Система улавливания стоков из хвостохранилищ на вечномерзлых грунтах

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для повышения устойчивости дамб, в том числе существующих и реконструируемых хвостохранилищ-накопителей в районах с вечномерзлыми грунтами (ВГ). Система улавливания стоков из хранилищ на (ВГ), включающая фильтрующую дамбу и трубчатый дренаж, снабжена дренажно-пригрузочной призмой (ДПП), расположенной в нижней части дамбы со стороны ее низовой грани под водонепроницаемым экраном (ВЭ), размещенным на (ДПП), и зубом. Зуб выполнен из водопроницаемого материала и расположен под ДПП и соединен верхней частью с ВЭ, а нижней частью - с зоной вечной мерзлоты. Система имеет также пруд-накопитель, расположенный от зуба на расстоянии не менее удвоенной мощности многолетнемерзлых пород и выполненный с дном из слоев водонепроницаемого материала с расположенными между ними слоями теплоизоляции, при этом зуб выполнен из материала, обеспечивающего расход фильтрационного потока из хвостохранилища, не превышающий естественный. Изобретение обеспечивает полное предотвращение выхода депрессионной кривой на сухой откос дамб хвостохранилищ и значительное снижение гидростатических и гидродинамических давлений, возникающих в системе основание-дамба, а также повышение устойчивости и безаварийности работы дамбы. 1 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для повышения устойчивости дамб, в том числе существующих и реконструируемых хвостохранилищ-накопителей в районах с вечномерзлыми грунтами.

Известна система перехвата фильтрующейся воды, заключающаяся в создании на откосе и в основании земляной дамбы экрана и зуба из водонепроницаемого материала (Р.Р.Чугаев. Гидротехнические сооружения. Часть 1. Глухие плотины. - М.: Агропромиздат, 1985, стр. 86).

Ограниченность данного устройства заключается в том, что при его реализации на существующих хвостохранилищах с выходом депрессионной кривой на сухой откос дамбы возникает угроза дальнейшего подъема депрессионной кривой с соответствующим повышением гидростатического и гидродинамических давлений фильтрационного потока. При этом также происходит деградация вечномерзлых грунтов основания дамбы с возможной потерей ее устойчивости.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является дренажная система дамб хвостохранилищ, содержащая фильтрующую дамбу, трубчатый дренаж с электродами, расположенными в теле дамбы (патент 1604903, Е 02 В 7/06).

В качестве недостатков известного устройства можно перечислить следующие: - возможные термопросадочные деформации грунтов основания дамбы вплоть до их выпора ввиду оттаивания мерзлоты; - сложность реализации устройства в условиях горного производства, когда внедрение электродов в тело существующей фильтрующей дамбы сопряжено со значительными трудностями и затратами; - низкая эксплуатационная надежность, а также сложность замены вышедших из строя электродов; - невозможность полного улавливания фильтрующегося потока; - возможная потеря устойчивости дамбы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение устойчивости и надежности работы дамб хвостохранилищ, увеличение сбора вредных стоков для повторной аккумуляции в хвостохранилище и дополнительной очистки при повторной фильтрации.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в системе улавливания токсичных стоков из хвостохранилищ на вечномерзлых грунтах, включающем фильтрующую дамбу и трубчатый дренаж, дополнительно содержится дренажно-пригрузочная призма, расположенная в нижней части дамбы со стороны ее низовой грани, водонепроницаемый экран, размещенный на дренажно-пригрузочной призме, зуб из водопроницаемого материала, расположенный под дренажно-пригрузочной призмой и соединенный верхней частью с водонепроницаемым экраном, а нижней частью с зоной вечной мерзлоты, пруд-накопитель, расположенный от зуба на расстоянии не менее удвоенной мощности многолетнемерзлых пород и выполненный с дном из слоев водонепроницаемого материала с расположенными между ними слоями теплоизоляции. Система заключается также в том, что зуб выполнен из материала, обеспечивающего расход фильтрационного потока из хвостохранилища, не превышающий естественного.

Заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что в качестве элементов, позволяющих исключить термопросадочные деформации основания дамбы и потерю ее устойчивости, а также обеспечить полноту сбора вредных стоков из хвостохранилища, используют: - устройство зуба из материала, обеспечивающего расход фильтрационного потока из хвостохранилища, не превышающий естественного, соединенного в верхней части с экраном из водонепроницаемого материала, а в нижней с кровлей вечномерзлых грунтов; - устройство дренажно-пригрузочной призмы из крупнообломочного грунта с расположенной в ней дренажной трубой и закрытой с двух сторон экраном из водонепроницаемого материала; - устройство пруда-накопителя, расположенного от зуба на расстоянии, равном не менее удвоенной мощности вечномерзлых пород.

Систему улавливания стоков из существующих хвостохранилищ на вечномерзлых грунтах можно объяснить следующим образом.

Известно, что в устройстве по прототипу частично решаются следующие задачи: - повышение устойчивости дамбы;
- интенсификация очистки воды в хвостохранилище за счет повышения фильтрации ее через дамбу при помощи электродов с постоянным током;
- сбор профильтровавшейся воды с помощью перфорированных дренажных труб.

Для решения первой задачи необходимо либо полностью исключить фильтрацию воды в основание дамбы, либо предусмотреть мероприятия, направленные на предотвращение возможного выпора грунтов основания вследствие резкого уменьшения их несущей способности из-за возникшего фильтрационного потока.

В устройстве по прототипу полное исключение фильтрационного потока в основание дамбы возможно только при наличии там водоупора, что значительно сужает область применения этого способа, тем более что не предусмотрено никаких мероприятий на повышение несущей способности грунтов основания дамбы, например пригрузочных призм, контрбанкетов и т.д.

Решение второй задачи - интенсификация очистки вод хвостохранилищ является чрезвычайно сложным вопросом. Это связано с тем, что воды, аккумулируемые в хвостохранилище, имеют многокомпонентный состав, например вольфрам, тантал, тяжелые металлы, нефтепродукты и другие вредные вещества. Для улавливания каждого компонента необходимо в теле дамбы создавать отдельные слои с определенной фильтрующей способностью, но вследствие возможного кольматирования этих слоев способность дамбы к очистке вод с течением времени будет уменьшаться, так как возникнут затруднения с инициированием фильтрационного потока с помощью разнополярных электродов.

Для решения третьей задачи по прототипу - сбор профильтровавшейся воды необходимо обеспечить полноту сбора при достаточном уровне надежности рассматриваемой системы. Применяемые для этого перфорированные трубы с вставленными внутрь отрицательными электродами обладают недостаточной надежностью вследствие невозможности замены труб при ухудшении их эксплуатационных показателей и выхода из строя, например из-за коррозии, а также отсутствием резервной системы, позволяющей перехватывать фильтрующиеся воды хвостохранилища в случае перебоев со снабжением электроэнергией.

По предлагаемому изобретению применение зуба из водопроницаемого материала и размерами, определяемыми положением границы вечномерзлых грунтов, и водонепроницаемого экрана, закрывающего дренажно-пригрузочную призму, а также пруда-накопителя, расположенного от зуба на расстоянии не менее удвоенной мощности вечномерзлых пород, позволяет устранить указанные недостатки по прототипу. Это объясняется тем, что применением зуба из материала с определенной фильтрационной способностью существенно снижается расход фильтрационного потока в основании дамбы, возникающего за счет подпора воды в верхнем бьефе. Тем самым снижается и его отепляющая роль на вечномерзлые грунты. В то же время проницаемый зуб предотвращает излишний подпор уровня в нижнем бьефе и выход депрессионной кривой на нижний откос дамбы с ее размывом в местах высачивания воды. Возникающий же подпор уровня до горизонта заложения дренажной трубы обеспечивает ее работу и сбор вод фильтрационного потока.

Подбор материала зуба осуществляется по результатам фильтрационного расчета дамбы с таким условием, чтобы расход потока в основании дамбы не превышал естественный. Для создания зуба может использоваться местный грунт с добавлением тонких фракций песка, супеси или суглинка.

На фиг. 1 показаны хвостохранилище 1 дамба хвостохранилища 2, депресиионаная кривая 3, трубопровод оборотной воды 4, насос 5, дренажно-пригрузочная призма 6, дренажная труба 7, экран из водонепроницаемого матерала 8, зуб 9, насос пруда-накопителя 10, пруд-накопитель 11, дамба пруда-накопителя из водонепроницаемого материала 12, граница многолетнемерзлых пород (ММП) 13.

Реализация системы улавливания стоков из хвостохранилищ на вечномерзлых грунтах осуществляется в следующей последовательности:
- в нижней части дамбы 2 со стороны низовой ее грани отрывают траншею под зуб 9 на всю длину дамбы и глубиной, равной глубине положения вечномерзлых пород 13, при этом расстояние от низовой грани до края траншеи определяется шириной дренажно-пригрузочной призмы 6;
- траншея заполняется грунтовым материалом с заранее подобранными фильтрационными свойствами
- у подошвы дамбы устанавливают дренажную трубу 7 с выводом к насосу;
- производят отсыпку дренажно-пригрузочной призмы 6 из крупнообломочного материала;
- устраивают сбоку и сверху дренажно-пригрузочной призмы экран 8 из водонепроницаемого материала;
- на призме 6 устанавливают насос 5 с трубопроводом оборотной воды 4;
- от зуба 9 на расстоянии, равном не менее удвоенной мощности многолетнемерзлых пород, устанавливается пруд-накопитель 11 с насосом 10 и дамбой из водонепроницаемого материала 12, заглубленной до границы многолетнемерзлых пород 13;
- основание пруда-накопителя 14 выполняют из слоев водонепроницаемого материала с расположенными между ними не менее двух слоев теплоизоляции.

Работа предлагаемой системы улавливания стоков из хвостохранилищ на вечномерзлых грунтах заключается с следующем:
- при устройстве дренажно-пригрузочной призмы 6, защищенный сбоку и сверху экраном из водонепроницаемого материала 8, происходит сбор части фильтрационного потока, возникающего вследствие выхода депрессионной кривой 3 на сухой откос дамбы 2. Собранная в дренажно-пригрузочной призме 6 вода с токсичными веществами при помощи трубы 7, насоса 5 и трубопровода оборотной воды 4 подается обратно в хвостохранилнще 1 для повторной аккумуляции;
- другая часть фильтрационного потока, возникшего в основании дамбы хвостохранилища 2 и являющегося надмерзлотным, пропускается через зуб 9 из грунтового водопроницаемого материала. При этом коэффициент фильтрации материала должен обеспечивать выполнение следующего условия: расход надмерзлотного фильтрационного потока из хвостохранилища не должен превышать расхода естественного фильтрационного потока до постройки хвостохранилища при существующих уклонах долины. Таким образом, предотвращается негативное воздействие возникшего в основании дамбы фильтрационного потока на многолетне-мерзлые породы.

- для сбора стоков, прошедших через зуб, служит пруд-накопитель 11 с основанием из слоев водонепроницаемого материала с расположенным между ними слоем теплоизоляции и дамб 12.

Для предотвращения теплового влияния фильтрующегося через зуб потока на кровлю многолетнемерзлых пород длина его пути фильтрации не должна превышать удвоенной их мощности, а для пруда-накопителя 11 исключается как фильтрация собранной воды, так и ее тепловое воздействие на нижележащие породы. Вода с токсичными веществами из пруда-накопителя 11 с помощью насоса 10 подается обратно в хвостохранилище.

Преимуществами описываемой системы являются:
- полное предотвращение выхода депрессионной кривой на сухой откос дамб существующих и реконструируемых хвостохранилищ;
- значительное снижение гидростатических и гидродинамических давлений, возникающих в системе основание-дамба;
- повышение устойчивости дамбы и безаварийности ее работы;
- организация полного сбора и транспорта вод фильтрационного потока в теле дамбы;
- повышение надежности работы хвостохранилища за счет двойной системы эффективного улавливания токсичных стоков и повторной их аккумуляции;
- улучшение работы обогатительных фабрик за счет более стабильного оборотного водоснабжения;
- предотвращение деградации многолетнемерзлых пород со всеми вытекающими последствиями за счет исключения теплового воздействия фильтрационного потока;
- резкое улучшение экологической обстановки территорий, занятых обогатительными фабриками.

Формула изобретения

Система улавливания стоков из хвостохранилищ на вечномерзлых грунтах, включающая фильтрующую дамбу и трубчатый дренаж, отличающаяся тем, что она снабжена дренажно-пригрузочной призмой, расположенной в нижней части дамбы со стороны ее низовой грани, водонепроницаемым экраном, размещенным на дренажно-пригрузочной призме, зубом из водопроницаемого материала, расположенным под дренажно-пригрузочной призмой и соединенным верхней частью с водонепроницаемым экраном, а нижней частью - с зоной вечной мерзлоты, прудом-накопителем, расположенным на расстоянии от зуба не менее удвоенной мощности вечномерзлых пород и выполненным с дном из слоев водонепроницаемого материала с расположенными между ними слоями теплоизоляции, при этом зуб выполнен из материала, обеспечивающего расход фильтрационного потока из хвостохранилища, не превышающий естественный.

РИСУНКИ

Рисунок 1