Двухступенчатый балочно-овражный гидроотвал зернистых отходов промышленных предприятий

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, а именно к гидравлическому складированию зернистых отходов, преимущественно хвостов обогатительных фабрик. Гидроотвал включает перегораживающие понижение две грунтовые плотины, нижняя из которых выполнена с внутренним противофильтрационным устройством и создает нижнюю емкость, а верхняя размещена на расстоянии от нижней плотины на отходах пляжа, намытого в нижнюю емкость до заданного перед нижней плотиной уровня, выполнена фильтрующей и создает верхнюю емкость, пруд осветленной воды, расположенный на отходах пляжа в нижнем бьефе верхней плотины перед верхней частью нижней плотины, систему гидротранспорта и средства подачи воды из пруда осветленной воды на предприятие. Нижняя плотина снабжена наружным противофильтрационным элементом, расположенным по верховому откосу в верхней части нижней плотины, сопряженным с отходами пляжа и, тем самым, предотвращающим свободный доступ воды из пруда осветленной воды в водопроницаемую верховую, по отношению к внутреннему противофильтрационному устройству, часть нижней плотины и обеспечивающим снижение уровня воды непосредственно перед внутренним противофильтрационным устройством нижней плотины. Техническим результатом является увеличение емкости гидроотвала, повышение его надежности за счет снижения уровня воды. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при гидравлическом складировании в понижении местности зернистых отходов промышленных предприятий, преимущественно хвостов обогатительных фабрик.

Известен двухступенчатый (каскадный) балочно-овражный гидроотвал отходов, нижняя и верхняя емкости которого образованы дамбами обвалования, возводимыми из отходов пляжа намыва в процессе заполнения емкости [1]. Создание этого гидроотвала не связано с высокими затратами. Однако он имеет недостаточную надежность, а его область использования ограничена складированием отходов, в которых содержание частиц диаметром свыше 0,074 миллиметра по весу составляет более 50% [2].

Известен многоступенчатый, следовательно, и двухступенчатый балочно-овражный гидроотвал зернистых отходов промышленных предприятий, включающий перегораживающие понижение две грунтовые плотины, нижняя из которых создает нижнюю емкость, а верхняя - верхнюю емкость, систему гидротранспорта и средства возврата воды из отстойного пруда на предприятие. Плотины размещены на естественном основании понижения, при этом верхняя плотина выполнена первой [3]. В таком наливном гидроотвале высокие затраты из-за большого объема земляных работ по возведению каждой плотины на полную от естественного основания высоту вместе с противофильтрационным устройством, низкая эффективность использования объема понижения местности из-за значительного расстояния между плотинами и сложность создания гидроотвала из-за медленного и недостаточно качественного осветления воды в отстойном пруде.

Известен двухступенчатый балочно-овражный гидроотвал зернистых отходов промышленных предприятий, включающий перегораживающие понижения две грунтовые плотины, нижняя из которых выполнена с внутренним противофильтрационным устройством и создает нижнюю емкость, а верхняя размещена на расстоянии от нижней плотины на отходах пляжа, намытого в нижнюю емкость до заданного перед нижней плотиной уровня, выполнена фильтрующей и создает верхнюю емкость. Гидроотвал также содержит пруд осветленной воды, расположенный на отходах пляжа в нижнем бьефе верхней плотины перед верхней частью нижней плотины, систему гидротранспорта и средства подачи воды из пруда осветленной воды на предприятие [4].

Недостатком такого гидроотвала-прототипа является его недостаточная надежность при одновременной ограниченности объемов (высот) его емкостей, как нижней, так и верхней. Этот недостаток обусловлен тем, что между отходами пляжа и внутренним противофильтрационным устройством нижней плотины расположена водопроницаемая верховая, по отношению к внутреннему противофильтрационному устройству, часть тела нижней плотины - верховая боковая призма, в случае выполнения плотины с ядром, или защитный слой ее экрана, в случае выполнения плотины с экраном. В эту водопроницаемую верховую часть тела нижней плотины происходит свободный доступ воды из пруда осветленной воды. В результате чего внутреннее противофильтрационное устройство нижней плотины, включая его сопряжение с основанием, постоянно находится под воздействием относительно высокого давления воды, определяемого ее уровнем непосредственно перед противофильтрационным устройством, которое, в свою очередь, практически равно уровню воды в пруде осветленной воды. Одновременно с этим в процессе создания гидроотвала, как и любого накопителя, его высота и емкость увеличиваются, следовательно, увеличивается и его ответственность. Поэтому класс капитальности гидроотвала, следовательно, и класс капитальности ограждающих сооружений (плотин), должен быть назначен исходя из конечных параметров гидроотвала. Однако на многих гидроотвалах, находящихся в эксплуатации, это требование изначально в полной мере не выполнено. Более того, плотина обычно возводится очередями, при этом конструкция противофильтрационного устройства, особенно его сопряжение с основанием, часто становятся ненадежной при последующих очередях и, по меньшей мере, не обеспечивает защиту подземных и поверхностных вод от загрязнения их стоками из гидроотвала. Поэтому со временем наступает момент, когда наращивание высоты гидроотвала вообще, а нижней плотины при ее существующем состоянии в частности, становится недопустимым. Это обстоятельство ограничивает допустимую высоту, как нижней плотины, так и верхней, что ограничивает объем (высоту) емкости гидроотвала в целом.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение емкости гидроотвала с одновременным повышением его надежности. Технический же результат от использования изобретения заключается в снижении уровня воды непосредственно перед внутренним противофильтрационным устройством нижней плотины.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в двухступенчатом балочно-овражном гидроотвале зернистых отходов промышленных предприятий, включающем перегораживающие понижение две грунтовые плотины, нижняя из которых выполнена с внутренним противофильтрационным устройством и создает нижнюю емкость, а верхняя размещена на расстоянии от нижней плотины на отходах пляжа, намытого в нижнюю емкость до заданного перед нижней плотиной уровня, и выполнена фильтрующей, емкость под пруд осветленной воды, расположенную на отходах пляжа в нижнем бьефе верхней плотины перед верхней частью нижней плотины, систему гидротранспорта и средства подачи воды из пруда осветленной воды на предприятие, согласно изобретению нижняя плотина дополнительно снабжена наружным противофильтрационным элементом. Этот противофильтрационный элемент расположен по верховому откосу в верхней части нижней плотины и сопряжен с отходами пляжа. Такой противофильтрационный элемент предотвращает свободный доступ воды из пруда осветленной воды в водопроницаемую верховую, по отношению к внутреннему противофильтрационному устройству, часть нижней плотины и обеспечивает, тем самым, снижение уровня воды непосредственно перед внутренним противофильтрационным устройством нижней плотины.

Кроме того, нижняя плотина снабжена средством для дополнительного снижения уровня воды непосредственно перед внутренним противофильтрационным устройством нижней плотины до заданного уровня, а наружный противофильтрационный элемент выполнен из отходов в виде призмы, опертой своим основанием на отходы пляжа, или из связного грунта в виде экрана с понуром.

Средство для дополнительного снижения уровня воды содержит, по меньшей мере, одну водопонижающую (то же: водоотливную, дренажную) скважину, выполненную вертикальной или наклонной с гребня нижней плотины, или выполненную горизонтальной с бермы низового откоса нижней плотины и пересекающей в поперечном сечении нижней плотины ее внутреннее противофильтрационное устройство.

Сущность технического решения заключается, прежде всего, в том, что в двухступенчатом гидроотвале свободный доступ сточной воды из прудка осветленной воды к внутреннему противофильтрационному устройству нижней плотины предотвращен наружным противофильтрационным элементом. При этом гидравлическая нагрузка (давление воды) на внутреннее противофильтрационное устройство нижней плотины, в том числе и на элементы его сопряжения с основанием, дополнительно может быть снижена до заданного уровня водопонижающими скважинами, осуществляющими дренирование (водоотлив) водопроницаемой верховой части нижней плотины.

Предлагаемый гидроотвал иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3, при этом на фиг.2 и 3 степень уменьшения горизонтальных размеров в 2.5 раза превышает степень уменьшения вертикальных размеров.

На фиг.1 показан план гидроотвала.

На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, вариант нижней плотины, выполненной с внутренним противофильтрационным устройством в виде ядра, наружным противофильтрационным элементом в верхней части плотины в виде призмы из отходов пляжа и средством для снижения уровня воды перед ядром в виде вертикальных или горизонтальных водопонижающих скважин.

На фиг.3 - разрез А-А на фиг.1, вариант выполнения нижней плотины с внутренним противофильтрационным устройством в виде экрана плотины, покрытого водопроницаемым защитным слоем, наружным противофильтрационным элементом в верхней части плотины в виде экрана с понуром, выполненного из связного грунта, и средством для снижения уровня воды перед экраном плотины в виде наклонных водопонижающих скважин.

Гидроотвал (хвостохранилище) расположен в понижении, образованном оврагом 1 (фиг.1), на естественном основании 2 (фиг.2) и включает перегораживающие понижение две грунтовые плотины, нижняя 3 из которых создает нижнюю емкость 4, а верхняя 5 - верхнюю емкость 6. Нижняя плотина 3 размещена на естественном основании 2 и выполнена с внутренним противофильтрационным устройством в виде ядра 7 (фиг.2) или экрана 8 (фиг.3). Верхняя плотина 5 выполнена фильтрующей из гравийно-галечникового грунта, расположена на отходах пляжа 9, намытого в нижнюю емкость 4 до заданного перед плотиной 3 уровня, и на расстоянии от нижней плотины 3, достаточном для образования в нижнем бьефе верхней плотины 5 перед верхней частью нижней плотины 3 емкости под пруд осветленной воды 10. Отходы пляжа 9 при намыве в нижнюю емкость 4 прилегают к выполненной из каменной наброски верховой призме 11, в случае выполнения нижней плотины 3 с ядром 7, или к выполненному из гравийно-галечникового грунта защитному слою 12, в случае выполнения нижней плотины 3 с экраном 8. Система гидротранспорта включает пульпопроводы магистральные и распределительные, которые в плане при складировании отходов имеют переменное местоположение и на чертежах не показаны. В борту понижения, между нижней плотиной 3 и верхней 5, выполнена насосная станция 13, которая обеспечивает подачу воды по трубопроводу 14 на предприятие из пруда осветленной воды 10 и, при необходимости, из отстойного пруда 15. С последним насосная станция 13 гидравлически сообщена посредством водосбросного колодца 16 и самотечного напорного водовода 17.

Нижняя плотина 3 дополнительно снабжена наружным противофильтрационным элементом, который расположен по верховому откосу 18 в верхней части нижней плотины 3 и выполнен из отходов пляжа в виде призмы 19, опертой своим основанием на отходы пляжа 9 (фиг.2) или из связного грунта в виде экрана 20, сопряженного с отходами пляжа 9 посредством понура 21 (фиг.3). Нижняя плотина 3 также дополнительно снабжена средством, обеспечивающим снижение уровня воды непосредственно перед ее внутренним противофильтрационным устройством (ядром 7 или экраном 8) до заданного уровня 22. Это средство содержит водопонижающие скважины вертикальные 23, или горизонтальные 24 (фиг.2), или наклонные 25 (фиг.3).

Водопонижающие скважины вертикальные 23 и наклонные 25 выполняются с гребня нижней плотины 3, а горизонтальные 24 - с бермы 26 низового откоса 27 нижней плотины 3 и с пересечением ими внутреннего противофильтрационного устройства (ядра 7 или экрана 8) нижней плотины 3.

На фиг.1-3 обозначены и другие элементы гидроотвала, а именно:

28 - нагорная канава;

29 - пригрузочно-дренажная призма;

30 - защитный слой наружной призмы или экрана;

31 - промежуточный уровень воды;

32 - уровень в прудке осветленной воды;

33 - поверхностный водосброс;

34 - плотина-насыпь;

35 - аварийная емкость;

36 - переходный слой;

37 - отходы пляжа в верхней емкости;

38 - понур экрана в основании нижней плотины;

39 - дорога;

Создание гидроотвала и его работа осуществляются следующим образом.

Возводится, обычно очередями, нижняя плотина 3 и выполняются нагорные канавы 28, после чего осуществляется намыв отходов (хвостов) в нижнюю емкость 4 с образованием у плотины 3 пляжа 9, а на противоположном конце нижней емкости 4 - отстойного пруда, забор воды из которого осуществляется плавучим водозабором (не показаны). После возведения нижней плотины 3 на полную высоту нижняя емкость 4 заполняется до заданного перед нижней плотиной 3 уровня отходов пляжа 9, после чего осуществляются работы по усилению основания верхней плотины 5 известными способами - прежде всего отсыпкой из вскрышных пород пригрузочно-дренажной призмы 29. Одновременно с этим на верховом откосе 18 плотины 3, между ее гребнем и отходами пляжа 9, выполняется из отходов пляжа наружная призма 19 (фиг.2) или из связного грунта наружный экран 20 с понуром 21 (фиг.3), которые покрываются защитным слоем 30. После этого возводится фильтрующая верховая плотина 5 с образованием в ее верхнем бьефе верхней емкости 6, а в ее нижнем бьефе на отходах пляжа 9, между плотинами 3 и 5, - емкости под пруд осветленной воды 10. Возводятся сооружения, необходимые для подачи воды на предприятие из пруда осветленной воды 10 и из отстойного пруда 15: насосная станция 13, водосбросной колодец 16, напорный водовод 17 и другие. После чего перекладываются пульпопроводы и осуществляется намыв отходов в верхнюю емкость 6 с образованием перед верховой плотиной 5 отстойного пруда 15 и заполнением водой, профильтровавшейся через верховую плотину 5, емкости пруда осветленной воды 10. При этом во время фильтрационного перетекания воды через верховую плотину 5 естественным путем происходит ее качественное осветление.

Наружный противофильтрационный элемент из отходов в виде призмы 19 (фиг.2) предотвращает свободный доступ воды в верховую призму 11 нижней плотины 3 из пруда осветленной воды 10. В результате этого непосредственно перед ядром 7 устанавливается промежуточный уровень воды 31, который на величину h₁ ниже уровня воды 32 в пруде осветленной воды 10. За счет этого снижается гидравлическая нагрузка как на ядро 7, так и на его сопряжение с основанием, следовательно, повышается надежность как нижней плотины 3, так и надежность гидроотвала в целом. При этом уменьшается фильтрация стоков из гидроотвала, что повышает надежность защиты подземных и поверхностных вод от загрязнения. Величина снижения уровня воды h₁ зависит от соотношения водопроницаемостей наружной призмы 19, отходов пляжа 9, ядра 7, сопряжения ядра 7 с основанием 2 и их геометрических размеров. Эта величина может быть определена приближенно расчетным путем и уточнена наблюдательными скважинами (не показаны) при создании гидроотвала.

Наружный противофильтрационный элемент из связного грунта, выполненный в виде экрана 20 и понура 21 (фиг.3), может более эффективно предотвратить доступ воды, например, в защитный слой 12 экрана 8. Это снизит промежуточный уровень воды 31 на большую величину h₁, что более существенно повысит надежность гидроотвала. Однако, наибольший эффект может быть получен при использовании водопонижающих скважин 23, 24 и 25. Эти скважины позволяют осуществить дополнительное снижение уровня воды непосредственно перед ядром 7 (фиг.2) или перед экраном 8 (фиг.3) нижней плотины 3 на заданную величину h₂ до заданного уровня 22. Это превратит водопроницаемую верховую часть плотины (верховую призму или защитный слой экрана плотины) в качественный водоприемный элемент высокоэффективного дренажа. Водоотлив из вертикальных скважин 23 и наклонных скважин 25 при эксплуатации золоотвала осуществляется обычно прерывно посредством опускных глубинных насосов (не показаны), а из горизонтальных скважин 24 - непрерывно самотеком.

Все это в существенной мере обеспечивает консолидацию отходов пляжа 9 и уплотнение этих отходов фильтрационным потоком, что повышает их несущую способность. Последнее обстоятельство позволяет возвести верховую плотину 5 на большую высоту и тем самым увеличить емкость гидроотвала, причем без снижения его надежности.

Расстояние между водопонижающими скважинами, следовательно, и их количество определяются расчетным путем и уточняются при создании гидроотвала с использованием наблюдательных скважин. Вода от водопонижающих скважин подается в систему оборотного водоснабжения предприятия преимущественно через пруд осветленной воды 10.

От переполнения пруд осветленной воды 10 предохраняется поверхностным водосбросом 33. При этом в нижнем бьефе плотины 3 посредством плотины-насыпи 34 выполняется аварийная емкость 35.

В изобретении в полной мере реализуется технический результат прототипа (уменьшены объемы строительных работ и повышено качество оборотной воды) и дополнительно увеличена емкость гидроотвала с одновременным повышением его надежности за счет снижения уровня воды непосредственно перед внутренним противофильтрационным устройством нижней плотины.

Источники информации

1. Мелентьев В.А., Павчич М.П. Катастрофические аварии хвостохранилищ // Гидротехническое строительство, 1986, №11.

2. Рекомендации по проектированию и строительству шламонакопителей и хвостохранилищ металлургической промышленности / ВНИИ ВОДГЕО.: Стройиздат, 1986, с.70-72.

3. Патент РФ №2157869, кл. Е02В 7/06, опубл. 20.10.2000.

4. Патент РФ №2275458, кл. Е02В 3/16, Е02В 7/06, опубл. 27.04.2006 - прототип.

1. Двухступенчатый балочно-овражный гидроотвал зернистых отходов промышленных предприятий, включающий перегораживающие понижение две грунтовые плотины, нижняя из которых выполнена с внутренним противофильтрационным устройством и создает нижнюю емкость, верхняя размещена на расстоянии от нижней плотины на отходах пляжа, намытого в нижнюю емкость до заданного перед нижней плотиной уровня, выполнена фильтрующей и создает верхнюю емкость, пруд осветленной воды, расположенный на отходах пляжа в нижнем бьефе верхней плотины перед верхней частью нижней плотины, систему гидротранспорта и средства подачи воды из пруда осветленной воды на предприятие, отличающийся тем, что нижняя плотина дополнительно снабжена наружным противофильтрационным элементом, расположенным по верховому откосу в верхней части нижней плотины, сопряженным с отходами пляжа и, тем самым, предотвращающим свободный доступ воды из пруда осветленной воды в водопроницаемую верховую, по отношению к внутреннему противофильтрационному устройству, часть нижней плотины и обеспечивающим снижение уровня воды непосредственно перед внутренним противофильтрационным устройством нижней плотины.

2. Гидроотвал по п.1, отличающийся тем, что нижняя плотина снабжена средством для дополнительного снижения уровня воды непосредственно перед внутренним противофильтрационным устройством нижней плотины до заданного уровня.

3. Гидроотвал по п.1, отличающийся тем, что наружный противофильтрационный элемент выполнен из отходов в виде призмы, опертой своим основанием на отходы пляжа, или из связного грунта в виде экрана с понуром.

4. Гидроотвал по п.2, отличающийся тем, что средство для дополнительного снижения уровня воды содержит, по меньшей мере, одну водопонижающую скважину, выполненную вертикальной или наклонной с гребня нижней плотины, или выполненную горизонтальной с бермы низового откоса нижней плотины и пересекающей в поперечном сечении нижней плотины ее внутреннее противофильтрационное устройство.