокруг месторождений Накынского и Верхне-Мунского кимберлитовых полей.

Высокая степень влажности (до текучести) сапропелевых илов определяет возможность их растекания по поверхности отвалов, заполнения межглыбового пространства и образования сплошного органо-минерального слоя мощностью до 5-10 см.

Таким образом, соблюдение предлагаемых инженерных решений позволяет:

- за счет цеолитовой добавки и создания буферной смеси обеспечиваются условия поглощения ядовитых газов, адсорбции химических опасных элементов и уменьшение роли процессов их водной миграции и рассеяния вокруг отвалов, что повышает степень их экологической устойчивости;

- за счет отсыпки сапропеля (жидких илов) создается искусственная основа органо-минерального слоя, способствующего быстрому образованию современного почвенного покрова на поверхности отвалов. Тем самым значительно сокращаются сроки и объемы затрат по многолетней рекультивации отвалов;

- ожидается «сплошное озеленение травой» поверхности отвалов уже в первый год и его полная рекультивация за 2-3 года. Экологическая значимость быстрого озеленения очевидна, усиленная сугубо психологическим фактором - ликвидацией «мертвых лунных ландшафтов»;

- дизайнерская смена высоты, числа и формы ярусов старых и новых отвалов, позволит создать оригинальный и сугубо индивидуальный вид ландшафта вокруг каждого месторождения (города). Тем самым достигается эффект экологически чистого современного градостроительства;

- возможность использования разновысотных отвалов для организации «снежных горок», трамплинов и горно-лыжных трасс в весенне-зимнее время как сезонной зоны отдыха для местного населения.

Положительный эффект видится в решении социальных, культурно-оздоровительных мероприятий за счет местных ресурсов.

4. Технико-экономические и экологические преимущества нового технического решения.

Повышение эффективности безопасного складирования, содержания насыщенных агрессивными рассолами пород на отвалах, создание благоприятных условий для роста растений (рекультивационных работ) достигается:

1. Изоляцией данных пород в теле отвала при поярусном их складировании.

2. Нейтрализацией вредных выделений агрессивных пород путем засыпки их цеолитами.

3. Приданием отвалу в плане эллипсоидальной формы, развернутой по «розе ветров», геометрии откосов ярусов наименьшие выгодные углы, которые в совокупности обеспечивают высокую сопротивляемость ветровой эрозии.

4. Покрытием откосов отвалов сапропелем (жидким илом) для образования собственного почвенно-минерального слоя для роста растений.

Порядок расчетов следующий:

а). Определение расходов сапропеля V_c на отсыпку откоса отвала толщиной h_c, м:

V_c =S₀+ h_c=442600×0.075=33200=33,2 тыс. м³

б). Расчет объема цеолитов V _ц для нейтрализации ядовитых выделений токсичных газов путем отсыпки рассолонасыщеных пород толщиной h_ц, м:

V_ц = h_ц×(S_в +4× ×R²)=0.625×(361.6+4× ×400²)=1482000=1482,0 тыс. м ³

в). Расход цеолитов, приходящийся для нейтрализации ядовитых выделений из 1 м³ рассолонасыщеных пород, - V_Ц,

г). По экспертным оценкам на существующих отвалах сокращение объема пылевых облаков в результате разрушения откосов отвалов ветровой эрозией и текучести грунтов с откосов составляет всего лишь 5÷10%. В результате внедрения нового технического решения будут практически полностью ликвидированы пылевые облака вокруг отвалов и вредные выделения газов из складируемых рассолонасыщеных пород. Будет существенно улучшена экологическая обстановка в регионах ведения горных работ.

Результаты расчетов сведены в табл.2.

Таблица 2 Ожидаемое улучшение показателей экологически безопасного отвалообразования
№№ П/П	Наименование показателей	Существующая технология	Рекомендуемая технология
1.	Увеличение площадей полностью восстановленных земель, тыс. м2	-	442,6
2.	Расход сапропеля на отсыпку откоса отвала, тыс. м 3	-	33,2
3.	Площадь внутренней боковой поверхности дамбы обвалования, тыс. м 2	-	361,6
4.	Насыщенность кимберлитовмещающих пород рассолами, %	15,0	15,0
5.	Расход цеолитов для нейтрализации вредных выделений, тыс. м 3	-	1482,0
6.	Удельный расход цеолитов, приходящийся для нейтрализации вредных выделений из 1 м3 рассолонасыщеных пород, м 3/м3	-	0,05
7.	Сокращение объема пылевых облаков вокруг отвалов, %	5÷10	95÷100
8.	Сокращение объема вредных газовых выбросов из отвалов, %	-	95÷100
9.	Улучшение экологической обстановки в регионе	-	2÷2,5