Космоснимок хвостохранилища: пруд-отстойник и пляж намыва в чаше накопителя — Хвостохранилище на космоснимке: пруд-отстойник в чаше накопителя. Часть воды фильтруется через ложе накопителя и тело дамбы, задача проекта в том, чтобы определить основные пути и интенсивность движения потока, предложить решения по перехвату и предотвращению фильтрации к водным объектам и водозаборам.

Почему это важно

Хвостохранилище фильтрует всегда: техногенные воды уходят через ложе и тело ограждающей дамбы, а их состав определяется технологией переработки - продукты цианирования (роданиды, аммоний) и мышьяк на золоте, сульфаты и тяжёлые металлы при окислении сульфидных руд, остаточные флотореагенты, нитраты от взрывных работ. Отсюда два разных по природе риска. Экологический: ореол загрязнения движется по потоку подземных вод к водозаборам и водотокам, и каждая наблюдательная скважина с превышением - это предписания и деньги. Геотехнический: дополнительная фильтрация создаёт подпор подземных вод, что может влиять на устойчивость тела дамбы, - по данным Международной комиссии по большим плотинам (ICOLD), аварийность намывных дамб хвостохранилищ кратно выше, чем у традиционных водоподпорных плотин.

Требования к защите подземных вод ужесточились. СП 127.13330.2023 «Объекты размещения отходов производства», по которому экспертиза оценивает хвостохранилища, шламохранилища и отвалы, требует геологического барьера и противофильтрационного экрана с нормируемым коэффициентом фильтрации, а размещение объекта на участках с высоким уровнем подземных вод принимает только с подтверждением гидрогеологическим моделированием. Введённый в 2024 г. СП 540.1325800.2024 закрепил тот же принцип для накопителей жидких отходов: оценка воздействия - только геофильтрационным и геомиграционным моделированием, параметры моделей - по данным опытно-фильтрационных работ. Оценка без надёжных фильтрационных расчётов экспертизу больше не проходит, и требование обоснованное: ошибка в прогнозе фильтрации останавливает производство. При этом задача численной модели не сводится к самим расчётам: она собирает разрозненную гидрогеологическую информацию - изыскания разных лет, режимные наблюдения, опытные работы, данные эксплуатации - в единую непротиворечивую картину, и уже на её основе строится прогноз.

Масштаб таких задач - в цифрах нашего проекта, описанного ниже в разделе «Из практики»:

55км²

площадь геофильтрационной модели района хвостохранилища: 12 расчётных слоёв, включая слой противофильтрационного экрана и многолетнемёрзлые породы

10скважин

перехватывающий дренажный ряд глубиной 120 м - гидравлический барьер, перекрывающий погребённую палеодолину по всей ширине

2,0-3,0тыс. м³/сут

расчётный водоотбор дренажа после актуализации модели по данным откачки - против ~4 тыс. м³/сут по первичной оценке: меньше насосов и затрат на очистку

220м

сплошная воронка депрессии без «окон» для проскока загрязнения - прогноз перехвата подтверждён опытно-промышленной откачкой

С чем сталкиваются владельцы накопителей

Шесть типовых проблем

Загрязнение дошло до наблюдательных скважин

За дамбой растут минерализация подземных вод и прочие маркеры технологического цикла. Дальше - предписания, рост платы за НВОС, риск приостановки. Нужен прогноз и защитные мероприятия, обоснованные расчётом.

Депрессионная поверхность выше расчётной

Выходы фильтрационных вод на низовой откос, суффозия, снижение устойчивости ограждающей дамбы - и вопросы Ростехнадзора к безопасности ГТС.

Старый накопитель без экрана

Объект построен до современных требований к геологическому барьеру и экрану основания по СП 127.13330.2023. Продолжать эксплуатацию можно, только доказав защищённость подземных вод, - обоснованием служат численная модель и данные мониторинга.

Наращивание и дефицит ёмкости

Каждый ярус наращивания меняет фильтрационную схему и водный баланс. Расчёты первоначального проекта перестают отражать реальность - их нужно актуализировать.

Замечания экспертизы

ГГЭ и ГЭЭ возвращают проект: оценка влияния на подземные воды не обоснована моделированием, нет геологического барьера и сети наблюдательных скважин по СП 127.13330.2023, параметры не подтверждены опытно-фильтрационными работами.

Ликвидация и рекультивация

Накопитель влияет на подземные воды десятилетиями после остановки. Постэксплуатационный прогноз определяет объём обязательств: мероприятия, мониторинг и срок, когда его можно завершить.

Что мы делаем

Геофильтрационная модель района накопителя: калибровка по режимным наблюдениям, потери на фильтрацию через ложе и тело дамбы, положение депрессионной поверхности
Геомиграционная модель: перенос загрязнителей с учётом сорбции и дисперсии, ореол на 5, 10, 25 лет и постэксплуатационный период, прогноз концентраций в точках водопользования
Расчётные сценарии: нормальная эксплуатация, наращивание, аварийные ситуации, консервация и ликвидация
Прогноз фильтрационных потерь через ложе и тело дамбы - для учёта в водном балансе накопителя и системе оборотного водоснабжения
Обоснование противофильтрационных решений: природный экран, геомембрана, техногенный экран, вертикальные завесы, водоперехватывающие скважины
Дренажные системы: перехват фильтрационных вод, снижение депрессионной поверхности в дамбе, возврат воды в оборотное водоснабжение
Опытно-фильтрационные работы для параметров моделей: откачки, наливы, миграционные запуски, режимные наблюдения
Программа мониторинга по СП 127.13330.2023: створы наблюдательных скважин по направлениям грунтового потока, пьезометрические створы в дамбе, критериальные значения и регламент реагирования
Аудит и актуализация моделей и оценок влияния, выполненных другими консультантами

Что вы получите

Расчётное обоснование, которое проходит Главгосэкспертизу и государственную экологическую экспертизу: отчёт с моделью, исходными данными и верификацией
Прогнозные расходы фильтрации и концентрации по сценариям - готовая основа разделов ООС/ОВОС и декларации безопасности ГТС
Состав защитных мероприятий, подобранный сравнением вариантов по капитальным и эксплуатационным затратам
Программу мониторинга с сетью наблюдений и критериями реагирования
Численную модель, пригодную к актуализации по данным мониторинга на всём жизненном цикле накопителя
Сопровождение в ходе экспертизы и при работе с надзорными органами

Как мы работаем

Аудит данных и изыскания. Проверяем достаточность исходных данных: фильтрационные параметры, выдержанность водоупоров, режимные наблюдения, состав техногенных вод. Дефицит закрываем опытно-фильтрационными работами и миграционными запусками - этого прямо требует СП 540.1325800.2024.
Численная модель. Строим геофильтрационную модель (MODFLOW) и калибруем её по уровням и расходам; поверх - геомиграционная модель (MT3D-MS) по маркерам технологического цикла. Считаем сценарии от нормальной эксплуатации до аварии и постэксплуатационного периода. Моделирования требуют оба профильных свода правил - и СП 127.13330.2023, и СП 540.1325800.2024.
Защитные мероприятия. Экран, вертикальная завеса, дренаж, водоперехватывающие скважины - состав подбираем расчётом на модели и сравнением вариантов по затратам жизненного цикла, а не «по аналогии». Пассивные решения предпочитаем активной откачке там, где это возможно.
Мониторинг и сопровождение. Проектируем сеть пьезометров и наблюдательных скважин с критериями реагирования. По данным мониторинга модель актуализируется - именно так СП 540.1325800.2024 требует подтверждать эффективность защитных мероприятий в период эксплуатации.

Из практики

Действующее хвостохранилище

Хвостохранилище хвостов флотации золоторудного месторождения, район распространения многолетнемёрзлых пород

Реконструкция накопителя под увеличение ёмкости до 12 млн м³ с расчётным сроком заполнения 6 лет. Основной путь фильтрации - погребённая палеодолина; мерзлота играет роль локальных водоупоров и меняет фильтрационную схему по мере деградации. Актуализировали собственную геофильтрационную модель первого этапа: перекалибровали её по фактическим утечкам через ложе (0,9-1,4 тыс. м³/сут по балансовым данным двух лет эксплуатации), результатам опытно-фильтрационных работ и опытно-промышленной откачки.

Обоснован перехватывающий ряд из десяти дренажных скважин глубиной 120 м - гидравлический барьер поперёк палеодолины; полнота перехвата ореола подтверждена расчётом зоны захвата на калиброванной модели
Опытно-промышленная откачка подтвердила прогноз: сплошная воронка депрессии протяжённостью около 220 м без «окон» для проскока, со сработкой уровня 15-35 м в скважинах ряда
Актуализация модели по факту снизила расчётный водоотбор дренажа с ~4 до 2,0-3,0 тыс. м³/сут - прямая экономия на насосном парке и очистке дренажных вод
Постэксплуатационный прогноз: дренаж работает ещё не менее 6 лет после остановки намыва, а через ~3 года после прекращения сброса восстанавливается приповерхностный слой мерзлоты - естественный верхний противофильтрационный экран

Работа выполнена в два этапа: на предпроектной стадии - сравнение вариантов защиты (без дополнительных мероприятий, противофильтрационный экран из лежалых хвостов, комбинированная схема с вертикальным дренажом), затем - актуализация модели по данным опытно-промышленной откачки и обоснование итоговой схемы с программой мониторинга по трём наблюдательным створам.

Нормативная и методическая база

СП 127.13330.2023 «Объекты размещения отходов производства. Основные положения по проектированию» - базовый для экспертизы документ, прямо распространяющийся на хвостохранилища, шламохранилища и отвалы: геологический барьер и противофильтрационный экран, дренаж и сбор фильтрата, створы наблюдательных скважин, обоснование площадки гидрогеологическим моделированием
СП 540.1325800.2024 «Накопители жидких промышленных отходов. Основные положения проектирования» - профильный документ по намывным и наливным накопителям: обязательное геофильтрационное и геомиграционное моделирование, водный баланс, требования к контрольно-измерительной аппаратуре
СП 39.13330.2012 «Плотины из грунтовых материалов» - фильтрационные расчёты, дренажи и противофильтрационные устройства ограждающих дамб
СП 58.13330.2019 «Гидротехнические сооружения. Основные положения» - классы сооружений, критерии безопасности, натурные наблюдения
Рекомендации ВНИИ ВОДГЕО по проектированию хвостовых хозяйств предприятий металлургической промышленности (Стройиздат, 1976) - наш рабочий инструмент наряду с СП: выбор площадки и типа хвостохранилища, дренажные устройства ограждающих дамб, расчёт ёмкости, водный баланс и оборотное водоснабжение, защита прилегающей территории от подтопления
Федеральный закон № 117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений» - декларирование безопасности и критерии безопасности ГТС

Для международных проектов работаем по GISTM (Global Industry Standard on Tailings Management), бюллетеням ICOLD и классической методологии Vick «Planning, Design and Analysis of Tailings Dams».

Разница подходов принципиальна. Российские своды правил - предписывающие: они задают конкретные технические решения, и соответствие им проверяет экспертиза. GISTM управляет риском: требования определяются классификацией последствий разрушения сооружения - вплоть до расчёта на паводок и землетрясение предельной повторяемости, - с независимой ревизией проектных решений (ITRB) и персональной ответственностью инженера (Engineer of Record). Для гидрогеологической части это означает более жёсткие расчётные сценарии и явное обоснование неопределённостей прогноза. Поэтому модель мы изначально строим так, чтобы она выдерживала и государственную экспертизу, и внешнюю ревизию международного консультанта.

Накопитель влияет на подземные воды дольше, чем работает обогатительная фабрика: СП 127.13330.2023 ограничивает срок эксплуатации объекта размещения отходов 25 годами, а его продление требует обосновывать с учётом фактического состояния окружающей среды; СП 540.1325800.2024 к тому же сроку привязывает комплексную оценку накопителя. Поэтому мы сдаём не «отчёт в архив», а численную модель, которая актуализируется по данным мониторинга и отвечает на новые вопросы на каждом этапе жизненного цикла - от наращивания дамбы до ликвидации.