Оценка фильтрационной устойчивости ограждающей дамбы хвостохранилища на основе гидрогеомеханического 3D моделирования

На примере хвостохранилища одного из горнопромышленных предприятий Кольского полуострова выполнены модельные исследования фильтрационной устойчивости его ограждающей дамбы. Для этого была создана гидрогеомеханическая 3D модель, отражающая геометрические размеры, геомеханические и гидравлические условия работы дамбы. Отличительной особенностью разработанной модели являлась возможность интегрирования инженерно-геологических, геомеханических и гидрогеологических условий, что позволило наряду с геомеханическими расчетами (смещения грунтов), выполнить и гидравлические (градиент напора и выход дренирующейся воды). С использованием Plaxis 3D выполнены расчеты по сценариям степени заполнения хвостохранилища водой вследствие повышенных технологических сбросов промышленных вод или паводкового затопления. По результатам моделирования выполнены оценки геомеханического (смещения грунтов) и гидравлического (градиенты напора) состояний дамбы, а также выявлены закономерности формирования депрессионной поверхности дренирующейся сквозь тело дамбы воды и выхода ее на дневную поверхность. Определены зависимости градиента напора и коэффициента устойчивости от уровня воды в хвостохранилище по принятым сценариям. Проведен сравнительный анализ рассчитанных значений градиента напора и коэффициента устойчивости с критериальными для гидротехнического сооружения 1 класса. Выполнена оценка фильтрационной устойчивости ограждающей дамбы хвостохранилища для рассмотренных условий в зависимости от изменения уровня воды в хвостохранилище. Примененный методический подход предоставляет научно-техническую основу для оценки фильтрационной устойчивости ограждающей дамбы конкретного горнопромышленного хвостохранилища, с учетом его геомеханических и гидравлических условий.
Ключевые слова: хвостохранилище, ограждающая дамба, гидрогеомеханическое 3D моделирование, градиент напора, фильтрационная устойчивость.

Калашник Н. А. Оценка фильтрационной устойчивости ограждающей дамбы хвостохранилища на основе гидрогеомеханического 3D моделирования // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2022. – № 12-1. – С. 5–15. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_121_0_5.

Калашник Надежда Анатольевна — научный сотрудник, Горный институт Кольского научного центра РАН, e-mail: n.kalashnik@ksc.ru, ORCID ID: 0000-0001-7651-6562.

1. Lèbre É., Corder G. D., Golev A. Sustainable practices in the management of mining waste. A focus on the mineral resource // Minerals Engineering. 2017, vol. 107, pp. 34—42. DOI: 10.1016/j.mineng.2016.12.004.

2. Segura-Salazar J., Lima F. M., Tavares L. M. Life Cycle Assessment in the minerals industry: Current practice, harmonization efforts, and potential improvement through the integration with process simulation // Journal of Cleaner Production. 2019, vol. 232, pp. 174—192. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.05.318.

3. Tost M., Hitch M., Chandurkar V., Moser P., Feiel S. The state of environmental sustainability considerations in mining // Journal of Cleaner Production. 2018, vol. 182, pp. 969—977. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.02.051.

4. Tailings dams risk of dangerous occurrences. International commission on large dams. Paris, 2001. Bulletin no. 121, 145 p.

5. Калашник А. И. Комплексные исследования и мониторинг хвостохранилищ горнопромышленных предприятий Кольского региона // Горный журнал. — 2020. — № 9. — С. 101—106. DOI: 10.17580/gzh.2020.09.15.

6. Zongjie Lyu, Junrui Chai, Zengguang Xu, Yuan Qin, Jing Cao A comprehensive review on reasons for tailings dam failures based on case history // Advances in Civil Engineering. 2019, vol. 2019, article 4159306. URL: https://www.hindawi.com/journals/ace/2019/4159306/ (дата обращения: 22.03.2022). DOI: 10.1155/2019/4159306.

7. Tolvanen A., Eilu P., Juutinen A., Kangas K., Kivinen M., Markovaara-Koivisto M., Naskali A., Salokannel V., Tuulentie S., Similä J. Mining in the Arctic environment. A review from ecological, socioeconomic and legal perspectives // Journal of Environmental Management. 2019, vol. 233, pp. 832—844. DOI: 10.1016/j.jenvman.2018.11.124.

8. Ковлеков И. И. Безопасность гидротехнических сооружений при эксплуатации месторождений на Севере // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 7. — С. 154—164. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_7_0_154.

9. Калашник Н. А. Оценка надежности насыпного грунтового сооружения при образовании в его теле зоны повышенной фильтрации // Вестник КНЦ РАН. — 2019. — № 2(11). — С. 69—74. DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.2.69-74.

10. Adamo N., Al-Ansari N., Sissakian V., Laue J., Knutsson S. Dam safety: Monitoring of tailings dams and safety reviews // Journal of Earth Sciences and Geotechnical Engineering. 2020, vol. 11, no. 1, pp. 249—289. DOI: 10.47260/jesge/1117.

11. Калашник Н. А. 4D компьютерное моделирование фильтрационно-деформационных процессов в ограждающей дамбе хвостохранилища // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № S37. — С. 393—400. DOI: 10.25018/0236-14932019-11-37-393-400.

12. Melnikov N. N., Kalashnik A. I., Kalashnik N. А. Integrated multi-level geofluidmechanics monitoring system for mine waterworks. // Eurasian Mining. 2018, no. 2, pp. 7—10. DOI: 10.17580/em.2018.02.02.

13. Kalashnik N., Giliarova A., Kalashnik A. Research of influence of the zone of the increased filtration on reliability of the store of liquid industrial wastes // 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2018. 2018, vol. 18, book 1.2., pp. 609—614. DOI: 10.5593/sgem2018/1.2/S02.077.

14. Fazio S., Castellani V., Sala S., Schau E., Secchi M., Zampori L. Supporting information to the characterization factors of recommended EF Life Cycle Impact Assessment methods: New methods and differences with ILCD. 2018. DOI: 10.2760/671368.

15. Lassin A., Thiéry D., Blanc P., Guignot S. Estimating potential releases from mine tailings: insights from reactive transport modelling. Final Report. BRGM/RP-70601-FR, 2021, 81 p. URL: http://infoterre.brgm.fr/rechercher/switch.htm?scope=9.

16. Muniruzzaman M., Karlsson T., Ahmadi N., Role M. Multiphase and multicomponent simulation of acid mine drainage in unsaturated mine waste: Modeling approach, benchmarks and application examples Appl // Geochemistry. 2020, vol. 120, article 104677. DOI: 10.1016/j. apgeochem.2020.104677.

17. Song X., Pettersen J. B., Pedersen K. B., Røberg S. Comparative life cycle assessment of tailings management and energy scenarios for a copper ore mine. A case study in Northern Norway // Journal of Cleaner Production. 2017, vol. 164, pp. 892—904. DOI: 10.1016/j.jclepro. 2017.07.021.

18. Tao M., Zhang X., Wang S., Cao W., Jiang Y. Life cycle assessment on lead-zinc ore mining and beneficiation in China // Journal of Cleaner Production. 2019, vol. 237, article 117833. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.117833.

19. Abramov N. N., Dyakov A. Y., Kalashnik A. I. Identification of water-saturated zones in a protective hydraulic earthen structure by synchronous electromagnetic and seismic sounding // Power Technology and Engineering. 2019, vol. 53, no. 2, pp. 167—171. DOI: 10.1007/ s10749-019-01055-3.

20. Muller S., Lassin A., Lai F., Thiéry D., Guignot S. Modelling releases from tailings in life cycle assessments of the mining sector: From generic models to reactive transport modeling // Minerals Engineering. 2022, vol. 180, no. 6, article 107481. DOI: 10.1016/j.mineng.2022.107481.

21. Obrzud R. F., Truty A. The hardening soil model — a practical guidebook. Revised 21.10.2018. 2018, 216 p. URL: http://www.zsoil.com/zsoil_manual_2018/Rep-HS-model.pdf (дата обращения: 17.04.2022).