Переработка полезных ископаемых на обогатительных фабриках сопряжена с образованием значительного объема отработанного материала (хвостов), требующего дальнейшего складирования. В связи с этим вблизи горно-обогатительных комбинатов располагаются специальные гидротехнические сооружения (ГТС), как правило представляющие собой систему хвостохранилищ и ограждающих их дамб.

Дамбы являются основным объектом ГТС, обеспечивающим безопасное и эффективное функционирование всего горно-добывающего комплекса. Преимущественно с ними связано большинство аварийных ситуаций, влекущих за собой социальные, экономические и экологические последствия [Gusenkov et al., 2007]. Одним из таких примеров служит техногенная катастрофа на железорудной шахте в г. Брумадинью (Бразилия), произошедшая в 2019 г. Обрушение дамбы привело к гибели более 250 человек, среди которых, помимо рабочего персонала, были и жители близлежащих населенных пунктов, к распространению по территории штата Минас-Жерайс жидких отходов горно-добывающей промышленности (объем более 11·10⁶ м³) и к загрязнению р. Параопеба токсичными компонентами [Rotta et al., 2020]. Согласно базе данных ICOLD (International Commission on Large Dams) по всему миру в период с 1915 по 2020 г. произошло не менее 366 подобных инцидентов (Карамкенский ГОК, РФ, 2009 г., рудник Маунт Полли, Канада, 2014 г., и др.). При этом данная цифра представляет собой лишь часть от общего числа таких происшествий [Islam, Murakami, 2021]. Надежность и безопасность ГТС такого типа для окружающей среды определяются во многом состоянием техногенного массива дамбы [McFadden, Bennet, 1991; Lolaev, Butiugin, 2005], поэтому во избежание возникновения подобных техногенных аварий требуется проведение мониторинга состояния техногенного грунтового массива дамбы и ее основания, а также необходима разработка своевременных мероприятий по стабилизации данной природно-технической системы.

Хвостохранилище обогатительной фабрики № 3 Мирнинского ГОКа (рис. 1) расположено в Мирнинском районе Республики САХА (Якутия) и является гидротехническим сооружением I класса намывного типа. Оно введено в эксплуатацию осенью 1989 г. и предназначено для складирования отходов обогащения (хвостов) кимберлитовых руд [Aniskin et al., 2016]. По данным АК «АЛРОСА» (ПАО) объем хвостохранилища на 2019 г. составлял 60.82 млн м³, а максимальная высота достигала 75 м, при этом планируемый объем на январь 2024 г. должен был составлять 71.4 млн м³.

Территория размещения хвостохранилища характеризуется суровыми климатическими, сложными структурно-геологическими (тектоническая раздробленность преимущественно терригенно-карбонатных пород нижнего палеозоя) и мерзлотно-гидрогеологическими (сплошное распространение многолетнемерзлых пород мощностью до 400 м; наличие межмерзлотных и подмерзлотных водоносных горизонтов) условиями [Drozdov et al., 2008; Gotovtsev, Klimovsky, 2020; Yannikov et al., 2024]. Обеспечение эффективного и безопасного функционирования объектов промышленности в таких районах является первостепенной задачей [Phukan, 1985; Zhang, 2014]. Также по результатам специальных мерзлотных и гидрогеологических исследований, проведенных институтом «Якутнипроалмаз» в 2023 г., было установлено, что весь техногенный массив дамбы хвостохранилища находится в талом состоянии (температура отложений изменяется от +0.5 до +3.1 °С). Кроме того, в процессе бурения скважин были зафиксированы обводненные зоны. Такое достаточно сложное состояние техногенной толщи создает трудности при дальнейшей эксплуатации данного ГТС. В связи с этим была поставлена цель провести комплексные исследования состава, состояния и деформационно-прочностных свойств техногенных отложений, слагающих ограждающую дамбу, и выявить их потенциал к развитию опасных инженерно-геологических процессов.

В марте – апреле 2023 г. специалистами лаборатории горно-геологических проблем разработки месторождений (ЛГГПРМ) института «Якутнипроалмаз» было выполнено бурение опытных скважин с отбором проб отложений и вскрываемых вод. Всего было пробурено пять скважин глубиной от 31 до 58 м. Отобранные пробы были доставлены в Институт земной коры СО РАН для дальнейших лабораторных исследований.

Определение гранулометрического состава техногенных отложений проводилось ситовым методом с использованием набора стандартных сит, а также лазерно-дифракционным с помощью анализатора гранулометрического состава Analysette 22 NanoTec (Fritsch, Германия). Данный прибор позволяет измерять частицы размером от 0.08 до 2000 мкм (зеленый и инфракрасный лазеры), для разрушения агрегированных частиц предусмотрена функция ультразвука.

Минералогический состав отложений исследовался методом рентгеноструктурного анализа. Пробы, истертые в агатовой ступке со спиртом, были исследованы методом порошковой дифракции на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3.0. Условия съемки: излучение – СuКα, Ni – фильтр, V – 30 кВ, I – 20 мА, шаг сканирования – 0.05°. Для идентификации глинистых минералов осуществлялась подготовка ориентированных проб осаждением глинистой фракции на стеклянной подложке (воздушно-сухая суспензия), насыщенной этиленгликолем и прокаленной до 550 °С в течение трех часов [Brown, 1965]. Рентгенограммы идентифицированы с помощью программы поиска фаз. Полуколичественное соотношение компонентов рассчитано по корундовым числам методом RIR [Hubbard, Snyder, 1988].

Параметры физического состояния техногенных отложений (природная плотность, плотность минеральной части, плотность скелета, влажность, пористость и др.) получены по стандартным методикам (ГОСТ 5180-2015). Определение коэффициента фильтрации (Кф) осуществлялось на фильтрационном приборе КФ-1 для песчаных отложений и на компрессионно-фильтрационном приборе ПКФ-01 для глинистых (ГОСТ 25584-2016).

Среди деформационно-прочностных характеристик для глинистых техногенных образований были определены: удельное сцепление (C), угол внутреннего трения (φ) и модуль деформации (E), для песчаных разновидностей – угол естественного откоса в воздушно-сухом состоянии и под водой (φ1, φ2). Значения C, φ и E получены по результатам испытаний, проводимых на автоматизированном комплексе «АСИС» (ООО НПП «Геотек», Россия) (рис. 2), методом трехосного сжатия дисперсных грунтов на ГТ 2.3.23 по ГОСТ 12248.3-2020. Кроме того, определение параметров прочности (C, φ) выполнено на приборе одноплоскостного среза для мерзлых и дисперсных грунтов ГТ 1.2.14 по ГОСТ 12248.1-2020. Измерение углов естественного откоса песков осуществлялось на приборе УВТ-3М.

В соответствии с классификацией В.В. Охотина (с изменениями) [Okhotin, 1933; Ivanov, 1990] гранулометрический состав техногенных отложений дамбы хвостохранилища (80 проб) представлен следующими литологическими разновидностями: глины пылеватые, суглинки пылеватые, суглинки, супеси и пески мелкозернистые (рис. 3).

Наиболее распространенной литологической разновидностью являются суглинки пылеватые, которые составляют ~40 % от общего объема образцов. Они характеризуются средним содержанием глинистой, пылеватой и песчаной фракций 24.1, 63.1 и 12.8 % соответственно. Далее следуют супеси (5.9, 17 и 77.1 %.) и суглинки (15.1, 30.2 и 54.6 %). К менее распространенным относятся пески (1.7, 5.4 и 92.8 %). Глины пылеватые (31.4, 63.9 и 4.7 %) представлены преимущественно маломощными линзами и прослоями до 1–2 см (рис. 4).

Анализ распределения содержаний глинистой, пылеватой и песчаной фракций в техногенных отложениях выявил некоторые особенности (рис. 5). В составе пылеватых разновидностей (глины пылеватые и суглинки пылеватые) доминируют пылеватые (до 63.9 %) и глинистые (до 31.4 %) частицы. Супеси и пески на фоне минимальных содержаний пылеватой (5.4–17.0 %) и глинистой (2.0–5.9 %) фракций отличаются аномально высоким количеством песчаных (77.1–91.9 %) частиц. Суглинки, характеризующиеся практически средними содержаниями глинистой (до 15.2 %), пылеватой (до 30.2 %) и песчаной (до 54.6 %) фракций, занимают промежуточное положение между пылеватыми и песчаными разновидностями.

Минералогический состав техногенных отложений включает терригенную составляющую, представленную преимущественно кальцитом, доломитом, кварцем и серпентином, а также тонкодисперсную – хлоритами, смектитами и иллитами, реже – каолинитами и смешанослойными минералами (табл. 1). Выявлены некоторые особенности. Глины пылеватые и суглинки пылеватые имеют практически идентичный состав, характеризующийся максимальным содержанием глинистых минералов (31–35 %) и повышенным – доломита (17–19 %), кальцита (15–16 %) и серпентина (11–13 %). Суглинки отличаются максимальными содержаниями кальцита (34 %), серпентина (20 %) и повышенным количеством глинистых минералов (до 30 %), а супеси – равномерным распределением основных компонентов: кальцита (22 %), кварца (18 %), доломита (16 %), серпентина (14 %), и глинистых минералов (13 %). Песчаные отложения выделяются максимальным количеством кварца (35 %), полевых шпатов (20 %) и минимальным – кальцита (10 %), серпентина (6 %) и глинистых минералов (5 %).

Необходимо отметить, что состав тонкодисперсной фракции во всех выделенных литологических разновидностях техногенных отложений преимущественно полиминеральный. Он представлен хлоритом (10 %), смектитом (8 %), иллитами (7 %), реже – каолинитом (7 %), а также смешанослойными минералами. Перечисленные минералы отличаются кристаллической структурой, которая в одном случае более жесткая (каолинит, иллит, хлорит), а в другом – раздвижная (смектит и смешанослойные минералы) [Sokolov, 1996]. Структурные особенности глинистых минералов определяют их свойства (физико-химическую активность, гидрофильность, адсорбционную способность) [Osipov et al., 2017].

Исследуемые техногенные отложения обладают сложным смешанным минеральным составом, который в достаточной мере соответствует исходному материалу (терригенно-карбонатные и кимберлитовые породы) из трубки «Мир» [Posukhova et al., 2013]. Кроме того, сходство состава выделенных литологических разновидностей подтверждает, что дамба хвостохранилища сформирована из одних и тех же отложений.

По результатам лабораторных исследований физико-механических параметров техногенных отложений установлены некоторые особенности.

Суглинки пылеватые с природной влажностью от 11.6 до 39.4 % представляют собой отложения, состояние которых варьируется в широком пределе – от твердого до текучего (рис. 6, а). Плотность скелета варьируется от очень низкой до высокой (pd=1.3–1.8 г/см³), также отмечается значительный разброс значений коэффициента пористости (e=0.51–1.19). Среди данных образований в основном преобладают недоуплотненные и водонасыщенные разновидности. Они характеризуются низкой плотностью скелета, высокой пористостью и, соответственно, повышенной влажностью. В целом, пылеватые отложения являются водонепроницаемыми (Кф=0.001 м/сут).

Параметры прочности и деформируемости (С, φ, Е) суглинков пылеватых в зависимости от консистенции изменяются следующим образом: для тугопластичной (W=22.1 %, pd=1.6 г/см³, e=0.7) – C=0.05 МПа, φ=10.4°, Е=2.8 МПа; мягкопластичной (W=27.3 %, pd=1.4 г/см³, e=0.6) – C=0.03 МПа, φ=9.8°, Е=2.5 МПа и текучей (W=39.4 %, pd=1.3 г/см³, e=0.9) – C=0.003 МПа, φ=3.9°, Е=1.6 МПа (рис. 7). Согласно классификациям, представленным в ГОСТ 25100-2020, данные отложения относятся к «очень сильно деформируемым; средней, низкой и чрезвычайно низкой прочности».

Известно, что у природных глинистых отложений в процессе длительных сдвиговых испытаний часто наблюдается релаксация касательных напряжений (после достижения максимального напряжения происходит его уменьшение на фоне продолжающейся деформации сдвига), т.е. проявляются реологические свойства (падение прочности) [Lomtadze, 1990; Osipov, 1979]. А при существенном увлажнении (IL>0.5) данных образований иногда отмечается полная потеря прочности. По мнению В.И. Осипова с коллегами [Osipov et al., 2017], в этом случае свойства глинистых отложений определяются в основном влиянием адсорбционного слоя гидратных пленок минеральных частиц, дополнительное воздействие нагрузки приводит к развитию процесса текучести. Подобная ситуация отмечается и у исследуемых авторами техногенных образований: сильно переувлажненные (W>30 %) пылеватые суглинки имеют практически «нулевую» прочность.

Суглинки с природной влажностью от 9.6 до 26.8 % представлены твердыми, полутвердыми и мягкопластичными разновидностями (см. рис. 6, б). По сравнению с пылеватыми суглинками данные отложения в среднем обладают более плотным сложением, установлены средненизкие показатели плотности скелета (pd=1.8–1.5 г/см³), а также меньшие значения пористости (e=0.47–0.95). Обладают низкой водопропускной способностью (Кф=0.01 м/сут).

Суглинки мягкопластичные (W=24.8 %, pd=1.7 г/см³, e=0.6) имеют следующие параметры прочности и деформируемости: C=0.011 МПа, φ=13.5°, Е=2.1 МПа, что позволяет отнести их к «очень сильно деформируемым разновидностям очень низкой прочности» (ГОСТ 25100-2020). Твердые разновидности суглинков (W=15.8 %, pd=1.8 г/см³, e=0.4) имеют более высокий модуль общей деформации (Е=3.7 МПа), но при этом остаются очень сильно деформируемыми.

Супеси находятся в твердом и преимущественно пластичном состоянии (см. рис. 6, в). Природная влажность варьируется от 14.2 до 25.5 %. Они характеризуются средневысокой плотностью (pd=1.7–1.9 г/см³; e=0.38–0.59) и, в отличие от ранее представленных глинистых разновидностей, являются водопроницаемыми (Кф от 0.39 до 1.28 м/сут).

Супеси пластичные (W=23.2 %, pd=1.7 г/см³, e=0.5) имеют достаточно низкие параметры прочности и деформируемости (C=0.01 МПа, φ=15.7°, Е=3.2 МПа). Они также относятся к «очень сильно деформируемым отложениям очень низкой прочности». Твердые разновидности (W=16 %, pd=1.8 г/см³, e=0.4) характеризуются более высокими значениями модуля общей деформации (Е=5.6 МПа) и относятся к сильно деформируемым.

Пески с природной влажностью 13.3–31.2 % являются водопроницаемыми и сильноводопроницаемыми (Кф=0.59–3.31 м/сут). Аномальные значения влажности песков (W=25.0–31.2 %) приурочены к обводненным зонам. С целью исследования устойчивости песков определялись углы естественного откоса в воздушно-сухом состоянии и под водой. Средние значения углов (φ1, φ2) естественного откоса песков в воздушно-сухом состоянии и под водой составляют 33–38° и 25–29° соответственно. Существенная разница (∆φ) между ними (от 6 до 12°) может указывать на склонность песчаных отложений к плывунности.

Выявленный широкий спектр состояний исследуемых техногенных отложений обуславливает формирование опасных локальных недоуплотненных и переувлажненных зон в теле дамбы. Наличие таких участков создает сложное и неоднородное напряженно-деформированное состояние техногенного массива, что может сопровождаться развитием экзогеодинамических процессов (эрозия, сплывы, оползни и др.) на поверхности дамбы.

По результатам комплексного исследования состава, состояния и деформационно-прочностных свойств техногенных отложений, слагающих дамбу хвостохранилища обогатительной фабрики № 3 Мирнинского ГОКа, можно сделать следующее заключение.

Тело дамбы сложено достаточно сходными по минеральному, но неоднородными по гранулометрическому составу отложениями, представляющими собой отходы (хвосты) горно-обогатительного производства. По литологическому составу они являются глинами пылеватыми, суглинками пылеватыми, суглинками, супесями и мелкозернистыми песками. При этом наиболее распространены суглинки пылеватые (~40 % от общего объема).

Выявлен широкий спектр физических состояний глинистых отложений по степени плотности скелета (от высокой до очень низкой) и показателю консистенции (от твердой до текучей). Большая их часть имеет низкосредние значения плотности скелета (1.3–1.7 г/см³) и находится в пластичном состоянии.

Исследуемые отложения обладают достаточно низкой прочностью и повышенной деформируемостью. Подтверждено, что значения прочностных и деформационных параметров в наибольшей степени определяются гранулометрическим составом техногенных образований и их физическим состоянием.

Учитывая то, что техногенные образования характеризуются проявлением таких «опасных» процессоформирующих свойств, как пластичность, плывунность и текучесть, на объекте организован регулярный геомониторинг, направленный на предупреждение и предотвращение негативных ситуаций.

Все авторы внесли эквивалентный вклад в подготовку рукописи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

All authors made an equivalent contribution to this article, read and approved the final manuscript.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанного с этой рукописью.

The authors declare that they have no conflicts of interest relevant to this manuscript.