Изграждане на хвостохранилища

Хвостохранилищата, наричани още шламохранилища, са инженерни съоръжения за съхраняване на ситно смлени минни отпадъци, обикновено от обогатяването, заедно с променливи количества свободна вода, в резултат от третирането на минералните суровини и от пречистването и рециклирането на производствени води. Конвенционалните язовири също биха могли да обслужват такава функция, но поради по-големите инвестиции в тях изграждането на хвостохранилища е по-изгодно. За разлика от язовирите за задържане на вода, хвостохранилищата се изграждат постепенно през целя живот на мината или обогатителната фабрика. Ще разгледаме някои основни изисквания, технологии и материали в изграждане на елементите от хвостохранилища.

В изграждането на хвостохранилища трябва да се вземат предвид изискванията на Закона за устройство на територията (ЗУТ), Закона за подземните богатства (ЗПБ), Наредбата за управление на минните отпадъци, Нормите за проектиране на бетонни и стоманобетонни конструкции за хидротехнически съоръжения, Нормите за проектиране на подпорни стени, Нормите за проектиране на хидротехнически съоръжения, Еврокод 2, 7 и 8, БДС EN 1990 и други.

Строителството, експлоатацията и закриването на хвостохранилища се осъществява въз основа на проекти, които гарантират краткосрочно и дългосрочно безопасно депониране на отпадъците, в изпълнение на чл. 82 от ЗПБ в частта им за строителство, експлоатация и закриване на съоръжения за минни отпадъци. В тях се предлагат решения, обезпечаващи минимален и ако е възможно впоследствие никакъв мониторинг, контрол и управление на закритото съоръжение за минни отпадъци. Изпълнението на проектите трябва да води до предотвратяване или минимизиране на дългосрочни отрицателни ефекти върху околната среда и човешкото здраве. Изисква се и гаранция за дългосрочна геотехническа стабилност на съоръженията, включително на надземните им части.

За всички съоръжения за минни отпадъци, в това число хвостохранилища, представляващи строежи по смисъла на ЗУТ, се спазват всички изисквания на ЗУТ, свързани с проектирането, строителството, въвеждането в експлоатация и строително-монтажни работи при закриването. Операторът представя влязлото в сила разрешение за строеж на министъра на енергетиката, когато такова се изисква по ЗУТ.

Хидротранспортна система
В системата за хидротранспорт водният поток носи със себе си парчета отпадък от производството с малка едрина в тръбопровод. Обикновено транспортирането се осъществява чрез нагнетяване на хомогенната смес. Това е широко използван тип транспорт както за полезни изкопаеми от мястото на добив до преработвателното предприятие, така и за отвеждане на отпадъчните суспензии от обогатителните фабрики до мястото на тяхното съхраняване и третиране в хвостохранилища. Пренасяната среда е вода с диспергирани твърди минерални частици или влакнести органични и неорганични отпадъчни субстрати.

Обогатителните фабрики обикновено се нуждаят от хидротранспортна система с дължина няколко десетки метра. Този начин на транспортиране има предимствата, че монтажът на системата не е свързан с големи разходи, транспортирането на хвоста не е скъпо и може да се извършва в непрекъснат и напълно автоматизиран процес. Тъй като отпадъкът се носи от тръби, възможностите за замърсяване на околната среда са минимизирани, няма нужда от голям обслужващ персонал, а работата е безшумна и ефективна.

Сериозно внимание трябва да се обърне на податливостта на хидротранспортната система към износване. Тръбопроводи, тръбна арматура и помпи са чувствителни към силно абразиви частици в хвоста, като например кварц или други твърди скални късчета от полезните изкопаеми. Освен износване може да се получи и запушване на системата при затлачване от суспендирания отпадък. Добре е при избора на материали за изграждане на системата да се има предвид, че разходите за подмяна на амортизирали части от хидротранспортната система, надвишават 50% от всички експлоатационни разходи.

Силата на износване на частите от хидротранспортната система зависи от масата и скоростта на абразивните частици в хвоста, както и от ъгъла, под който те атакуват повърхностите. Влияние оказват и износоустойчивостта на материалите, които изграждат контактната повърхност на системата, и абразивността на частиците. Дължината на тръбната система също има значение, тъй като абразивната способност при повечето частици намалява с увеличаване на транспортното разстояние. Например при увеличаване дължината на транспорт с 20км за пулп от каменни въглища показателят абразивност спада с 80%, за варовик - 60%, а за пясък - 40%.

При различна опасност от износване подходящите материали за хидротранспортна система са различни в зависимост от показателя Ки - коефициент на износоустойчивост. Той показва способността на материала да се противопостави на абразивното действие. Колкото по-висока е стойността му, толкова по-устойчив е даден материал. За стомана 20 Ки=1.0÷1.1, за стомана 40 Ки=1.3, за сив чугун сч. 28-48 Ки=0.5, за гума Ки=3.0÷6.0, при полиуретана Ки=3.0÷8.0, за базалт Ки=6.5, а термоустойчивото стъкло има Ки=10.0. Ако се очаква интензивно износване, още на етап проектиране трябва да се предвиди облицоване на атакуваните повърхности с гума, полиуретан, еластомери, твърди сплави и базалт. Едни от най-уязвимите части са предни и задни плочи на помпите.

Водоподпорни стени
За ограждане на утаечното езеро, в което става утаяване на хвоста и избистряне на технологичната вода, се изграждат водоподпорни преградни стени. Обикновено при хвостохранилищата е възприета технология на поетапно изграждане на земнонасипни и намивни подпорни стени. Първоначалната стена стига до определена кота, която да обезпечи поемането на хвоста в даден период от добива и обогатяването, след което става поетапно надграждане на стената за увеличаване капацитета на хвостохранилището. За изграждането на стените се използват местни земни материали (обикновено от кариерата) и съвременна мощна техника за добив, транспорт и уплътняване. Това позволява бързо изграждане дори на големи стени и заграждане на големи обеми.

Насипните подпорни стени на хвостохранилищата се изграждат в трапецовидна или близка до нея форма. Ако височината е над 10-15m, страните на напречния профил са начупени, с по-полегат откос в долната част. Откосните отношения са функция от височината на стената и вида на използваните материали. Наклонът на откосите при земнонасипните стени е най-често в границите 1:2.2-1:3.5. Билото предпазва от преливане на вода при вълнение и може да се използва като път. Други основни елементи от напречния профил на стената са бермите и дренажите. Бермите предпазват въздушния откос от ерозия при интензивни дъждове, а дренажите увеличават неговата устойчивост.

Броят на бермите по откосите се определя от височината на стената и укрепването на откосите. По въздушния откос се правят берми на всеки 15-20m от височината на стената. Те се изграждат с водоотвеждащи канавки с наклон 1-2%. На водния откос се прави берма под нивото на мъртвия обем за опора на бронята. Обикновено бермите са с ширина 1-3m.

При проектирането на стените се разработват няколко варианта за вида на използваните материали и вида на противофилтрационните устройства и се сравняват стойностите им. При сравнението могат да използват и данни от вече построени аналогични стени. Използваните материали могат да включват глинест пясък, други видове строителни почви и баластра. Най-водоплътният материал се поставя в средата или във водния откос.

Намивните подпорни стени се изграждат като пулпът се намива в тялото на стената. Това става с използване на хидромеханизация. Пулпът е с консистенция от 1:7 до 1:10 в полза на водата. Пулпът се добива със земесмукателни машини, транспортира се по напорни или безнапорни, открити или закрити проводи, и се полага в тялото на стената. При хвостохранилищата е характерно, че има сравнително малка интензивност на намиване. Те нарастват на височина много бавно, в продължение на години и десетилетия. Предимства на намивните стени са, че процесът на изграждане не зависи от климатичните условия, напълно механизиран е, влагат се малко средства дори при големи обеми материал и няма нужда от отбиване на води по време на изграждане. Като недостатъци могат да се посочат големият разход на вода, износването на помпените агрегати и проводите и разходите на енергия за транспорт на пулпа.

Противофилтрационни устройства
Филтрацията се свързва с определено ниво на водата в преградната стена. В напречен разрез представлява депресионна крива. Под нея показателите на почвата се влошават и се получава филтрационен натиск, който влошава устойчивостта на откосите. Така при големи скорости на филтрацията се поучават различни деформации.

Има четири вида противофилтрационни устройства. Единият вид е с екран от глинести материали с коефициент на филтрация Кф=10-7÷10-8cm/s, като стената е от водопропусклива почва – баластра, пясък или глинест пясък. Друг тип устройство ползва непочвен екран от стоманобетон, асфалтобетон или синтетични материали. Трети вариант е с вертикално или наклонено ядро от глинести материали с Кф=10-7÷10-8cm/s, като страничните призми се изграждат от баластра, пясък или глинест пясък. И четвъртият тип е с диафрагми от бетон, асфалтобетон, полимерно фолио или метал, а страничните призми са като в предходния тип. Бетонните и стоманобетонни диафрагми, както и екраните, се изграждат от бетон с якост не по-малко от 20MPa и с водоплътност 0.02÷0.03 от действащия напор.

Когато стената се изгражда върху водопропусклива основа, за намаляване на филтрацията се правят понури. Те са от глинест материал и представляват хоризонтално продължение на ядрото или екрана. Дължината им е (1÷1.5)Н, където Н е напорът на стената. Дебелината се определя от максималния допустим градиент на напора и не бива да е по-малка от 0.5м.

Дренажна система
В стените на хвостохранилищата дренажите понижават депресионната крива и повишават устойчивостта на въздушния откос. Те отвеждат водата, която се филтрира през тялото и основата на стената, без да допускат изтичане по въздушния откос на насипа, като така предотвратяват замръзване и филтрационни деформации. Дренажите се изграждат в основата на въздушния откос от дренажно тяло, обратен филтър и водоотвеждащ колектор.

Дренажите биват: дренажна призма (изгражда се в русловата част на стената от скален материал), наслоен дренаж (когато въздушният откос е потопен от водите, пропускани от преливника), тръбен дренаж (където стената няма да е потопена), хоризонтален дренаж (от надлъжни и напречни дренажни слоеве) и комбиниран дренаж от изброените видове. Водоподпорната стена може да се изгради и без дренаж при наличие на екран, ядро или диафрагма с отвеждане на филтрационната вода, също така и когато въздушната част от насипа е от едрозърнест каменен материал.

Преливни устройства
Отвеждане на избистрената вода от хвостохранилището става чрез преливници. Те имат подход, вход, транзитна и изходна част. Специфичното водно количество на преливните съоръжения е от 50 до 120m3/s при скална и полускална основа и от 10 до 70m3/s при нескална основа. Преливни съоръжения в тялото на стената се изграждат, ако тя е бетонна. Тогава те могат да са повърхностни, сифонни и тръбопроводни. Когато обаче стените са насипни, както е обикновено при хвостохранилищата, преливните съоръжения се изграждат извън тялото на стената. Наричат се скатови преливници. Те са няколко вида според типа на входната си част. При челните преливници преливният ръб е перпендикулярно или косо разположен на хоризонталите. Те увеличават дължината на преливния фронт. При траншейните преливници разположението е по направление на хоризонталите. Те се използват за увеличаване дължината на преливния ръб. Транзитната част може да бъде бързоток с многостъпални прагове, с шахта или тунел.