Что таят в себе хвостохранилища Крайнего Севера?

Хвостохранилище — сложная конструкция, которая требует грамотной эксплуатации даже в обычных условиях. А что происходит с накопителями, построенными на Крайнем Севере? Низкие температуры, вечная мерзлота и, как следствие, мощные массивы льда, которые образуются внутри дамб, делают эти сооружения намного более специфичными. Какие же дополнительные риски приобретают накопители мёрзлого типа и какую опасность несут замороженные хвосты обогащения?

Под толщей льда

Начнём с очевидного: при строительстве хвостохранилища на Крайнем Севере нужно учитывать гораздо больше факторов, нежели при строительстве «обычного». Во-первых, сам накопитель в условиях вечной мерзлоты покрывается льдом — это значительно усложняет его эксплуатацию.

Ёмкость хвостохранилища мёрзлого типа должна быть приспособлена к неравномерным осадкам оттаивающих оснований. Первостепенно при её строительстве учитывают общие мерзлотные условия всего сооружения: температуру вечномёрзлых пород, особенности льдов, подземных вод, наледей и прочее.

Во-вторых, обязательно исследуют состав, строение и свойства грунтов основания будущего хвостохранилища.

В-третьих, перед строительством обязательно изучают климатические факторы района возведения накопителя, а также физико-механические свойства карьерных грунтов и намывных отложений.

И в-четвёртых, нужно помнить о возможности развития фильтрации, в том числе в мёрзлых грунтах, потому что они способствуют образованию в хвостовых отложениях льда, причём как естественного, так и техногенного.

Как отмечает профессор кафедры инженерной экологии и безопасности жизнедеятельности СФУ Георгий Кузнецов, в основном сложности возникают именно с мёрзлыми грунтами, которые укладывают преимущественно в нижней части дамбы хвостохранилища для большей устойчивости и водонепроницаемости.

«Эти суглинистые отложения имеют свойство увеличиваться в объёме при промерзании или, другими словами, распучиваться, а потом, оттаивая, испытывать тепловую осадку. Такой грунт не должен воздействовать на противофильтрационные элементы — глинистые грунты или полиэтиленовые плёнки.

За ними в разы трудней наблюдать и уж тем более ликвидировать последствия их размыва. Присутствие даже сезонной мерзлоты является дополнительным отрицательным фактором, который усугубляет всю картину, а на Крайнем Севере дело обстоит ещё хуже: сложно предугадать, как в таких условиях поведёт себя дамба», — рассказал г-н Кузнецов.

По его словам, на Крайнем Севере в качестве грунта дамбы чаще используют щебенистый суглинок с большим количеством пылеватых частиц. Его равномерно распределяют по основанию, избегая образования пористых зон и пустот. Если качественно установить противофильтрационные элементы, центральная часть дамбы в процессе строительства и эксплуатации промерзает полностью. А при сохранении естественного температурного режима основания мёрзлая зона из грунтов станет достаточно надёжным противофильтрационным элементом.

В идеале хвостохранилище мёрзлого типа всегда должно быть замороженным, за исключением накопителей талого типа, где допускается небольшое и некритичное по своей сути оттаивание верхней части дамбы.

Главное, чтобы сооружение не потеряло своей устойчивости, а этого можно добиться только за счёт сохранения мёрзлых массивов. Именно поэтому перед строительством накопителя сначала размораживают грунты, затем обязательно уплотняют их и тем самым уменьшают водонепроницаемость будущей дамбы.

Чтобы она лучше охлаждалась, нижний откос делают максимально пористым и воздухопроницаемым. В принципе, хвостохранилище можно строить на любом вечномёрзлом основании, главное, чтобы у грунта не было не заполненных льдом трещин или пустот: через них может прорваться загрязнённая вода и повредить сооружение.

Дамба — это «утюг»

Хвостохранилища в зоне Крайнего Севера должны сохранять своё замороженное состояние. Но реальная ситуация такова: мёрзлые основания неизбежно подвергаются длительному оттаиванию. Попробуем разобраться: почему лёд, вроде бы в условиях вечной мерзлоты, оттаивает? Георгий Кузнецов сравнил дамбу с «утюгом» — всё дело в тёплых промстоках, именно из-за них температура внутри ёмкости повышается.

«Допустим, на Крайнем Севере температура -60 °С, а необходимая температура, при которой дамба сохраняет своё мерзлотное состояние, всего лишь примерно -4 °С. Если допустить внутри дамбы повышение температуры хотя бы до 0 °С, ледяные отложения начнут оттаивать.

Со временем будут деформироваться сооружения, расположенные в зоне оттаивания, — это могут быть водосборные колодцы, коллекторы, насосные станции, пульпопроводы и другое. Всё это неизбежно приводит к деформации сооружения.

Постепенно в накопителе образовываются термокарстовые провалы, и хвостохранилище может полностью разрушиться, и все отходы, хранящиеся в дамбе, прорвутся в окружающую среду.

Но даже если дамба высотой около 50 м содержит в себе 30–40% льда, её уже нельзя эксплуатировать, в таком случае остаётся строить новое хвостохранилище и перебрасывать туда хвосты обогащения», — рассказал г-н Кузнецов.

За последние 40 лет в России было возведено множество накопителей в условиях вечной мерзлоты. Среди них — хвостохранилища Норильского ГМК, Коршуновского ГОКа, объекты компании «АЛРОСА» в Якутии, шламохранилища обогатительных фабрик в Магаданской области и Забайкалье и другие. Как показывает практика, накопители строятся в сжатые сроки, из-за чего все необходимые требования попросту не всегда учитываются.

Пожалуй, самый первый и яркий пример — хвостохранилище № 1 в Норильске. Проектная высота дамбы составляет 52 м, каждую зиму большая часть объекта почти полностью промерзает, покрываясь слоем льда толщиной от 1 до 3 м.

В отдельных скважинах общая мощность льда достигает 45%. Ещё в 1960–70-х годах специалисты выявили, что дамбу возвели по принципиально ошибочной технологии, в частности, при строительстве не были учтены сложные климатические условия.

Из-за неправильного проектирования на хвостохранилище сформировались мощные наледи, в результате 30–40% объёма тела дамбы заполнилось льдом вместо грунта.

Из-за последующего оттаивания образовались термокарстовые провалы, а также возникла воднотепловая эрозия. Норильское хвостохранилище начало деформироваться: постепенно размывалась поверхность гребня, происходили утечки пульпы. Всё это привело к большим промоинам в дамбе шириной до 10 м и глубиной до 2 м.

Этот пример наглядно показывает, что с оттаиванием льда в накопителе нужно бороться. Георгий Кузнецов назвал два основных способа. Первый — установка специального оборудования. Это могут быть охлаждающие трубы, замораживающие колонки либо термосифоны, которые постоянно поддерживают отрицательную температуру внутри дамбы, сохраняя тем самым её мерзлотное состояние. Их использование даёт нужный эффект, но, опять же, такое оборудование стоит достаточно дорого.

«Есть и второй способ: перед началом эксплуатации хвостохранилища его основание принудительно размораживают. Пока не произойдёт деформация оттаивающего основания, накопитель строить нельзя, поэтому на месте будущей дамбы устанавливают испытательные штампы.

Если лёд оттаял, можно приступать к строительству. Этот способ долгий, поэтому его можно применять, если позволяет время. Но опять же, нужно проверить, завершились ли осадки дамбы вместе с оттаивающим основанием, хватает ли ёмкости и так далее», — говорит Георгий Кузнецов.

Сколько бы ни было тревожных нюансов при возведении накопителей в суровых климатических условиях, такие сооружения вполне имеют место. Множество хвостохранилищ действует без серьёзных нареканий десятилетиями. Главное — возводить их по всем правилам, а после — непрерывно и тщательно за ними следить.

Текст: Валентина Лескина