Инженерно-геологическое обеспечение устойчивости отвалов фос ф о гипса
На правах рукописи
ивочкина мария александровна
Инженерно-геологическое Обеспечение устойчивости отвалов фосфогипса
Специальность 25.00.16 – Горнопромышленная
и нефтегазопромысловая геология, геофизика,
маркшейдерское дело и геометрия недр
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
Научный руководитель –
доктор технических наук, профессор
Кутепов Юрий Иванович
Официальные оппоненты:
Гальперин Анатолий Моисеевич
доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», 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 научно-исследовательский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, защите инженерных сооружений от обводнения, специальным горным работам, геомеханике, геофизике, гидротехнике, геологии и маркшейдерскому делу»
Защита диссертации состоится 5 июня 2013 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. 1166.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».
Автореферат разослан 30 апреля 2013 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ КОРНИЛОВ
диссертационного совета Юрий Николаевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. В Российской Федерации при разработке МПИ и переработке полезных ископаемых образуются значительные объемы отходов. Большая их часть размещается на земной поверхности в специальных объектах хранения - отвалах, формируя новые геологические тела. Это предопределяет постановку комплекса вопросов по обоснованию оптимальных параметров горнотехнических сооружений и инженерно-геологическому изучению формирования техногенных пород.
При экстракционном способе переработки апатитовых и фосфоритовых концентратов получают фосфорную кислоту, а в качестве побочного продукта - твердый отход - сульфат кальция (фосфогипс). Фосфогипс является ценным вторичным материалом, т.к. содержание CaSO4 в нем сопоставимо с природным гипсом и достигает 94%. Однако, присутствие химических примесей ограничивает применение фосфогипса как строительного материала. Поэтому до сих пор основным методом его хранения является размещение в отвалы. Предприятия по производству фосфорных удобрений расположены в развитых густонаселенных промышленных регионах, характеризующихся значительной стоимостью земли и определенным ее дефицитом для размещения отвалов. Также данные горнотехнические сооружения являются объектами потенциальной экологической опасности и требуют пристального инженерно-геологического изучения.
Разнообразие геологических условий МПИ, технологий их разработки и переработки сырья определяют многообразие отходов, каждый из которых, попадая в отвал, формирует сложный объект изучения и требует самостоятельного рассмотрения. Большой вклад в формирование представлений о техногенных породах, геомеханических и инженерно-геологических аспектах горнотехнических сооружений внесли: В.И. Осипов, Г.Л. Фисенко, М.Ю. Абелев, А.М. Гальперин, С.П. Бахаева, Р.Э. Дашко, Р.С. Зиангиров, В.Г. Зотеев, И.П. Иванов, Е.А. Кононенко, Ф.В. Котлов, В.С. Круподеров, Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, Ю.Н. Малюшицкий, В.В. Мосейкин, П.С. Шпаков, В.П. Жариков, И.И. Ермаков, В.В. Ермошкин, А.В. Киянец, Р.Г. Клейменов, С.И. Протасов и др. Изучению фосфогипса, являющегося специфическим техногенным образованием, с позиции его использования в различных сферах народного хозяйства посвящены работы: Ю.И. Лычко, М.А. Ахметова, А.В. Волженского, Л.И. Дворкина, В.В. Иваницкого, Б.А. Копылева, Ю.Г. Мещерякова, И.С. Сирота, В.А. Терсина и др.
Современный уровень инженерно-геологической изученности отвалов фосфогипса не дает надежной информации для выполнения работ по обоснованию оптимальных параметров отвальных сооружений. В этой связи, весьма актуальным является вопрос изучения состава, состояния и свойств отходов производства фосфорной кислоты и условий формирования техногенных пород в отвалах фосфогипса при обеспечении их устойчивости.
Целью диссертационной работы является разработка инженерно-геологического обеспечения устойчивости отвалов складирования вторичных материалов промышленности: отходов производства фосфорной кислоты - фосфогипсов.
Основные задачи исследований:
1. Обзор и анализ месторождений фосфатного сырья, существующих технологий переработки и складирования фосфогипса в отвалы.
2. Установление закономерностей формирования состава, состояния и свойств отходов производства фосфорной кислоты.
3. Изучение инженерно-геологического строения и гидрогеологической структуры техногенного массива отвала фосфогипса.
4. Изучение инженерно-геологических и гидрогеологических условий основания отвального сооружения.
5. Разработка инженерно-геологического обоснования оптимальных параметров отвалов фосфогипса.
Идея работы. Обоснование оптимальных параметров отвалов фосфогипса производится на базе последовательного инженерно-геологического изучения техногенных отложений, начиная от переработки фосфатных руд и образования отходов производства фосфорной кислоты и заканчивая формированием состава, состояния и свойств пород в отвалах с учетом развития гидрогеологических, геодинамических и литогенетических процессов и явлений в природно-технической системе «отвал+основание».
Методы исследований. При выполнении исследований использовался комплексный подход к решению проблемы, включающий анализ и обобщение результатов ранее выполненных исследований, лабораторные и натурные методы исследований с применением инженерно-геологических, гидрогеологических и маркшейдерско-геодезических методов, статистическая обработка результатов экспериментальных данных, аналитические расчеты и компьютерное моделирование.
Научная новизна:
1. Установлены основные факторы, определяющие химико-минеральный состав и свойства фосфогипсовых отходов, полученных при использовании фосфатных руд различного генезиса и технологий их переработки.
2. Установлены закономерности технолитогенетических преобразований фосфогипса в отвале, которые определяют неоднородные инженерно-геологические и гидрогеологические условия отвальных техногенных массивов.
3. Разработана система обоснования оптимальных параметров отвалов фосфогипса и управления их устойчивостью, учитывающая специфику функционирования сложных природно-технических комплексов, формирующихся на земной поверхности в виде отвалов при складировании отходов химического производства.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Химико-минеральный состав и физико-механические свойства отходов производства фосфорных удобрений, а также характер нарастания их прочности, определяются технологическим способом получения фосфорной кислоты и не зависят от генезиса исходных фосфатных руд.
2. Техногенные массивы отвалов фосфогипса сложены мономинеральными гипсовыми породами и характеризуются в разрезе неоднородным строением, определяемым процессами химико-минерального преобразования, гравитационного уплотнения и формирования водоносных горизонтов.
3. Обоснование оптимальных параметров отвалов фосфогипса и управление их устойчивостью следует осуществлять с применением системы научно-методического обеспечения, разработанной для сложных природно-технических систем с учетом специфики строения техногенного массива и естественного основания отвала, свойств и деформационного поведения слагающих их пород, а также гидрогеологической структуры.
Практическая значимость состоит в: 1) установлении инженерно-геологического и гидрогеологического строения техногенных массивов, сложенных фосфогипсами; 2) обосновании расчетных характеристик физико-механических свойств пород отвалов фосфогипса; 3) изучении строения, состояния и свойств пород оснований отвалов, а также их гидрогеологической структуры.
Реализация результатов работы. Полученные результаты использовались в Проекте №5.6047.20.11 по заданию министерства образования и науки РФ, а также при выполнении хоздоговорных работ Научного Центра геомеханики и проблем горного производства Горного Университета на объектах ОАО «ФосАгро» и ОАО «ОХК «Уралхим».
Апробация работы. Основное содержание диссертации докладывалось на 5-й международной научно-практической конференции на базе AGH (Краков, 2011), на международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2011, 2012, 2013), на всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в горном деле, геологическом и маркшейдерско-геодезическом обеспечении горных работ» (СПб, 2012) и на заседаниях Научного Центра геомеханики и проблем горного производства.
Личный вклад автора. Автор самостоятельно выполнил анализ научно-технической литературы по теме диссертационных исследований, полевые и лабораторные исследования на отвалах фосфогипса, обработал и интерпретировал полученные результаты, построил гидрогеомеханические модели объектов исследований, произвел расчеты устойчивости.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 6 публикациях, из них 2 в журналах, включенных в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, определяемый ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (117 литературных источников), изложенных на 172 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 43 рисунка.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н., профессору Ю.И. Кутепову, сотрудникам лаборатории гидрогеологии и экологии Научного Центра геомеханики и проблем горного производства и Центра инженерных исследований Горного университета за помощь при проведении исследований на объектах.
Основное содержание работы
Первое защищаемое научное положение. Химико-минеральный состав и физико-механические свойства отходов производства фосфорных удобрений, а также характер нарастания их прочности определяются технологическим способом получения фосфорной кислот и не зависят от генезиса исходных фосфатных руд.
Фосфатное сырье представлено двумя основными типами руд: апатитовыми и фосфоритовыми, связанными соответственно с изверженными и осадочными породами. В мировом балансе добываемого фосфатного сырья основная роль принадлежит фосфоритовым рудам (90%), а в России, благодаря наличию уникальных месторождений Хибинского массива, - апатитовым рудам.
Изучение отходов производства фосфорной кислоты производилось для хибинских апатитов, каратауских и егорьевских фосфоритов.
Химическую формулу хибинских апатитовых руд в общем виде можно представить Ca5[PO4]3(F, Cl, OH)2. Основным фосфорсодержащим минералом является фторапатит кальция, а также в небольших количествах гидроксилапатит и продукты изоморфного замещения. Каратауские и егорьевские фосфоритовые руды являются породами осадочного происхождения, образовавшимися в результате осаждения из морской воды. Они содержат в основном мелкокристаллический аморфный фосфат кальция с небольшим содержанием примесей в виде глауконита, лимонита, кальцита, доломита, магнезиальных силикатов, алюмосиликатов, каолина, полевых шпатов, кварца, гранита и органические вещества. Фосфоритовые руды отличаются от апатитовых высокой дисперсностью содержащихся в них фосфатных минералов и тесным срастанием их с сопутствующими минералами – примесями.
Основными промышленным способом получения фосфорной кислоты на предприятиях Российской Федерации на сегодняшний день является экстракционный, использующий разложение природной фосфатной руды кислотами. Наибольшее распространение на практике нашел метод сернокислотной экстракции. Процесс при использовании фосфоритового сырья протекает по уравнению 1, а разложение апатитового концентрата по уравнению 2.
Ca5(PO4)3F+5H2SO4=5CaSO4+3Н3РО4+HF (1)
2Ca5(PO4)3F+nH3PO4+10H2SO4+5H2O=
=(n+6)H3PO4+10CaSO4*0,5H2O+2HF+Q (2)
В зависимости от условий проведения процесса в растворе сульфат кальция (фосфогипс) выделяется в виде дигидрата (CaSO4*2H2O), полугидрата (СаSO4*0,5H2O) и ангидрита (СаSO4). Химический состав фосфогипса практически не зависит от качества используемого фосфатного сырья, а определяется способом производства экстракционной фосфорной кислоты (таблица 1). Из его анализа следует, что содержание основных компонентов (в %) составляет: СаО 22–32; SO3 30-45; SiO2 0,5-7,0; Р205(общ.) 1,0-1,5; F 0,1-0,3; H2O (крист.) 14-20.
Таблица 1 – Химический состав фосфогипса
| Фосфогипс | CaO | SO3 | SiO2 | P2O5 общая | F | H2O крист. |
| ПА | 32,5 | 44,2 | 0,5 | 1,5 | 0,1 | 19,4 |
| ПК | 31,5 | 42,3 | 6,7 | 1,1 | 0,1 | 18,1 |
| ДА | 23,0 | 32,3 | 0,6 | 0,8 | 0,2 | 15,0 |
| ДК | 21,7 | 29,6 | 5,9 | 1,2 | 0,1 | 14,0 |
В настоящее время в промышленности фосфатное сырье перерабатывают по дигидратному и полугидратному режиму. При дигидратном способе, образуемый дигидрат сульфата кальция, содержит 93-95% СаS04*2Н2О с механической примесью 1-1,5% фосфатов в пересчете на P2O5,некоторого количества кремнезема и других оксидов. Твердая фаза шлама тонкодисперсна и более чем на 50% состоит из частиц размером менее 10 мкм. Двуводный гипс в фосфогипсе имеет вид правильных кристаллов ромбической и призматической формы (рисунок 1а). При полугидратной схеме побочным продуктом является полугидрат сульфата кальция, содержащий 92-95% СаS04*0,5Н2О, и представлен друзами и сростками кристалликов таблитчатого и призматического габитуса (рисунок 1б).
Изучение физико-механических свойств отходов производства фосфорной кислоты производилось для разновидностей фосфогипса – дигидрата (Д) и полугидрата (П), полученных при переработке исходного сырья из различных месторождений: Хибинские апатиты (А), Егорьевские (Е) и Каратауские (К) фосфориты. В лабораторных условиях выполнены определения микростроения, гранулометрического и минерального составов, влажности, плотности, параметров прочности – угла внутреннего трения и сцепления, коэффициентов сжимаемости.
По внешнему виду исследуемые разновидности фосфогипса представлены мелкокристаллическим материалом серовато-белого цвета с шелковистым блеском и слабым специфическим запахом. Начальная влажность полугидрата изменяется от 25 до 30 %, а дигидрата - в пределах 35 - 40%. При длительном нахождении в изолированном состоянии (в эксикаторе) полугидрат постепенно теряет свою влажность за счет перехода воды из свободной в кристаллизационную при преобразовании полугидрат гипса в дигидрат.
По данным определений гранулометрического состава ареометрическим методом и методом лазерной дифракции (анализатор Mastersizer 2000), большую часть фосфогипса на выходе с технологической линии завода слагают частицы 0,05<d0,01 мм, плотность фосфогипса порядка 1,30 т/м3.
Полугидрат сульфата кальция по данным СОЮЗДОРНИИ относится к медленнотвердеющим вяжущим. Длительность его твердения зависит от температуры и концентрации в нем фосфорной кислоты и, как правило, не превышает 1-3 сут. В летнее время начало схватывания наступает через несколько часов после его выхода с технологической линии завода, а по истечении суток полугидрат превращается в гипсовый камень.
Установлено, что полугидрат и дигидрат сульфата кальция при испытании материала непосредственно из бункера показывают близкие между собой прочностные свойства. В дальнейшем параметры прочности дигидрата практически не меняются при сохранении начальной влажности, а при ее потере он превращается в сухой белый порошок. В ходе химико-минерального преобразования полугидрат сульфата кальция постепенно наращивает прочностные показатели (таблица 2).
Таблица 2 – Результаты лабораторного изучения отходов
| Фосфогипс | w, % | , т/м3 | мин.ч., т/м3 | , град | с, МПа |
| ПА | 25,0-30,0 | 1,30 | 2,51 | 11-32* | 0,020-0,035* |
| ПК | 25,0-30,0 | 1,27 | 2,50 | 14-32* | 0,022-0,036* |
| ПЕ | 25,0-30,0 | 1,27 | 2,53 | 13-34* | 0,018-0,035* |
| ДА | 35,0-40,0 | 1,26 | 2,37 | 15 | 0,020 |
| ДК | 35,0-40,0 | 1,26 | 2,36 | 13 | 0,034 |
*- испытания выполнялись для различных временных промежутков
Добыча и переработка фосфатных руд, а также транспортировка отходов до отвала, является первым и вторым этапом технолитогенеза. В результате проведенного обобщения литературных и экспериментальных данных позволило отметить, что физико-механические и прочностные свойства отходов производства фосфорной кислоты непосредственно на выходе с технологической цепочки предприятия не зависят от состава исходного сырья. Прочностные показатели полугидрата сульфата кальция, в отличие от дигидрата, изменяются за счет процесса химико-минерального преобразования при транспортировке и дальнейшем хранении.
Второе защищаемое научное положение. Техногенные массивы отвалов фосфогипса сложены мономинеральными гипсовыми породами и характеризуются в разрезе неоднородным строением, определяемым процессами химико-минерального преобразования, гравитационного уплотнения и формирования водоносных горизонтов.
В природе сульфат кальция находится в виде устойчивых форм - гипса и ангидрита, а также неустойчивой его формы, получившей минеральное название бассанит, химическое - полугидрат сульфата кальция и техническое - алебастр. Попадая в отвал, полугидрат сульфата кальция поглощает воду, претерпевает химико-минеральные преобразования и превращается в дигидрат сульфата кальция. Процесс перехода полугидрата в дигидрат основан на механизме схватывания и твердения гипсовых вяжущих веществ и происходит по уравнению 3.
CaSO4*0,5H2O+1,5H2O=CaSO4*2H2O (3)
Существует несколько гипотез перехода полугидрата в дигидрат. Первая из них предложена А. Ле Шателье в виде сложного физико-химического процесса, вызываемого адсорбцией воды частицами полугидрата сульфата кальция, растворением и ростом центров кристаллизации дигидрата. Кристаллы дигидрата растут, переплетаются, срастаются, обусловливая схватывание и твердение смеси. Прочность породы при этом увеличивается. В. Михаэлис и А.А. Байков считали, что при недостатке воды компоненты взаимодействуют топохимически с образованием частичек дигидрата в высокодисперсном состоянии. Описанные выше физико-химические процессы развиваются в смеси полугидрат сульфата кальция и воды. Однако в реальных условиях химического производства отмечается недостаток воды (влажность полугидрата составляет обычно 25-30 %), поэтому преобразования происходят на фоне развития процессов растворения и топохимического присоединения воды к твердому веществу. В последнем случае кристаллы бассанита игольчатой формы преобразуются в плоские таблитчатые кристаллы гипса. В стесненных условиях кристаллообразования происходит их взаимное прорастание с образованием более прочного материала.
Рассмотренные выше специфические особенности поведения полугидрата сульфата кальция после выхода из реакционной системы свидетельствуют о достаточно быстром их преобразовании в более устойчивую дигидратную форму. Это подтверждается выполненными инженерно-геологическими исследованиями на конкретных объектах, где техногенные массивы по минеральному составу практически на 92-95% состояли из дигидратного гипса.
Кроме того, данные исследования позволили в разрезе техногенных массивов, сложенных фосфогипсами, выделить слои пород с различными физико-механическими свойствами: «рыхлый» (ИГЭ 1а), «плотный» (ИГЭ 1б) и «пластичный» (ИГЭ 1в) (таблица 3).
Таблица 3 – Физико-механические свойства пород отвалов
| Фосфогипс (№ ИГЭ) | глубина, м | , т/м3 | w, % | , град | с, МПа | Kф, м/сут |
| Отвал №1 | ||||||
| «Рыхлый» ИГЭ 1а | 0-10 | 1,5 | - | 28 | 0,0-0,02 (0,013) | 0,5 |
| «Плотный» ИГЭ 1б | 10-33 | 1,7 | - | 29 | 0,03-0,07 (0,05) | 0,2 |
| «Пластичный» ИГЭ 1в | 33-48 | 1,7 | - | 29 | 0,045-0,09 (0,06) | 0,1 |
| Отвал №2 | ||||||
| «Рыхлый» ИГЭ 1а | 0-20 | 1,5 | 16,0 | 32 | 0,02-0,05 (0,03) | 0,5 |
| «Плотный» ИГЭ 1б | 20-45 | 1,7 | 14,7 | 31 | 0,02-0,07 (0,045) | 0,2 |
| «Пластичный» ИГЭ 1в | 45-64 | 1,8 | 25,7 | 32 | 0,03-0,09 (0,06) | 0,1 |
«Рыхлый» слой фосфогипсов образуется на поверхности отвала в виде «корки», мощностью до 20 м. При складировании полугидрата происходит схватывание и твердение материала и возникновения цементационных структурных связей. В отвалах, отсыпаемых из дигидрата, описанных процессов не происходит, а наблюдается изменение влажности пород при высыхании и дренировании влаги на фоне гравитационного уплотнения, что приводит также к образованию структурных связей и некоторому возрастанию прочности. В этом случае мощность слоя «рыхлых» пород в 1,5-2 раза меньше, чем при отсыпке полугидрата. Объяснением различия в мощности слоя «рыхлых» пород для двух разновидностей отходов является наличие структурной прочности, величина которой составляет 0,010-0,015 МПа для дигидрата и 0,030 МПа для полугидрата сульфата кальция (рисунок 2).
Рисунок 2 – Компрессионная кривая фосфогипсов
Слой «плотных» фосфогипсов формируется ниже «рыхлых» отложений за счет структурных преобразований, происходящих при напряжениях, превышающих структурную прочность «рыхлых» грунтов. Фосфогипсы разрушаются хрупко, с потерей сплошности и образованием трещиноватости. Смещение блоков по трещинам, сближение частиц и агрегатов под воздействием постепенно возрастающей нагрузки от отвала сопровождается повышением плотности техногенных отложений и нарастанием прочности структурных связей. Результаты выполненных полевых и лабораторных исследований показывают, что в пределах выделенного слоя прочность фосфогипсов растет с глубиной.
Мощность слоя «плотных» фосфогипсов зависит от многих факторов, в том числе, от положения уровня воды в отвале, так как обводненные фосфогипсы имеют отличительные особенности, и их следует выделять в отдельный инженерно-геологический элемент. Формирование в теле отвала техногенного водоносного горизонта происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и воды, поступающей вместе с отходами производства. Разгрузка техногенного водоносного горизонта осуществляется либо в основание, либо через откос, в зависимости от проницаемости пород основания отвала. Фосфогипсы, расположенные ниже уровня техногенного водоносного горизонта, полностью обводнены, находятся в «пластичном» состоянии, характеризуются повышенной прочностью за счет увеличения сцепления пород. Выше уровня воды фосфогипсы имеют меньшие показатели сцепления.
Установленные закономерности в формировании неоднородной инженерно-геологической и гидрогеологической структуры техногенных массивов отвалов иллюстрируются результатами исследований, полученными на различных производственных объектах. Объекты исследований - отвалы фосфогипса расположены в юго-восточной части Московской области. Отвал №1 функционировал до 1990 г., принимая отходы в течение 15 лет в виде дигидрата сульфата кальция. На момент прекращения эксплуатации высота его достигла 60 м, емкость 15 млн.м3. Отвал №2 начал эксплуатироваться после закрытия отвала №1 сначала для приема дигидрата сульфата кальция, а затем, после перехода на новую технологию, в виде полугидрата сульфата кальция. На сегодняшний день высота отвала достигла 80 м. Объемы заскладированных отходов в отвалы по состоянию на 2012 г. оцениваются порядка 22 млн. м3 (рисунок 3).
Изучение прочностных свойств отложений в пределах отвального массива с применением вращательного среза позволили установить, что характер нарастания чувствительности с глубиной свидетельствует об образовании цементационных связей. Величина структурной прочности для рыхлых фосфогипсов составляет в среднем 0,020 - 0,035 МПа, что хорошо согласуется с результатами компрессионных испытаний (рисунок 2). Массив можно охарактеризовать средним углом внутреннего трения фосфогипсов =320.
Испытание фосфогипсов на компрессионное сжатие при нагрузках, превышающих структурную прочность, характеризуют их как сильносжимаемые породы; коэффициент сжимаемости составляет 0,09 - 0,14 МПа-1 (рисунок 2).
Обобщение результатов лабораторных и натурных испытаний позволили охарактеризовать выделенные инженерно-геологические элементы (ИГЭ) физико-механическими свойствами для двух типов отвалов, сформированных из дигидрата и полугидрата (таблица 3). Из таблицы 3 видно, что значения показателей прочности близки для любых видов отвалов в пределах выделенных слоев.
Третье защищаемое научное положение. Обоснование оптимальных параметров отвалов фосфогипса и управление их устойчивостью следует осуществлять с применением системы научно-методического обеспечения, разработанной для сложных природно-технических систем с учетом специфики строения техногенного массива и естественного основания отвала, свойств и деформационного поведения пород их слагающих, а также гидрогеологической структуры.
Разработана система научно-методического обеспечения устойчивости отвалов фосфогипса (рисунок 4). Она включает комплекс работ и исследований, выполняемых с использованием полевых и лабораторных методов, обеспечивает решение инженерно-технической задачи обоснования устойчивых параметров отвалов, функционирует в соответствии с методологическими принципами, определяемыми теорией управления. Процесс управления параметрами отвалов фосфогипса, в соответствии с системой, можно разделить на несколько этапов:
1) получение и сбор информации – выполнение инженерно-геологических и гидрогеологических исследований;
2) анализ, систематизация, синтез - обоснование гидрогеологической и инженерно-геологической моделей объекта;
3) прогноз – гидрогеологическое и гидрогеомехамическое моделирование;
4) разработка метода управления – обоснование оптимальных параметров отвалов;
5) оценка эффективности выбранного метода управления (обратная связь) – мониторинг безопасности.
Устойчивость отвальных сооружений определяется следующими факторами: - строением отвального массива и физико-механическими свойствами техногенных пород, отсыпаемых в отвал; - строением естественного основания отвального сооружения и физико-механическими свойствами слагающих его отложений; - гидрогеологическими условиями отвала и его основания (уровнем техногенного водоносного горизонта, уровнем и напорами подземных вод в основании отвала). В связи с чем, на первом этапе производятся инженерно-геологические и гидрогеологические исследования пород отвалов и их оснований. При проектировании новых отвалов выполняется изучение физико-механических свойств отходов производства фосфорной кислоты, производится моделирование условий их формирования в зависимости от конкретных технологических параметров.
Особое внимание при обосновании оптимальных параметров отвалов уделяется изучению инженерно-геологических и гидрогеологических условий основания отвального сооружения. На примере отвалов фосфогипсов в юго-восточной части Московской области изучены условия естественного основания. Геологический разрез представлен толщей юрских глин, залегающих на известняках среднего карбона. Юрские глины характеризуются значительным по величине сцеплением (с=0,15-0,20 МПа) и углами внутреннего трения 9-11о. Исследования глин на одноплоскостном сдвиговом приборе установили зависимости прочности от скорости сдвига, которые свидетельствуют о снижении прочности глин при длительном воздействии касательных нагрузок. При этом длительная прочность глин (min) составляет 50% от мгновенной прочности (max). Данные результаты позволяют рекомендовать в обоснование долговременной устойчивости отвальных сооружений использование параметров длительной прочности. Исследованиями установлено наличие в нижней части разреза юрских глин «слабого» слоя с низкой прочностью и повышенной влажностью (w=44,72%, =8о, c=0,073 МПа) Его образование объясняется разуплотнением пород под воздействием напоров подольско-мячковского водоносного горизонта, приуроченного к известнякам среднего карбона (напоры 40-60 м над кровлей) (рисунок 5).
Второй этап работ в системе управления устойчивостью отвалов предполагает разработку и обоснование инженерно-геологической и гидрогеологической моделей отвала. Это включает выделение ИГЭ и закономерностей изменения параметров физико-механических свойств в диапазоне реальных нагрузок, возникающих в техногенных массивах при формировании отвала. Гидрогеологическая модель при этом отражает структуру толщи пород природно-технической системы (ПТС) «отвал+основание» с выделением водопроводящих слоев и относительных водоупоров, положением в массиве уровней и напоров, фильтрационными характеристиками выделенных слоев.
На базе обоснованных графических моделей в рамках системы обеспечения разрабатываются математические гидрогеологическая и гидрогеомеханическая модели, каждая из которых позволяет в конечном итоге решать задачи по оценке и прогнозу напряженно-деформированного состояния рассматриваемых массивов горных пород. В частности, гидрогеологическая модель решает прогнозную задачу изменения гидродинамических условий массива отвала при изменении питания и разгрузки (применения дренажа) водоносных горизонтов, а гидрогеомеханическая – производит прогноз напряженно-деформированного состояния породного массива при создании отвалов определенной геометрической конфигурации. На данном этапе также возможно прогнозировать устойчивость отвалов на базе аналитических методов расчета с использованием методики ВНИМИ и программного комплекса «Galena» австралийской компании ВНР Engineering.
Обоснование параметров отвалов фосфогипса производят с учетом инженерно-геологических, гидрогеологических, технологических и природоохранных ограничений методом сравнения экономической эффективности по минимуму затрат на отвалообразование в течение установленного срока. К ограничительным условиям относятся: устойчивость откосов; наличие определенного технологического оборудования; природоохранные требования.
Мониторинг безопасности отвала (МБО) осуществляется в целях анализа и оценки прогноза развития ситуации с безопасностью сооружений, подготовки рекомендаций по преодолению негативных тенденций и устранению выявленных недостатков. Цели и задачи МБО решаются с помощью системы постоянных наблюдений, обеспечивающих получение качественной и достоверной информации в необходимых объемах. Измерения и наблюдения выполняются с использованием методов и средств геодезического, инженерно-геологического, гидрогеологического, гидрогеомеханического и технологического мониторинга. В состав мер по обеспечению безопасности и эксплуатационной надежности отвала должны входить разработки критериев оценки безопасного функционирования сооружения.
Внедрение разработанной системы произведено при оценке устойчивости и обосновании параметров отвалов на предприятиях ОАО «ФосАгро» и ОАО «ОХК «Уралхим».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты исследований представляют собой законченную научно-квалификационную работу, в которой дано решение актуальной задачи - разработка инженерно-геологического обеспечения устойчивости отвалов фосфогипса при складировании отходов производства фосфорной кислоты.
Основные научные и практические результаты исследований:
1. Отходы производства фосфорных удобрений – фосфогипсы представляют собой специфический тип техногенных отложений, получивший широкое распространение в химической промышленности. Они образуются при переработке апатитового и фосфоритового сырья и в зависимости от принятой технологии могут быть представлены в виде дигидрата и полугидрата сульфата кальция. Каждый из видов отходов характеризуется определенными физико-механическими свойствами.
2. При складировании в отвал отходов в виде полугидрата сульфата кальция происходит достаточно быстрое (до 40 дней) преобразование в дигидрат сульфата кальция в результате процессов растворения вещества в воде, перенасыщения, кристаллизации, а также прямого присоединения воды к твердой фазе. Это приводит к формированию слоя пород (ИГЭ 1а) в верхней части разреза отвала большей прочности и мощности, чем в условиях их формирования непосредственно из дигидрата сульфата кальция.
3. По мере увеличения высоты отвала возрастает бытовая нагрузка от веса выше отсыпанных пород до значений структурной прочности, при преодолении которой происходит постепенное разрушение структурного каркаса и начинается достаточно интенсивное уплотнение породы под действием собственного веса и веса вновь отсыпанных отвальных масс. Формируется слой (ИГЭ 1б) из плотного фосфогипса, свойства которого практически не зависят от состава вывозимых на отвал отходов.
4. В отвалы фосфогипса с отходами производства вывозится значительное количество свободной воды, которая вместе с атмосферными осадками идет на формирование в техногенных массивах водоносных горизонтов. Фосфогипсы ниже пьезометрической поверхности полностью обводнены и находятся в «пластичном» состоянии. Таким образом, любой отвал из фосфогипса представляет собой трехслойный техногенный массив из «рыхлого» (ИГЭ 1а), «плотного» (ИГЭ 1б) и «пластичного» (ИГЭ 1в) слоев. Выделенные ИГЭ охарактеризованы физико-механическими свойствами.
5. В соответствии с методическими принципами теории управления разработана система обеспечения устойчивости отвалов фосфогипса, включающая изучение инженерно-геологических и гидрогеологических условий отвала, последовательную разработку инженерно-геологической, гидрогеологической и гидрогеомеханической моделей, выполнение на их основе расчетов устойчивости для обоснования оптимальных параметров отвальных сооружений и проведение мониторинга безопасности.
6. Устойчивость отвальных сооружений определяется следующими факторами: - строением отвального массива и физико-механическими свойствами техногенных пород, отсыпаемых в отвал; - строением естественного основания отвального сооружения и физико-механическими свойствами слагающих его отложений; - гидрогеологическими условиями отвала и его основания (уровнем техногенного водоносного горизонта, уровнем и напорами подземных вод в основании отвала).
7. При выполнении расчетов устойчивости отвалов фосфогипса Московской области следует учитывать наличие в основании юрских глин напорного подольско-мячковского водоносного горизонта в известняках среднего карбона. Юрские глины характеризуются длительной прочностью и развитием на контакте с известняками слабого слоя пород, разуплотняемого напорными водами.
8. При ведении отвальных работ обязательным условием является мониторинг безопасности, выполняемый с использованием методов и средств геодезического, инженерно-геологического, гидрогеологического, гидрогеомеханического и технологического мониторингов по предельно-допустимым значениям обоснованных критериев безопасности.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
1. Ивочкина М.А. Инженерно-геологическое обеспечение устойчивости Воскресенских отвалов фосфогипса //Горный информационно-аналитический бюллетень. –2013. - №1 - с. 345-349.
2. Ивочкина М.А. Изучение формирования свойств техногенных отложений в отвалах фосфогипса при переработке исходного сырья различных месторождений [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона. – 2013. - №1. Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1535.
3. Лычева М.А. (Ивочкина М.А.) Особенности инженерно-геологических условий формирования отвалов фосфогипса [Электронный ресурс] // Научный вестник Московского Государственного Горного Университета. – 2011. - №3 (12) – с. 53 – 58. – Режим доступа: http://vestnik.msmu.ru/archive/index12.html#.
4. Лычева М.А. (Ивочкина М.А.) Специфика инженерно-геологических условий при формировании отвалов фосфогипса // Освоение минеральных ресурсов Севера - проблемы и решения: Труды 9-ой международной научно-практической конференции. - 2011. – т. 2 – с. 396 – 402.
5. Лычева М.А. (Ивочкина М.А.) Обоснование оптимальных параметров складирования отходов производства фосфорной кислоты – фосфогипса // Научные чтения памяти Н. Ф. Реймерса и Ф. Р. Штильмарка. Антропогенная Трансформация Природной Среды. - 2011. – с. 255-258.
6. Ивочкина М.А., Филатов А.В. Методические особенности инженерно-геологического изучения фосфогипсов, как техногенных грунтов // Научные чтения памяти Н.Ф. Реймерса и Ф.Р. Штильмарка. Антропогенная Трансформация Природной Среды. – 2012. – с.77-81.
