Kaivannaisjätteiden tutkiminen ja mallintaminen jätealueiden KAUKO KUJALA Prof. Maa- ja pohjarakennustekniikka Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio Kauko.kujala@oulu.fi 1
SISÄLTÖ Kaivosjätteiden hyödyntäminen Tutkimuksia kaivosjätteiden maarakennuskäytöstä Rikastushiekan sakeuttaminen Mitoitus ja mallintaminen 2
KAIVANNAISTUOTANNON JÄTTEET Valtioneuvoston (10.4.2008) hyväksymä jätesuunnitelma vuoteen 2016 -kaivannaistuotannolle asetettu tavoite ehkäistä jätteiden syntyä ja parantaa tuotannon materiaalitehokkuutta -määrällisiä tavoitteita ei ole asetettu Kaivannaistuotannossa jätteitä muodostuu merkittävimmin seuraavilta toimialoilta: -rauta ja värimetallimalmien louhinta -rakennus- ja kalkkikiven louhinta -kemiallisten ja lannoitemineraalien louhinta Valtakunnallisen jätesuunnitelman seuranta 1. väliraportti Ympäristöministeriön raportteja 3/2012. ISBN 978-952-11-3970-3 (PDF) 3
MUUTAMIA MÄÄRITELMIÄ Maapeite malmion yläpuolella Pintamaa (topsoil) Irtomaa (overburden) Huom. Overburden määritellään: Kerros luonnollista, kasvien peittämää maa-ainesta tai massiivista kiveä malmion yläpuolella Malmi (ore) Sivukivi (waste rock) Kallioperä lähellä maanpintaa Maanpinta (surface) Pintamaa (topsoil) Irtomaa (overburden) Malmio (orebody) Malmi (ore) Sivukivi (waste rock) Harmemineraali (gangue) Mineraali (mineral) Kuvien ja tekstin lähtöaineisto: Himmi, Matti (toim.), 2007. Kaivosteollisuuden rikastushiekan ja sivukivien BAT-vertailuasiakirjan sanasto, englanti-suomi. Yleiset termit, lyhenteet ja aineet. Helsinki: Suomen ympäristökeskus. s. 42-43 Rikastushiekka (tailings): Malmia, josta on poistettu haluttuja mineraaleja niin paljon kuin se käytännössä on mahdollista. Rikastushiekka koostuu pääasiallisesti harmemineraaleista ja saattaa sisältää prosessivettä, prosessikemikaaleja ja jonkin verran mineraaleja, joita ei ole saatu talteen 4
YM:n ohje kaivannaisjätteen luokittelu pysyväksi Valtioneuvoston asetus kaivannaisjätteistä 14.3.2013/190 5 Liite 1 Kaivannaisjätteen luokittelu pysyväksi jätteeksi... 2....d) jätteen ja siitä erottuvan hienoaineksen sisältämien ympäristölle tai ihmisen terveydelle mahdollisesti haitallisten aineiden (erityisesti arseeni, kadmium, koboltti, kromi, kupari, elohopea, molybdeeni, nikkeli, lyijy, vanadiini ja sinkki) pitoisuudet jätteessä ovat riittävän alhaiset siten, että niistä aiheutuva vaara ympäristölle ja terveydelle on merkityksetön sekä lyhyellä että pitkällä aikavälillä; mainittujen aineiden pitoisuuksia pidetään riittävän alhaisina ja niistä ympäristölle tai terveydelle aiheutuvaa vaaraa merkityksettömänä, jos ne eivät ylitä maaperän pilaantuneisuuden ja puhdistustarpeen arvioinnista annetussa valtioneuvoston asetuksessa (214/2007) tarkoitettuja arviointia edellyttäviä kynnysarvoja tai alueen ympäristön maaperän taustapitoisuuksia; e) jäte ei käytännössä sisällä louhinnassa tai rikastuksessa käytettyjä aineita, jotka voivat aiheuttaa vaaraa tai haittaa ympäristölle tai ihmisen terveydelle. 3. Jätettä voidaan pitää pysyvänä jätteenä ilman erityistä testausta, jos toimivaltaiselle viranomaiselle saatavilla olevien tietojen tai käytössä olevien menettelyjen tai järjestelmien perusteella luotettavasti osoitetaan, että 2 Kestävä kaivostoiminta kohdassa III 12.-13.6.2013 tarkoitetut perusteet on otettu riittävästi huomioon ja että perusteet täyttyvät.
VNa 214/2007 ns. PIMA-asetus 6
KAIVANNAISJÄTTEIDEN HYÖTYKÄYTTÖ Suurin hyötykäyttökohde kaivoksen infran rakentamisessa -rikastushiekka-altaiden pohja-, pato- ja pintarakenteet, tiet -kaivostäyttö -maisemointi Infrakenteet kaivoksen ulkopuolella, kohteet yleensä kaukana kaivoksista Reaktiivisena materiaalina ympäristörakentamissa esim. suotaavissa padoissa Sideaineena/runkoaineena stabiloinnissa tai betonissa Käsiteltynä (esim. kemiallinen, terminen, mekaaninen) rikastushiekka potentiaalinen raaka-aine 7
VÄYLÄINFRASSA MASSAMÄÄRÄT SUURIA Sivutuotteiden käyttö tieja katurakenteissa Kulutuskerros/ päällyste Sidotut rakenteet Päällysrakenteet Täyttö- ja pengerrakenteet Kuivaturakenteet Asfaltin kiviaines Asfalttifilleri Sidottu kantava kerros Sidottu jakava kerros Syvästabiloitu pohjamaa Massastabiloitu pohjamaa Kantava kerros Jakava kerros Suodatinkerros Penkereet Meluvallit Siirtymärakenteet Salaojien ympärystäytöt 8
JÄTTEISTÄ MAARAKENNUKSEN SIVUTUOTTEIKSI Tekniset ohjeet, standardit ja määräykset Asuin- ja teollisuusrarentaminen Tie- ja katurakenteet Kaatopaikkarakenteet Jäte/sivutuote teollisuudesta Tekniset ominaisuudet Ympäristökelpoisuus Koerakentaminen Instrumentointi ja seuranta TUOTTEEN KÄYTTÖ MAARAKENTAMISESSA Suunnittelu-, mitoitusja rakentamisohjeet Lainsäädäntö Kustannukset LCA ja LCC 9
KALSIITIN RIKASTUKSESSA MUODOSTUVA RIKASTUSHIEKKA MAARAKENNUSKÄYTTÖ Rikastushiekka suodatinkerroksessa Flotation sand in filter layer 10
RIKASTUSHIEKAN GEOTEKNISIÄ OMINAISUUKSIA Property Coarse fraction Fine fraction Specific gravity ρ (t/m 3 ) 2.89 2.88 PH 8.6 8.6 Maximun dry density γ dmax kn /m 3 17.6 17.7 Optimum water content w opt 13 14 Capillary rise h c cm 78 86 Hydraulic conductivity k (m/s) 10-5.0 10-5.6 Friction angle φ 44.7 43.7 Cohesion c ( kpa ) 3 15 CBR - value 42 51 Segregation potential SP 0 (mm 2 / Kh ) 0 0.4 Maximum frost heave h (mm) 0.5 0.1 Thermal conductivity λ (W/Km) - unfrozen (+22 C) 1.17 1.13 - frozen (- 15 C) 1.50 1.41 11
RIKASTUSHIEKAN KOOSTUMUS Flotation sand Fine fraction (mg/kg) Flotation sand Coarse fraction (mg/kg) Al 2430 5280 As <10 <10 B <5 5 Ba 29.4 39.7 Be <0.5 1.3 Ca 233000 205000 Cd <0.5 <0.5 Co <1 1.8 Cr 3.2 7.2 Cu 6.6 8.7 Fe 1850 3910 K 361 929 Mg 4020 4000 Mn 52.6 99.4 Mo <3 <3 Na 466 899 Ni <2 4.0 P 431 358 Pb <5 <5 S 359 830 Sb <15 <15 Sr 296 277 Ti 184 354 V 1.1 4.5 Zn 8.4 13.6 12
Rikastushiekan ominaisuuksia voidaan muuttaa: -lujuutta voidaan lisätä mm. potsolaanisella tuhkalla Compressive strength (MPa) 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 PURISTUSLUJUUS 0 10 20 30 40 E-modulus (MPa) 250 200 150 100 50 0 KIMMOMODUULI 0 10 20 30 40 Ash content (%) Ash content (%) coarse fraction, 28 days fine fraction, 28 days coarse fraction, 90 days fine fraction, 90 days 13
COARSE FRACTION Säänkestävyyden tutkiminen hyvin tärkeä Jäätymis-sulamistestit! Compressive strenght (MPa) 6 5 4 3 2 1 0 freezing-thaw ing test w ater test comaparative strenght (28 days) Ash content: 10 % 30 % FINE FRACTION Compressive strenght (MPa) 6 5 4 3 2 1 0 freezing-thaw ing test w ater test comaparative strenght (28 days) Ash content: 10 % 30 % 14
Rikastushiekan ominaisuuksia voidaan muuttaa: -vedenläpäisevyyttä pienentää mm. bentoniitin lisäyksellä Material Number Degree of Water Segregation Classification of Hydraulic cycles density content potential frostsusceptibility conductivity [%] [%] [mm2/ Kh ] [m/s] Fine fraction + 4 94.9 16.2 0 Non - frost - 10-9.0 6 % bentonite susceptible Fine fraction + 4 89.8 16.2 0 Non - frost - 10-9.0 6 % bentonite susceptible Fine fraction + 4 94.7 16.1 1.0 Low - frost - 10-9.1 4 % bentonite susceptible Coarse fraction + 4 94.7 16.2 0 Non - frost - 10-9.4 6 % bentonite susceptible Coarse fraction + 4 89.7 16.2 0 Non - frost - 10-9.9 6 % bentonite susceptible Coarse fraction + 4 94.7 16.0 0 Non - frost - 10-9.0 4 % bentonite susceptible 15
MAGNESIITTIHIEKKA Rikastushiekkojen raemuoto poikkeaa vastaavan raekokojakauman Omaavista luonnon hiekoista 16
MAGNESIITTIHIEKAN GEOTEKNISIÄ OMINAISUUKSIA 17
Rikastushiekan ympäristökelpoisuuden tutkiminen lysimetrien avulla Ympäristökelpoisuus tulisi tutkia todellisissa käyttöolosuhteissa Tien alle rakennettavat lysimetrit, toinen lysimetri vertailulysimetri 18
KAATOPAIKAT RIKASTUSHIEKKA-ALTAAT POHJAT JA PINNAT Ilmastotiedot: Ilman lämpötila Sadanta Suhteellinen kosteus Tuulen nopeus Säteily Eroja ja yhtäläisyyksiä? Jätteenkäsittelyalueiden rakentamisessa käytetään runsaasti ominaisuuksiltaan erilaisia materiaaleja Rakenne: Rakennekerrosten paksuus ja kerrosjärjestys, pinnan kaltevuus JÄTE Materiaaliominaisuudet: Peiterakenne: Vesipitoisuus Tilavuuspaino Hydraulinen johtavuus Vedenpidätyskäyrä Lämmönjohtavuus (sula ja jäätynyt) Sulanveden määrä lämpötilan funktiona Lämpökapasiteetti (sula ja jäätynyt) Olomuodonmuutoslämpö (kiinteä, neste ja kaasu) Rikastushiekka-altaiden rakenteet poikkeavat sekä pohja- että pintarakenteiden osalta. Rikastushiekka-altaissa myös padot Pohjarakenne: Hydraulinen johtavuus Sorptio - ominaisuudet Diffuusiominaisuudet Reunaehdot 19
REAKTIIVISET MATERIAALIT Useilla jäteillä/sivutuotteilla haitta-aineita sitovia tai saostavia ominaisuuksi Suotaava pato kaivosvesien puhdistuksessa Patomateriaalina voimakkaasti metalleja saostava emäksinen kuona # 0 100 mm 20
REAKTIIVISET MATERIAALIT KUIVATUSKERROKSESSA Peiterakenne Pintakerros Rikastushiekka Tiivistyskerros Kuonamateriaali vedenläpäisevyys > 10-3 m/s maalajiltaan hiekka routimaton leikkauslujuus (φ>36 ) kapillaarisuus < 20 cm kiintotiheys 3,6 g/cm 3 ph 7 7,3 Pintakerros Rikastushiekka Tiivistyskerros Reaktiivinen materiaali 21 21
SULJETUT RIKASTUSHIEKKA-ALTAAT 0,00 Tilavuuspaino (kn/m3) 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 4,00 Alkuaine Rikastushiekka syv. 14 m mg/kg Turve syv. 15,5 m mg/kg Turve syv. 16,0 m mg/kg Syvyys (m) 8,00 Arseeni, As 36,9 16,6 3,3 12,00 Barium, Ba 690 3100 180 Beryllium, Be 0,6 0,6 0,6 Kadmium, Cd 8,1 4,1 0,3 Koboltti, Co 9,3 4,2 1 16,00 Tilavuuspaino Kuivatilavuuspaino Kromi, Cr 4,9 12,1 11,6 Sinkki Kupari, Cu 880 370 26,9 Molybdeeni, Mo 12 6,4 1 Nikkeli, Ni 24,8 17 4,9 Lyijy, Pb 850 340 16,9 Antimoni, Sb 18,4 9,6 2 Seleeni, Se 2,8 3 2 Vanadiini, V 37,7 24,2 10,6 Sinkki, Zn 2190 1190 47,6 Pitoisuus (mg/kg) 2500 2000 1500 1000 500 0 2190 mg/kg 330,0 1040,0 383,0 455,0 1190 mg/kg 625,0 240,0 146,0 47,6 mg/kg RH syv. 14 TV1 syv. 15,5 TV2 syv. 16 Vaihe 5 Vaihe 4 Vaihe 3 Vaihe 2 Vaihe 1 22
RIKASTUSHIEKKA LIETTEENÄ, SAKEUTETTUNA VAI PASTANA? RIKASTUSHIEKAN SAKEUTTAMINEN VÄHENTÄÄÄ YMPÄRISTÖVAIKUTUKSIA -suotovesimäärä rikastushiekka-altailla vähenee -patojen stabiliteetin paranee -altaiden tilantarve pienenee -peiterakenteet helpompi toteuttaa RIKASTUSHIEKAN SAKEUTUS Myötölujuus PUMPPAUS LÄJITYSALUEET VESIENKÄSITTELY JA KIERRÄTYS VESIEN LAATU JA MÄÄRÄ SULKEMINEN JA JÄLKIHOITO Kiintoainepitoisuus 23 23
MYÖTÖLUJUUDEN MITTAAMINEN VANE-MITTAUS (vrt. geotekniikassa siipikairaus) Mitataan vääntömomenttia (T) ajan funktiona hitailla nopeuksilla. Vääntömomentti kasvaa kunnes materiaali myötää Maksivääntömomentista (T m ) saadaan myötölujuus (τ y ) yhtälöllä T m = π d 2 3 l d + 1 τ y 3 d on siiven halkaisija l siiven pituus Leikkauslujuus määritetään kohdasta leikkausjännityksen maksimikohdasta 24
MYÖTÖLUJUUDEN MITTAAMINEN SLUMP-TEST (vrt. betenitekniikassa painumakoe) Perustuu eri vesipitoisuudessa olevien vakiotilavuuksisten ja korkeuksisten lietekasojen korkeuden muutoksen mittaukseen Myötölujuus (τ y ) saadaan iteroitua yhtälöstä: Sylinteri täytetään näytteellä ja nostetaan pois z H 2τ y 2τ y = 1 * 1 ln ρsl gh ρsl gh z on korkeuden alenema (lieriön korkeus läjän korkeus) H lieriön korkeus ρ sl lieteseoksen tiheys g maan vetovoiman kiihtyvyys Näyteläjän korkeus mitataan 25
MYÖTÖLUJUUDEN MITTAAMINEN REOMETRILLÄ Leikkauslujuus (τ) ja myötölujuus (τ y ) noudattavat Herschel-Bulkley yhtälöä: τ = τ y + Kγ n (K on the Herschel-Bulkley konsistenssiluku, n = vakio) Reometrillä mitataan leikkauslujuutta (τ) leikkausnopeuden (γ ) funktiona τ y, K, n saadaan määritettyä mittauksesta Mittaus epälineaarista pienillä leikkausnopeuksilla Bingham sovitus käytetty arvio oikeasta leikkausjännityksestä - Ekstrapoloidaan suora viiva käyrän lineaarisesta osasta 1000 100 81 s% Ty = 127.5 Pa 78 s% Ty = 30 Pa Shear sress [Pa] 10 1 0,1 70 s% Ty = 6.1 Pa 0 100 200 300 400 500 Shear rate [1/s] 70 s% 0.71 Pa 78 s% 13.3 Pa 81 s% 73.6 Pa 26 roma1.rm.ingv.it Laboratories HP-HT Lab
MYÖTÖLUJUUS KIINTOAINESPITOISUUDEN FUNKTIONA 900 Yield stress [Pa] 800 700 600 500 400 300 200 Vane Slump- test Herchel-Bulkley 100 0 60 65 70 75 80 Concentration, % [w/w] 27
Palautusvesi RIKASTUSHIEKKA-ALTAIDEN GEOTEKNINEN MITOITUS JA MALLINTAMINEN TIIVIS POHJARAKENNE -hienoaines moreeni -maabentoniitti -seos -bentoniittimatto -HDPE-kalvo Sadanta (RISKITEKIJÄ) -bitumikermi tiivistetty turve Haihdunta Kuivavyöhyke ns. beach KAIVOSPATO Rikastushiekka Suotovedenkeruu -palautus selkeytysaltaisiin Kallio 28
VYÖHYKEPATO TIIVISTYSSYDÄN MÄRÄLLÄ PUOLELLA PADON RAKENTEET Tukipenger Rikastushiekka Pohjamaa Tiivistyssydän Suodatinkerros Tiivistyskerros 29
MATERIAALIPARAMETRIT Suovesivirtaus -vedenjohtavuus (unsat/sat) -vedenpidätyskäyrä Haitta-aineen kulkeutuminen -diffuusiokerroin -pitkittäinen dispersio -poikittainen dispersio -adsorptio isotermi haitta-aineelle Stabiliteetti -leikkauskestävyyskulma -koheesio -tilavuuspaino 30