Мониторинг безопасности гидротехнических сооружений (далее ГТС) накопителей жидких промышленных отходов - это совокупность постоянных (непрерывных) наблюдений за состоянием ГТС и характером их воздействия на окружающую среду. Мониторинг, реализуемый через систему наблюдений, интерпретацию результатов и сравнение их с критериями безопасности, позволяет своевременно прогнозировать аварийную ситуацию и в результате оперативного принятия мер предупредить возникновение чрезвычайной ситуации. Таким образом, мониторинг безопасности ГТС осуществляется в целях предотвращения возникновения аварийных ситуаций и создания условий для безопасной эксплуатации ГТС.

К накопителям жидких промышленных отходов относят:

• хвостохранилища;

• шламохранилища;

• шламонакопители;

• илонакопители;

• гидроотвалы;

• пруды-отстойники шахтных вод;

• пруды-аэраторы;

• пруды-нейтрализаторы сточных вод;

• накопители технических;

• дренажных и шламовых вод;

• технологические водохранилища;

• другие сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов и предотвращения вредного воздействия вод и жидких отходов.

Основная задача мониторинга безопасности накопителей жидких промышленных отходов - сбор и анализ информации о состоянии объектов ГТС для оперативной оценки ситуации по безопасности этих сооружений и подготовки рекомендаций по устранению выявленных недостатков для своевременного предупреждения негативных последствий.

Состав объектов мониторинга существенным образом зависит от воздействия природных и техногенных факторов на накопитель, конструкции сооружения и условий его эксплуатации, а также от этапа жизненного цикла этого сооружения.

Среди природных факторов, способных привести к нарушению проектного режима эксплуатации ГТС и возникновению гидродинамической аварии, выделяют:

• физико-механические характеристики (плотность, удельное сцепление, угол внутреннего трения, влажность, коэффициент фильтрации) грунтов тела и основания дамбы;

• гидрографию рек и поверхностного водопритока (снегового и дождевого) в зоне их влияния на накопитель;

• берегопереработку;

• геокриологические процессы;

• температуру наружного воздуха;

• глубину сезонного промерзания (оттаивания) грунтов, пляжа и толщину льда в прудке-отстойнике; среднюю толщину снежного покрова в районе водосборной площади;

• скорость и направление ветра;

• природные сейсмические условия района;

• напряженное состояние грунтов тела и основания плотины;

• гидростатическое давление, которое проявляется архимедовыми силами взвешивания на грунты, залегающие ниже депрессионной поверхности;

• гидродинамическое давление, создаваемое движущейся водой вследствие сопротивления грунтов фильтрации;

• избыточное поровое давление, вызванное дополнительной внешней нагрузкой вследствие низкой проницаемости грунтов и плохих условий дренирования массива.

К техногенным факторам, оказывающим негативное воздействие на безопасность ГТС накопителей, относят:

• литологический и гранулометрический состав грунтов основания, тела дамбы и пляжной зоны;

• уплотнение, увлажнение и интенсивность отсыпки грунтов тела дамбы;

• высоту дамбы и заложение откосов;

• статические и динамические нагрузки от оборудования, работающего на дамбе;

• складирование или намыв отходов в накопитель;

• наращивание ограждающих дамб;

• подземные горные и взрывные работы в районе расположения накопителя;

• систему гидротранспорта и оборотного водоснабжения;

• конструкцию и местоположение водоотводной, дренажной и замораживающей систем;

• систему извлечения шлама из емкости накопителя.

Объекты мониторинга безопасности конкретного сооружения определяют методом экспертной оценки на основании натурного обследования ГТС, анализа проектной, строительной и эксплуатационной документации, а также установления природных и техногенных факторов (нагрузок), оказывающих значимое воздействие на безопасность ГТС накопителей жидких промышленных отходов.

Объектами мониторинга накопителей могут быть: дамба (плотина), пруд-отстойник, нагорная и водоотводная канавы, водосбросные сооружения, система гидротранспорта и отдельные конструктивные элементы. Например, для накопителей плотинного типа к объектам мониторинга относят следующие конструктивные элементы дамбы: тело, гребень, откосы, ядро, экран, зуб, подошву, дренажные устройства.

Для бесплотинных накопителей (заглубленных емкостей) перечень объектов мониторинга значительно меньше, потому что вероятность возникновения чрезвычайной ситуации на этих объектах, по оценке экспертов, характеризуется качественной оценкой «редко», что соответствует количественной оценке риска аварии. Вместе с тем эти сооружения зачастую оказываются на территории, подработанной подземными горными работами, либо используются для хранения токсичных отходов. Поэтому перечень объектов мониторинга таких сооружений существенным образом отличается от перечня накопителей плотинного типа.

Особой оценки при определении объектов мониторинга требуют накопители, расположенные на площади залегания полезных ископаемых или на ранее подработанных подземными горными работами территориях. Разработка полезных ископаемых подземным способом приводит к изменению напряженного состояния и образованию зон сдвижения в массиве и на земной поверхности. При разработке угольных пластов под водным объектом могут произойти:

• прорыв воды в горные выработки в результате образования провалов и зон водопроводящих трещин над очистными и подготовительными выработками;

• прорыв водонасыщенных рыхлых пород в горные выработки в тех случаях, когда напор воды над или под глинистым водоупором вызывает разрушение последнего при его подработке;

• затопление земной поверхности водой и неконсолидированными отложениями, содержащимися в накопителе, вследствие нарушения целостности ограждающих дамб под влиянием оседания земной поверхности, вызванного горными работами.

В этом случае объекты мониторинга - подземные горные выработки - из-за увеличения водопритоков в них путем фильтрации воды из емкости накопителя; прилегающая к накопителю земная поверхность, находящаяся в зоне влияния очистных работ, в результате образования водопроводящих трещин при изменении напряженного состояния массива горных пород. Для таких накопителей необходимо иметь аварийную емкость в целях организованного отвода воды в случае обнаружения признаков деформации земной поверхности вблизи накопителя, которая также является объектом мониторинга.

Большая часть накопителей сточных вод содержит вещества, способствующие загрязнению окружающей среды. В этой связи к объектам мониторинга следует относить: поверхностные и подземные воды, воздух, прилегающие к накопителю земли.

Для накопителей, расположенных в суровых климатических условиях и на многолетнемерзлых грунтах, объектом мониторинга представляются грунты основания и тела дамбы в части сохранения их температурного режима.

Разрушение ограждающих сооружений накопителей жидких промышленных отходов приведет к гидродинамической аварии, в этой связи зона возможного затопления также будет объектом мониторинга из-за наличия в ней людей и объектов, не связанных с эксплуатацией накопителя.

Документация, отражающая результаты изысканий, строительства и эксплуатации накопителей, - важный элемент в обеспечении безопасности ГТС, поэтому она также является объектом мониторинга в отношении ее сохранности, комплектности и соответствия нормативным требованиям по промышленной безопасности.

Безаварийная работа сооружений существенным образом зависит от укомплектованности эксплуатационного персонала, поэтому к объектам мониторинга следует относить эксплуатационный персонал по образованию, квалификации, аттестации.

Технологические процессы оказывают значимое влияние на состояние безопасности накопителей, поэтому мониторинг распространяется также и на технологические процессы. Например, за накопителями, из которых периодически извлекают шлам, необходимо вести наблюдения, особенно за технологией выемки шлама в целях обеспечения целостности верхового откоса дамбы. В этой связи при извлечении шлама из емкости объектом мониторинга является размер пляжа, позволяющий обеспечить целостность верхового откоса дамбы.

На горнодобывающих предприятиях, ведущих добычу полезных ископаемых открытым способом, накопитель промышленных отходов часто оказывается в зоне влияния взрывных работ, что служит причиной сползания откосов. В этом случае нужно наблюдать за процессом производства массовых взрывов для оценки сейсмического воздействия их на дамбу накопителя, и объектом мониторинга здесь является участок открытых горных работ при проведении взрывов.

Рассмотренные примеры показывают, что для реализации основной цели мониторинга безопасности ГТС необходим дифференцированный подход к формированию перечня объектов мониторинга безопасности ГТС накопителей промышленных отходов. Приведем примеры реализации такого подхода при определении объектов мониторинга безопасности для различных видов промышленных предприятий.

Пруд-отстойник шахтных вод - сооружение III класса ответственности - предназначен для осветления шахтной воды. Состав сооружений пруда-отстойника:

• емкость;

• плотина;

• нагорная канава;

• аварийный водосброс;

• водоотводное устройство.

Накопитель балочный, наливной, создан путем отсыпки плотины в логу ручья. Плотина пруда-отстойника насыпная, талая, по составу неоднородная и имеет следующее строение: тело сложено местными гравийно-галечниковыми грунтами с противофильтрационным элементом (глиняное ядро) и переходным слоем из гравийно-песчаной смеси, отсыпанным с низовой стороны ядра. Для снижения фильтрации по подошве плотины принято сопряжение ее с основанием посредством противофильтрационного зуба, глубиной до 3 м, с заглублением его в коренные породы основания не менее чем на 1 м. Проектом предусмотрено периодическое извлечение угольного шлама из емкости.

Наибольшая опасность для пруда-отстойника - разрушение плотины. В результате возможного ее прорыва произойдет вынос воды и неконсолидированных отложений из пруда-отстойника по логу в реку и на прилегающую территорию, затопление территории нижнего бьефа, загрязнение почв и земель, а также воды в реке ингредиентами, содержащимися в неосветленной шахтной воде.

Для этого сооружения на этапе эксплуатации выделяют следующие объекты мониторинга: плотину, емкость, пульповоды, трубопровод осветленной воды, нагорную канаву, аварийный водосброс, водоотводное устройство; отдельные конструктивные элементы(тело, гребень, откосы, подошва); размер пляжа при извлечении шлама из емкости накопителя; окружающую среду (поверхностные и подземные воды в нижнем бьефе пруда-отстойника); зону возможного затопления в случае возникновения аварии. На этапе строительства этого же сооружения дополнительно к упомянутым выше объектам мониторинга следует добавить конструктивные элементы плотины - ядро и зуб.

Пример

Шламонакопитель обогатительной фабрики - сооружение IV класса ответственности и предназначен для складирования флотохвостов обогащения углей, осветления воды и подачи ее на технические нужды хвостового хозяйства фабрики. Накопитель котлованного типа расположен в выработке бывшего участка открытых горных работ, с крутыми обрывистыми склонами. В состав сооружений входят:

• отстойник шламовых вод с противофильтрационным экраном из суглинка;

• пульпоперекачная насосная станция 1 подъема, расположенная в здании радиальных сгустителей;

• трасса пульповодов от станции 1 подъема до отстойника шламовых вод, насосная установка (понтон);

• трасса водовода возврата осветленной воды от отстойника до здания радиальных сгустителей, емкость для аварийного сброса воды;

• противофильтрационный экран дна и откосов отстойника из суглинка и защитный слой из скального грунта мощностью по 1 м.

Ниже шламонакопителя, на глубине 70 м, находятся действующие горные выработки, подрезающие подземные водоносные горизонты.

Наибольшую опасность представляет прорыв воды в шахту вследствие разрушения противофильтрационного экрана ложа и бортов. При этом увеличиваются водопритоки в горные выработки шахты, возникает угроза переполнения шахтовых водосборников. В зоне возможного затопления находится персонал, обслуживающий шахтный водоотлив.

Объекты мониторинга шламонакопителя - основная и аварийная емкости, система гидротранспорта и оборотного водоснабжения, подземные горные выработки шахты; отдельные конструктивные элементы (дно отстойника по формированию водопроводящих трещин и фильтрации воды в подземные горные выработки); земная поверхность в зоне ведения очистных работ.

Горнодобывающие предприятия, ведущие добычу полезных ископаемых открытым способом с предварительным смывом рыхлых четвертичных отложений гидромеханизированным способом, используют для размещения пульпы гидроотвалы. В основном это намывные накопители, поэтому их строительство и эксплуатация ведутся одновременно. Особенность этих накопителей - размещение их в зоне влияния сейсмического воздействия массовых взрывов, проводимых на участке горных работ.

Рассмотрим определение объектов мониторинга на примере гидроотвала разреза, который является сооружением 2 класса капитальности и предназначен для складирования вскрышных пород разреза, разрабатываемых гидромеханизированным способом. Гидроотвал относится к овражно-балочному типу по расположению и намывному по способу заполнения. Основные его сооружения:

• емкость, состоящая из накопителя и пруда-отстойника; дамба обвалования;

• разделительная дамба;

• водосбросный канал;

• шандорные колодцы;

• аварийный водосброс;

• центральная насосная станция оборотного водоснабжения;

• пульповод; землесосные станции;

• водовод.

Дамба обвалования представлена упорной призмой, образованной первичной дамбой из суглинка с четырьмя ярусами дамб наращивания, и предназначена для создания накопителя под складирование глинистых пород. Дамбы наращивания, отсыпаны из вскрышных пород. На расстоянии 500-700 м расположены действующие выработки разреза, где ведут вскрышные работы с рыхлением пород взрывом. Подземные водоносные горизонты в районе расположения гидроотвала подрезаны вследствие ведения горных работ. При возникновении гидродинамической аварии вода и неконсолидированные отложения из гидроотвала аккумулируются в погашенных горных выработках разреза.

Гидроотвал включает следующие объекты мониторинга: дамбу обвалования (основную с дамбами наращивания и ограждающую), разделительную дамбу, емкости накопителя и пруда-отстойника, систему гидротранспорта и оборотного водоснабжения, водо-сбросный канал, шандорные колодцы, аварийный водосброс, пляжную зону; отдельные конструктивные элементы (тело, гребень, откосы, подошву, бермы); участок открытых горных работ вблизи дамбы в части технологии ведения массовых взрывов и оценки сейсмического воздействия взрывной волны на низовой откос дамбы.

Накопители сточных вод и токсичных отходов предприятий химической и металлургической промышленности (незначительные по объему и высоте ограждающего сооружения) представляют зачастую большую опасность, чем сооружения горнодобывающих предприятий. Для сооружений такого типа характерен особый состав объектов мониторинга. Рассмотрим состав объектов мониторинга для накопителя сточных вод, расположенного на многолетнемерзлых грунтах, предназначенного для приема неиспользованных обесфеноленных вод после биохимической установки цеха улавливания. В состав комплекса ГТС входят:

• осаждающая дамба;

• емкость;

• система гидротранспорта сточных вод и оборотного водоснабжения;

• дренажные канавы.

Дамба поперечного профиля однородная, из суглинка. Для исключения фильтрации сточной воды из накопителя по дну ложа и верховому откосу ограждающей дамбы как единое целое выполнен противофильтрационный экран из полиэтиленовой пленки. Подстилающий и защитный слои - из песка, дренаж - из щебня, крепление гребня и откосов также из щебня. Гидротранспорт сточной воды в шламонакопитель организован по самотечному железобетонному коллектору в одну нитку. Напорный водовод из стальных труб проложен под землей в одну нитку. Водосброс нерегулируемый в виде колодца из монолитного железобетона. Коллектор осветленной воды из стальных труб в железобетонной оболочке.

Накопитель сточных вод включает следующие объекты мониторинга:

• ограждающую дамбу, емкость, систему гидротранспорта сточных вод и оборотного водоснабжения, дренажную канаву, водосброс;

• отдельные конструктивные элементы (тело, гребень, откосы, экран, защитный слой экрана, дренаж, крепление гребня и откосов);

• окружающую среду (грунты тела и основания дамбы в результате изменения температурного режима, подземные воды в части загрязнения их ингредиентами, содержащимися в фильтрационной воде в случае нарушения целостности экрана, атмосферный воздух в части загрязнения его испарениями с водной поверхности накопителя);

• зону возможного затопления в случае возникновения аварии.

Методом ретроспективного анализа литературных источников, а также экспертной оценки на основе анализа риска аварий авторами определен интегрированный перечень объектов мониторинга безопасности ГТС накопителей жидких промышленных отходов, который приведен ниже.

К объектам мониторинга безопасности относят:

• накопители жидких промышленных отходов, включающие емкости накопителей, намывные и насыпные ограждающие, разделительные и подпорные дамбы (плотины), водозаборные и водосбросные сооружения, нагорные и водоотводные канавы, грунты основания ГТС в зоне влияния, систему гидротранспорта и оборотного водоснабжения;

• окружающую среду (поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух в районе накопителей, земли прилегающей территории);

• подземные горные выработки при расположении накопителей на площади залегания полезных ископаемых;

• земную поверхность, прилегающую к накопителю в зоне влияния подземных горных выработок; зону возможного затопления в случае возникновения аварии;

• проектную и эксплуатационную документацию указанных выше ГТС;

• эксплуатационный персонал по образованию, обучению, аттестации на право эксплуатации ГТС и готовности к выполнению работ в чрезвычайной ситуации.