Kaivoksen ympäristönsuojelurakenteissa käytettävän moreenin vedenläpäisevyyden tarkastelu

Abstract

Tämän työn tavoitteena oli tutkia Agnico Eagle Finland Oy:n Kittilän kultakaivoksen ympäristönsuojelurakenteissa käytetyn moreenin vedenläpäisevyyteen vaikuttavia tekijöitä. Alueelle on tehty lukuisia moreenin vedenläpäisevyyden määrittämiseen liittyviä maasto- ja laboratoriotutkimuksia tässä työssä sekä aiemmin muissa yhteyksissä. Aikaisemmin mittaustuloksissa on havaittu eroavaisuuksia ja osin epäjohdonmukaisuuksia. Diplomityön tarkoitus oli löytää mitkä tekijät vaikuttavat eniten kohdealueen moreenin vedenläpäisevyyteen sekä selvittää miksi kyseiset tekijät vaikuttavat vedenläpäisevyystuloksiin.

Moreenin vedenläpäisevyyteen vaikuttavia tekijöitä selvitettiin kirjallisuudesta sekä maasto- ja laboratoriotutkimuksien avulla. Tutkimukset kohdistuivat rakenteilla olevan NP4-rikastushiekka-altaan alueelle. Työssä tehtyjen maasto- ja laboratoriotutkimuksien lisäksi tutkimuksessa hyödynnettiin alueelta aiemmin tai tutkimuksen aikana muualle laboratorioanalyyseihin lähetettyjen näytteiden tuloksia tai kentällä tehtyjä in situ -mittauksia. In situ -tutkimusmenetelmiin kuuluivat vedenläpäisevyyden määritys Guelph-permeametrilla ja double ring -infiltrometrillä sekä tiiveyden määritys hiekkavolymetrikokeella ja Troxler-laitteella. Vedenläpäisevyyskokeisiin laboratoriossa kuuluivat: vedenläpäisevyyden määritys muuttuvapaineisena joustavaseinäisessä sellissä, muuttuvapaineisena jäykkäseinäisessä sellissä sekä vakiopaineisena joustavaseinäisessä sellissä. Muita laboratoriotutkimuksia olivat: mikroskooppitutkimus, rakeisuuden määritys seulomalla, areometrikokeella ja laserdiffraktiolla sekä vedenpidätyskyky- ja proctor-kokeita. Työssä myös tarkasteltiin rakeisuuteen perustuvien empiiristen laskentayhtälöiden soveltuvuutta moreenin vedenläpäisevyyden arviointiin. Käytetyt laskentayhtälöt olivat Breyer, Kozeny-Carman, Hazen, Slitcher, Terzaghi ja U.S Bureau of Reclamation (USBR).

Työn tulosten perusteella voidaan todeta, että tutkitun moreenin vedenläpäisevyys on riippuvainen useasta tekijästä, eikä yksittäisen asian mittaaminen normaalisti riitä. Tutkituista muuttujista parhaiten kohdealueen moreenin vedenläpäisevyyden tuloksien kanssa korreloivat tiiveysaste, hienoaineksen määrä, tehokas raekoko d10 sekä kyllästysaste ja vesipitoisuus tiivistettäessä. Tutkimuksissa havaittiin, että väärinkäsiteltynä moreeni voi olla taipuvainen kuivumisen aiheuttamalle eroosiolle laboratorio-olosuhteissa. Eroosiosta kärsineen moreenin mitattu vedenläpäisevyyden tulos ei kuvasta moreenisen tiivisrakenteen toimintaa kenttäolosuhteissa. Tutkimus- ja työskentelymenetelmien valinnalla huomattiin olevan vaikutusta mitattuun vedenläpäisevyyden arvoon. Eri tutkimusmenetelmillä määritetyt vedenläpäisevyyden tulokset sekä laboratorio- että in situ -olosuhteissa eivät ole suoraan verrannollisia keskenään. In situ -mittauksissa saatiin keskimäärin suurempia vedenläpäisevyyden arvoja kuin laboratoriotutkimuksissa, johtuen katkaistusta rakeisuudesta ja kenttäolosuhteiden epähomogeenisuudesta. Työskentelymenetelmiä vaihtamalla samalle moreeninäytteelle saatiin yli 1000-kertainen ero vedenläpäisevyyden tulokseen. Moreenin vaihtelevien ominaisuuksien takia työstä saatuja tuloksia ei voi yleistää vastaaviin kohteisiin. Kuitenkin työssä tehtyjä huomiota voidaan käyttää apuna muissa tutkimuksissa selvittämään maa-aineksien vedenläpäisevyyteen vaikuttavia tekijöitä.

The aim of the thesis was to study the hydraulic conductivity of moraine used in mine environmental protection structures. Location for the study was Agnico Eagle Finland Oy’s gold mine in Kittilä. In the area, numerous hydraulic conductivity measurements have been made for moraine, both in the field and in the laboratory. Results from these measurements have been varying and partly inconsistent. Objective was to find out which factors affect moraines hydraulic conductivity the most and figure out why do these factors affect the hydraulic conductivity results.

Factors affecting moraines hydraulic conductivity were studied from literature and by executing field investigations and on laboratory measurings. Research was targeted in NP4 tailing pond area which was being constructed during this study. In addition to the research done in the study, earlier or during this research made the laboratory and in situ investigations or measurements results were utilized. In situ research methods included hydraulic conductivity determination with Guelph-permeameter and double ring -infiltrometer, compactness evaluation with the volumeter test with sand and the Troxler-measuring device. Hydraulic conductivity research methods in the laboratory included hydraulic conductivity determination with flexible-wall permeameter with the constant head and falling-head methods and rigid-wall permeameter with the falling-head method. Other laboratory research methods were microscopical study, grain size analysis through sieving, areometer and laser diffraction and lastly water retention capacity tests and proctor-tests. Furthermore, the use of empirical equations was assessed for estimating moraines hydraulic conductivity based on grain size analysis. Used equations were Breyer, Kozeny-Carman, Hazen, Slitcher, Terzaghi and U.S Bureau of Reclamation (USBR).

The results show that researched moraines hydraulic conductivity is depended on several factors and measuring only one property isn’t normally enough. From examined factors, the best correlation to moraines hydraulic conductivity was found on the degree of compaction, fines content, effective grain size d10 and both water content and degree of saturation during compaction. It was noticed that when misused, the studied moraine can have the tendency to erosion caused by drying in laboratory conditions. Measured hydraulic conductivity from the eroded moraine sample no longer represents the moraine structures operation in field conditions. Selecting both research method and working technique had impact on measured hydraulic conductivity value. Hydraulic conductivity results determined on different research methods both in situ- and in laboratory conditions aren’t directly proportional to each other. On average in situ hydraulic conductivity measurements were bigger than those measured in the laboratory, which was caused by cutting the grading curve and non-homogeneous conditions in the field. The same moraine sample had over thousandfold difference in the hydraulic conductivity measured, when the working technique was chanced. Due to changing the features of moraine, results from this study can’t be generalized in comparable areas. However, the observation from this study can be utilized in other research regarding finding out factors affecting soils hydraulic conductivity.