Автор: Г. А. Ворошилов, к. т. н., ОАО «Уралмеханобр», Научно-исследовательский и проектный институт обогащения и механической обработки полезных ископаемых
В конце 2009 года в городе Нижнем Тагиле Свердловской области на главном карьере ОАО «Высокогорский ГОК», используемом в качестве шламохранилища хвостов МОФ-2, произошел прорыв около 250 тыс. куб. м шламов (в виде пульпы с содержанием твердого – 12 %) через карстовую зону в шахту «Магнетитовая», расположенную под карьером. При этом были снесены водоустойчивые перемычки в квершлагах шахты, затоплена и заилена насосная станция шахтного водоотлива и часть горизонта –130 м.
Город Нижний Тагил и примыкающая к нему территория и до этой аварии находились в зоне чрезвычайной экологической ситуации, в наибольшей степени характеризующей общее неблагоприятное экологическое состояние промышленной территории Среднего Урала.
Разработка месторождений медных и железных руд, которая продолжается на протяжении 300 лет, привела к необратимым изменениям геологической и экологической среды в Нижнем Тагиле и относится к техногенным нарушениям, связанным с добычей полезных ископаемых.
Одним из основных градообразующих предприятий в Нижнем Тагиле является Высокогорский ГОК, в состав которого входят три железорудные шахты: «Естюнинская» и «Магнетитовая» действующие и «Эксплуатационная» – закрытая; два карьера: Гальянский и Соловьевогорский, добывающие известняки и дуниты; Высокогорский и Лебяжинский аглоцехи; Черемшанское шламохранилище, а также выведенные из эксплуатации в 1990 году Главный, Северо-Лебяжинский и Каменский карьеры. Ситуационная схема района Высокогорского ГОКа представлена на рисунке 1.
В результате многолетней добычи магнетитовых руд произошла полная отработка Главного карьера с образованием выемки глубиной 280 метров и зон обрушения шахт «Магнетитовая» и «Эксплуатационная» непосредственно в черте города, что привело к появлению опасных провалов и нарушению геодинамического равновесия на площади, превышающей 20 кв. км.
Научно-исследовательскими и проектными институтами «Уралгипроруда», «Уралмеханобр», «Унипромедь», ВИОГЕМ «Промэкология», УГГУ, «Институт экологии растений и животных», «Медицинский центр» и другими в качестве основного направления, обеспечивающего снижение техногенной нагрузки на окружающую территорию, был выбран вариант с устройством хвостохранилища в отработанном Главном карьере.
Рисунок 1. Ситуационная схема района Высокогорского ГОКа:
1 – карьер; 2 – отвал; 3 – зона обрушения; 4 – хвостохранилище; 5 – дренажная скважина и направление водоотведения; 6 – шахтный водоотлив и направление водоотведения; 7 – карьерный водоотлив и направление водоотведения; 8 – границы депрессионной воронки; 9 – границы земельного отвода Высокогорского ГОКа
Выбор Главного карьера в качестве емкости для складирования вторичных отходов обусловлен большим объемом его выемки (70 млн м), близостью к флотоотделению и наличием горной выработки-штольни, позволяющей осуществлять сброс шламов в карьер самотеком при минимальных энергозатратах.
Так как Главный карьер имеет прямую гидравлическую связь с горными выработками действующей шахты «Магнетитовая», то началу его заполнения шламами должны предшествовать работы по надежной защите зоны ведения подземных горных работ от прорыва в нее воды и шламов.
В то же время наличие депрессионной воронки, глубина которой в районе шахты «Магнетитовая» превышает 800 м и внутри которой находится Главный карьер, исключает возможность утечки фильтрата за ее пределы, этим обеспечивается надежная защита подземных вод от загрязнения.
Таким образом, основным преимуществом складирования шламов в Главный карьер является то, что в течение всего периода эксплуатации накопителя при наличии дренажной системы, создающей депрессионную воронку, весь фильтрат будет поступать в систему оборотного водоснабжения. При этом наличие в фильтрате токсикантов можно надежно контролировать на основании химического состава воды, поступающей из дренажной системы.
Кроме того, преимуществом использования карьера для складирования шламов по сравнению с наземными шламохранилищами является полная ликвидация пылеобразования и загрязнения атмосферы и окружающей территории, а также простота и надежность его консервации после заполнения выемки.
В этом случае (заполнение шламами) необходимо обеспечить опережающую гидроизоляцию бортов и дна выемки с целью предотвращения потерь фильтрата или сведения их к минимуму. Это может быть достигнуто за счет поэтапного наращивания бортовых экранов и за счет системы межслоевых субгоризонтальных экранов, создаваемых методом намыва.
Целью формирования противофильтрационных экранов по дну карьера и его бортам является изоляция захоронения от окружающего массива и предотвращения миграции токсикантов из захоронения в грунтовые воды.
Принципиальная схема шламохранилища в Главном карьере показана на рисунке 2.
Отметка дна карьера – минус 60 м, отметка дневной поверхности – плюс 210 м, максимальная отметка заполнения – плюс 165 м.
Гидротранспорт хвостов от МОФ-1 и МОФ-2 с флотоотделением решен оригинальным путем проходки штольни до карьера протяженностью более 1 км с уклоном =0,02, в которой проложены самотечный лоток, облицованный каменным литьем, и водоводы оборотной воды.
В связи с быстрым ростом горизонта воды в карьере и сложностью организации обычной схемы водозабора институтом предложен принципиально новый тип берегового водозабора с устройством горизонтальной штольни и четырех поярусно расположенных водосбросных колодцев шандорного типа, соединенных со штольней, в конце которой расположен шахтный колодец, с установкой в нем артезианских насосов.
Рисунок 2. Принципиальная схема шламохранилища в Главном карьере:
1 – дренажная шахта № 11; 2 – комплекс оборотного водоснабжения;
3 – штольня самотечного коллектора; 4 – ствол у МОФ-1; 5 – ш. «Магнетитовая»; 6 – ш. «Магнетитовая-бис»; 7 – ш. «Клетьевая»; 8 – МОФ-2; 9 – ствол у МОФ-2; 10 – глиняные экраны; 11 – водонепроницаемые перемычки
Использование выработанного пространства Главного карьера с 1995 года в качестве хвостохранилища для отходов обогатительного производства в условиях Нижнего Тагила с экологической точки зрения явилось идеальным решением по сравнению с альтернативными вариантами размещения хвостохранилищ на р. Лебе, в пойме р. Тагил, наращиванием существующего, теперь отработанного, хвостохранилища на р. Черемшанке и др.
Основными преимуществами этого решения являются:
– исключено изъятие земельных площадей в лесопарковой зоне г. Нижнего Тагила для строительства нового хвостохранилища;
– самотечный гидротранспорт хвостов в Главный карьер по подземной штольне исключает аварийные ситуации, связанные с загрязнением окружающей среды;
– полностью исключается пыление хвостов;
– исключается загрязнение подземных вод фильтрационными водами из Главного карьера за счет перехвата их постоянно действующим шахтным водоотливом шахты «Магнетитовая», горизонт заполнения карьера на расчетный период на 100 м ниже уровня воды в Нижне-Выйском пруде и водотоках;
– фильтрационные воды Главного карьера вместе с водой шахтного водоотлива подаются на дневную поверхность. Большая часть этой воды используется на оборотное водоснабжение МОФ-1 и МОФ-2, излишки в количестве около 800 м/ч отводятся после очистки через систему ливневой канализации в Нижне-Выйский пруд;
– одновременно со складированием хвостов осуществляется рекультивация Главного карьера.
Регулирование уровня воды в шламохранилище и дополнительное обеспечение фабрики оборотной водой в условиях их резких колебаний достигнуто за счет ввода в эксплуатацию передвижной насосной установки с подачей воды в систему оборотного водоснабжения, представленную на рисунке 3.
По мере заполнения шламохранилища установка может перемещаться по существующему в карьере автомобильному съезду.
Далее предусматривается рекультивация Черемшанского шламохранилища по мере его разработки и Главного карьера после его заполнения.
Основные параметры комплекса промышленной безопасности и природоохранных мероприятий предусматривали:
– наличие глухих железобетонных перемычек в квершлагах горизонтов –130и –50 м, способных выдерживать давление воды до 40 атм и исключающих возможность прорыва воды и шламов в зону ведения горных работ действующей шахты «Магнетитовая». Эти перемычки были сооружены в 1995 году;
– вынос водоотлива с горизонта –130 м шахты № 11 за пределы возможного прорыва шламов в сторону ствола шахты «Магнетитовая» и увеличение суммарной мощности насосов до 3 400 м/ч для поддержания депрессионной воронки шахты в стабильном состоянии;
– проверку надежности работы противофильтрационных экранов для сокращения потерь фильтрата из Главного карьера;
– наличие передвижной насосной установки в Главном карьере для поддержания стабильной высоты слоя воды над шламами, регулирования объемов потерь фильтрата и получения дополнительного количества оборотной воды для фабрики;
– жесткое ограничение расхода флотореагентов и обязательное функционирование участка очистки с использованием активированного угля;
– смешивание хвостов флотации с бессернистыми хвостами перед подачей их в Главный карьер.
С июня 1995 года введен в постоянную эксплуатацию природоохранный комплекс, включающий флотоотделение МОФ-2 и Главный карьер.
Использование Главного карьера как шламохранилища позволило приступить к отработке техногенного месторождения и рекультивации Черемшанского шламохранилища.
Однако впоследствии передвижная насосная установка в Главном карьере была демонтирована, контроль за поддержанием стабильной высоты слоя воды над шламами перестал производиться, намыв противофильтрационных экранов больше не осуществлялся, вынос водоотлива с горизонта –130 м шахты № 11 за пределы возможного прорыва шламов и увеличение суммарной мощности насосов для поддержания депрессионной воронки шахты в стабильном состоянии так и не был завершен строительством.
В то же время закончилось формирование зоны обрушения от шахты «Магнетитовая» с выходом ее в карстовую зону северо-восточного борта карьера, где и произошел прорыв шламов на горизонт 130 м шахты.
В настоящее время выполняется проект, предусматривающий сгущение хвостов и переход на «сухое» складирование их в Главный карьер. Проект будет реализован через 2–3 года, на этот период необходима разработка проектных мероприятий по ликвидации утечек шламов из карьера и безопасной работы шахты.
ОАО «Высокогорский ГОК» обратился к ОАО «Уралмеханобр» с просьбой решить эту проблему с привлечением ФГУП ВИОГЕМ.
Литература: ТЭО «Совершенствование технологии обогащения хвостов ММС медьсодержащих железных руд Высокогорского месторождения с учетом экологических требований», 1994 г., институты «Уралгипроруда», «Уралмеханобр», ВИОГЕМ и др
