Складирование золошлаковых отходов ТЭС в карьерах

Актуальность работы. Золошлаковые отходы тепловых электростанций (ТЭС) представляют одну из глобальных экологических проблем. На теплоэнергетических предприятиях юга Красноярского края ежегодно образуется более 1,2 млн. т золы и шлака. На территории Сибири нет золоотвалов, полностью отвечающих основным требованиям по надежности и экологической безопасности, предъявляемым действующими инструктивно-нормативными документами.

Многие гидрозолоотвалы находятся в предаварийном состоянии по ряду параметров: переполнениенеудовлетворительная работа водосбросовнесоответствие профилей дамб и заложения откосов проектным величинамнеэффективная работа или отказы дренажей и противофильтрационных устройствдеформации дамб на слабых основанияхнесоответствие проектных решений сложным мерзлотно-климатическим условиям регионатехнологические осложнения, связанные с гидроледотермическими и криогенными процессамипыление и отсутствие апробированных способов борьбы с нимотсутствие контрольно-измерительной аппаратуры и систематических наблюдений и, как следствие, низкий технический уровень эксплуатации гидрозолоотвалов.

Проблема расширения, наращивания и ввода в эксплуатацию новых гидрозолоотвалов будет решена более эффективно при соблюдении современных экологических требований. Несмотря на устройство отвалов из вскрышных пород в отработанном пространстве, дефициты объема в карьерных выработках достигают свыше 10 миллионов кубометров в год. Захоронение золошлаков в карьерах будет иметь положительный экологический эффект и рекомендуется для широкого внедрения в Канско-Ачинском бассейне.

Главными преимуществами этой технологии является значительное сокращение площадей, занятых под золоотвалы, снижение объемов естественных почвогрунтов, необходимых для рекультивации выработок и расходов на их доставку и укладку, а также компенсация дефицита объема карьерного пространства, образовавшегося после извлечения угля.

Цель исследований. Обоснование и разработка конструктивно-технологического решения насыпного золоотвала в отработанных пространствах угольных разрезов в условиях Восточной Сибири.

Задачи исследования, поставленные и решённые для достижения указанной цели.

1. Выполнить анализ известных технологий складирования зернистых (сыпучих) отходов промышленных производств в карьерных выработках добывающих предприятий.

2. Выполнить экспериментальные исследования физико-химических свойств смеси золошлаковых отходов и отвальных пород и проанализировать их взаимодействие и влияние на окружающую среду при совместном складировании в карьере.

3. Обосновать предлагаемую конструкцию карьерного насыпного золоотвала с комбинированной дренажной системой на основе численного моделирования ее фильтрационного режима.

4. Определить минимальную высоту годового слоя складируемых золошлаковых отходов на основе исследований процесса инфильтрационного насыщения насыпи и составить рекомендации по технологии складирования отходов в выработках карьеров.

Методы исследований.

При численном моделировании фильтрационного режима использовалось алгоритмическое и математическое обеспечение с применением метода конечных разностей.

Геохимические и геоэкологические натурные исследования золошлаковых отходов ТЭС и отвальных пород угольных разрезов проводились с использованием полуколичественного спектрального анализа и метода химического анализа водных вытяжек.

Расчет инфильтрации влаги в неоднородной сыпучей среде проведен с использованием достаточно апробированных аналитических зависимостей.

Научная новизна полученных результатов.

1. Впервые разработаны научные основы складирования золошлаковых отходов ТЭС в карьерных выработках Канско-Ачинского угольного бассейна, обеспечивающие сохранение высокой водопоглощающей способности золошлаков и бессточность насыпного золоотвала.

2. Обосновано новое конструктивно-технологическое решение насыпного золоотвала с дренажной системой в основании и по борту карьера, отделяющей природный подземный поток от инфильтрующихся атмосферных осадков и предотвращающей загрязнение подземных вод.

3. Впервые исследован процесс инфильтрации атмосферных осадков в насыпи золоотвала при нижнем граничном условии, определяемом заданным уровнем воды в дренажном слое основания.

4. Впервые обоснованы рекомендации по складированию золошлаковых отходов ярусами определенной высоты, обеспечивающей накопление и консервацию влаги в поровом пространстве насыпи.

Практическая значимость исследования.

1. Разработана комбинированная дренажная система с наклонным дренажем по борту карьера и дренажным слоем в основании, обеспечивающая полный перехват притока подземных вод и предотвращающая их проникновение в золошлаковый массив.

2. Рекомендована упрочняющая планировка борта карьера, включающая послойную отсыпку и уплотнение призмы из вскрышных грунтов и обеспечивающая устойчивость борта и возможность устройства наклонного участка дренажа.

3. Для обеспечения полного перехвата природного подземного потока и исключения проникновения сточных вод в основание рекомендуется безнапорный режим работы дренажной системы.

4. Сформулированы рекомендации по определению минимальной высоты отсыпаемого яруса, достаточной для удерживания инфильтрационного притока атмосферных вод в поровом пространстве золошлакового массива.

5. Предложенное конструктивно-технологическое решение складирования осушенных золошлаков из гидроотвалов ТЭС в выработанном пространстве карьеров может быть использовано при проектировании природоохранных и рекультивационных мероприятий.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Экспериментально установленные закономерности, характеризующие влияние золы на химические свойства и токсичность грунтов угольных карьеров.

2. Результаты исследований фильтрационного режима насыпного золоотвала, определяющие природоохранную технологию его возведения.

3. Результаты исследования процесса инфильтрационного стока в насыпи золоотвала при нижнем граничном условии, определяемом заданным уровнем воды в дренажном слое основания.

4. Предложения по технологии поярусного складирования золошлаковых отходов в выработанном пространстве горных выработок, обеспечивающие полную консервацию в насыпи атмосферных вод.

5. Конструктивно-технологическое решение насыпного золоотвала с дренажной системой в основании, позволяющее минимизировать загрязнение окружающей среды.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы рекомендованы для внедрения на предприятиях энергосистем Центральной и Восточной Сибири.

Выполнены экологические обоснования удаления золошлаковых отходов в отвалы угольных разрезов для Назаровской ГРЭС и Березовской ГРЭС-1, утвержденные Государственной экологической экспертизой.

Получены акты об использовании материалов диссертационных исследований при проектировании и эксплуатации мест хранения золошлаковых отходов Назаровской ГРЭС и Березовской ГРЭС-1.

Результаты работы нашли применение в учебном процессе по дисциплине «Экологически безопасная добыча полезных ископаемых» на кафедре «Инженерная экология» ПИ СФУ.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных вычислительных программ и методик, подтверждается натурными наблюдениями за формированием насыпного золоотвала в Назаровском разрезе.

Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке задачи и проведении экспериментальных исследований химических свойств золошлаков и грунтов, разработке технологии складирования золошлаковых отходов, обосновании модели инфильтрации атмосферных вод в массиве золошлаков.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на VII Всероссийской научной конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» -Красноярск, 2003 гIII научно-практической конференции «Проблемы защиты населения и территории от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» — Красноярск, ИВМ СО РАН, 2003 гXVII Всероссийском совещании по подземным водам Востока РоссииКрасноярск, 2003 гнаучно-практической конференция «Современные проблемы водохозяйственного и гидроэнергетического строительства» Новосибирск, 2003 гШестом международном конгрессе «Вода: экология и технология», Экватэк-2004 — Москва, 2004 гЧетвертом Международном конгрессе по управлению отходами ВэйстТэк-2005 — Москва, 2005 гXI Всероссийском угольном совещании — Ростов-на-Дону, 2005 г- 10-й Международной конференции ACUUS «Подземное пространство: экономика и окружающая среда» и региональному симпозиуму ISRM «Механика горных пород для подземной среды» — Москва, 2005 г;

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ. Из них 1 — в рецензируемых изданиях по перечню ВАК, 4 — в сборниках материалов международных конференций.

Выводы к главе 4.

Разработаны рекомендации по расчету инфильтрационного режима золошлаковой насыпи, основанная на возможность консервации жидких осадков в поровом пространстве золошлаковой среды, определены основные инфильтрационные параметры насыпи: глубина инфильтрации, скорость инфильтрации и скорость движения фронта промачивания.

Эти рекомендации учитывают:

• отсутствие слоя воды на поверхности насыпи;

• фильтрационную изотропию массива золошлаков при вертикальном переносе в зоне аэрации;

• граничные условие, определяемое уровнем воды в дренажном слое основания;

• водно-физические свойства золошлаковой сыпучей среды, влияющие на влагоперенос (естественная влажность, полная влагоемкость, дефицит влагонасыщения, пористость, высота капиллярного поднятия, коэффициент фильтрации среды);

• интенсивность инфильтрационного питания насыпного золоотвала, рассматриваемого как зона аэрации;

• время инфильтрационного питания массива.

Для условий Назаровской ГРЭС проведен инфильтрационный расчет, в результате которого определено, что при максимально возможной суточной интенсивности глубина промачивания не превысит 0,54 м/сут в самой неблагоприятной ситуации.

Определена необходимая и достаточная минимальная толщина яруса отсыпки золошлаковых отходов (для назаровских золошлаков равная 1,7 м), обеспечивающая полную консервацию вод атмосферных осадков и, следовательно, бессточность насыпи.

Заключение

.

Результаты расчетов токсичности золошлаковых отходов и отвальных пород разрезов показали, что они относятся к четвертому классу токсичности и являются малоопасными, что позволяет размещать золошлаки в выработках карьеров в соответствии с действующими нормами.

Экспериментальные исследования геохимического взаимодействия золошлаковых отходов и отвальных пород доказали, что внесение золошлаков в отвальные грунты является определяющим фактором для эколого-геохимических свойств получаемой смеси и обуславливает ее высокую химическую активность. Увеличение доли золы приводит к накоплению в полученной среде В, Sr, Си, Ва, Zn, в то же время содержание V, Be, Ni, Со, Мп, отличавшихся более высокой активностью в золе, уменьшились.

Установлено, что при смешивании золошлаков и отвальных грунтов существенно уменьшается водопоглощающая и кольматационная способность, присущая золошлакам, что негативно отражается на инфильтрационных характеристиках массива в целом. Поэтому рекомендуется только послойное совместное складирование золошлаковых отходов и отвальных пород с обязательным уплотнением слоев.

На основе математического моделирования фильтрационного режима послойно наращиваемого массива золошлаковых отходов в выработанном пространстве угольного разреза, обоснованы параметры комбинированной дренажной системы, исключающей фильтрацию в массиве насыпного золоотвала. Рекомендована минимальная толщина дренажного слоя в основании 1,0 м, наклонного вдоль борта карьера — 0,5 м.

На основе расчетов инфильтрационного водонасыщения золоотвала определена необходимая и достаточная минимальная толщина яруса отсыпки золошлаковых отходов (для назаровских золошлаков равная 1,7 м), обеспечивающая полную консервацию вод атмосферных осадков и, следовательно, бессточность насыпи.

Научно обосновано и разработано конструктивное решение насыпного золоотвала в карьере, в котором управление состоянием массива насыпи осуществляется посредством устройства безнапорной дренажной системы, отделяющей природный поток подземных вод от загрязненных инфильтрационных вод, что повышает экологическую безопасность сооружения.