close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Инженерно-геологическое обоснование устойчивости намывных гипсонакопителей

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
КУДАШОВ ЕГОР СЕРГЕЕВИЧ
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
УСТОЙЧИВОСТИ НАМЫВНЫХ ГИПСОНАКОПИТЕЛЕЙ
Специальность 25.00.16 – Горнопромышленная
и нефтегазопромысловая геология, геофизика,
маркшейдерское дело и геометрия недр
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2015
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
Научный руководитель –
доктор технических наук, старший научный сотрудник
Кутепова Надежда Андреевна
Официальные оппоненты:
Мосейкин Владимир Васильевич
доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет
«МИСиС», кафедра геологии, заведующий кафедрой
Шпаков Петр Сергеевич
доктор технических наук, профессор, Муромский институт
(филиал) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», кафедра автоматизированного проектирования машин и технологических процессов, профессор
Ведущая организация – ОАО «Всероссийский научноисследовательский институт гидротехники имени Б.Е. Веденеева»
Защита диссертации состоится 25 июня 2015 г. в 14 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.08 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу
199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1171а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Национального минерально-сырьевого университета «Горный»
и на сайте www.spmi.ru.
Автореферат разослан 24 апреля 2015 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
СКАЧКОВА
Мария Евгеньевна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования.
При производстве фосфорной кислоты и минеральных удобрений образуется побочный продукт - фосфогипс, большая часть которого при отсутствии спроса у потребителей поступает в специальные объекты хранения. Особое место среди них занимают гипсонакопители, которые являются гидротехническими сооружениями и
представляют потенциальную опасность для окружающей среды,
так как аварии на них сопровождаются тяжелыми экологическими
последствиями, экономическим ущербом, а иногда и человеческими
жертвами. Например, экологический ущерб от гидродинамической
аварии, произошедшей в мае 2010 года на одном из накопителей Череповецкого химического завода из-за просадки ограждающей дамбы, составил более 17 млн. рублей за счет загрязнения окружающей
среды.
Гидравлическое складирование фосфогипса на предприятиях
Российской Федерации применяется на многих химических комбинатах, расположенных в г. Волхов Ленинградской области (ООО
«Метахим»), г. Череповец Вологодской области (ОАО «ФосАгроЧереповец»), г. Белореченск Краснодарского края (ООО «ЕвроХим Белореченские Минудобрения»). Гипсонакопители этих предприятий занимают значительные площади, достигающие 100 га, характеризуются высотой от 20 до 30 метров. Некоторые сооружения заполнены до проектных отметок, и встает проблема дальнейшего
складирования фосфогипса. Ее решение заключается в строительстве новых гипсонакопителей, наращивании высоты действующих
сооружений, реконструкции законсервированных объектов, разработке старых намытых карт с последующим комбинированным
складированием сухих и гидравлических фосфогипсов. Весьма актуальным сегодня является вопрос об использовании намывного фосфогипса в качестве материала для строительства ограждающих дамб
гипсонакопителей.
Сооружения промышленной гидротехники – гидроотвалы, хвостохранилища, золоотвалы – являются объектами многолетних исследований специалистов различных организаций. Разработке научно-методического обоснования безопасных технологических пара-
3
метров и управления устойчивостью намывных сооружений посвящены исследования Аксенова С.Г., Бахаевой С.П., Гальперина А.М.,
Дашко Р.Э., Демченко А.В., Жарикова В.П., Зотеева В.Г.,
Зотеева О.В., Иванова И.П., Кириченко Ю.В., Киянца А.В.,
Клейменова Р.Г., Кононенко Е.А., Кутепова Ю.И., Кутеповой Н.А.,
Могилина А.Н, Морозова М.Г., Мосейкина В.В., Норватова Ю.А.,
Нурока Г.А., Пантелеева В.Г., Протасова С.И., Середина В.В.,
Сольского С.В., Фролова А.Н., Шпакова П.С. и др.
Изучению фосфогипса, являющегося специфическим техногенным образованием, с позиции его использования в различных
сферах народного хозяйства посвящены работы: Ахметова М.А.,
Волженского А.В., Дворкина Л.И., Иваницкого В.В., Классена А.А.,
Копылева Б.А., Левина Б.В., Лычко Ю.И., Мещерякова Ю.Г.,
Миронова В.Е., Михеенкова М.А., Сироты И.С., Файзиева Х.М.,
Шарипова Р.Р., Эвенчика С.Д. и др. Исследованию инженерногеологических условий отвалов фосфогипса, отсыпаемых сухим
способом, посвящена диссертационная работа М.А. Ивочкиной.
Современный уровень изученности намывных гипсонакопителей не достаточен для разработки оптимальных проектных решений,
обеспечивающих безопасность и эффективность технологических
процессов гидравлического складирования отходов химической
промышленности. В этой связи актуальными являются исследования, направленные на получение комплексной инженерногеологический информации о строении техногенных массивов гипсонакопителей, специфике состава и свойств фосфогипса, его поведении в конструкциях ограждающих дамб, механизме развития
опасных гидродинамических процессов, способных привести к авариям при эксплуатации сооружений.
Цель работы. Разработка инженерно-геологического обоснования устойчивости намывных гипсонакопителей для определения
оптимальных конструктивных и технологических параметров, обеспечивающих безопасность и экономическую эффективность производственных процессов гидравлического складирования отходов
химической промышленности.
Идея работы. Инженерно-геологическое обоснование оптимальных параметров гипсонакопителей должно базироваться на
4
учете закономерностей формирования строения техногенных массивов, состава, состояния и свойств намывных гипсосодержащих
отложений; изучении поведения фосфогипса в конструкциях ограждающих дамб, прогнозе условий развития опасных гидрогеомеханических процессов.
Основные задачи исследований:
- изучение и оценка инженерно-геологических условий
намывных гипсонакопителей ООО «Метахим»;
- обоснование закономерностей формирования инженерногеологического строения техногенных массивов гипсонакопителей,
состава, состояния и свойств намывных гипсосодержащих отложений;
- обоснование возможности использования фосфогипса для
строительства дамб наращивания гипсонакопителей в климатических условиях северо-западных регионов России;
- разработка рекомендаций по обоснованию устойчивости гипсонакопителей с учетом организации комплекса конструктивных,
технологических и контролирующих мер по управлению режимом
техногенного водоносного горизонта и предупреждению развития
опасных гидродинамических процессов.
Методы исследований. Использовался комплексный подход к
решению проблемы, включающий анализ и обобщение результатов
ранее выполненных изысканий, лабораторные и натурные методы
исследований с применением инженерно-геологических, гидрогеологических и геодезических методов, аналитические расчеты с использованием методов предельного равновесия и компьютерное моделирование.
Научная новизна:
1. Установлены закономерности формирования физикомеханических свойств намывного фосфогипса и инженерногеологического строения техногенных массивов гипсонакопителей,
обусловленных спецификой состава отходов производства фосфорной кислоты, гидравлического способа их складирования и преобразования структуры намывных осадков под влиянием гравитационного уплотнения и осушения в откосных частях сооружения.
5
2. Теоретически и экспериментально обоснована возможность
использования фосфогипса в качестве материала для строительства
ограждающих дамб гипсонакопителей в северо-западных регионах
России при организации комплекса конструктивных, технологических и контролирующих мер, предупреждающих развитие опасных
гидрогеомеханических процессов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1.Техногенные массивы гипсонакопителей представлены однородными по вещественному составу намывными отложениями,
состояние и свойства которых в разрезе изменяются в зависимости
от степени водонасыщения. При оценке устойчивости гипсонакопителей в строении намывных массивов следует выделять два инженерно-геологических слоя, граница между которыми определяется
положением уровня техногенного водоносного горизонта.
2. В условиях северо-западных районов России фосфогипс допускается использовать в качестве материала ограждающих дамб
гипсонакопителей при соблюдении технологических правил, учитывающих его низкую водоустойчивость. Для обеспечения оптимальных плотности, прочности и исключения тиксотропного разжижения при уплотнении механизированным оборудованием его укладку
в тело дамб следует осуществлять в воздушно-сухом состоянии при
влажности не более 28%.
3. Устойчивость гипсонакопителей обеспечивается посредством применения обоснованного комплекса конструктивных, технологических и контролирующих мер по управлению режимом техногенного водоносного горизонта и предупреждению развития
опасных гидрогеомеханических процессов.
Практическая значимость работы.
1. Получена комплексная оценка инженерно-геологических
условий гипсонакопителей, обоснованы количественные характеристики физико-механических свойств техногенных отложений, которые использованы для разработки технических решений по оптимизации параметров гипсонакопителей ООО «Метахим» и могут быть
использованы для расчетов устойчивости аналогичных объектов.
2. Обоснованы оптимальные характеристики физикомеханических свойств фосфогипса, которые следует соблюдать при
6
его укладке в тело ограждающих дамб гипсонакопителей. Разработаны технологические правила формирования дамб из фосфогипса.
3. Разработаны рекомендации по предупреждению развития
опасных гидродинамических и геомеханических процессов, с учетом которых выполнено обоснование конструктивных и технологических параметров нового гипсонакопителя на ООО «Метахим».
4. Разработаны методические принципы организации мониторинга безопасности при эксплуатации намывных гипсонакопителей,
которые могут быть использованы при разработке проектов мониторинга на других подобных объектах промышленной гидротехники.
Реализация результатов работы. Полученные результаты
использовались при разработке рекомендаций по оптимизации параметров гипсонакопителей ООО «Метахим».
Апробация работы. Основное содержание диссертации докладывалось на международных научных чтениях памяти
Н.Ф. Реймерса и Ф.Р. Штильмарка (Пермь, 2012), на международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2013), на
международном форуме горняков и металлургов (Фрайберг, 2014) и
на заседаниях Научного Центра геомеханики и проблем горного
производства.
Личный вклад автора. Автор выполнил анализ научнотехнической литературы по теме диссертационных исследований,
полевые и лабораторные эксперименты, обработал и интерпретировал результаты инженерно-геологических исследований на гипсонакопителях ООО «Метахим», обосновал гидрогеомеханические
модели объектов, произвел расчеты устойчивости откосов проектируемого гипсонакопителя.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 5
публикациях, из них 3 в журналах, включенных в перечень рецензируемых научных журналов, определяемых ВАК Минобрнауки
России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (166
литературных источников), изложенных на 210 страницах машинописного текста, содержит 34 таблицы, 70 рисунков.
7
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н., с.н.с. Н.А. Кутеповой, д.т.н., проф.
Ю.И. Кутепову, к.г-м.н., доц. Г.Б. Поспехову, сотрудникам лаборатории гидрогеологии и экологии Научного Центра геомеханики и
проблем горного производства и Центра инженерных исследований
Горного университета, а также специалистам ООО «Метахим» за
помощь при проведении исследований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе выполнен анализ изученности отходов производства фосфорной кислоты, инженерно-геологических условий
сухих отвалов фосфогипса, методических принципов обоснования
устойчивости намывных сооружений; сформулированы актуальные
задачи научных исследований.
Во второй главе по материалам полевых и лабораторных исследований дана оценка инженерно-геологических условий гипсонакопителя ООО «Метахим»; сформулированы закономерности
формирования состава, состояния и свойств намывных отложений
гипсонакопителей.
В третьей главе представлено обоснование оптимальных характеристик физико-механических свойств фосфогипса при его использовании в качестве материала ограждающих дамб, выполнено
изучение фильтрационной устойчивости и размокаемости фосфогипса.
В четвертой главе разработаны рекомендации по обоснованию устойчивости гипсонакопителей при организации комплекса
конструктивных, технологических и контролирующих мер по
управлению режимом техногенного водоносного горизонта и предупреждению развития опасных гидрогеомеханических процессов.
В заключении приводятся выводы и рекомендации.
Основные результаты исследований отражены при доказательстве следующих защищаемых научных положений:
1.Техногенные массивы гипсонакопителей представлены
однородными по вещественному составу намывными отложениями, состояние и свойства которых в разрезе изменяются в
зависимости от степени водонасыщения. При оценке устойчивости гипсонакопителей в строении намывных массивов следует
8
выделять два инженерно-геологических слоя, граница между
которыми определяется положением уровня техногенного водоносного горизонта.
Объектом исследований являются гипсонакопители ООО
«Метахим» (г. Волхов) - сооружения равнинного типа с четырехсторонним обвалованием, по способу заполнения – намывные (рисунок
1). В настоящее время действующим является гипсонакопитель №2
площадью 70 га и высотой 25 м. Чаша накопителя разделена на две
секции, одна из которых находится в эксплуатации, другая – осушена и разрабатывается как карьер фосфогипса, используемого для
наращивания дамб. Выполнен проект гипсонакопителя №3 на площади 60 га высотой 19 м. В будущем планируется объединение
накопителей в единое сооружение. Предприятие в последние годы
работает на апатитовом сырье, применяя дигидратную технологию.
Исследования проводились на гипсонакопителе №2, комплекс
работ включал бурение скважин, полевые и лабораторные испытания грунтов, гидрогеологические и геодезические наблюдения. Особое внимание уделено изучению инженерно-геологического строения техногенного массива и оценке свойств намывного фосфогипса,
т.к. ранее подобных исследований объекта не проводилось. Результаты исследований позволили установить закономерности формирования инженерно-геологических условий намывных гипсонакопителей, сформулированные ниже в рамках трех этапов техногенеза.
1 этап - образование исходного материала (отходов производства). Образуемый по дигидратной технологии фосфогипс на 9395% состоит из двуводного гипса (СаS04*2Н2О) с механической
примесью 1-1,5% фосфатов (P2O5). Твердая фаза более чем на 60%
состоит из частиц размером < 0,1 мм, превалирующей является
фракция 0,01-0,05 мм; плотность твердых частиц - 2,37 г/см3. Влажность фосфогипса составляет 35  40%. Для гидравлического складирования фосфогипс смешивается с водой (минерализация > 2г/л) в
соотношении 1:4 и виде пульпы поступает в чашу накопителя.
2 этап - формирование состава осадков in situ. Изучение характера распределения исходного материала в процессе намыва
проводилось посредством определения состава проб свеженамытого
фосфогипса, отобранных в чаше накопителя на различном расстоя-
9
нии от места выпуска пульпы (рисунок 2). Состав фосфогипса изучался на электронном микроскопе, лазерном анализаторе и ареометрическим методом. Установлено, что намывной фосфогипс представлен кристаллами гипса крупностью до 100 мкм, а также прочными сростками и агрегатами (рисунок 3). Все пробы, независимо от
места отбора, характеризуются близким составом: преобладающими
(60-80%) являются частицы размером 10-100 мкм. Распределение
частиц (агрегатов) по фракциям в намывных пробах и в исходной
пульпе близко совпадает. Построение схемы фракционирования (рисунок 4) указывает на отсутствие выраженной дифференциации частиц по крупности, что предполагает относительную однородность
состава техногенных отложений в плане гипсонакопителя.
а
б
Рисунок 3 – Фото шлифов:
а – фосфогипс на выходе из цеха экстракции; б – намывной осадок
3 этап - литогенетические преобразования намывного осадка
(формирование физико-механических свойств).
Свеженамытый фосфогипс представляет собой рыхлый комковатый осадок, полностью водонасыщенный. Его плотность (  ) составляет 1,15  1,3 г/см3, коэффициент пористости (е) - 1,3  1,9;
средние значения параметров сопротивления сдвигу: сцепление (с) 26 кПа; угол внутреннего трения (  ) - 290. Влажность (W) фосфогипса на пляже намыва варьирует в диапазоне 30  71%, гигроскопическая влажность (Wg) - 11  36%. Содержание свободной воды в
свеженамытом осадке составляет до 50% от общего количества.
Дальнейшее преобразование фосфогипса обусловлено следующими факторами – дренированием массива, формированием
структурных связей и гравитационным уплотнением осадка. В от-
10
косных частях гипсонакопителя намывной фосфогипс, залегающий
выше уровня фильтрационного потока, находится в воздушно-сухом
состоянии. В результате испарения воды происходит кристаллизация гипса, обусловливая формирование жестких связей, цементирующих частицы по контактам при сохранении первоначальной рыхлой пористой структуры. Ниже уровня воды фосфогипс постоянно
находится в водонасыщенном состоянии. Минерализация технической (подгипсовой) воды в чаше накопителя превышает 5 г/л, что
больше концентрации насыщенного раствора, при которой происходит кристаллизация гипса (2 г/л). Рост новых кристаллов происходит
внутри порового пространства осадка, что обусловливает меньшую
пористость и более плотное сложение водонасыщенных фосфогипсов в сравнении с осушенными.
В процессе эксплуатации сооружения мощность намывного
массива увеличивается, что предопределяет возможность уплотнения отложений с соответствующим повышением прочности. Однако, при изучении гипсонакопителя №2 закономерной тенденции в
изменении механических свойств фосфогипса в разрезе массива не
выявлено. Плотность фосфогипса практически постоянная по глубине 1,55  1,60 г/см3, сцепление варьирует в диапазоне 10  40 кПа;
 - 210  400. При бурении скважин с гребня дамб подземные (техногенные) воды в массиве были вскрыты на глубине около 10 м.
Влажность отложений, залегающих выше уровня воды, составляла
18  24%, ниже уровня - 36  44% (рисунок 5). Водопроницаемость
фосфогипса по данным опытных наливов оценивается коэффициентом фильтрации (Кf) примерно 5 м/сут (выше уровня воды) и 0,35
м/сут (на глубине 10 м). Таким образом, основным признаком неоднородности техногенного массива является различная степень водонасыщения фосфогипса, залегающего ниже и выше уровня фильтрационного потока в ограждающих дамбах (рисунок 6).
Специальные лабораторные исследования образцов фосфогипса с различным физическим состоянием показали, что его прочностные свойства (главным образом, сцепление) зависят от влажности и
степени водонасыщения. По характеру влияния этих факторов на
величину сцепления выявлено принципиальное различие между
«сухими» образцами (высушенными на воздухе до постоянной
11
влажности 17-28%) и водонасыщенными (имеющими влажность 3245% и содержащими свободную воду). Для первых характерно
нарастание сцепления с повышением влажности, для вторых – снижение. Максимальная величина сцепления, полученная при испытании образов по схеме неконсолидированно-дренированного сдвига,
для тех и других составляла 36-38 кПа при W 28% и 32%, соответственно. Минимальное сцепление для «сухого» фосфогипса - 25 кПа
(при W<22%), а для водонасыщенного -10 кПа (при W=45%).
Для изучения характера изменения свойств фосфогипса в процессе гравитационного уплотнения выполнена серия сдвиговых испытаний образцов, предварительно уплотненных нагрузками  упл =
0,05; 0,1; 0,2 и 0,3 Мпа (рисунок 7). Опыты показали, что при нагружении «сухого» фосфогипса его влажность практически не меняется, сцепление повышается, достигая максимальной величины 30  36
кПа (при  упл=0,3 МПа). Угол внутреннего трения снижался в течение всего цикла нагружения (от 39 до 270). Нагружение водонасыщенного фосфогипса сопровождается отжатием свободной воды;
причем наиболее легко - при первых ступенях нагрузок (до 0,1МПа).
В этом диапазоне напряжений влажность снижается до 29%, а сцепление повышается до 38 кПа, достигая той максимальной величины,
которая была получена для образцов, отобранных из скважин. Дальнейшее уплотнение водонасыщенного фосфогипса нагрузками 0,2 и
0,3 МПа приводит к повышению сцепления до 50 кПа на фоне практически постоянной влажности. Угол внутреннего трения за весь
цикл нагружения снизился на 1-20. Величину сцепления с  50 кПа
фосфогипс может приобрести после полной реализации процессов
консолидации. Учитывая то, что за срок эксплуатации сооружения
(более 40 лет) мощность намывного массива достигла 25 м, а процессы консолидации не завершены, в качестве максимальной величины сцепления фосфогипса следует рассматривать с=38-40кПа.
Результаты опытов показали, что диапазон изменения сцепления двух разностей фосфогипса близко совпадает, несмотря на явное
различие их физического состояния. Учитывая, что угол внутреннего трения также различается незначительно (30-320), то всю намывную толщу можно рассматривать как «квазиоднородную», характеризуя средними значениями прочностных свойств: с=25 кПа,  =310.
12
Однако эти характеристики получены для фосфогипса с нарушенной
структурой, т.к. отобрать образцы фосфогипса при бурении затруднительно - сухие образцы растрескиваются, а водонасыщенные проявляют разжижение.
Для оценки прочности фосфогипса с ненарушенной структурой были отобраны монолиты из обнажений в недействующей, осушенной карте гипсонакопителя. В целом монолитные образцы имеют большую прочность; характерные для них параметры прочности
составляют:  =36-400, с=40-41 кПа. Структурная составляющая
сцепления оценивается величиной 10-20 кПа. Жесткие структурные
связи не устойчивы по отношению к воде; после длительного водонасыщения монолитов прочностные свойства снижаются до значений:  =23-270, С=10-15кПа. Следовательно «сухой» фосфогипс с
ненарушенной структурой обладает большей прочностью, чем водонасыщенный, за счет наличия жесткого структурного сцепления.
Таким образом, неоднородность техногенного массива, контролируемая уровнем техногенного водоносного горизонта, подтверждается различием отложений по структуре, показателям физического состояния и прочностным свойствам, что необходимо учитывать при схематизации техногенной толщи при построении расчетных схем для оценки устойчивости гипсонакопителей. На основании указанного в строении массива гипсонакопителя выделены
два элемента: ИГЭ 1а – «сухой» фосфогипс (выше уровня воды);
ИГЭ 1б – водонасыщенный фосфогипс (ниже уровня). Для оценки
устойчивости гипсонакопителя выделенные элементы охарактеризованы следующими расчетными параметрами: с=35 кПа и  =270
 =1,55 г/см3 (ИГЭ 1а); с=25 кПа и  =270  =1,60 г/см3 (ИГЭ 1б).
2. В условиях северо-западных районов России фосфогипс
допускается использовать в качестве материала ограждающих
дамб гипсонакопителей при соблюдении технологических правил, учитывающих его низкую водоустойчивость. Для обеспечения оптимальных плотности, прочности и исключения тиксотропного разжижения при уплотнении механизированным
оборудованием его укладку в тело дамб следует осуществлять в
воздушно-сухом состоянии при влажности не более 28%.
13
При проектировании гипсонакопителей весьма важным моментом является назначение оптимальных характеристик физикомеханических свойств фосфогипса при его укладке в тело дамб. В
открытой печати информация по данному вопросу опубликована для
гипсонакопителей в Средней Азии: Wопт= 18-26%, максимальная
плотность скелета ρd= 1,37–1,4 т/м3, соответствующие параметры
прочности:  =30-400, с=25-60 кПа. Исследования выполнены для
условий жаркого сухого климата, в которых проблем с осушением
фосфогипса до требуемой влажности не возникает. Для условий северо-западных районов России эти параметры требуют уточнения.
Определение оптимальных характеристик влажности и плотности фосфогипса проводилось методом стандартного уплотнения с
учетом рекомендаций ГОСТ 22733-2002. Опыты проводились в автоматическом компакторе «ELE» - устройстве для механизированного уплотнения грунта молотом, падающим с постоянной высоты.
Результаты показывают, что максимальная плотность ρd (мах), равная
для исследованного фосфогипса 1,38 г/см3, достигается при влажности 22 % (рисунок 8). Дальнейшее увеличение W до 28 % приводит к
незначительному снижению ρd, не вызывая снижения прочности
(таблица 1), однако, при W > 28% фосфогипс начинает проявлять
тиксотропные свойства.
Таблица 1 – Результаты определения оптимальных характеристик физикомеханических свойств фосфогипса
Показатели физического состояния
Прочностные параметры
3
3
W,%
с, кПа
,
г/см
,
г/см
0

d
8
1,23
1,138
39
33
11
1,27
1,144
40
20
15
1,46
1,27
38
24
19
1,59
1,33
38
25
22
1,68
1,38
36
36
28
1,74
1,36
38
37
32
1,77
1,34
37
17
34
1,79
1,34
37
15
35
1,78
1,32
37
9
38
1,76
1,28
38
12
14
Высушивание более 100 проб фосфогипса в условиях, приближенных к климатическому режиму Ленинградской области, показали, что остаточная влажность (гигроскопическая) в них составляет в среднем 23-26 %. Поэтому добиться снижения влажности
фосфогипса до 22% при больших объемах требуемого материала
трудно, а до 28 % - достижимо. Учитывая совместный характер изменения физического состояния и механических свойств фосфогипса, в качестве оптимальной характеристики Woпт следует рассматривать диапазон влажностей от 22-28% . Соответствующая ей плотность сухого грунта составляет ρd=1,36-1,38 г/см3. При оптимальных
показателях плотности-влажности прочность фосфогипса характеризуется следующими параметрами сопротивления сдвигу: с=36-37
кПа,  =36-380. По физико-механическим характеристикам фосфогипс не уступает естественным грунтовым материалам, используемым в гидротехнической практике для строительства плотин и дамб.
Ограждающие дамбы в течение длительного периода эксплуатации накопителей подвергаются внешним воздействиям со стороны
поверхностных вод (ливневых, талых) и подземных (техногенных)
фильтрационных потоков. Для изучения водоустойчивости фосфогипса проведено несколько опытов на образцах-моделях с различными структурными особенностями и физическим состоянием.
Оценка размываемости фосфогипса выполнялась в специальном приборе - суффозионном щелевом лотке по методике института
ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Длительные испытания образца с жесткой кристаллизационной структурой показали, что материал достаточно устойчив к размыву в течение 48 суток при максимальных
скоростях до 83 см/с и значениях градиентов напора до 1,5. Образцы
дезинтегрированного фосфогипса, в отличие от монолитного, размываются весьма легко. При скоростях потока 1,5-5,5 см/с и градиенте напора 0,01 образцы полностью размываются за 6 часов.
Оценка размокаемости фосфогипса проводилась в соответствии с рекомендациями РСН 51-84 в специальном приборе (ПРГ-1),
позволяющем в количественной форме оценить интенсивность деградации грунта в стоячей водной среде. Для опытов использована
пресная (водопроводная) и кислая (подгипсовая) вода. По результатам опытов установлено, что монолитный фосфогипс практически
15
не размокаем в воде любого химического состава; фосфогипс нарушенного сложения независимо от влажности и плотности быстро
размокает как в пресной, так и в кислой среде (10 мин).
Использование фосфогипса в качестве материала для строительства ограждающих дамб вместо привозного грунта позволяет
предприятиям снизить себестоимость товарной продукции. Однако,
его низкая водоустойчивость, снижает уровень безопасности гидротехнических сооружений. Поэтому применение фосфогипса допускается при организации комплекса защитных мероприятий и соблюдения технологические правил по формированию дамб.
Рекомендуемые технологические правила следующие: - для
строительства ограждающих дамб предпочтительно использовать
фосфогипс из старых осушенных карт; -перед укладкой в тело дамбы фосфогипс должен быть просушен до влажности не более 28%; просушку фосфогипса следует проводить на специально оборудованных площадках с дренирующим основанием и укрытых от дождя; - отсыпка фосфогипса в воду запрещается; - следует применять
послойную укладку и укатку фосфогипса с контролированием плотности и влажности; - оптимальная мощность слоев определяется
опытным путем на месте с учетом имеющегося механизированного
оборудования; - для укатки фосфогипса следует использовать механизмы, не создающие больших вибрационных воздействий; - все
строительные работы следует выполнять в летний сухой период.
3. Устойчивость гипсонакопителей обеспечивается посредством применения обоснованного комплекса конструктивных,
технологических и контролирующих мер по управлению режимом техногенного водоносного горизонта и предупреждению
развития опасных гидрогеомеханических процессов.
При эксплуатации гипсонакопителей риск возникновения аварий повышается ввиду вероятности развития опасных гидрогеомеханических процессов, обусловленных неудовлетворительной водоустойчивостью фосфогипса в ограждающих дамбах. К числу опасных процессов, способных вызвать нарушение устойчивости дамб
или привести к переливу воды через гребень дамбы с последующим
образованием прорана и изливом содержимого накопителя на прилегающую территорию, относятся: - оплывание фосфогипса в пре-
16
делах промежутка высачивания при выходе фильтрационных вод на
низовые откосы; - оползание низовых откосов, вызванное снижением механической прочности фосфогипса в теле дамб при подъеме
уровня депрессионной кривой или подтоплении откосов поверхностными водами со стороны нижнего бьефа; - развитие плоскостной эрозии на низовых откосах. Помимо указанных процессов возможны неконтролируемые осадки гребня дамб, обусловленные
уплотнением фосфогипса, обладающего высокой сжимаемостью.
Основное содержание рекомендаций по оптимальным конструктивным решениям гипсонакопителей и технологическим мерам безопасности, направленных на предупреждение развития опасных гидрогеомеханических процессов во время эксплуатации сооружений сводится к следующему. В конструкции ограждающих
сооружений дамба первичного обвалования должна быть отсыпана
из естественного неразмокаемого грунта, т.к. на начальном этапе
эксплуатации разгрузка техногенного водоносного горизонта будет
осуществляться через тело дамбы. Последующие дамбы можно возводить из фосфогипса с соблюдением приведенных выше технологических правил. Между первичной дамбой и дамбой наращивания
следует предусмотреть дренажные элементы, которые должны обеспечить положение депрессионной кривой, исключающей обводнение насыпных дамб из фосфогипса и выход фильтрационных вод на
низовые откосы гипсонакопителя. Для этих же целей со стороны
верхового откоса дамб должен поддерживаться надводный пляж по
всему периметру накопителя. Для исключения подтопления низовых
откосов по всему периметру на гребне первичной дамбы создается
система водоотведения, соединенная с дренажными элементами. В
течение всего периода эксплуатации превышение гребня дамбы над
уровнем воды в чаше накопителя должно быть не менее 1 м (для сооружений II и III классов капитальности). Учитывая повышенную
деформационную способность фосфогипса, для обеспечения требуемого превышения, необходимо постоянно проводить подсыпку
гребня дамб наращивания до проектной отметки. Для предотвращения процессов плоскостной эрозии низовые откосы дамб должны
быть плоскими и ровными, защищены слоем дренирующего матери-
17
ала из крупнообломочных пород (на откосе первой дамбы наращивания из фосфогипса) и посевом трав (на последующих дамбах).
С учетом данных рекомендаций было выполнено обоснование
конструктивных и технологических параметров нового гипсонакопителя на ООО «Метахим». Для определения результирующего угла
откоса ограждающих дамб, положения депрессионной поверхности,
минимально допустимой ширины надводного пляжа, необходимости
организации дренажных мероприятий выполнены расчеты устойчивости гипсонакопителя и гидродинамического режима техногенного
водоносного горизонта. Расчеты проводились для двух вариантов
строения основания гипсонакопителя, которое представлено четвертичными отложениями, включая слои биогенного грунта (торфа),
песчано-глинистых грунтов озерно-ледникового и ледникового генезисов. Для расчетов использованы коммерческие программные
комплексы, реализующие аналитические методы и численное моделирование геомеханических и геофильтрационных процессов
(GALENA, Plaxis 2D, MODFLOW).
Рекомендованные конструктивные и технологические параметры нового гипсонакопителя следующие (рисунок 9). Сооружение
– равнинного типа, его емкость обеспечивается с 4-х сторон ограждающей дамбой высотой 19 м, состоящей из дамбы первичного обвалования из естественных грунтов высотой 7 м, и 4-х дамб наращивания из фосфогипса. Результирующий угол откоса – 180. На внутреннем откосе первичной дамбы предусмотрено противофильтрационный слой из суглинка, являющийся основанием дамб наращивания из фосфогипса. Наращивание ограждающей дамбы выполняется
в четыре этапа по внутренней схеме. Дренажная система состоит из
ленточного дренажа в чаше гипсонакопителя и открытой водоотводной канавы, проложенной по гребню первичной дамбы. Способ
намыва – рассредоточенный. Минимальная ширина надводного
пляжа 30 м. Пруд осветленной воды удален от дамб посредством
струенаправляющих дамб в чаше накопителя. Отведение воды из
пруда осуществляется шандорными колодцами с выводом в водоотводную канаву.
В процессе эксплуатации гипсонакопителя необходим инструментальный контроль за положением уровня техногенного водонос-
18
ного горизонта в низовых откосах дамб, отметками воды в чаше
накопителя, геометрическими параметрами ограждающих дамб и их
деформациями (горизонтальными и вертикальными смещениями).
Для указанных контролируемых показателей расчетами обоснованы
количественные критерии безопасности (предельные значения). Рекомендованная стационарная сеть мониторинга безопасности состоит из пьезометров и геодезических реперов, расположенных в 4-х
диагностических створах на дамбе, а также водомерного устройства
в пруде осветленной воды. Оборудование контрольноизмерительной аппаратуры на дамбах должно производиться постепенно по мере увеличения высоты гипсонакопителя. Критерии безопасности также назначаются поэтапно с учетом фактического состояния объекта.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные выводы и практические результаты исследований:
1. Выполнена оценка инженерно-геологических условий устойчивости гипсонакопителей ООО «Метахим». На основании полевых
и лабораторных исследований получена характеристика вещественного состава намывного фосфогипса, установлены количественные
показатели физических, прочностных, деформационных и гидрофизических свойств фосфогипса; обосновано разделение техногенного
массива на два инженерно-геологических элемента.
2. Установлены закономерности формирования состава, состояния и свойств намывного фосфогипса, обусловленные спецификой
вещественного состава отходов производства фосфорной кислоты,
гидравлического способа их складирования и преобразования
намывных осадков под влиянием гравитационного уплотнения и
осушения в откосных частях сооружения. Установленные закономерности доказывают, что гипсонакопители отличаются от других
намывных объектов промышленной гидротехники отсутствием плановой изменчивости вещественного состава грунтов и характерного
для техногенных массивов нарастания механической прочности пород с глубиной.
3. Экспериментальными и теоретическими исследованиями
обоснована возможность использования фосфогипса для строительства ограждающих дамб гипсонакопителей в условиях северо-
19
западных регионов России. Определены оптимальные показатели
влажности фосфогипса, обеспечивающие его максимальную плотность, прочность и отсутствие тиксотропных явлений при укладке в
тело дамб. Разработаны технологические правила, обеспечивающие
эффективность и безопасность строительных работ при возведении
дамб из фосфогипса.
4. На основании анализа причин возможных аварий при эксплуатации гипсонакопителей установлено, что аварии с тяжелыми последствиями для окружающей среды могут возникнуть в результате
развития опасных гидрогеомеханических процессов, обусловленных
низкой водоустойчивостью фосфогипса в конструкциях ограждающих дамб.
5. Разработаны рекомендации по обоснованию устойчивости
гипсонакопителей с учетом организации комплекса конструктивных, технологических и контролирующих мер по управлению режимом техногенного водоносного горизонта и предупреждению
развития опасных гидродинамических и геомеханических процессов. С учетом данных рекомендации выполнено обоснование конструктивных и технологических параметров нового гипсонакопителя на ООО «Метахим».
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России:
1. Кудашов Е.С. Оценка инженерно-геологических условий
намывных гипсонакопителей / Е.С. Кудашов, Г.Б. Поспехов, А.В.
Филатов // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. – 2013. – т. 270. С.77-84.
2. Кудашов Е.С. Инженерно-геологическая характеристика
намывного фосфогипса как материала для строительства ограждающих дамб гипсонакопителей / Н.А. Кутепова, Ю.И. Кутепов, М.А.
Ивочкина, Е.С. Кудашов, Е.Е. Легина // Известия ВНИИГ им. Б.Е.
Веденеева. – 2014. – т. 274. - С.85-95.
3. Кудашов Е.С. Обоснование оптимальных физикомеханических характеристик фосфогипса при его использовании для
строительства ограждающих дамб гипсонакопителей / Н.А. Кутепова, Ю.И. Кутепов, Е.С. Кудашов // Маркшейдерия и недропользование. – 2014. – №6 (74). – С. 60-62.
20
Рисунок 1 – Схема расположения гипсонакопителей
ООО «Метахим» относительно г. Волхов
Рисунок 4 – Схема фракционирования:
Фi – содержание i-фракции, х – расстояние от места выпуска пульпы до точки отбора образца, L – длина дамб вдоль чаши гипсонакопителя (около 600 м) опробования
а)
Рисунок 2 - Схема отбора образцов из гипсонакопителя №2
б)
Рисунок 5 – График изменения влажности фосфогипса в теле дамбы (а) и график
статического зондирования (б)
Рисунок 6 – Инженерно-геологический разрез южной дамбы действующего гипсонакопителя
а)
б)
в)
Рисунок 7 – Зависимость некоторых
физико-механических свойств фосфогипса от действующей на него уплотняющей нагрузки при разных начальных влажностях:
а) сцепления; б) угла внутреннего трения; в) влажность после уплотнения
Рисунок 8 – Графики зависимости плотности скелета, угла внутреннего трения и сцепления фосфогипса от влажности
Рисунок 9 – Сечение конструкции проектируемого намывного гипсонакопителя
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
29
Размер файла
1 074 Кб
Теги
гипсонакопителей, геологические, обоснование, устойчивость, инженерная, намывных
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа