автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Складирование золошлаковых отходов ТЭС в карьерах

На правах рукописи

Озерский Дмитрий Андреевич

СКЛАДИРОВАНИЕ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭС В КАРЬЕРАХ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2007

003069227

Работа выполнена в Политехническом институте Сибирского Федерального университета (г Красноярск)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Кузнецов Георгий Иванович Кулагин Владимир Алексеевич Покровский Дмитрий Сергеевич

Ведущая организация Красноярский филиал ОАО «Сибирский

энергетический научно-технический центр» Сибирский теплотехнический научно-исследовательский институт ВТИ (г. Красноярск)

Защита состоится «24» мая 2007 г в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212 099 07 при Политехническом институте Сибирского Федерального университета по адресу 660074, Красноярск, ул Киренского, 26, ауд Д-501

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Политехнического института Сибирского Федерального университета

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу 660074, г. Красноярск, ул Киренского, 26, ПИ СФУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.099.07, факс (3912) 43-06-92 (для кафедры ТЭС), е-та11:Ьо1ко@1а^ш ги

Автореферат разослан «24» апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета к т.н., доцент

л

Е А Бойко

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Золошлаковые отходы тепловых электростанций (ТЭС) представляют одну из глобальных экологических проблем На теплоэнергетических предприятиях юга Красноярского края ежегодно образуется более 1,2 млнт 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 переполнение, неудовлетворительная работа водосбросов, несоответствие профилей дамб и заложения откосов проектным величинам, неэффективная работа или отказы дренажей и противофильтрационных устройств, деформации дамб на слабых основаниях, несоответствие проектных решений сложным мерзлотно-климатическим условиям региона, технологические осложнения, связанные с гидроледотермическими и криогенными процессами, пыление и отсутствие апробированных способов борьбы с ним, отсутствие 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 превышают 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 решенные 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 бессточностъ 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 дренажом 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 г,

Ш научно-практической конференции «Проблемы защиты населения и территории от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» - Красноярск, ИВМ СО РАН, 2003 г, XVII Всероссийском совещании по подземным водам Востока России - Красноярск, 2003 г, научно-практической конференция «Современные проблемы водохозяйственного и гидроэнергетического строительства» Новосибирск, 2003 г, Шестом международном конгрессе «Вода экология и технология», Экватэк-2004 -Москва, 2004 г, Четвертом Международном конгрессе по управлению отходами ВэйстТэк-2005 - Москва, 2005 г, XI Всероссийском угольном совещании -Ростов-на-Дону, 2005 г, 10-й Международной конференции АСЦШ «Подземное пространство экономика и окружающая среда» и региональному симпозиуму 1!ЖМ «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

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, изложена на 129 страницах, содержит 20 рисунков, 22 таблицы Библиография включает 92 наименования

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая значимость диссертационных исследований и дана характеристика полученных в работе результатов

В первом разделе дан анализ современного состояния проблемы складирования золошлаковых отходов, а также виды вредных воздействий золоотвалов на окружающую среду, проведен анализ ранее выполненных технологических разработок в области использования карьерных выработок как накопителей промышленных отходов

Золошлакоотвалы являются звеном технологического цикла ТЭС, работающих на твердом топливе, и предназначены для организованного складирования золошлаковых отходов По своему функциональному назначению золоотвалы относятся к специальным энергетическим сооружениям

Сжигание на ТЭС высокозольных углей приводит к прогрессирующему увеличению объемов золошлакоотвалов и изъятию значительных площадей полезных земель, при этом наносится серьезный ущерб окружающей среде

Характеризуя состояние вопроса в региональном аспекте, необходимо отметить следующее Основные действующие разрезы Канско-Ачинского бассейна - Бородинский, Березовский-1 и Назаровский - являются крупными современными предприятиями и на их опыте были испытаны и проверены самые перспективные технологии, которые являются надежной основой для разработки проектов новых разрезов

Главными задачами развития энергетики в регионе являются разработка и внедрение новых технологий сжигания углей, в том числе углей глубоких горизонтов с повышенными содержаниями щелочных элементов, а также применение на добывающих предприятиях экологически обоснованных технических решений обращения с отходами энергетики, в частности, при размещении и складировании золошлаков

На ТЭЦ и ГРЭС региона ежегодно образуется более 1,2 млнт золы и шлака В золоотвалах, которые занимают 550 гектаров, накоплено свыше 24 млн т этих отходов В карьерах же ежегодно освобождаются пространства, объемы которых оцениваются в 10-20 млн м3

Эксплуатационное воздействие золошлакоотвалов на окружающую среду может включать в себя

- местное воздействие на воздушную среду,

- воздействие на поверхностные воды,

- воздействие на подземные воды,

- воздействие на почвы и растительность,

- катастрофические прорывы воды и золошлаков

В современных условиях эксплуатация гидрозолоотвалов региона не является безопасной для окружающей среды Перенос золошлакового материала в отвалы угледобывающих карьеров будет иметь несколько положительных аспектов, среди которых освобождение объемов для дальнейшего золоудаления без привлечения под золоотвалы новых территорий и без необходимости наращивания существующих объектов, заполнение внутрикарьерных пространств и одновременная их рекультивация (снижение кислотности почв)

Во втором разделе приводятся физико-химические характеристики отходов (сухой золы ТЭС, гидратированной золы накопителей и отвальных пород карьеров), делается вывод о принципиальной возможности использования этих субъектов при рекультивации отвалов

При сжигании углей происходит существенное геохимическое преобразование его первичного вещества, выражающееся в образовании новых, не встречающихся в природе минералов Основную часть золы составляют техногенные минералы, причем большинство из них является минералами цементного клинкера В отличие от кристаллической золы шлак имеет аморфную структуру, близкого с золой химического состава

Золошлаки гидратационно активны уже в системе гидрозолоудаления они вступают в химические реакции с водой, изменяя при этом свой минеральный состав и свойства С водой реагирует 50-95% общей массы золошлаков С эколого-геохимической точки зрения ведущее значение имеет реакция гидратации свободного оксида кальция

СаО + Н20 = Са(ОН)2, (1)

которая формирует щелочную реакцию водной среды (pH около 12)

При попадании в золоотвал гидроксид кальция вступает во взаимодействие с углекислым газом, присутствующим в атмосфере, что сопровояадается осаждением кальцита

Са(ОН)2 + С02 = СаС034- + Н20 (2)

Реакции (1) и (2) приводят к существенному изменению состава золы в золоотвале по сравнению с составом «первичной» золы, образовавшейся в процессе сжигания

Химический состав золошлаков кратко можно охарактеризовать следующим образом элементы следует подразделить на две группы -макроэлементы, участвующие в составе отдельных минеральных разновидностей золошлаков (А1, Ре, Са, Б1, М& Б, С), и микроэлементы, которые не образуют самостоятельных минералов, а присутствуют в золошлаках в виде примесей к макроэлементам Для золошлаковых отходов характерно снижение концентраций большинства микроэлементов при гидрозолоудалении

В минеральном составе песчаников и алевролитов в отвалах разрезов преобладают кварц (БЮг) до 44%, калиевые полевые шпаты (КА^зОв) - 2546%, обломки кремнистых пород - 17-30% Основными минералами аргиллитов являются каолинит и гидрослюды Переэкскавация вскрышных породы в процессе добычи угля приводит к аэрированию пород и возникновению окислительных процессов, ведущую роль среди которых играет окисление акцессорных сульфидных минералов в аэрированной при переэкскавации толще пород

4Ре8г + 1502 + 14Н20 = 4Ре(ОН)3 + 14ЬГ + 88042" (3)

Образующаяся серная кислота вызывает сернокислотное выщелачивание отвальных пород, что минерализует водную среду Одновременно развиваются процессы десульфуризации в результате взаимодействия сульфатов с углистыми породами по действием десульфурирующих бактерий

БО?" + 2С + 2Н20 = 2НС03 + НгБТ (4)

Элементный состав отвальных пород характеризуется содержанием тех же микро- и макроэлементов, что и зола углей из этих же месторождений

Определение класса токсичности указанных материалов произведено нами на основе ПДК содержащихся в почве химических элементов

Расчет индекса токсичности (К,) для каждого элемента выполнен по формуле

К, = С,/\У„

(5)

где С, - концентрация ¡-го компонента в опасном отходе, мг/кг отхода, -коэффициент степени опасности 1-го компонента опасного отхода для окружающей природной среды, мг/кг

Показатель степени опасности отхода для окружающей природной среды рассчитывают по следующей формуле, результаты приведены в таблице 1

(6)

Таблица 1 - Результаты расчета показателя степени опасности отхода 2С

Показатель степени загрязнения «Сухая» зола НГРЭС Золоотвал НГРЭС Отвалы Назаровского разреза «Сухая» зола БГРЭС-1 Золоотвал БГРЭС-1

2С 28,6 21,2 2Д 6,5 6,01

Расчеты показали, что по уровню токсичности и опасности золошлаковых отходы и вскрышные породы относятся к четвертому классу токсичности и являются малоопасными, т к согласно «Критериям отнесения отходов к классу опасности для окружающей природной среды» к четвертому классу опасности относятся отходы, у которых показатель степени загрязнения 2С не превышает 100

Сравнение показателей степени опасности золы на электростанции позволяет сделать важный вывод о том, что низкая токсичность отходов принципиально позволяет размещать золошлаковые отходы в отвалах угольных разрезов в соответствии с действующими нормами и правилами

Далее представлена экспериментальная работа по исследованию свойств смесей золошлаковых отходов и отвальных пород угледобывающих разрезов С целью получения предварительной выборки, включающей наибольшее число вариантов, зола каждой представленной ТЭС смешивалась с породой из отвала каждого разреза в соотношениях 14, 3Л Всего было проанализировано 138 проб, включая пробы, представленные золошлаками и породами отвалов

Учитывая неизбежное в перспективе взаимодействие отвального грунта и золы с дождевыми и подземными водами, все смеси были проанализированы по методу водных вытяжек Этим методом были определены содержания главных ионов, и установлено значение минерализации Определение содержания других микроэлементов в водных вытяжках оказалось невозможным в силу их низких концентраций, поэтому был выполнен полуколичественный спектральный анализ сухих смесей Результаты анализов представлены в таблицах 2 и 3

В результатах явно прослеживаются некоторые закономерности Увеличение содержания главных ионов ОН" и Са2+ соответствуют увеличению доли золошлаков в смеси, при внесение золошлаков является определяющим фактором доя состава воды Скорее всего, это объясняется тем, что высококальциевые золы канско-ачинских углей вступили в реакцию с водой

(1), после чего массовая доля гидроксида кальция доминирует в водной среде над другими ионами

Таблица 2 - Среднее содержание главных ионов в водных вытяжках проб смесей отходов в зависимости от пропорций смешения, ммоль/л

Доля золы, % ОН" НСОз" СГ 8042- Са2+ к+ Минерализация, г/л

0 0,00 0,72 0,23 0,80 1,11 0,39 0,04 0,20 1,74

25 2,72 0,98 0,18 1,35 5,14 0,04 0,04 0,13 5,28

50 6,93 1,39 0,21 0,99 9,17 0,06 0,06 0,19 9,49

75 13,61 1,03 0,22 0,60 14,72 0,03 0,06 0,25 15,25

100 12,01 2,06 0,28 0,81 14,71 0,03 0,08 0,27 15,12

Таблица 3 - Содержание нормируемых микроэлементов в пробах смесей пород и золошлаков после взаимодействия с водой

Доля золы, % Микроэлементы, мг/кг

РЬ Си Ъп Со V Сг № Мп

0 20,50 58,50 190,00 13,50 150,00 98,50 46,00 300,00

25 20,21 51,21 172,39 15,24 137,14 103,86 49,79 412,64

50 18,50 55,34 142,00 17,74 116,00 116,00 57,34 533,40

75 16,30 50,40 81,60 20,80 83,60 106,80 54,20 758,00

100 16,67 56,17 70,00 19,90 45,07 60,50 56,57 1000,00

Интенсивно накапливающиеся элементы (Кс > 1,5), образующие геохимические ассоциации изучаемых смесей представлены в таблице 4 Остальные микроэлементы находятся в нейтральном состоянии либо выносятся из исследуемого материала, не влияя на его химический состав

Полученные в ходе эксперимента смеси также характеризуются высокой химической активностью Эта тенденция наблюдается уже в тех пробах, которые только на 25% состоят из золошлаков

Проведенные оценки свидетельствуют о принципиальной возможности экологически допустимого складирования золошлаковых отходов в выработанном пространстве разрезов Экспериментально подтверждено, что при совместном складировании золошлаков и отвальных пород будет происходить не только механическое перемешивание, но достаточно активное их химическое взаимодействие Увеличение доли золы приводит к накоплению в полученной среде В, Бг, Си, Ва, Ъп, в то же время содержание V, Ве, №, Со, Мп, отличавшихся более высокой активностью в золе, уменьшилось

Таблица 4 - Геохимические ассоциации полученных смесей и их суммарный показатель загрязнения

Доля золы в пробе, % Содержание геохимической ассоциации (индекс показывает значение Кс) Суммарный показатель (2е)

0 гП3,8>Си2,9>В2,1>У1,б5>Т1иб 6,34

25 В519>2Пз,45>Си2,б>8г2,24>М01,75>\/'1,51 12,58

50 В8,4> 8г5>69>гП2,8>Си2>77> Ва2>2> М01,82 18,73

75 Вц,5> 8г8,59> Ва3д6> Си2>5> М01;82> 23,70

100 В1667> 8г9 44> Ва2,9> Си2,8> МП1,85> М01>82 28,57

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

В третьем разделе представлена предлагаемая конструктивно-технологическая схема складирования (рисунок 1) Эта технология складирования золошлаковых отходов в карьерной выемке при правильной инженерной подготовке основания исключает фильтрационное загрязнение, что позволяет осуществить надежную консервацию массива золошлаковых отходов и в целом обеспечить минимальное воздействие на окружающую среду Нами предлагается разделение фильтрационного потока подземных вод, высачивающихся на поверхность бортов и основания, и инфильтрационного потока

Основными этапами реализации этой технологии являются

• Инженерная подготовка борта карьера 1, обеспечивающего устойчивость откоса устройством уплотненной призмы 2, и планировка подготовленного основания 3,

• Отсыпка основного дренирующего слоя 5 с коллектором из песчано-гравийного грунта или крупного щебня толщиной не менее 0,5 м, а также наклонного дренирующего слоя 6,

• Устройство вдоль борта карьерной выработки дренажного коллектора 4, обеспечивающего отвод в накопительную емкость фильтрационных вод,

• Отсыпка упорных дамб 7, 9 и ярусов золошлаков 8 с уплотнением проходящим транспортом сразу на полную расчетную высоту яруса,

• На конечном этапе возведения насыпи отсыпается рекультивационный слой 14 из грунтов с окном для водоотвода 15, не подверженных эрозии

Дренажная система должна отделить естественный фильтрационный поток 12, поступающий в карьер извне (внешний водоток 11), и сточные воды карьера 10 от массива золошлаков и тем самым предотвращает загрязнение

1 - борт карьера, 2 - выравнивающая призма, 3 - экранирующее основание, 4 - коллектор 5 - дренирующий слой, 6 -наклонный дренирующий слой, 7 - проницаемая упорная дамба, 8 -ярусы складирования золошлаков, 9 - упорные дамбы, 10 - сточные воды карьера, 11 - нагорная канава, 12 - депрессионная поверхность фильтрационного потока, 13-уровень воды в дренаже, 14 - ре культивационный слой, 15 - окно для водоотвода с поверхности насыпи

Рисунок 1 - предлагаемая перспективная конструктивно-технологическая схема складирования ЗШО в выработанном пространстве карьера

геологической среды и, в частности, подземных вод Причем экологический эффект устройства дренажной системы будет достигаться при условии безнапорного режима работы дренажа 13 Также отведение внешнего фильтрационного потока дренажем обеспечивает необходимую устойчивость насыпи

Для обоснования предлагаемой технологии складирования золошлаков выполнено исследование фильтрационного режима системы «карьер -золоотвал» на основе известного уравнения В А Флорина, позволяющеего учесть консолидацию насыпи

8Н_ 1 д® ^ (1 + е)(1 + £) „ д2Н ^ 82Н & 2усо Ы 2уа<о (х 8х2 г дг1 К '

В этом уравнении Я - пьезометрический напор, м, к*, к^ - коэффициенты фильтрации в направлении осей х, ъ, м/сут, £ - коэффициент бокового давления, у и а - параметры деформации, со - параметр, учитывающий наличие газа в порах грунта (при отсутствии газа ю = 1), © - суммарные напряжения в скелете грунта, МПа, е - коэффициент пористости

При послойном уплотнении насыпи консолидация золошлакового материала незначительно влияет на процесс фильтрации

Поэтому уравнение стационарной фильтрации (7) можно представить в упрощенном виде, без учета консолидационного фактора

. д2Н . д2н -

К —г- + К —— = 0 (8)

" дх2 ' &2

Рассматривалась фильтрация в плоско-вертикальном расчетном сечении, расположенном в средней части сооружения При численном моделировании по методу конечных разностей использовано программное обеспечение, достаточно апробированное ранее при решении аналогичных задач В расчетах учтены следующие факторы

• сложная конфигурация внутренних и внешних границ расчетных областей фильтрационного поля, изменение этих границ в процессе расчета,

• различные граничные условия, изменяющиеся при постепенном формировании массива золоотвала,

• динамика послойного наращивания массива,

• экстремальные условия эксплуатации золоотвала при аномально высоком притоке подземных и поверхностных вод в дренаж и возникновении в нем кратковременного напорного режима

На примере Назаровского угольного разреза рассмотрены наиболее сложные условия возведения насыпного золоотвала, отличающиеся близким расположением к карьерной выработке поверхностного внешнего водотока Этот водоток является источником питания фильтрационного потока, определяет краевое условие на верхней границе расчетной области Боковые и

нижняя границы исследуемой области приняты водонепроницаемыми Рассмотрены варианты промежуточного и полного поярусного заполнения емкости золошлаковыми отходами

В результате расчетов построены депрессионные поверхности и полные гидродинамические сетки (поля линий равных напоров и линий токов)

В первых двух расчетных вариантах золоотвал заполнен на половину своей расчетной высоты

В первом варианте рассмотрена ситуация, при которой работает только дренирующий слой в основании насыпи, а дренажный коллектор отсутствует или вышел из строя (например, вследствие кольматации) Во втором варианте его работа учтена

В третьем и четвертом вариантах золоотвал заполнен полностью на всю проектную высоту Учтено уплотнение золошлакового материала в кавдом отдельном слое последующими верхними слоями и кольматация порового пространства насыпи при инфильтрации осадков, что существенно снижает проницаемость уплотняемых слоев

В третьем варианте рассмотрена ситуация отказа или отсутствия дренажного коллектора при возведении насыпи на полную высоту В четвертом варианте расчета фильтрационного режима рассмотрена окончательная стадия работы сооружения при совместном эффекте всех элементов дренажной системы

Третий и четвертый варианты расчета представлены как наиболее характерные и критические (рисунки 2 и 3) Первый и второй варианты дали схожие результаты

Рисунок 2 - Расчет фильтрации в проектируемой насыпи (вариант 3)

Рисунок 3 - Расчет фильтрации в проектируемой насыпи (вариант 4)

Дренажная система не допускает попадания подземных вод в массив золошлаковых отходов при любой мощности отсыпанного слоя золошлаков При безнапорном режиме работы дренажа золошлаки полностью изолированы от фильтрационного потока и загрязнение природных вод вредными веществами происходить не будет В экстремальных случаях, при аномально высокой норме выпадающих осадков допускается их поступление в дренажную систему и отвод в окружающую среду за пределы карьера при соблюдении норм ПДК

В четвертом разделе охарактеризована влагоудерживающая способность золошлаков канско-ачинских углей при вертикальном массопереносе инфильтрационных вод Для этого исследован процесс влагопереноса в зоне аэрации, которая в данных условиях представлена проектируемым массивом складируемых золошлаков

Для решения задачи, использовалось уравнение, являющееся одной из форм уравнения Ричардса

81 дг2 д К>

где АН = Н - Н(г, 0), причем АН — изменение напора воды в сечении г, происходящее за время г, Н (г, 0) — первоначальный напор воды в сечении г в начальный момент времени Г = 0, — интенсивность инфильтрационного питания грунтовых вод, мм/мин, д = И^ - % - недостаток влагонасыщения, К — коэффициент фильтрации, м/сут

За границу одномерного потока г = 0 принято горизонтальное сечение перпендикулярное вертикальным линиям тока Для краевых условий

* = 0,/М = 0,

где А! - глубина промачивания, *>0,2>0 ,А1 = Ы,

где и — постоянная во времени скорость перемещения фронта промачивания,

дх

что является граничными условиями второго рода

Эти условия заключаются в задании на поверхности постоянного во времени расхода влаги, т е ga — const Нижней границей этого потока влаги является уровень воды в дренажном слое в основании насыпи

При дождевании с постоянной интенсивностью ¿¡>п, меньшей ко и отсутствии подтопления поверхности для определения глубины и скорости промачивания использовались формулы

1 с

(10) (11)

где Як - приведенная высота капиллярного поднятия, м, ко - коэффициент влагопереноса при полном водонасыщении (коэффициент фильтрации), м/сут, ? - время, отсчитываемое от начала проникновения потока влаги через верхнюю границу насыпи, мин

Так, при однородном строении зоны аэрации образуется четко выраженная область просачивания (глубиной I), в пределах которой влажность остается практически постоянной Движение влаги в упомянутой области происходит за счет свободного стекания при градиенте, равном единице, а влажность на фронте просачивания меняется скачком от начального значения %ДО постоянного значения Ж в области просачивания (рисунок 4)

1 = 0 и~1<Нк и~1>Нк

*о Нх< -/(V) ■ и и

зшо \ \JW\V\ /(и) -ка 44 44-

й' Дренаж & Й Дренаж Й гчйсййеааг^ Й! Дренаж й;

\Уе- естественная влажность, \У„- полная влагоемкость, - влажность неполного насыщения, к - коэффициент фильтрации, и - скорость движения фронта промачивания, V - скорость инфильтрации, / - глубина промачивания

Рисунок 4 - Процесс вертикального влагопереноса в зоне аэрации

Если исходное увлажнение зоны аэрации соответствовало максимальной молекулярной влажности Же, то скорость продвижения границы увлажнения определялась в соответствии с формулой Н Н Биндемана

Основными результатами расчетов при анализе движения инфильтрационных вод через зону аэрации являются следующие параметры время промачивания, глубина промачивания и скорость движения фронта промачивания

Результаты расчетов по зависимостям (10 - 11) представлены в виде графика динамики промачивания насыпи (рисунок 5)

В первом варианте использованы проектный коэффициент фильтрации золошлаков (ко = 4,0 м/сут) и соответствующая ему высота капиллярного поднятия (Нц - 1,5 м) Во втором варианте рассмотрено ожидаемое снижение водопроницаемости уплотняющегося золошлакового массива (к0 = 0,4 м/сут, #к = 3,5 м) Глубина промачивания зависит от фильтрационных характеристик среды В первом варианте она в 2 раза больше, чем во втором Поэтому для уменьшения водопроницаемости отсыпаемой золы рекомендуется послойное уплотнение отсыпаемых ярусов

время промачивания, мин А вариант 1 * - вариант 2

Рисунок 5 - Изменение глубины промачивания в массиве золошлаков с разными фильтрационными параметрами

Необходимо отметить, что зависимости (10 - 11) не учитывают количество осадков, выпадающих на поверхность насыпи Основные

параметры инфильтрации в зависимости от интенсивности осадков можно рассчитать по формуле (12) Расчеты проведены для месяцев с наиболее высокими показателями интенсивности осадков апреля - августа (таблица 5)

Таблица 5 - Расчет основных параметров инфильтрации для месяцев с наибольшей интенсивностью осадков

Параметр Обознач Ед изм Максимальная суточная интенсивность Месяцы

апрель май июнь июль август

Среднемесячная интенсивность Чп мм/мин 0,32 0,005 0,01 0,02 0,028 0,022

Скорость продвижения фронта промачивания и м/сут 0,54 0,004 0,009 0,023 0,034 0,025

Из таблицы 5 следует, что скорость промачивания настолько мала, а поглощающая способность сыпучей среды настолько велика, что при максимально возможной суточной интенсивности осадков глубина промачивания не превысит 0,54 м Инфильтрующаяся вода расходуется на образование связанной воды в порах сыпучей среды, тк частицы золы химически и поверхностно активны Также часть этой воды испаряется в порах и покидает сыпучую среду

При рассматриваемых параметрах процесса есть возможность говоритьо практически полной консервации в насыпи всей дождевой воды, выпадающей на ее поверхность

Минимальную безопасную высоту слоя отсыпки золошлаковых отходов в один ярус была определена по формуле

—<г" п V (13)

пх(вя-Оя)

где да - расчетная величина годовых атмосферных осадков, подлежащих аккумулированию в секции золошлакоотвала, мм/год, и - расчетная пористость золошлаков в ярусе, - расчетная степень влажности золошлаков в полностью отсыпанном ярусе после приема им в себя расчетного объема годовых атмосферных осадков С?н - начальная степень влажности золошлаков перед отсыпкой и при их расчетной пористости п в ярусе

При характерных для канско-ачинских зол значениях и = 0,6, Ж = 0,99, золошлаков (1¥п) = 1,79, получаем, что расчетная минимальная толщина слоя, обеспечивающая полное улавливание инфильтрационного потока, будет равна 1,7 м/год

Золошлаковая насыпь с полученными параметрами обеспечит полную консервацию атмосферной инфицирующейся влаги, а также бессточность массива и безнапорный режим работы дренажной системы в его основании, как в конечном состоянии, так и на этапе отсыпки (возведения)

Основные результаты работы

1 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

2 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, Бг, Си, Ва, Ъа., в то же время содержание V, Ве, N1, Со, Мп, отличавшихся более высокой активностью в золе, уменьшились

3 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

4 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

5 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

6 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

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях

1 Озерский, А Ю Рекультивация отвалов угольных разрезов золошлаковыми отходами ТЭС - перспективное направление охраны геологической среды в Канско-Ачинском бассейне/ А Ю Озерский, Д. А. Озерский // Геология угольных месторождений Межвуз науч темат сб - Екатеринбург Изд-во Уральской горно-геологической академии, 2002 - Вып 12 -С 290-299

2 Кузнецов, Г И Проблемы и задачи защиты населения и окружающей среды при эксплуатации золоотвалов Средней Сибири / Г И Кузнецов, А Ю Озерский, В В Белый, С В Комонов, Д. А. Озерский // Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера Тр научных конференций Т2 - Красноярск ИВМ СО РАН, 2003 -С 163-170

3 Озерский, А Ю Складирование золошлаковых отходов Березовской ГРЭС-1 в выработанном пространстве разреза Березовского-1 -перспективное направление охраны окружающей среды региона / А Ю Озерский, Д. А Озерский // Электрические станции, № 7, 2003 - С 2226

4 Ozerskn, A Yu Disposal of Ash and Slag Waste of the Berezovsk State Regional Power Plant m the Berezovsku-1 Mined-Out Space A Promising Direction of Environmental Protection in the Region/ A Yu Ozerskn, D. A Ozerskii//Power Technology and Engineering, Volume 37, Issue 4, July 2003 - Pages 248-251

5 Комонов, С В Влияние кольматации основания и выемки золошлаков на фильтрацию из золоотвала НГРЭС / С В Комонов, Д. А. Озерский // Материалы Всероссийского совещания по подземным водам Востока России Иркутск изд-во ИрГТУ 2003 г - с 203-205

6 Кузнецов, Г И Воздействие на водную среду при эксплуатации золоотвалов Средней Сибири / Г И Кузнецов, Д. А. Озерский, А Ю Озерский, В В Белый // Шестой Международный Конгресс «Вода экология и технология» ЭКВАТЭК-2004 Материалы Конгресса Часть 1 Москва, 2004 г - С 27-28

7 Ozerskn, A Yu Use mined-out space of coal mines of Kansko-Achinski coal basin for a disposal of ash and slug waste / A Yu Ozerskiy, D. A. Ozerskiy, V V Belyi // Proceedings of the 10th ACWS International Conference "Underground Space Economy and Environment" & of the ISRM Regional Symposium "Rock Mechanics for Underground Environment" January 24-28, 2005 Moscow University of Civil Engineering - Moscow, ТА Engineering, 2005 -P 124127

8 Озерский, Д. А. Обоснование экологической безопасности шламохранилшца Ачинского глиноземного комбината / Д. А Озерский, С В Комонов, Н В Балацкая // Четвертый Международный конгресс по управлению отходами ВэйстТэк-2005 - Москва, 2005 г - с 247

9 Комонов, С В Экологический мониторинг безопасности шламохранилища Ачинского глиноземного комбината / С В Комонов, Д. А Озерский, Г И Кузнецов, Н В Балацкая, В И Аникеев, А Г Пихтовников // сборник материалов научного конгресса «ГЕО-Сибирь-2005», «Мониторинг окружающей среды, геоэкология, дистанционные методы зондирования земли» Новосибирск, СГТА, 2005 г - с 177-181

Ю Озерский, А Ю Новые природоохранные технологии использования теплоэнергетических золошлаковых отходов канско-ачинских углей / А Ю Озерский, Г И Кузнецов, Д. А Озерский // Национальная конференция по теплоэнергетике Материалы докладов НКТЭ-2006 / Под ред Ю Г Низмеева, В Н Шлянникова - Казань Иссл Центр пробл Энерг КазНЦ РАН, 2006 - С 263-267

11 Озерский, А Ю Новые природоохранные технологии использования золошлаковых отходов углей Канско-Ачинского бассейна / А Ю Озерский, Д. А. Озерский, Г И Кузнецов // Разведка и охрана недр -2006 - № 10 - С 42-46

Озерский Дмитрий Андреевич Складирование золошлаковых отходов ТЭС в карьерах Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Подписано в печать 17 04 2007 Заказ № Формат 60*90/16 Уел печ л 1 Тираж 100 экз Типография Политехнического института Сибирского Федерального университета

Введение.

1 Анализ проблемы складирования и использования зол ТЭС.

1.1 Проблемы эксплуатации золоотвалов.

1.2 Сведения о воздействии золошлакоотвалов на окружающую среду.

1.3 Использование гидратированных золошлаков.

1.4 Складирование ЗШО в карьерных выработках.

2 Геохимическое взаимодействие золошлаковых отходов ТЭС и геологической среды.

2.1 Минеральный и химический состав золошлаков.

2.2 Минеральный и химический состав отвальных пород.

2.3 Оценка токсичности золошлаков и отвальных пород.

2.5 Сравнительный анализ химического состава золошлаков и отвалов.

2.6 Мелиорация отвалов золошлаковыми отходами.

2.7 Экспериментальные исследования химического взаимодействия золошлаков и отвальных пород.

3. Формирование массива золоотвала и управление его состоянием.

3.1 Прелагаемая конструктивно-технологическая схема складирования

Формирование массива насыпного золоотвала в карьере и управление его состоянием необходимо для обеспечения его промышленной безопасности и предотвращения загрязнения геологической среды и подземных вод.

3.2 Моделирование фильтрационного режима.

4. Расчет инфильтрационного влагопереноса в массиве ЗШО.

4.1 Теоретические основы процесса влагопереноса в сыпучих средах.

4.2 Анализ результатов расчетов.

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: переполнение; неудовлетворительная работа водосбросов; несоответствие профилей дамб и заложения откосов проектным величинам; неэффективная работа или отказы дренажей и противофильтрационных устройств; деформации дамб на слабых основаниях; несоответствие проектных решений сложным мерзлотно-климатическим условиям региона; технологические осложнения, связанные с гидроледотермическими и криогенными процессами; пыление и отсутствие апробированных способов борьбы с ним; отсутствие 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 г; III научно-практической конференции «Проблемы защиты населения и территории от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» - Красноярск, ИВМ СО РАН, 2003 г; XVII Всероссийском совещании по подземным водам Востока России -Красноярск, 2003 г; научно-практической конференция «Современные проблемы водохозяйственного и гидроэнергетического строительства» Новосибирск, 2003 г; Шестом международном конгрессе «Вода: экология и технология», Экватэк-2004 - Москва, 2004 г; Четвертом Международном конгрессе по управлению отходами ВэйстТэк-2005 - Москва, 2005 г; XI 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.

1. А.с. 1792462 СССР, МПК Е 02В 7 / 06. Способ складирования золошлакового материала / В.Н. Жиленков, А.С. Ненашев, В.И. Шлапаков // № 4917445 / 15; Заявл. 05.03.1991; Опубл. 30.01. 1993, Бюлл. № 4.

2. А.с. 1740535 СССР, МКИ 5 Е 02В 7 / 06. Способ формирования насыпного отвала / Г.И. Кузнецов, Ю.М. Сысоев, Е.П. Титов // № 4873953 / 15; Заявл. 16.10. 1992; Опубл. 15.06. 1992, Бюлл. № 22.

3. А.с. 2278205 РФ, МПК 5 Е 02В 7 / 06. Способ возведения насыпного золошлакоотвала в зоне распространения вечной мерзлоты / Н.В. Балацкая, В.П. Ягин, Г.И. Кузнецов // № 2005109869 / 03; Заявл. 05.04. 2005; Опубл. 20.06.2006, Бюлл. № 17.

4. А.с. 2029018 РФ, МПК 5 Е 02В 7 / 06. Способ гидравлического складирования зернистых отходов в отработанном карьере / В.П. Ягин, Г.И. Кузнецов // № 5062369 / 15; Заявл. 16.09.1992; Опубл. 20.02.1995, Бюлл. № 5.

5. А.с. 2029017 РФ, МПК 5 Е 02В 7 / 06. Способ гидравлического складирования зернистых отходов / В.П. Ягин, Г.И. Кузнецов // № 5056861 / 15; Заявл. 28.07.1992; Опубл. 20.02.1995, Бюлл. № 5.

6. Антропогенное воздействие на природную среду КАТЭКа в настоящем и будущем. / Ред. JI.M. Корытного. Иркутск: Сиб. отд-ние, 1988. -148 с.

7. Борисенко, Л.Ф. Перспективы использования золы угольных тепловых станций / Л.Ф. Борисенко, Л.М. Делицын, А.С. Власов. М.: Геоинформмарк, 2001.-68 с.

8. Борьба с пылью в рудных карьерах / В. А. Михайлов, А.И. Л обода, П.В. Бересневич, В.Г. Борисов -М.:, Недра, 1981.-262 с.

9. Бочевер, Ф.М. Основы гидрогеологических расчетов / Ф.М. Бочевер, И.В. Гарманов, А.В. Лебедев, В.М. Шестаков. -М.: Недра, 1969. 368 с.

10. Ю.Будаговский, А.И. Впитывание воды в почву. М.: Изд-во АН СССР, 1955.- 140 с.

11. Вазов, В. Разностные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных / В. Вазов, Дж. Форсайт. М.: Иностранная литература, 1963.-263 с.

12. Вайкум, В. А. К вопросу размещения твердых отходов промышленных предприятий / В.А. Вайкум, В.М. Руднов, В.Г. Оголь, В.П. Ягин, Е.Г. Черепанов // Гидротехническое строительство. 2007, №1. - с. 17-21.

13. Воронкевич, С.Д. Основы технической мелиорации грунтов. М.: Научный мир, 2005. - 504 с.

14. Вредные химические вещества. Радиоактивные вещества. Справочник.- JL: Химия, 1990. 464 с.

15. Гаврилин, К.В. Канско-Ачинский угольный бассейн / К.В. Гаврилин, А.Ю. Озерский. М.: Недра, 1996. - 272 с.

16. Гаврилин, К.В. Микроэлементный состав углей Назаровского месторождения и продуктов их сжигания / К.В. Гаврилин, А.Ю. Озерский // Химия твердого топлива. 1988, № 6, с.60-66.

17. Геолого-промышленный атлас Канско-Ачинского угольного бассейна. / Под ред. B.C. Быкадорова. Красноярск, Универс, 2001.

18. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика / Под ред. В.П. Недриги. М.: Стройиздат, 1983. - 543 с.

19. Глобус, A.M. Экспериментальная гидрофизика почв. JI.: Гидрометеоиздат, 1969.-355 с.

20. Голодковская, Г.А. Геологическая среда промышленных регионов / Г.А. Голодковская, Ю.Б. Елисеев. М.: Недра, 1989. - 220 с.

21. Гольдберг, В.М. Проницаемость и фильтрация в глинах / В.М. Гольдберг, Н.П. Скворцов. Недра, 1986. 160 с.

22. Горлов, В.Д. Рекультивация земель на карьерах, М., Недра, 1981.260 с.

23. Горная энциклопедия. / Под ред. Е.А. Козловского.- М.: Советская энциклопедия, 1984, тт. 1-5.

24. ГОСТ 17.4.1.02 83. Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнений.

25. Добкин, Э.Л. Задачи защиты грунтовых вод от загрязнения фильтрационными водами золоотвалов ТЭС // Известия ВНИИГ им. Веденеева. Сборник научных трудов, т. 146, 1981 с. 68-73.

26. Золошлаковые материалы и золоотвалы. / В.Г. Пантелеев, Э.Л. Добкин, Т.М. Гольдина и др. Под ред. В.А. Мелентьева. М. Энергия. 1978.

27. Жернов, И.Е. Моделирование фильтрации подземных вод / И.Е. Жернов, В.М. Шестаков. -М.: Недра, 1971.-226 с.

28. Иванов, В.В. Экологическая геохимия элементов. Справочник в 6 томах. М.: Недра, 1994. - 607 с.

29. Иванов, П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений -М.: Высшая школа, 1991. 448 с.

30. Иванов, Н.С. Тепло- и массоперенос в мерзлых горных породах. М.: Наука, 1969.-240 с.

31. Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс. Сборник карт. М.: Госгеодезия, 1991.

32. Качинский, Н.А. Физика почвы. М.: Высшая школа, 1965. - 324 с.

33. Кизилынтейн, Л.Я. Экогеохимия элементов-примесей в углях. -Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2002. -296 с.

34. Кизильштейн, Л.Я. Компоненты зол и шлаков ТЭС / Л.Я. Кизильштейн, И.В. Дубов, А.Л. Шпицглуз и др. М.: Энергоатомиздат, 1995. -176 с.

35. Клейн, Г.К. Строительная механика сыпучих тел. Изд. 2-е. М.: Стройиздат, 1977. - 256 с.

36. Климат Красноярска / Под ред. Ц.А. Швер. Л.: Гидрометеоиздат, 1982.-231 с.

37. Комонов, С.В. Криогенная технология пылеподавления на золоотвалах ТЭС // Сб. материалов международной научно-практическойконференции «Экология и безопасность жизнедеятельности». Пенза, 2002, с. 120-123.

38. Комонов, С.В. Влияние кольматации основания и выемки золошлаков на фильтрацию из золоотвала НГРЭС / С.В. Комонов, Д.А. Озерский // Материалы Всероссийского совещания по подземным водам Востока России. Иркутск: изд-во ИрГТУ. 2003. с. 203-205.

39. Крылов, В.И. Вычислительные методы: В 2-х ч. Ч. 1 / В.И. Крылов, В.В. Бобков, П. И. Монастырский. -М.: «Наука», 1976. 304 с.

40. Крылов, В.И. Вычислительные методы: В 2-х ч. Ч. 2 / В.И. Крылов, В.В. Бобков, П. И. Монастырский. М.: «Наука», 1976. - 400 с.

41. Кузнецов, Г.И. Основы проектирования золоотвалов. Красноярск, КГТУ, 1996.- 160 с.

42. Кузнецов, Г.И. Эффективные технические решения накопителей промышленных отходов в криолитозоне // Известия вузов. Строительство. 1999. №2-3.-с. 85-94.

43. Кузнецов, Г.И. Насыпной золоотвал мерзлого типа / Г.И. Кузнецов, Ю.М. Сысоев, JI.T. Шалгинова // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1990, № 10.-с. 77-83.

44. Кузнецов, Г.И. Оценка факторов, влияющих на промерзание насыпного золоотвала / Г.И. Кузнецов, JI.T. Шалгинова // Энергетическое строительство, 1990, - № 2. - с. 23-26.

45. Кузнецов, Г.И. Насыпной золоотвал мерзлого типа с временным дренажем / Г.И. Кузнецов, JI.T. Шалгинова, Ю.М. Сысоев // Энергетическое строительство, -1990, № 9.-е. 18-20.

46. Кузнецов, Г.И. Золобетонные экраны золоотвалов ТЭС и шламохранилищ. / Г.И. Кузнецов, Р.Т. Шугалей, Н.В. Никифорова // Проблемы экологии и развития города. Красноярск, 2000.

47. Кузнецов, Г.И. Перспективные технологии складирования насыпных промышленных отходов./ Г.И. Кузнецов, Н.В. Никифорова // Достижения науки и техники развитию сибирских регионов. - Красноярск, 2001.

48. Лебедев, А.В. Методы изучения баланса грунтовых вод. Изд, 2-е. М.: Недра, 1976.-223 с.

49. Лебедев, А.В. Оценка баланса подземных вод. — М.: Недра, 1989. —174 с.

50. Лесная рекультивация нарушенных земель / Д.В. Панков, Ф.Е. Иванов, В.И. Данько и др. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1991. - 184 с.

51. Ломакин, Е.А. Численное моделирование геофильтрации / Е.А. Ломакин, В.А. Мироненко, В.И. Шестаков. М.: «Недра», 1988. - 232 с.

52. Методы изучения техногенных геохимических аномалий. Сборник статей. М.: ИМГРЭ, 1984. - с 23-31.

53. Нормы радиационной безопасности (НРБ-96). Гигиенические нормативы.- М.: Госкомсанэпиднадзор России,- 1996- 127 с.

54. Озерский, А.Ю. Новые природоохранные технологии использования золошлаковых отходов углей Канско-Ачинского бассейна / А.Ю. Озерский, Д.А. Озерский, Г.И. Кузнецов // Разведка и охрана недр. 2006. - № 10. - с. 4246.

55. Озерский, А.Ю. О захоронении золошлаковых отходов ГРЭС КАТЭК во внутренних отвалах угольных разрезов / А.Ю. Озерский, С.В. Пацук // Теплоэнергетика, 1991, № 4, с. 31-34.

56. Орлов, Д.С. Химическое загрязнение почв и их охрана: Словарь справочник / Д.С. Орлов, М.С. Малинина. М.: Агропромиздат, 1991. - 303 с.

57. Пособие по проектированию полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных отходов к СНиП 2.01.28-85. М. Стройиздат, 1990.

58. Природа и хозяйство района первоочередного формирования КАТЭКа. // В.В. Буфал, И.Л. Савельева, JI.A. Турушина и др. Новосибирск, Наука, 1983.-261 с.

59. РД 153-34.1-21.325-98. Методические указания по контролю за режимом подземных вод на строящихся и эксплуатируемых тепловых электростанциях.-М.: 1999.

60. Рекомендации по проектированию золошлакоотвалов тепловых электрических станций. П 26-85 / ВНИИГ. -Л.: Изд. ВНИИГ, 1986. -127 с.

61. Рекомендации по обследованию золошлакоотвалов тепловых электрических станций. / ВНИИГ. Л.: Изд. ОАО ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1998.-44 с.

62. Рекультивация золоотвала №2 Назаровской ГРЭС. Рабочий проект / Красноярсгидропроект; Рук. В.М. Руднов, Н.Н. Нейланд. Шифр 578-1т -Красноярск, 2001. - 116 с.

63. Роде, А. А. Почвенная влага. М., Изд-во АН СССР, 1952. 456 с.

64. Роде, А. А. Методы изучения водного режима почв. М., Изд-во АН СССР, 1960.-244 с.

65. Руководство по организации систем наблюдения и контроля за состоянием золошлакоотвалов ТЭС и обеспечением безопасностиприлегающих территорий / ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» (I редакция). -С-Пб. 2001.

66. Савинкина, М.А. Золы Канско-Ачинских углей / М.А. Савинкина,

67. A.Т. Логвиненко Новосибирск: «Наука», 1979. - 56 с.

68. Сает, Ю.Е. Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения почв химическими элементами / Ю.Е. Сает, JI.H. Алексинская, Е.П. Янин. М.: ИМГРЭ, 1998.

69. Самсонов, А.А., Обработка и утилизация зол Канско-Ачинских углей с целью использования их в производстве строительных материалов/ А.А. Самсонов, В.Ф. Брюшко// Эксплуатация и модернизация энергоблоков мощностью 800 МВт Шарыпово, 2002. - с. 122-125.

70. Сборник задач по общей гидрогеологии. / И.К. Гавич, А.А. Лучшева, С.М. Семенова М.: Высшая школа, 1964. - 251 с.

71. Складирование отходов химических производств / В.Д. Семенюк,

72. B.П. Батюк, Н.П. Стасюк, В.Н. Евстратов. М.: Химия, 1983. - 120 с.

73. Современное состояние и прогнозируемые изменения в окружающей среде под влиянием КАТЭКа. М.: Гидрометеоиздат. Моск. отд-ние, 1984. -212 с.

74. Состав и свойства золы и шлака ТЭС. Справочное пособие. / В.Г. Пантелеев, Э.А. Ларина, В.А. Мелентьев Л.: Энергоатомиздат, 1985.

75. Строительные нормы и правила. Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов (СНиП 2.01.28.-85) / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 43 с.

76. Сысоев, Ю.М. Проектирование и строительство золоотвалов / Ю.М. Сысоев, Г.И. Кузнецов. М. Энергоатомиздат, 1990.

77. Федеральный закон «Об охране окружающей природной среды» -2002.-31с.

78. Флорин, В.А. Основы механики грунтов. Т. 1. М., Госстройиздат, 1959.-356 с.

79. Чубаров, В.Н. Изучение влагопереноса в зоне аэрации для гидрогеологических и экологических прогнозов в условиях Западного КАТЭКа / В.Н. Чубаров, С.Г. Ларичева, В.М. Дядиченко // География и природные ресурсы.- № 1. с.162-165.

80. Шестаков, В.М. Гидрогеологические исследования на орошаемых территориях / В.М. Шестаков, И.С. Пашковский, A.M. Сойфер. М., Недра, 1982.-244 с.

81. Шугалей, Р.Т. Использование золошлаков в качестве противофильтрационного материала в золоотвалах / Р.Т. Шугалей, В.В. Тетельмин // Техника, технология и защита окружающей среды КАТЭКа.-Красноярск, 1982-с. 152-153.

82. Экологическое обоснование к "Проекту реконструкции секции №1 золошлакоотвала Березовской ГРЭС-1": Отчет по НИОКР / ОАО «Красноярская горно-геологическая компания»; Рук. Е.Г. Полякова. -Красноярск, 1999. 42 с.

83. Экологическое обоснование «Удаление золошлаковых отходов Назаровской ГРЭС в отвалы Назаровского угольного разреза»: Отчет по НИОКР / ОАО «Красноярская горно-геологическая компания»; Рук. А.Ю. Озерский. Красноярск, 2000. - 37 с.

84. Ягин, В.П. К вопросу размещения твердых водосодержащих отходов ТЭЦ и других производств / В.П. Ягин, В.А. Вайкум, В.А. Поваренкин, И.А. Давыдов, Н.Н. Нейланд // Гидротехническое строительство. 1998, №6. - с. 1114.

85. Geological and geochemical controls in the chemical evolution of subsurface waters in undisturbed and surface-mined landscapes in western North Dakota / Groenewold G.H., Koob R.D., McCarthy G.J. et al. // Rept. Invest.N.D.Geol.Surv., 1983, No 79,147 p.

86. Sonderegger J.L., Donovan J.J. Laboratory simulation of fly ash as an amendent to pyrite-rich tailings // Ground Water Monitoring Review.- 1984, v.4, pp.75-80.