Влияние рельефа местности и технологии намыва на эффективность гидроотвалообразования

Увеличение спроса на минеральное сырье в современном мире требует постоянного совершенствования технологических схем, процессов, аппаратов и транспортных систем, применяемых на современных обогатительных фабриках.

Известно, что одним из основных условий интенсификации и рационального природопользования является комплексное использование сырьевых ресурсов, в том числе внедрение в производство безотходной технологии и мероприятий по охране окружающей среды.

Особенность решения вопросов рационального использования земли состоит в том, что расположение объектов горного предприятия, схемы и способы выполнения горных работ должны быть рассчитаны на длительный период, при детальном рассмотрении территории всего бассейна и прилегающих к нему земель.

Разработка месторождений полезных ископаемых гидромеханизированным способом при многих его известных преимуществах характеризуется высокой степенью отчуждения земель, занимаемых намывными сооружениями, и на более длительный срок по сравнению с «сухими» отвалами. Так в Кузбассе гидроотвалы угольных разрезов занимают свыше 3500 га, а в бассейне Курской магнитной аномалии более 5000 га занято гидроотвалами и хвостохранилищами. Причем средний срок эксплуатации намывных сооружений на горно-обогатительных предприятиях составляет 15-20 лет [3].

Применяемые на практике и в проектах технические решения по размещению отвалов не всегда учитывают возрастающую ценность земли, затраты на рекультивацию непригодных земель, на которых могли бы быть размещены отвалы.

В связи с этим возникает необходимость обоснования способов уменьшения площади земли, занимаемой горными предприятиями и ускорения ее рекультивации с минимальными затратами, что в конечном итоге является эффективной основой для развития открытого способа разработки.

Поэтому необходимость увеличения ёмкости гидроотвалов (равно как и хвостохранилищ) при минимальных занимаемых площадях в процессе их эксплуатации является чрезвычайно актуальной задачей.

В данной статье рассмотрим возможности увеличения приёмной способности намывных сооружений с учетом геоморфологических особенностей места размещения, обуславливающих геометрические параметры, отвальной емкости и способа укладки пород при формировании техногенного рельефа нарушенных средствами гидромеханизации территорий.

Выбор места для размещения гидроотвалов является ответственной задачей, так как значительно влияет на себестоимость гидромеханизированных работ и определяет их эффективность.

Известны следующие типы гидроотвалов по их расположению [4]:

– овражные и балочные, создаваемые в оврагах или балках путем перегораживания их дамбами;

– равнинные, расположенные на местности ровной или с небольшим уклоном, огражденные со всех сторон дамбами;

– косогорные, устраиваемые на косогорах, огражденные дамбами и частично рельефом местности;

– котловинные и котлованные, расположенные соответственно в местных понижениях (котловинах) и выемках отработанных карьеров.

Наряду с отвалами, размещаемыми в старых разрезах (внутренние отвалы), в целом ряде случаев прибегают к строительству внешних отвалов, располагаемых непосредственно на поверхности земли. В этих случаях отвальная емкость образуется путем создания земляной оградительной насыпи механическим способом. Внешние отвалы обычно устраивают в тех случаях, когда невозможно разместить вскрышные породы или хвосты обогащения в выработанном пространстве по тем или иным причинам, или из-за недостаточного его объема при строительстве карьеров, а также при особых геологических и технологических условиях открытых разработок месторождений. К этому виду относится разработка россыпей, строительных горных пород, значительной части угольных и небольшой части рудных месторождений при горизонтальном и пологом залегании залежей. Карьеры при этом имеют небольшую (до 40-80 м) и относительно постоянную глубину, различные размеры в плане и различную производственную мощность. Вскрышные породы и полезные ископаемые весьма разнообразны и практически охватывают все их возможные сочетания.

При одновременно существующей возможности расположения гидроотвала на равнине, косогоре, балке, долине необходимо иметь в виду, что при строительстве отвалов в низине уменьшаются капитальные затраты, упрощается и удешевляется их эксплуатация. [4]

При разработке россыпных месторождений гидромеханизированным способом работы, связанные с размещением пород (хвостов) в отвалы, оказывают большое влияние на конечную стоимость ценного компонента. При благоприятных условиях отвалообразования, при наличии крутых склонов, непосредственно спускающихся в долину, промывной прибор обычно устанавливается на склоне, и отвал размещается сразу за промприбором [2].

На гидровскрышных работах угольных и железорудных месторождений наиболее распространенным также является расположение гидроотвалов (хвостохранилищ) в низине. Так, гидроотвалы КМА: «Берёзовый Лог», «Балка Суры», «Балка Чуфичева»; Кузбасса: «Бековский», «Кедровский №3», а также ряд хвостохранилищ (Надеждинского маталлургического завода, ЛГОКа, СГОКа и др.) являются намывными сооружениями овражно-балочного типов.

Предельный уклон местности для устройства гидроотвала обычно составляет 0,15?0,20, на практике для этого выбирают площади с уклоном 0,03?0,01 и менее [4]. Большой уклон местности приводит к потере емкости отвала и к осложнениям при сооружении дамбы начального обвалования. Начальная и конечная емкости отвала должны быть возможно большими при минимальном объеме начальной дамбы обвалования. Поэтому во многих случаях гидроотвалы располагаются в поймах рек или в оврагах. При расположении гидроотвалов в выработанном пространстве карьеров их обвалование может быть одно-, двух и трехсторонним (в зависимости от конфигурации выработанного пространства, его объема и схемы горных работ на близлежащих участках).

В итоге местоположение гидроотвалов и хвостохранилищ выбирается с учетом рельефа местности, организации удобного водоснабжения, а также минимальных суммарных затрат на транспортировку и подъем пород от карьера до места складирования, на возмещение убытков от потери земельных ресурсов, занятых отходами, на возмещение стоимости основных фондов (дороги, ЛЭП, строения и т.п.).

Значительное влияние на эффективность отвалообразования имеет использование объёма отвальной ёмкости для максимального размещения вскрышных пород или отходов обогащения. При большем использовании этого объёма уменьшаются удельные затраты на обвалование и снижаются эксплуатационные расходы.

Для характеристики практической возможности заполнения геометрического объёма отвала необходимо знать его коэффициент использования. Из анализа литературных источников [1, 4] вытекает, что рекомендуемые значения коэффициента использования отвальной емкости (или, как его также называют, коэффициента заполнения отвала) изменяется от 0,5 до 1 и более.

Так, когда отвальная емкость создается отсыпкой плотины по периметру на ровной поверхности, коэффициент использования возрастает с увеличением отношения длины отвала к ширине и может достичь значений больше единицы. Он достигает максимума при определенных этих соотношениях, после чего его величина постепенно убывает. Это объясняется тем, что для отвалов, которые имеют одинаковые размеры в плане на уровне пруда-отстойника, происходит прирост намытого массива в результате увеличения высоты плотины и вместе с тем убывание полезного объема отвала за счет увеличившегося объема самой земляной плотины. При этом коэффициент использования отвальной ёмкости зависит также от общей и подводной высоты отвала, уклона надводной его поверхности.

Фактически на коэффициент использования отвальной емкости оказывают влияние: характер отвальной емкости (выработанное пространство, косогор, долина, искусственно созданная с помощью отсыпки или намыва плотины, отвальная емкость и т.д.), схема заполнения отвала, параметры его и другие факторы.

Формирование гидроотвала в долине может осуществляться по двум технологическим схемам – от плотины к пруду-отстойнику (рис. 1) и с верховья долины к плотине (рис. 2), что определяет способ сооружения ограждающей плотины в низовье долины – насыпным или намывным способами.

При укладке пород в гидроотвал от плотины сооружение ограждающей плотины осуществляется намывным способом одновременно с формированием гидроотвала, а последовательность его заполнения определяется технологией намыва при перемещении выпусков гидросмеси по периметру намываемой плотины.

При формировании гидроотвала по схеме с верховья долины к плотине, последняя возводится насыпным способом, при необходимости сразу на полную высоту для размещения всего объема укладываемых вскрышных пород. При этой технологической схеме заполнения крупные частицы намытых пород откладываются вдалеке от плотины, в верховье долины, а около плотины обычно располагается пруд-отстойник, и осаждаются наиболее мелкие частицы. Ограждающая плотина подвергается гидростатическому давлению намытых пород в водонасыщенном состоянии (или воды отстойного пруда), а также воздействию фильтрационного потока. Таким образом, ограждающая плотина является гидротехническим сооружением, и к нему предъявляются все требования, которым должна отвечать водоудерживающая плотина.

На основе анализа влияния фактических параметров и формы отвала геометрическим методом было определено соотношение объема отвальной емкости и объема пород, который возможно разместить в ней, при гидромеханизированной разработке, когда отвал и пруд-отстойник размещаются совместно. Принимается, что горизонт воды в отстойном пруде отвала в течение определенного времени поддерживается на одном уровне, так как это характерно для отвалов со стационарным расположением насосной станции.

Расчеты выполнялись для примера укладки вскрышных пород, представленных несвязными четвертичными отложениями – песчаными породами различной крупности (тонко-, мелко-, средне- и крупнозернистыми) с коэффициентом неоднородности К60/10 = 30?45.

Проверочные расчеты, выполненные с помощью рабочей программы, составленной в приложении Microsoft Excel, позволили установить влияние геоморфологических особенностей долины, а также технологической схемы намыва (рис. 3, 4) на изменение значений коэффициента использования отвальной емкости, а, следовательно, и на рациональное размещение вскрышных пород и отходов обогащения при гидромеханизированной укладке пород с верховья долины и от плотины к пруду-отстойнику.

 

Из графиков, представленных на рисунках 3 и 4 видно, что наибольшее влияние на изменение коэффициента использования отвальной емкости оказывает уклон долины I, в которой планируется размещение отвала.

При увеличении уклона долины I значение коэффициента использования отвальной емкости ? повышается при намыве пород от плотины к прудку-отстойнику. Так, к примеру, при фиксированных значениях высоты плотины Н = 30 м, суммы коэффициентов заложения увалов долины ? = 11,34 (углы бокового откоса для удобства расчетов ?1 = ?2 и составляют 10?), ширины долины b = 1000 м значения коэффициента использования отвальной емкости ? при изменении значений уклона долины I от 0,015 (угол уклона долины ? = 0,9?) до 0,1 (? = 5,7?) меняются в пределах – от 0,53 до 0,82 (рис. 3).

При укладке пород с верховья долины, напротив, с уменьшением значений I происходит увеличение коэффициента использования ?, значения его достигают 1 и более. Например, при уклоне надводной поверхности намыва отвала i = 0,01 и значениях Н = 30 м, b = 1000 м, ? = 11,34 коэффициент ? достигает максимума, равного 1,18 при I = 0,015. При большем значении I = 0,05 (? = 2,9?) значение ? = 0,92 (рис. 3).

Также проведенный анализ показывает, что с увеличением размеров отвала (ширины отвала по низу – b и высоты его – Н) при укладке пород с верховья долины коэффициент использования отвальной ёмкости – ? возрастает и может достичь значений больше 1 (рис. 3). Так, коэффициент использования изменяется от ? = 0,81 при Н = 10 м, b = 500 м до ? = 1,11 при Н = 30 м, b = 2500 м при уклоне I = 0,024 (? = 1,4?).

При намыве пород от плотины к пруду-отстойнику ? также возрастает при увеличении ширины долины b: ? = 0,70?0,81 при изменении b = 500?2500 м (при Н = 30 м, ? = 11,34, I = 0,055 (? = 3,2?)), однако снижается с увеличением высоты отвала: ? = 0,81?0,77 при изменении Н = 10?30 м (при b = 1000 м, ? = 11,34, I = 0,055).

При увеличении углов откоса долины – ?1 и ?2 значения ? изменяются в незначительных пределах при намыве пород с верховья долины (рис. 4). Так, при изменении суммы коэффициентов заложения правого и левого увалов долины ? от 2,22 (?1 и ?2 = 42?) до 22,86 (?1 и ?2 = 5?) величина ? увеличивается с 0,91 до 0,94 при укладке пород с верховья долины и уменьшается с 0,78 до 0,70 при намыве пород от плотины к пруду-отстойнику при Н = 20 м, b = 1000 м, I = 0,04 (? = 2,3?).

На основе анализа зависимостей коэффициента использования отвальной емкости ? от основных параметров отвала, представленных на рисунках 3 и 4, можно дать следующие основные рекомендации для проектирования отвалов, сооружаемых гидромеханизированным способом.

При укладке пород с верховья долины наиболее целесообразно использовать долины с пологими уклонами и боковыми откосами (увалами), а также проектировать отвалы с максимальной для данного уклона местности высотой.

Долины с крутыми уклонами и боковыми откосами (увалами) выгодно намывать от плотин, причем при увеличении крутизны уклона долины целесообразно выбирать меньшую высоту плотины отвала.

Как при укладке пород от плотины, так и при намыве с верховья долины предпочтительнее долины по основанию большей ширины.

Результаты анализа влияния рельефа местности и технологической схемы на процесс укладки пород в отвальную емкость позволяют обосновать рациональный выбор варианта гидроотвально-хвостовых хозяйств при проектировании гидротехнических сооружений на горно-обогатительных предприятиях.

Библиографический список

1. Иванов Е.А., Шаталов А.А., Ильин A.M., Плужникова З.А. (Госгортехнадзор России). Рекомендации о содержании и порядке составления паспорта гидротехнического сооружения. – М.: «ПолиМЕдиа», 1999 г.

2. Лешков В.Г. Разработка россыпных месторождений. – М.: Издательство «Горная книга», МГГУ, 2007 г.

3. Лолаев А.Б., Акопов А.П., Оганесян А.Х., Сумин М.Н. Технология намыва накопителей каскадного типа для отходов горнодобывающей промышленности // Устойчивое развитие горных территорий. – 2011 г. – № 1 (7). – С. 77-83.

4. Нурок Г.А. Процессы и технология гидромеханизации открытых горных работ. – М.: «Недра», 1985 г.

4. Нурок Г.А. Процессы и технология гидромеханизации открытых горных работ. – М.: «Недра», 1985 г.