Пылеподавление на гидроотвалах дисперсных отходов способом гидрообеспыливания

В условиях Сибири весьма распространенной технологией оперативного пылеподавления является кратковременный подъем уровня в пруде и затопление пылящих пляжей в период наиболее активного пылеобразования.

Данный метод является относительно эффективным, но его существенным недостатком является неизбежное возрастание фильтрационных нагрузок на ограждающую дамбу (подъем депрессионной поверхности, увеличение выходных градиентов на участке высачивания и соответствующее снижение фильтрационной прочности грунтов и устойчивости откоса).

Складирование дисперсных отходов в горном деле (хвосты) и теплоэнергетике (зола) преимущественно производится в гидроотвалах. Эксплуатация этих объектов сопровождается длительными экологическими нарушениями, такими как геофильтрация промстоков, обрушение водонасыщенных низовых откосов дамб, пыление на открытых поверхностях пляжей и др.

Пыление сопровождается загрязнением атмосферы и поверхности почвы на прилегающей к гидроотвалу территории, токсическим воздействием пыли на растительность и живые организмы. Поэтому исследование процесса пыления дисперсного материала и разработка новых, более эффективных технологий пылеподавления является актуальной проблемой.

Выбор способов пылеподавления должен обеспечивать беспылевой режим эксплуатации отвала при наращивании дамб, реконструкции и рекультивации объекта. Мероприятия по пылеподавлению должны осуществляться на основе технико-экономического сопоставления вариантов с учетом их экологической эффективности. В целях предотвращения или снижения выноса пылящих частиц предусматривают различные планировочные, технологические и конструктивные решения.

Известны различные способы и методы пылеподавления - физико-химическая стабилизация пылящей поверхности с помощью вяжущих и структурообразующих веществ, механические, биологические и другие способы. По различным причинам многие способы не получили широкого распространения. Наиболее часто применяется гидрообеспыливание на пылящей поверхности надводного пляжа гидроотвала в процессе эксплуатации.

Из анализа существующих способов пылеподавления следует, что в них не всегда учитывается и используется влияние такого важного фактора как регулируемая влажность пылящего материала.

Влага в порах массива дисперсных отходов является одним из основных факторов, определяющих сцепление частиц хвостов или золы между собой и возможность их отрыва ветром от поверхности пляжа. Поэтому регулирование влажности потенциально пылящего поверхностного слоя материала, образующего надводный пляж, является одним из перспективных способов пылеподавления.

До настоящего времени для оперативного пылеподавления часто используют кратковременный подъем уровня воды в отстойном пруде и затопление пылящих участков пляжей. Недостатком этого метода является неизбежное возрастание фильтрационных нагрузок на ограждающую дамбу.

Временный (обычно до двух месяцев) период эксплуатации гидроотвала с затопленными пляжами является экстремальным с позиций фильтрационной устойчивости дамбы. В этот период урез воды приближается непосредственно к водопроницаемому верховому откосу дамбы, что предполагает некоторое поднятие кривой депрессии, активизацию существующих и появление дополнительных зон высачивания фильтрата в нижней части низового откоса и, как следствие, уменьшение его статической устойчивости.

Эти опасные явления, осложненные сезонным промерзанием откоса и образованием на его поверхности мерзлого водонепроницаемого слоя, могут приводить к серьезным фильтрационным деформациям дамбы в зоне высачивания. Постоянное высачивание фильтрата может сопровождаться выпором мерзлого слоя, поверхностным обводнением, разупрочнением и размывом грунта. Участки высачивания должны постоянно контролироваться службой эксплуатации. В необходимых случаях требуются локальные укрепительные мероприятия - уположение откоса и дренирующие пригрузки.

Фильтрационный режим дамбы с затопленным и незатопленным (“влажным”) пляжем иллюстрируется результатами математического моделирования, выполненного в плоско-вертикальной постановке на основе конечно-разностной аппроксимации исследуемой области фильтрации. Расчеты проведены для конкретного объекта – золоотвала Иркутской ТЭЦ–10. Результаты расчетов приведены на рисунках 29, 30; их достоверность подтверждена сравнением расчетного и фактического положения кривой депрессии, установленного натурными наблюдениями в пьезометрах.

Расчеты статической устойчивости сооружения, выполненные по методу кругло-цилиндрических поверхностей скольжения, также подтверждают опасения в отношении отрицательного влияния затопления пляжа на устойчивость низового откоса дамбы.

1 – отстойный пруд; 2 – гребень дамбы; 3,4,5 – пьезометры (фактический

уровень воды); 6 – кривая депрессии; 7 – линии равных напоров (эквипотенциали).

Рисунок 29 – Фильтрация при затопленном пляже

1 – отстойный пруд; 2 – гребень дамбы; 3,4,5 – пьезометры;

6 – кривая депрессии; 7 – линии равных напоров (эквипотенциали); 8 – пляж.

Рисунок 30 – Фильтрация при наличии надводного пляжа шириной 100 м

При затоплении пляжа и соответствующем повышении кривой депрессии коэффициент устойчивости (К_ф) равен 1,05. При эксплуатации золоотвала с поддержанием влажного состояния поверхности пляжа шириной 100 м устойчивость дамбы обеспечивается; величина максимального коэффициента устойчивости повышается до 1,4.

Нормальный режим работы гидроотвала характеризуется влажным состоянием надводной поверхности пляжа. Соответственно, фильтрационная и статическая устойчивость дамбы тем выше, чем шире пляж, отделяющий урез воды от верхового откоса. При уменьшении влажности дисперсных отходов до некоторой критической величины их частицы становятся неустойчивыми и при определенной скорости ветра вовлекаются в процесс пыления. Поверхность пляжа высыхает и начинается следующий, наиболее активный период пыления, когда отсутствуют сдерживающие факторы (атмосферные осадки, растительность по периметру отвала, изменение направления ветра, изменение состава и свойств отложений).

Для дополнительного увлажнения золошлакового массива рекомендуется использовать эффект капиллярного поднятия влаги между кривой депрессии и поверхностью пляжа (рисунок 31).

1 – ограждающая дамба; 2 – зона инфильтрации атмосферных осадков; 3 – зона капиллярного поднятия влаги; 4 – отстойный пруд; 5 – кривая депрессии; 6 – зона фильтрации.

Рисунок 31– Схема увлажнения пляжа на гидроотвале дисперсных отходов

Высота капиллярного поднятия при полном смачивании частиц, определяется по формулам:

где:

– капиллярная постоянная (безразмерная величина);

Явление смачивания вызывает искривление поверхности воды у стенок капилляра под действием сил поверхностного натяжения. При разности давлений происходит вдавливание воды в капилляр; она поднимается до тех пор, пока это давление не уравновесится весом столба воды в капилляре. Скорость капиллярного поднятия зависит от гранулометрического состава материала. Максимальные значения этой скорости наблюдаются в крупнозернистых грунтах (например, в хвостах рудообогащения), минимальные – в глинистых грунтах (например, в золе или шламах) (рисунок 32).

В песках, супесях и аналогичных им зернистых отходов относительно быстро достигается предельная высота подъема. В суглинках и аналогичных из золах и шламах этот процесс происходит медленнее. Средняя величина капиллярного поднятия для различных грунтов приведена в таблице 19.

Рисунок 32 – Кривые капиллярного поднятия для различного диаметра

Таблица 19 – Примерные значения средней высоты капиллярного поднятия для различных пород

Грунт	Высота капиллярного поднятия, см
Крупнозернистый песок	3,0 – 12,0
Среднезернистый песок	12,0 – 35,0
Мелкозернистый песок	35,0 – 120,0
Супесь, зола	120,0 – 350,0

Скорость поднятия влаги определяется по формуле:

где:

– коэффициент фильтрации грунта, м³/сут;

На водоподъемную способность грунтов и дисперсных отходов влияют влажность, температура, наличие солей и другие факторы. Например скорость капиллярного поднятия в золошлаковом массиве зависит от диаметра и влажности частиц (рисунок 33).

Рисунок 33 – Скорость капиллярного поднятия влаги в золошлаковом массиве

От применяемой в настоящее время технологии пылеподавления на гидроотвалах путем затопления пылящих поверхностей пляжей рекомендуется отказаться.

Необходимо продолжить исследования и использовать эффект капиллярного поднятия влаги от кривой депрессии фильтрационного потока к поверхности надводного пляжа при совершенствовании технологий пылеподавления на гидроотвалах дисперсных отходов.

Можно ожидать, что данный метод будет наиболее перспективным при близком расположении кривой депрессии от поверхности пылящего пляжа, что, в частности, имеет место на многих золоотвалах Сибирских теплоэлектростанций.

Глава 3. Методы и способы пылеподавления

3.3. Временные оперативные мероприятия по предотвращению пыления

3.3.4. Пылеподавление на гидроотвалах дисперсных отходов способом гидрообеспыливания