книги / Проектирование и эксплуатация хвостовых хозяйств обогатительных фабрик

нилища

П р и м е ч а н и е . В и с х о д н о й п у л ь п е с о д е р ж и т с я 5 0% ч а с т и ц < 0 ,0 7 4 м м .

междучастичных сил, образуют грунт как структурное тело, обладающее свойствами прочности. Этот процесс структурирова­ ния грунта начинается еще в процессе его выпадения из пульпы. Особенно быстро он протекает после того, как место выпуска пульпы переместится и хвостовые отложения начнут терять гра­ витационную воду, движущуюся вниз к основанию откоса, к уста­ новившейся поверхности депрессии.

Интенсивность и время консолидации грунтов зависят глав­ ным образом от величины их коэффициента фильтрации. Расче­ тами по теории фильтрационной консолидации земляных масс 158] установлено, что при значениях коэффициента фильтрации Кф > > 10~5 см/с процессы консолидации грунтовых массивов проис­ ходят очень быстро.

В последнее время произведено много лабораторных испытаний хвостов в целях определения их физико-механических свойств на образцах, отобранных из разных мест эксплуатируемых хвосто-

зависит от их средневзвешенной крупности и плотности объем­ ной массы скелета хвостов (рис. 130). На рис. 131 приведены зна­ чения коэффициентов фильтрации хвостов. Данные полевых и ла­ бораторных испытаний, проведенных отраслевой лабораторией механики грунтов и устойчивости хвостохранилищ ЛГ1И им. М. И. Калинина, приведены в табл. 46, 47, 48. В табл. 48<риС определены методом среза образцы грунта.

Как видно из табл. 49, хвосты обладают довольно высокими значениями характеристик прочности, приближающимися к ха­ рактеристикам прочности мелкозернистых песков. Это опреде­ ляется близостью их гранулометрических составов.

Весьма важным свойством хвостовых отложений является изменение их плотности (объемной массы скелета) по глубине и по времени вследствие изменения нагрузки в какой-то точке (рост высоты отложений хвостов) и процесса консолидации. Этот вопрос подвергался исследованиям на действующих хвостохранилищах институтами: ВодГЕО, ЛПИ им. М. И. Калинина, ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. Из данных исследований ЛПИ им. М. И. Ка­ линина на хвостохранилище Алмалыкского комбината видны большая разница в плотностях (объемных массах скелета) хвостов

(высоте) отложений хвостов в прудковой зоне. Несмотря на прак­ тически одинаковую плотность хвостовых отложений но высоте, в прудковой зоне наблюдается значительный рост их сопротивле­ ния сдвигу (испытания крыльчаткой). Это является следствием увеличения нагрузки с глубиной. Практически одинаковая плот­ ность отложений по глубине объясняется нреобладанием на исследованных глубинах физико-химического упрочнения хвостов над процессом уплотнения.

282

Рис. 130. Изменение углов внутреннего трения среднезернистых хвостов по глубине:

1 — м ед н о -м о л и б д е н о в а я ф а б р и к а ; 2 — св и н ц о в а я ф аб­ р и к а

Рис. 131. Зависимость коэффициентов фильтра­ ции среднезернистых хвостов от объемного веса скелета:

1 — м е д н о -м о л и б д е н о в а я ф а б р и к а ; 2 — св и н ц о в а я ф аб­ р и к а

им. Б. Е. Веденеева на Агаракском хвостохранилище также не отмечается изменения плотности хвостовых отложений с глубиной. Указанная выше разница (уск = 1,34 -f- 1,55 т/м3) объясняется неоднородностью отложений хвостов на пляже в разных точках, вследствие особенностей намыва. В работе [128] приводятся мате­ риалы, подтверждающие эту точку зрения.

Наоборот, институт ВодГЕО, также на основе исследований на эксплуатируемых хвостохранилищах, указывает на изменение

Необходимо считать более оправданной точку зрения ЛПИ им. М. И. Калинина и ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, вследствие неточностей в исследованиях института ВодГЕО и потому, что

283

284

в пределах пляжной зоны откладывается песковая фракция хво­ стовой пульпы, а как известно, отложения песчаных частиц прак­ тически не изменяют своей плотности от статических нагрузок.

Сопротивление сдвигу полностью консолидированного грунта описывается уравнением Кулона:

Tnp = C + crnlgcp,

где тпр — предельное сопротивление сдвигу; С — сцепление грунта (для хвостов), особенно в начальной стадии их уплотнения, зави­ сящее только от плотности грунта; сгп — полное пормальное напря­ жение грунта; tg ср — коэффициент трения, также зависящий от плотности отложений хвостов.

Рис. 132. Изменение по глубине II шламохранилшц объемной массы ске­ лета уск намытых шламов ряда обо­ гатительных фабрик

Сопротивление сдвигу того же грунта в процессе его консо­ лидации описывается уравнением, несколько отличным от урав­ нения Кулона, а именно

T,IP = C + К — P)tgcp,

где Р — так называемое нейтральное давление, т. е. давление в поровой воде; остальные обозначения см. выше.

Следовательно, прочность грунта в процессе его консолидации при всех прочих равных условиях меньше прочности консолиди­ рованного грунта.

Следует также отметить слоистость намывных отложений хвостов в пределах пляжной зоны и определяемую этим обсто­ ятельством их прочностную и фильтрационную анизотропию. Сопротивление сдвигу вкрест простирания слоев выше, чем вдоль слоистости; коэффициент фильтрации меньше в первом случае, чем во втором [128]. Эти обстоятельства определяют большую устойчивость низового откоса дамб обвалования хвостохранилшц, чем если бы намывные хвостовые отложения были изотропными.

Обобщая данные исследований ЛПИ им. М. И. Калинина, ВНИИГ имени В. Е. Веденеева, ВОДГЕО, ВНИИГС, в табл. 49 приведены значения физико-механических свойств хвостов разных зон низового откоса дамб обвалования хвостохранилищ, которые

285

3.Явление консолидации

вхвостовых отложениях

В процессе роста отложений хвостов увеличивается давление на нижележащие слои, что приводит к их постепенному уплотне­ нию. Величина этого уплотнения определяется силами прижатия частиц друг к другу.

В пористой гранулированной среде, заполненной жидкостью, следует различать полное нормальное напряжение сгп и эффектив­ ное нормальное напряжение Стц, определяющее силу прижатия частиц друг к другу. Полное нормальное напряжение равно сумме эффективного напряжения и порового давления р (давление жид­

В хвостах при их намыве частицы можно рассматривать как взвешенные. В первый момент намыва отложения хвостов можно рассматривать как грунтовую массу [129], тогда эффективное

напряжение ап равно нулю. При этом полное нормальное напря­ жение сгп равно поровому давлению р.

По мере отжатия избыточного количества воды все большая часть давления хвостов передается на твердые частицы, находя­ щиеся в контакте друг с другом.

Определение эффективного напряжения имеет важное значение для расчетов устойчивости плотин из хвостов, так как предельное

напряжение сдвига т„р возрастает с ростом эффективного напря" жения On = сгп — р.

Определение эффективных напряжений производят путем рас­ четов консолидации. Этими расчетами определяют поровое давле­ ние и эффективное напряжение для различных точек хвостохрани--

и повышения устойчивости низового откоса плотины из хвостов применяют дренажные устройства, например, в виде песчаного тюфяка, укладываемого в подошве низовой призмы. В этом случае фильтрационные силы, действующие на скелет хвостового мате­ риала, направлены вниз и производят его уплотнение. Это поло­ жение подтверждается опытами, проведенными в лаборатории механики грунтов ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. Схема экспери­ ментальной установки показана на рис. 133.

Металлическая труба диаметром 400 мм и высотой 790 мм заполнялась глинистым грунтом (рис. 133). Внизу трубы уклады­ вали слой песка, выполнявшего роль дренажа. По высоте трубы внутрь глинистого грунта были введены тонкие металлические перфорированные на конце трубки для измерения порового

287

давления. Указанные трубки соединялись вне трубы с мано­ метрами Бурдона или со стеклянными запаянными с одного конца капиллярами, внутри которых заключен пузырек воздуха.

Через металлическую трубу сверху вниз пропускалась под определенным напором вода, причем по указанным выше при­ борам замерялось поровое давление в различные моменты времени. На рис. 133 показаны линии пьезометрических напоров в различ­ ные моменты времени проведения опыта. Как видно из рис. 133,

а

Рис. 133. Опыты по фильтрационпому уплотнопию глинистого грунта:

о — схема опытной установки (размеры в сантиметрах), б — кривые изменения линии пьезометрических напоров по высоте слоя глинистого х-рунта при V = 1 кгс/смг, 1 — стальная труба; г — глинистый грунт; з — песок; 4 — сосуд для сбора фильтрующей -оды; № 1, 2, з, 4 — пьезометры для измерения норового давления в грунте

уже в начальный период опыта максимальные градиенты фильтра­ ции сосредоточены в нижней части испытуемого слоя грунта у входа в дренажный слой. В этом месте начинается интенсивный процесс фильтрационного уплотнения испытуемого грунта, и именно в этом слое и сосредоточиваются почти, все .потери напора при фильтрации через испытуемый, грунт. В дальнейшем кривые пьезометрических напоров несколько выравниваются, но однако никогда (для глинистых грунтов) не нревращаются в прямые, какими следовало бы им быть при фильтрации в жестком скелете.

Изложенный выше процесс будет иметь место и при фильтрации через отложения хвостов, хотя вследствие большей жесткости скелета хвостов, чем у глинистых грунтов, процесс этот будет происходить в менее ярко выраженной форме.

Рассмотрим вопрос о боковом давлении неконсолидированных хвостов.

288

Процесс бокового давления грунтов (в данном случае хвостов) и зависимость его от степени стабилизации хорошо характери­ зуются результатами опытов Т. Ф. Липовецкой.

Эти опыты производили для решения задачи о боковом давле­ нии ядра намывной земляной плотины Мингечаурской ГЭС на внешние нризмы из песчано-гравелистых грунтов. В связи с этим для опытов были использованы образцы грунтов ненарушенной структуры, отобранные при бурении ядра указапной плотины. На рис. 134 приведены гранулометрические составы этих грунтов в сопоставлении с гранулометрическими составами хвостов.

Рис, 135. Прибор для определения ко­ эффициента бокового давления грунтов при различных поровых давлениях:

Рис. 134. Графики гранулометрического состава грунтов ядра намывной плотины Мингечаурской ГЭС и хвостов III зоны:

—испытанные грунты ядра Мингечаурской плотины; 2 — хвосты III зоны

Опыты производили на приборе (стабилометре), изображенном на рис. 135. Этот прибор представляет собой металлический ци­ линдр с крышкой, через отверстие в которой проходит шток, снабженный на одном конце металлическим перфорированным поршнем. В цилиндр закладывается цилиндрический образец водопасыщенного грунта, закрытый но боковой поверхности резиновой водонепроницаемой оболочкой.

Пространство между образцом грунта и стенками цилиндра заливается водой. Нормальное давлепие на образец грунта соз­ дается при помощи рычага с гирями,- передающими нагрузку на шток с поршнем, упирающимся в верхний торец образца.

Для измерения давления воды в порах грунта служит спе­ циальный пьезометр — металлическая, перфорированная на конце трубка диаметром 2 мм, вводимая в образец. На другом

конце металлическая трубка присоединена к стеклянному запаян­ ному сверху капилляру с воздушным пузырьком. Таким же пьезометром измеряется давление в пространстве, заполненном водой.

Если внешнее нормальное давление на верхний торец образца грунта q, соответствующее ему давление воды р — и, то отношение суммарного бокового давления к нормальному давлению и есть коэффициент бокового давления £. Отношение величины избыточ­ ного давления к внешнему нормальному давлению на образец

Рис. 136. График связи коэффициентов бокового |н мзбыточого норового давлений К [| — / (ЛТ)]:

1 — н ен а р у ш ен н а я с т р у к т у р а ; 2 — н а р у ш е н н а я с т р у к т у р а ; з — со в п а д а ю щ и е зн а ч е н и я ; 4 — о п ы ты , п р ов ед ен н ы е н а р а с п о р н о й ц и л и н д р е

грунта q названо коэффициентом избыточного норового давле­ ния К р. Этот коэффициент изменяется от 1 до 0. Величина Кр = i соответствует полной передаче внешнего давления на воду, за­ ключенную в порах образца грунта. Величина К р = 0 соответ­ ствует полной передаче внешнего давления на скелет грунта.

Результаты опытов приведены на рис. 133. При постоянной внешней нагрузке поровое давление изменяется со временем, уменьшаясь до 0. Соответственно поровому давлению изменяется и величина коэффициента бокового давления. Зависимость коэф­ фициента бокового давления от величины порового давления пока­ зана на рис. 136.

Таким образом, экспериментально установлена практически прямолинейная связь между коэффициентом бокового давления и коэффициентом порового давления.

290