Стефанишин Д.В., д. т. н., п. н. с. (ВНДІГ ім. Б. Є. Вєдєнєєва, м. Санкт-Петербург), проф. (Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне)

Розглянуто основні проблеми забезпечення надійності дамб хвостосховищ гірничо-збагачувальних комбінатів. В порівнянні з ґрунтовими греблями водосховищ проаналізовано основні фактори, що визначають аварійність дамб хвостосховищ в процесі експлуатації.

The main problems of the reliability assurance of tailing dams have been considered. In comparison with reservoir earth fill dams the main factors determining failures of tailings dams under exploitation have been analyzed.

Дамби огородження гірничо-збагачувальних комбінатів (ГЗК), де використовуються «мокрі» способи збагачення корисних копалин й складування відходів (хвостів), з погляду забезпечення надійності представляють унікальні проблеми, багато в чому відмінні від подібних проблем ґрунтових гребель водосховищ. Розходження ці досить істотні, незважаючи на однаковий напірний статус і спільні риси у функціональному призначенні цих споруд.

Основні фактори, які визначають відмінності у формуванні надійності цих двох типів ґрунтових гідроспоруд при експлуатації, наступні [1, 2].

1. Суб'єктивні фактори. Водонапірні греблі з ґрунтових матеріалів зазвичай є основною складовою частиною престижних інженерних проектів (гідровузлів). Деякі з ґрунтових гідроспоруд за інженерним задумом і красою втілення (наприклад, Асуанська й Мінгечаурська греблі), являють собою неповторні досягнення цивілізації ХХ ст., отримали статус архітектурних пам'ятників загальносвітового значення. Дамби хвостосховищ входять до другорядних, не престижних об'єктів, призначення яких у складі ГЗК - зберігання відходів подалі від людського ока. Відповідно, істотно розрізняються суб'єктивні обставини за яких приймаються рішення щодо надійності гребель водосховищ і дамб хвостосховищ при їх проектуванні, будівництві й експлуатації. аварійність дамба хвостосховище гірничий

2. Об'єктивні фактори. Греблі водосховищ й дамби хвостосховищ суттєво розрізняються за характером експлуатації. Ґрунтові греблі зазвичай будуються протягом декількох років і на повну висоту, й надалі експлуатуються у відносно стабільних проектних режимах. Дамби хвостосховищ можуть знаходитися в стані перманентного будівництва протягом усього терміну служби хвостосховища, з нарощуванням споруд у висоту й в довжину. Для дамб хвостосховищ досить важко розділити стадії власне будівництва й експлуатації. Тривалі строки перманентного будівництва затрудняють забезпечення високих стандартів якості гідроспоруд. Варто також враховувати розходження (іноді досить істотні) у проектних рішеннях, що стосуються первинних дамб і дамб нарощування хвостосховища, прийнятих після десяти й більше років існування накопичувача.

3. Об'єктивно-суб'єктивні фактори. Мають місце значні відмінності в проектних і конструктивних рішеннях, процесах, що протікають у тілі споруд і основах, у виборі матеріалів при будівництві ґрунтових гребель водосховищ і дамб хвостосховищ. Наприклад, на відміну від ґрунтових гребель водосховищ водоскидні споруди яких, як правило, намагаються виносити за межі гребель, водоскидні колектори хвостосховищ, зазвичай, розміщують в тілі напірних дамб або в їхніх основах, створюючи, таким чином, додаткові ослаблення в напірному фронті. Матеріалами для будівництва ґрунтових гребель, здебільшого, є спеціально підібрані природні ґрунти або суміші ґрунтів. Дамби хвостосховищ досить часто будуються з відходів збагачення руд, фізико-механічні характеристики яких не завжди можуть бути об'єктивно встановлені й змінюються в часі.

Дамби хвостосховищ як об'єкти напірного фронту є настільки ж відповідальними, як і ґрунтові греблі водосховищ (у всіх аспектах - економічному, екологічному, соціальному), і вимоги до їхньої надійності повинні бути однаковими. Однак на практиці при експлуатації дамб хвостосховищ вимогами рівної надійності з греблями водосховищ досить часто нехтують.

Як й у випадку з ґрунтовими греблями водосховищ, відмови й аварії на дамбах хвостосховищ носять системний характер і можуть призводити до різних збитків та шкоди, як економічного, так і соціально-екологічного характеру. Вихід з ладу хвостосховища, як одного із ключових елементів єдиної системи гідротранспорту, складування хвостів й оборотного водопостачання ГЗК може викликати порушення всього технологічного циклу збагачення руд зі значними економічними збитками для підприємства. При вичерпанні корисної ємності чи призупинення експлуатації хвостосховища внаслідок недостатньої надійності дамб постають проблеми будівництва нового хвостосховища з організацією землевідводу тощо. Відновлення працездатного стану дамб хвостосховища, на якому відбулася аварія, вимагає часу й проведення дорогих ремонтно-відновлювальних робіт.

Особливу проблему представляють прориви дамб хвостосховищ з викидом накопичених хвостів на прилеглі території з непередбачуваними, катастрофічними наслідками для населення й довкілля. Такі аварії слід розглядати в аспекті техногенної безпеки. Відомі численні приклади катастрофічних аварій на дамбах хвостосховищ, що призводили до численних жертв й масштабного забруднення навколишнього природного середовища [3-8].

Як приклади особливо катастрофічних за наслідками аварій на дамбах хвостосховищ слід нагадати:

1) катастрофічне руйнування дамби хвостосховища Буффало Крик у Західній Вирджинії (США) 26.02.1972 р. (рис. 1); під час аварії загинуло 125 людей; гідродинамічна хвиля, загальним об'ємом біля 500 тис. м3, пройшла відстань в 27 км;

2) руйнування дамби хвостосховища шахти Бафокен Платинум Майн в 1974 р. в Південній Африці; загинуло 12 гірників; гідродинамічна хвиля, загальним об'ємом біля 3 млн. м3 пройшла відстань в 45 км;

3) каскадне руйнування двох дамб хвостосховища Става 19.07.1985 р. на півночі Італії (рис. 2); 200 тис. м3 відходів хлинули на містечка Става і Тезеро, пройшовши відстань в 4,2 км зі швидкістю від 30 до 90 км/год; під час аварії загинуло 268 людей;

4) руйнування в результаті шторму и сильних дощів дамби хвостосховища Хармоні майн в Мерріспруйт (Південна Африка) 22.02.1994 р. (рис. 3) з викидом біля 600 тис. м3 забрудненої води й відходів; потік хвостів пройшов відстань в 4 км; загинуло 17 людей.

Рис. 1. Аварія на хвостосховищі Буффало Крик 26.02.1972 р. (Buffalo Creek, West Virginia) в США (Tailing dams\Voices of Buffalo Creek.htm)

Рис. 2. Аварія на хвостосховищі Става (Stava, Trento) 19.07.1985 р. в Італії (Tailing dams\Stava 1985 Foundation.htm)

Рис. 3. Аварія на хвостосховищі Хармоні майн в Мерріспруйт

(Harmony Mine, Merriespruit) 22.02.1994 р. в ПАР

Рис. 4. Катастрофічний зсув на вугільному відвалі Аберфан (Aberfan, Wales) 21.10. 1966 г. у Великій Британії (Tailing dams\Aberfan Disaster.htm)

До аварії Після аварії

Рис. 5. Аварія на випаровувальному басейні хвостосховища Малвезі (Malvйsi, Aude) 20.03.2004 г. у Франції (Tailing dams\Dam failure of decantation pond at Malvйsi conversion plant (France).htm)

Мали місце також катастрофічні аварії на вугільних відвалах (рис. 4), дамбах випаровувальних басейнів (рис. 5) та на інших об'єктах, які в науково-технічній літературі прийнято класифікувати як хвостосховища. Серед найбільш сумно відомих аварій на вугільних відвалах слід згадати катастрофічний зсув об'ємом біля 160 тис. м3 на відвалі Аберфан 21.10.1966 р. у Великій Британії, що забрав 144 життів. Серед жертв більшість були діти-школярі. Аварія на відвалі відбулася внаслідок раптового розрідження ґрунту ослабленого прошарку, обводненого в результаті сильних дощів.

З 1965 року, за даними відкритих джерел [3-8], зафіксовано 81 випадок катастрофічних аварій на хвостосховищах різного типу та призначення. Незважаючи на посилення уваги фахівців до проблем забезпечення надійності й безпеки дамб хвостосховищ, що намітилося в останні роки, певні успіхи, досягнуті в інженерному виконанні й експлуатації таких споруд, імовірність нових катастрофічних аварій на хвостосховищах залишається досить високою. За найбільш оптимістичними оцінками ймовірність аварій на дамбах хвостосховищ на разі перевищує таку на ґрунтових греблях водосховищ не менш ніж на порядок.

При цьому якщо досягнення в області забезпечення надійності ґрунтових гребель водосховищ підтверджуються поступовим зниженням в часі частот аварій на них [9, 10], то справи із частотами аварій на дамбах хвостосховищ усе ще бажають кращого.

На рис. 6 приводиться графік розподілу частот катастрофічних аварій на хвостосховищах, побудований за даними про аварії, що представлені в [3-8]. Графік наглядно демонструє відсутність суттєвого прогресу в забезпеченні надійності дамб хвостосховищ, вираженій статистикою аварій на них за останні 40 років.

Зазвичай «піки» частот аварій на дамбах хвостосховищ припадають на роки, коли мали місце природні катаклізми - землетруси, тайфуни тощо.

Рис. 6. Розподіл частот катастрофічних аварій на хвостосховищах

(за даними [3-8])

Варто також звернути увагу на особливості прояву різних безпосередніх причин, що призводять до руйнування дамб хвостосховищ, у порівнянні із ґрунтовими греблями водосховищ (рис. 7).

Так, найбільш імовірною причиною руйнувань ґрунтових гребель за статистикою є внутрішня ерозія, спричинена втратою фільтраційної міцності (суфозією) тіла або основи споруд. Із цією причиною пов'язують біля 60% всіх руйнувань ґрунтових гребель водосховищ. Для дамб хвостосховищ найбільш імовірною безпосередньою причиною руйнування слід визнати втрату стійкості укосів з наступним їх зрушенням (зсувом). З порушенням стійкості укосів пов'язують більш ніж 34% всіх катастрофічних аварій на дамбах хвостосховищ. При цьому для ґрунтових гребель водосховищ цей показник складає лише біля 5%.

Рис. 7. «Дольова» значимість безпосередніх причин катастрофічних руйнувань дамб хвостосховищ і ґрунтових гребель водосховищ

Якщо врахувати безсумнівний прогрес у розрахунках ґрунтових укосів на стійкість, досягнутий останнім часом, то факт відносно низької надійності укосів дамб хвостосховищ проти зсуву в порівнянні з ґрунтовими греблями водосховищ повинен насторожувати. Зокрема це може свідчити про досить низьку інженерну культуру будівництва й експлуатації дамб хвостосховищ. Про негативну роль людського фактора в аспекті надійності дамб хвостосховищ може свідчити також досить високий відсоток (16%) невстановлених причин їх руйнування в порівнянні із ґрунтовими греблями водосховищ (усього близько 2%).

У цілому аналіз причин аварійності на дамбах хвостосховищ показує, що до 80% аварій і порушень, пов'язаних з експлуатацією цих об'єктів, в тій чи іншій мірі, визначаються суб'єктивними факторами. Переважно це некомпетентність і безтурботність, викликані нерозумінням всіх складностей проектування, будівництва й експлуатації хвостосховищ, недоврахування можливого ризику, пов'язаного з їх експлуатацією.

Серед інших факторів, що ускладнюють ситуацію з забезпеченням надійності дамб хвостосховищ, варто також виділити.

1. Перманентні зміни в процесі служби хвостосховища його технологічних параметрів (висоти, закладення укосів дамб, обсягів і виду складованих відходів) і режимів експлуатації (способів складування відходів, методів консервації тощо), що ускладнює вибір розрахункових схем, розрахункових навантажень і впливів, параметрів навантажень і впливів, показники яких постійно змінюються в часі.

2. Стохастична, просторова й часова мінливість властивостей складованих матеріалів (хвостів), що формують тіло хвостосховища, дамб та їх основ, у тому числі й зміна цих властивостей внаслідок різного роду фізико-хімічних перетворень в середовищах і життєдіяльності мікроорганізмів. Так, деякі з бактерій у процесі життєдіяльності сприяють появі пливунних властивостей у хвостових пісках, розрідженню й розпушенню пилуватих і глинистих хвостів. Слід також відзначити, що процеси ущільнення й зміцнення намитих у гідровідвал хвостів триває як мінімум 10...12 років, а не 2...3 місяці, як це має місце й приймається для піщаних ґрунтів, намитих у тіло ґрунтових гребель намивного типу або в основи для будівництва житлових будинків і промислових споруд. При цьому намиті хвости мають різний опір зрушення в площинах нашарувань й у площинах, перпендикулярних нашаруванням (на 15...20 % менше). Суттєво можуть відрізнятися й показники фільтрації в напрямку нашарувань і в перпендикулярному напрямку.

Література

1. Беллендир Е.Н., Ивашинцов Д.А., Стефанишин Д.В. и др. Вероятностные методы оценки надежности грунтовых гидротехнических сооружений// СПб.: В 2-х томах. Изд-во ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», 2003, 2004.

2. Сольский С.В., Стефанишин Д.В. и др. Надежность накопителей промышленных и бытовых отходов. СПб.: Изд-во ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», 2006.

3. Tailings Dam Incidents. U.S. Committee on Large Dams - USCOLD, Denver, Colorado, ISBN 1-884575-03-X, 1994.

4. Environmental and Safety Incidents concerning Tailings Dams at Mines: Results of a Survey for the years 1980-1996 by Mining Journal Research Services; a report prepared for United Nations Environment Programme, Industry and Environment. Paris, 1996.

5. Tailings Dams - Risk of Dangerous Occurrences, Lessons learnt from practical experiences. Bulletin 121. Published by United Nations Environmental Programme (UNEP) Division of Technology, Industry and Economics (DTIE) and International Commission on Large Dams (ICOLD), Paris 2001.

6. United Nations Environment Programme - Industry and Environment: Environmental and Safety Incidents concerning Tailings Dams at Mines, Results of a Survey for the years 1980-1996, May 1996.

7. United States Committee on Large Dams: Tailings Dam Incidents, Denver, CO, November 1994.

8. U.S. Nuclear Regulatory Commission: Regulatory Guide 3.11.1, Rev. 1, Operational Inspection and Surveillance of Embankment Retention Systems for Uranium Mill Tailings, October 1980.

9. Lebreton A. Les ruptures et accidents graves de barrages// La Houille Blanches. 1985. 6/7. P.529-544.

10. Стефанишин Д.В. Статистичні оцінки аварійності гребель// Вісник НУВГП. Збірник наукових праць. Випуск 3 (35). Рівне: НУВГП. 2006. С.111-117.

Размещено на Allbest.ru