Хвостохранилище Надеждинского металлургического завода является одним из наиболее крупных хвостовых хозяйств Норильского промы

А. О. Яковлев начальник гидротехнической службы УНСОФ ОАО "Норильская горная компания"

А. Г. Кизим главный гидротехник УНСОФ ОАО "Норильская горная компания"

В. А. Конев начальник цеха гидротехнических сооружений и гидротранспорта НМЗ ОАО "Норильская горная компания"

Опыт проведения противофильтрационных мероприятий на русловой плотине хвостохранилища НМЗ

Хвостохранилище Надеждинского металлургического завода является одним из наиболее крупных хвостовых хозяйств Норильского промышленного района. Хвостохранилище расположено в 12 км на юго-запад от завода в верховьях реки Буровой, входящей в водосборный бассейн р. Дудинка. Бассейн реки Буровой на северо-западе и севере граничит с бассейнами рек Амбарной и Далдыкан, которые входят в водосборную систему озера Пясино.

Хвостохранилище наливное, косогорного типа, II класса капитальности. Емкость хвостохранилища образована в естественном понижении рельефа, приуроченном к участкам долин рек Буровой и ручья Безымянного путем созданием подпорных сооружений - русловой плотины на р. Буровой, протяженностью 1200 м и ограждающей дамбы на границе водораздела рек Буровой и Амбарной, протяженностью 1300 м.

Перехват поверхностных вод реки Буровой и ручья Безымянного осуществляется с помощью водоподъемных дамб №№ 1 и 2 , а их отвод - с помощью водоотводных каналов по периметру хвостохранилища, впадающих в русло р. Буровой ниже русловой плотины.

Хвостохранилище эксплуатируется с 1979 года (I очередь, временное, локальное хвостохранилище). В 1981 году началась эксплуатация постоянного хвостохранилища (II очередь). Полезная емкость его – около 58 млн. м³, уложено хвостов на начало 2000 года – 15 млн. м³.

Основное подпорное сооружение хвостохранилища – русловая плотина, длиной 1200 м, максимальной высотой – 39 м.

Русловая плотина насыпная, каменно-земляная с полиэтиленовым экраном из трех слоев. Упорная призма отсыпана из скального грунта с переходными слоями из несортированного щебенистого грунта, гравий по песчаной смеси, песка. Плотина возведена на сложном тало-мерзлом основании, включающая в себя глубокий подрусловой талик р. Буровой

Водонепроницаемость основания плотины по проекту обеспечивалась трехрядной цементационной завесой в пределах подруслового талика и скважинными замораживающими системами в пределах вечномерзлых бортов. По оси зуба экрана в основании плотины вдоль границы верхового откоса построена железобетонная потерна сечением 3,5*4,5 м.

Грунты основание русловой плотины находятся в тало-мерзлом состоянии, причем правый борт долины характеризуется наличием толщи мерзлых четвертичных суглинков мощностью до 25 м, а центральная и левобережная часть сложены скальными талыми грунтами.

Гидрогеологические условия основания русловой плотины характеризуются наличием в подрусловом талике р. Буровой 5 водоносных горизонтов, объединенных в 2 взаимосвязанных водоносных комплекса:

1. Водоносный комплекс четвертичных отложений, включающий в себя:

- водоносный горизонт аллювиальных отложений р.Буровой, приуроченный к крупнообломочным грунтам мощностью 3-6 м с коэффициентом фильтрации 1-100 м/сут (а III-IV vl-ar);

- водоносный горизонт гляциальных отложений, мощностью 2-35 м, приуроченный к галечниковым грунтам и суглинкам со значительным содержанием крупнообломочного материала; коэффициент фильтрации изменяется в пределах от 0,01 до 30 м/сут (g III nl).

2. Водоносный комплекс коренных пород гудчихинской и сыверминской свит нижнего триаса (T₁sv-qd), включающий в себя:

- водоносный горизонт коры выветривания базальта мощностью 1-5 м с коэффициентом фильтрации до 2000 м/сут;

- локально-обводненные зоны тектонических нарушений шириной 15-20 м с коэффициентом фильтрации 40 м/сут и более;

- водоносный горизонт слабовыветрелых и выветрелых базальтов, подстилающий горизонт коры выветривания.

Фильтрационная способность грунтов с глубиной затухает, коэффициент фильтрации изменяется сверху вниз от 3 м/сут до 0,-1 м/сут и менее.

Фактически, наибольшей водообильностью и фильтрационной способностью характеризуются аллювиальные отложения русла р. Буровой и кора выветривания базальта непосредственно в зоне подруслового талика. Эти водовмещающие породы служат основными путями фильтрации подземных вод. Воды имеют незначительный – напор порядка 3-5 м и гидравлически связаны с поверхностными водами.

В октябре 1995 года при достижении уровнем хвостохранилища отметки 286,8 м абс. произошел прорыв вод отстойного пруда хвостохранилища в нижний бьеф по грунтам основания. Расход фильтрационных утечек в нижнем бьефе составил более 5500 м³/час. Фильтрационные воды с высоким содержанием загрязняющих компонентов (сульфаты, натрий, кальций) устремились в старое русло р. Буровой и по нему в рр. Ю. Ергалах, Дудинка, Енисей. Произошло практически полное затопление потерны, приведшее к выходу из строя замораживающей системы, соответственно цементационная завеса в центральной части талика прекратила свою нормальную работу. Началась обходная фильтрация и, как следствие, расширение подруслового талика.

В это время ГС УНСОФ совместно со службами эксплуатации хвостохранилища НМЗ начались регулярные наблюдения за уровнем воды в верхнем бьефе, расходом воды в нижнем бьефе, уровнем в имевшихся на тот период ранее пробуренных гидрогеологических скважинах.

Одновременно было принято решение о снижении фильтрации в нижнем бьефе путем возведения противофильтрационного экрана методом намыва (кольматации) тонкодисперсными хвостами на верховом откосе русловой плотины, для чего на верховом откосе была проложена нитка пульпопровода с выпусками, а вдоль гребня плотины сооружена дренажная пульпоулавливающая призма с целью удержания твердой фракции хвостов в контуре проектируемого противофильтрационного экрана.

Намыв фильтрационного экрана в соответствии с проектом института «Норильскпроект» начался в июле 1997 года. Одновременно в потерне АФ «Гидроспецстой» началось проведение цементационные работ по тампонажу вышедших из строя и фонтанирующих замораживающих колонок, а также сооружение сети наблюдательных скважин за температурным режимом грунтов основания и пьезометрических скважин. Мониторинг состояния русловой плотины проводился непрерывно, по его результатам принимались оперативные решения по технологии намыва и цементации в потерне. В 1998-99 годах силами ПГП «Норильскгеология» были пробурены наблюдательные гидрогеологические и термометрические скважины на гребне плотины, мониторинг стал производиться комплексно, в том числе силами лаборатории термодиагностики ОАО "Норильская горная компания" выполнялась регулярная тепловизионная съемка.

Основные результаты наблюдений представлены на совмещенном графике изменения во времени расхода фильтрации в нижнем бьефе и уровня в верхнем бьефе, рис.1. Анализ графика позволил сделать следующие выводы об изменениях гидрогеологических условий грунтов основания русловой плотины:

1). За период с августа 1995 г. до сентября 1997 г. (участок I графика) прослеживается отчетливая взаимосвязь между водами хвостохранилища и подземными водами таликовой зоны; причем режим тех и других носит ярко выраженный сезонный характер. На наличие такой связи с момента начала эксплуатации II очереди хвостохранилища НМЗ указывают результаты режимных наблюдений и опытных работ, выполненных институтом «Гидропроект» в 1983-84 г.г. Тогда при заполнении хвостохранилища до отметки 274 м уровень воды в наблюдательных гидрогеологических скважинах нижнего бьефа (НС-1, НС-2, РС) поднялся на 2,3 – 6 м, а расход подземного фильтрационного потока увеличился вдвое (с 30 до 60 м³/час). Данные скважины оборудованы на водоносные горизонты, приуроченные к четвертичным отложениям и сильновыветрелым базальтам, имеющие незначительную мощность и напор 1-5 м. Фильтрация по грунтам основания имела место в контуре подруслового талика р. Буровой, разгрузка вод в нижнем бьефе не происходила.

2). С подъемом уровня в хвостохранилище происходило закономерное повышение уровней в вышеуказанных водоносных горизонтах; началась их разгрузка в нижнем бьефе (данные наблюдений на период до августа-1995 года отсутствуют, но по результатам наблюдений в августе-ноябре 1995 года расход в нижнем бьефе уже составлял 240-720 м³/час). К октябрю 1995 года уровень в хвостохранилище поднялся до абсолютной отметки 286.8 м. Результатом подъема уровня явилось превышение гидростатического давления вод в чаше хвостохранилища над напором водоносных горизонтов, приуроченных к тектоническим нарушениям и выветрелым базальтам и как следствие – интенсивная разгрузка последних в вышележащие водоносные горизонты, резкий подъем уровня (на момент бурения уровень подземных вод в скважине РС

фиксировался на глубине 13 м, а в настоящее время она самоизливается), скачкообразное увеличение водопритока в нижний бьеф до 4000- 5000 м³/час и рост водопритоков в потерну через стыки секций и замораживающую систему.

3). Исходя из того, что максимум уровней таликовых водоносных горизонтов приходится на 30 сентября, можно сделать вывод, что подъем уровня в хвостохранилище при отсутствии надежной фильтрационной завесы явился основной и однозначной причиной аварийной ситуации. Об этом свидетельствует характер изменения расхода в нижнем бьефе в годовом разрезе. На графике изменения расхода отчетливо прослеживается два максимума: первый, наиболее интенсивный, соответствует паводку (середина мая – начало июля), второй – максимуму таликовых водоносных комплексов (сентябрь – начало октября), причем на паводок подземные водоносные комплексы реагируют практически сразу после его начала.

4). Прорыв вод хвостохранилища в нижний бьеф послужил причиной изменения геокриологических и, в последующем, гидрогеологических условий. Превышение гидростатического давления вод хвостохранилища над напором подземных вод привело к вовлечению в единый гидродинамический комплекс более высоконапорных и глубокозалегающих водоносных горизонтов, приуроченных к выветрелым базальтам и водоносных зон тектонических нарушений; разгрузка вод хвостохранилища в эти горизонты привела к возникновению фильтрационных потоков в обход цементной завесы (об этом свидетельствуют водопритоки в потерну из охлаждающих скважин на береговых примыканиях плотины). Результатом обходной фильтрации явилось растепление мерзлоты по участкам взаимосвязанных тектонических нарушений и, соответственно, увеличение мощности и площади таликовых водоносных комплексов. Это подтверждается тем (см. график), что в 1996-1997 г.г. интенсивная разгрузка в нижний бьеф происходит при уровнях хвостохранилища значительно меньших критического уровня 1995 года.

5). Учитывая, что ранее утечек в нижнем бьефе не фиксировалось, можно предположить, что область питания подземных водоносных комплексов находится вне контура хвостохранилища (выше водоподъемных дамб №№ 1 и 2), а под чашей хвостохранилища расположена зона транзита, приуроченная к локальным подрусловым таликам р.Буровой и руч. Безымянного.

6). Непосредственно в контуре чаши хвостохранилища, сложенной в придонной части слабофильтрующими хвостами, подпитка подземных вод за счет поверхностных может происходить только через локальные зоны более водопроницаемых хвостов. Можно предположить, что локальный очаг разгрузки расположен в районе верхнего бьефа русловой плотины, т.к. резкое увеличение расхода в нижнем бьефе произошло при складировании хвостов именно на этом участке.

7). В июле 1997 года началась кольматация верхнего откоса. Результатом кольматации явилось ухудшение фильтрационных свойств грунтов в локальных очагах разгрузки вод хвостохранилища, что при прочих равных условиях не вызвало их разгрузки в нижнем бьефе в 1998 году. С октября 1997 г. по настоящее время (участок IV графика) заметна полная независимость режима подземных вод от уровня хвостохранилища, что позволяет сделать выводы об абсолютной эффективности выполнения кольматации верхового откоса. В июне 2000 года фильтрационный расход утечек в верхнем бьефе русловой плотины составил не более 80 м³/час с учетом вод снеготаяния, атмосферных осадков и разгрузки сезонноталых вод. При этом уровень в верхнем бьефе постоянно растет и уже превысил критическую отметку 1995 года, составляя 287,1 м. абс. Водоприток в потерну на этот же момент составил не более 1,5 м³/час против 50 м³/час в 1997 году.

Одновременно по результатов термозамеров службы геотермических измерений УНСОФ (рис.2, 3) и тепловизионной съемки (рис. 4) отмечается стабилизация и даже аградация мерзлоты в основании русловой плотины, особенно в правобережной ее части, сложенной просадочными при оттаивании четвертичными грунтами и наиболее опасной в плане потери устойчивости сооружения.

В настоящее время возникла противоположная проблема – избыток оборотной воды в отстойном пруду, несмотря на запуск в работу плавающей насосной с производительностью свыше 600 м³/час. Проблема эта носит чисто технический характер и в настоящее время решается специалистами службы эксплуатации хвостохранилища.

На верховом откосе сформирован мощный глинистый экран из хвостов шириной свыше 50 м, таким образом можно говорить об изменении наливного типа хвостохранилища в комбинированный. В настоящее время кольматация верхового откоса продолжается с подъемом и переносом пульпоулавливающей призмы и выпусков вглубь чаши хвостохранилища, что позволит еще более усилить верховой откос и отвести от него урез воды. Продолжаются регулярные комплексные наблюдения за состоянием сооружения, расширяется комплекс выполняемых работ, в частности, в 1999 году силами ГС УНСОФ впервые за весь период эксплуатации были выполнены промеры глубин пруда, что позволило определить современную конфигурацию его дна, объем накопленных хвостов и воды. В настоящее время пристальное внимание уделяется экологической безопасности хвостохранилища. Так, с июля 2000 года начался годичный цикл режимных наблюдений за химическим составом поверхностных и подземных вод в нижнем бьефе. Данная работа выполняется ПГП "Норильскгеология" в соответствии с техническими условиями, разработанными ГС УНСОФ совместно со службой эксплуатации хвостохранилища. В стадии строительства насосная возврата воды нижнего бьефа в оборотное водоснабжение, ввод – III квартал 2000 года. Разработаны технические условия и ведется проектирование институтом «Гидроспецпроект» (г. Москва) усиления цементационной завесы в подрусловом талике и на примыканиях.

Таким образом, грамотные и своевременные инженерные решения специалистов ОАО "Норильская горная компания" в совокупности с комплексной системой геотехнического мониторинга позволили вывести опасный промышленный объект из аварийного состояния в режим безопасной и надежной эксплуатации, опыт которой в период с 1995 г. позволяет сделать следующий вывод:

Своевременные режимные наблюдения и выполнение инженерных изысканий, работа организованного в структуре НМЗ «Штаба инженерной защиты хвостохранилища» анализ проблем «на месте» позволили специалистам принимать недорогостоящие технологии в восстановлении и строительстве противофильтрационных мероприятий, таких как:

- отказ от охлаждения грунтов основания искусственным способом;

- ликвидация системы многочисленной дистанционной КИА для замеров температур грунтов основания по методу ВНИИ им. Веденеева (г. Красноярск);

Рис.2. Изменение температур грунтов в термометрических скважинах потерны русловой плотины в годовом разрезе (по данным наблюдений СГТИ УНСОФ)

Рис.3. Изменение температур грунтов в основании русловой плотины в годовом разрезе (по данным наблюдений СГТИ УНСОФ)