книги / Проектирование и эксплуатация хвостовых хозяйств обогатительных фабрик

Из приведенных расчетов устойчивости низового откоса хвостохранилищ (см. табл. 61 и рис. 144 и 145) следует, что определять кривую скольжения, при которой откос обладает наименьшей устойчивостью, необходимо подбором.

В ряде случаев хвосты фабрики имеют незначительную круппость и в них содержатся глинистые частицы. В этих условиях обычно проектируют хвостохранилища с устройством плотин и дамб обвалования из естественных грунтов насыпным способом с послойной укладкой, что обусловливает большую стоимость, чем при гидравлической укладке хвостов (насыпные земляные

Рис. 146. Кривые осредненного гранулометрического состава карьерного грунта по дапным различных исследований

Рис. 147. Кривые гранулометри­ ческого состава грунта:

1 — к а р ь ер н ы й г р у н т ; 2 и 4 — о ср е д " н ен н ы й со с т а в г р у н т а н а д в у х с т в о ­ р а х п л я ж а ; 3 — оср ед н ен и ы й с о с т а в

о с а д к о в в о т с т о й н и к е 0,005 0,01 0,05 0,1 0 ,5 OL,M M

плотины обходятся в десятки и даже сотни миллионов рублей). Устройство плотин из мелкозернистых хвостов привело бы к значительной экопомии государственных средств.

Специальное совещание по проектированию и эксплуатации хвостовых хозяйств [2J приняло решение об устройстве насыпных плотин и дамб обвалования хвостохранилищ в случаях, когда в хвостах содержится частиц крупностью <0,074 мм более 60%. Однако это решение не было подкреплено ни данными соответ­ ственного научного анализа вопроса, ни соответствующим опытом эксплуатации хвостохранилищ.

В работе [88] имеется указание, что на хвостохранилище обо­ гатительной фабрики Рон-Антилоп из хвостов крупностью 90% —0,074 мм строилась дамба с откосом 30° от вертикалиОтме­ чается, что при устройстве плотины из указанного материала были преодолены большие трудности.

322

При проектировании гидравлической укладки мелких хвостов следует исходить из оценки состояния отложений хвостов, форми­ рующих откос намывной плотины.

Со времени первого издания настоящей книги накопился некоторый опыт строительства и эксплуатации хвостовых хозяйств обогатительных фабрик, которые выдают хвосты, содержание в которых частиц крупностью —0,074 мм больше 60%.

Можно также воспользоваться опытом устройства и эксплуата­ ции намывных глинистых гидроотвалов. Последним называется грунтохранилищо, служащее для гидравлической укладки грунтов

вскрыши открытой разработки горнорудного месторождения спо­ собом гидромеханизации (чаще всего гидромониторами). Вскрыша, как правило, состоит из разнообразных пород четвертичного периода, в том числе глин. При разработке таких вскрыш средне­ взвешенный гранулометрический состав укладываемого в грунтохрапилище (гидроотвал) грунта характеризуется большим содер­ жанием глинистых частиц и малым содержанием мелкозерни­ стого песка. На рис. 146 показан гранулометрический состав грунта вскрыши, укладываемого в груптохранилище (гидроотвал). Как видно из рис. 146, грунт вскрыши содержит глинистых частиц крупностью -<0,005 мм 35%, частиц крупностью —0,074 мм — 81%. Наибольшая крупность карьерного грунта (вскрыши) — 0,6 мм. На рис. 147 для сравнения показал грануло­ метрический состав хвостов одной обогатительной фабрики, вы­ дающей наиболее мелкие хвосты. Эти последние характеризуются

меньшим содержанием глинистых частиц. Следовательно, опыт эксплуатации грунтохранилища (гидроотвала) можно использо­ вать при проектировании намывных хвостохрашшищ обогати­ тельных фабрик, выдающих мелкие хвосты.

На рис. 147 показан гранулометрический состав грунтов по пробам, отобранным из пляжной зоны эксплуатируемого глини­ стого грунтохранилища (гидроотвала). Эти пробы характе­ ризуются содержанием глинистых частиц — от 7 до 15%, содер­ жанием частиц —0,074 мм — от 21 до 35%, остальная часть характеризуется как мелкозернистый песок. На рис. 147 также приведен гранулометрический состав пляжной зоны опытного участка хвостохранилища Алмалыкского комбината по данным исследований ЛПИ им. М. И- КалининаПляжная зона эксплу­ атируемого грунтохранилища (глинистого гидроотвала) характе­ ризуется следующим образом: первый от выпуска пульпы участок шириной 25—30 м имеет уклон 0,03—0,035, сравнительно быстро затвердевает; через четыре дня, после прекращения намыва уча­ стка, допускается поредвижение людей; следующий участок пляжа шириной 20 м имеет уклон намытой поверхности 0,01—0,015, передвижение людей возможно через б—8 дней, предпрудковая зона пляжа имеет ширину 15—25 м, почти горизонтальна, пере­ движение людей не допускается вплоть до высыхания, при кото­ ром появляются на поверхности отложений трещины типа такыра. Превышение гребня намывной части над ППГ по указанным дан­ ным колеблется от 0,95 до 1,35 м. Наблюдениями на пляже уста­ новлена микрослоистая структура: в основании каждого слоя — песок, а выше — песок с разным содержанием глииистых частиц. Это свидетельствует о значительной фильтрационной и прочно­ стной анизотропии пляжной зоны, являющейся упором для гли­ нистой суспензии, обусловливающей устойчивость дамбы обвало­ вания грунтохранилища (гидроотвала); это имеет и положитель­ ное значение: фильтрационная вода в период намыва стекает к урезу воды бассейна грунтохранилища (гидроотвала). Объемная масса скелета грунта первого из указанных выше участков шири­ ной 25—30 м уск = 1,60 тс/м3, на втором участке — YCK = 1,4 тс/м3 и на третьем (предпрудковая зона) — уса - •1,2 тс/м3. Отмеченное выше микрослоистое сложение пляжной зоны обусловливает быструю консолидацию первых двух участков нляжной зоны. Характеристики прочности грунтов пляжной зоны зависят от ее

грунта (быстрый срез, срез консолидированного грунта) не ука­

зана.

Опыт эксплуатации хвостохранилищ обогатительных фабрик, выдающих мелкозернистые хвосты (—0,074 мм > 6 0 % ) и грунтохранилищ (глинистых гидроотвалов) свидетельствует о техниче­ ской возможности и экономической эффективности устройства намывных хвостохранилищ обогатительных фабрик, выдающих

324

мелкозернистые хвосты. При этом необходимо придерживаться следующей технологии намыва дамб обвалования хвостохранилищ:

1.Возвышение гребня намывного откоса над НПГ должно быть но возможности большим, не менее 1,5 м;

2.Намыв должен производиться раздельным способом (см. главу V, раздел 4);

3. Намыв должен производиться мелкими слоями (0,30—

0,35 м) с наименьшей интенсивностью;

4.При недостаточном осветлении пульпы в хвостохранилище необходимо устраивать дополнительный отстойник или применять коагулянты [166, 167];

5.Необходимо организовать надлежащий геомехапичсский

контроль за раскладкой частиц хвостов по крупности и плотности, за фильтрацией с определением времени и скорости консоли­ дации хвостовых отложений, характеристик сопротивления сдвигу.

Участники и организаторы геомеханического контроля должны производить расчеты устойчивости дамбы обвалования хвостохранилища по рекомендуемым методам и давать указания по изменениям технологии намыва, обеспечивающим надлежащую устойчивость дамбы обвалования и гарантию против оползания ее низового откоса и прорыва хвостов.

Нельзя утверждать, что во всех случаях возведение намывных плотин из мелких хвостов с содержанием частиц —0,074 мм больше 60% невозможно: в одпих случаях может оказаться, что без осо­ бых мероприятий намывные плотины из мелких хвостов окажутся устойчивыми [88]; в других случаях можно обеспечить устойчи­

ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева (С. И- Горюнов), проведенные при­ менительно к задаче устройства золохратшлища, при мелких частицах золы показали, что устойчивость намывных из золы плотин можно обеспечить путем дополнительного уплотнения намывных слоев золы, путем укладки сухой золы на намытые слои (сухая зола, впитывая в себя воду, осушает и тем самым уплотняет намытые слои).

Повышение устойчивости откосов из мелкозернистых хвостов может быть также обеспечено путем устройства развитого дре­ нажа. Именно поэтому в практике проектирования принимаются решения об устройстве смешанных плотин (см. рис. 103). Часто принимаются решения об устройстве насыпной плотины, обеспе­ чивающей укладку тонкозернистых глинистых хвостов в течение первого нериода эксплуатации фабрики (3—5 лет) с тем, чтобы в течение указанного срока были произведены соответствующие исследовательские работы на хвостохранилище и, основываясь на них, было разработано решение о дальнейшем наращивании плотины.

325

В целом авторы считают, что в случаях, когда в хвостах со­ держится частиц —0,074 мм до 90%, необходимо проектировать дамбы обвалования из хвостов намывным методом или, в крайнем случае, смешанные дамбы. Внешние откосы таких дамб и плотин должны иметь большие заложения (не менее 1 : 4 ч- 1 : 5) с уст­ ройством дренажей, а также в соответствующих случаях и других мероприятий (принудительное уплотнение, устройство прокладок из слоев сухого песка, золы и пр.).

При устройстве плотин смешанного типа дамбы наращивания (рис. 103) желательно насыпать из песчаных фильтрующих грунтов с тем, чтобы создать наилучшие условия для консолидации ниже­ лежащих хвостовых отложений.

Приведенные выше указания касаются анализа устойчивости хвостовых намывных откосов от воздействия статических нагру­ зок (собственной массы, внешней статической нагрузки, фильтра­ ционных сил). Более сложным и для хвостовых массивов мало исследованным является вопрос об устойчивости откосов под воздействием динамических нагрузок (сейсмики, взрывов, волны).

Опыты с водонасыщенными песками показывают, что послед­ ние, при известных условиях, переходят в состояние полного разжижения. При сотрясении песчапых массивов частицы песка стремятся принять более компактную упаковку. Однако для такой упаковки необходимо вытеснение заключенной в порах песка воды, для отжатия которой требуется некоторое время. Вода не успевает удалиться и частицы песка теряют между собой кон­ тактыВследствие этого несчаный водонасыщенный массив при­ обретает свойства пульпы, и необходимо некоторое время, чтобы структура песка восстановилась.

В Советском Союзе указанная проблема получила значительное развитие, причем доказано, что вопрос о нарушении структуры водонасыщенпых песчаных массивов оказывается значительно более сложпым, что разжижение песчаных водонасыщенпых мас­ сивов может произойти только при определенных динамических воздействиях и пограничных условиях при любых значениях пористости (плотности) песков.

Применительно к динамической устойчивости водонасыщеиных хвостовых откосов указанный вопрос недостаточно исследовался.

Несмотря на еще не вполне достаточный уровень знаний в во­ просах устойчивости хвостовых намывных откосов под воздей­ ствием статических и особенно динамических нагрузок, жизнь в определенных условиях требует принятия соответствующих решений. Так, при проектировании хвостохранилища Каджаранской фабрики на ручье Дара-Зами по условиям емкости долины ручья назначение более чем тройного заложения намывного из хвостов откоса было невозможно. За 6 лет была возведена пло­ тина намывным способом из хвостов (см. табл. 45) на высоту >80 м при высоте упорной призмы из разных груптов (главным образом гравелисто-песчаных) в 20 м (см. рис. 102).

326

Интенсивность намыва плотины по годам была следующей: 1953—1954 гг. — 20 м; 1954—1955 гг. — 15 м; 1955—195В гг. — 12 м; после 1956 г. — 10 м-

Уже после намыва плотины на высоту около 40 м в нескольких километрах от нее производились мощные взрывы па рудном карьере. Тем не менее никаких нарушений общей устойчивости намывного откоса не наблюдалось. По нашим сведениям, уже после намыва дамбы обвалования хвостохранилища на ручье Дара-Зами на всю высоту в этом районе произошло землетрясение силой 7—8 баллов, при этом особых повреждений откоса не отме­ чалось. Таким образом, практический опыт показал возможность и надежность образования высоких намывных откосов (плотин) из хвостов (см. табл. 45).

Свойства прочности хвостов не определяются только их грану­ лометрическим составом. При одинаковом гранулометрическом составе хвосты Миргалимсайской (до 1955 г.) и Алтынтопканской обогатительных фабрик имеют отличные механические свойства: прочность, деформируемость и др. Это может быть следствием раз­ ницы в минеральном составе хвостов, форме частиц, влияния реагентов, вводимых при флотации, на механические свойства хвостов. Этим определяется необходимость в каждом конкретном случае при проектировании хвостохранилищ всесторонних иссле­ дований физико-механических свойств хвостов, которые до сих пор, как правило, не производились.

Однако этот пример не освобождает от необходимости каждый раз при устройстве хвостохрапилища в сейсмическом районе (при силе возможного землетрясения > 7 баллов) анализировать вопрос об устойчивости дамбы обвалования. Здесь можно сослаться на пример «растекания» хвостохранилища Эль-Кобре [128), которое можно объяснить только переходом относительно крупных хвостов в разжиженное состояние.

Расчет устойчивости откосов дамб обвалования хвостохрани­ лищ (в том числе и намывных из хвостов откосов) при воздействии сейсмических сил следует также производить указанным выше упрощенным методом и по методу круглотщлипдрических поверх­ ностей скольжения, учитывая разные плотности и характеристики прочности хвостовых отложений как но высоте, так и по горизон­ тали. Отличия в указанном расчете от расчета устойчивости откоса в условиях статики состоят в том, что при этом учитываются инерционные силы и дополнительно свойства виброползучести хвостов: коэффициент уплотнения а} ; параметр виброползучссти Тх; напряжения сжатия а (е0), при которых обеспечивается перазрушепие структуры хвостовых отложений при коэффициенте пористости последних е0. Величины aL, Vi и а (е„) определяются в лаборатории на образцах хвостов по методике внброкомпрес-

327

Расчеты устойчивости дамб обвалования (плотин) хвостохраиилищ при воздействии сейсмических нагрузок следует производить по указаниям СЛиП II-A, 12—69 с учетом основных особенностей намывных из хвостов откосов: переменности плотности по высоте, переменности гранулометрического состава хвостов по горизон­ тали, переменности характеристик фильтрации и прочности хво­ стовых отложений ф и с по высоте и горизонтали.

Для земляных плотин в «большой гидротехнике» СНиП 1I-A.12—69 рекомендует учитывать четыре формы колебаний. Для распластанных сооружений типа хвостохранилищ достаточно

откоса на ЭВМ УС-3, разработанная ЛГЩ им. М. И. Кали­ нина [151].

Во всех случаях устройства хвостохранилищ в сейсмических районах необходимо проектировать их эксплуатацию на пони­ женных горизонтах ННГ в долях понижения кривой депрессии и повышения, таким образом, устойчивости низового откоса дамбы обвалования.

При проектировании хвостовых хозяйств иногда встречается необходимость в устройстве подпорных бетонных и железобетон­ ных сооружений тина плотин и подпорных стен, например, в со­ ставе головных сооружений хвостохранилищ речного типаРас­ четы давлепия земли на подпорные сооружения следует произ­ водить но указаниям СНиП на проектирование и расчет подпорных стен [171, 172]. Расчеты прочности оснований и устойчивости указанных подпорных сооружений следует производить но указа­ ниям СНиП на основании гидротехнических сооружений [1731. Иногда встречается необходимость расчета осадок гидротехни­ ческих сооружений хвостовых хозяйств. В этих случаях необхо­

Эти расчеты необходимы:

для выяснения количества оборотной воды, которую можно получить из хвостохранилища для промышленного водоснабжения предприятия;

328

для выяснения возможности установления горизонта води в хвостохрапилище на отметке, обеспечивающей зимнюю укладку хвостов под лед (непромерзапие хвостохранилища);

для расчета водосбросных сооружений.

В общем случае эксплуатация хвостохранилища в периоды его заполнения и одновременного поднятия отметки гребня намывной плотины из хвостов выражение для годового баланса имеет сле­

где и>(|— количество воды, которое можно получить из хвостохраиилища для промышленного водоснабжения предприятия, или количество воды, которое нужно сбросить из хвостохрани­ лища, м*/год; wc — естественный приток воды к хвостохранилищу с водосборного бассейпа последнего, мУгод; iff,, — количество воды, поступающей в хвостохранилище вместе с хвостами (водная фаза пульпы), м3/год; w„ — потери воды на испарение с площади хвостохранилища, м3/год; и?ф — потери воды па фильтрацию через ложе хвостохранилища и через оградительные сооружения (плотины и дамбы обвалования), м3/год; ц?хв — количество воды, остающееся в хвостовых отложениях, идущее на заполнение пор последних, м3/год; щ, — количество воды, необходимое для подъ­ ема горизонта воды в хвостохранилище в связи с повышением отметки гребня плотины по мере заполнения хвостохранилища, м3/год.

В случаях устройства хвостохранидигц в равнинных областях естественный приток воды можно припимать равным объему весен­ него стока S (м9), который определяется выражением

S = 1000г|#F,

где т) — коэффициент весепнего стока; Н — количество зимних осадков, мм; F — площадь водосборного бассейна, км2.

Количество зимних осадков Н принимается но данным ближай­ шей метеорологической станции, по данным опубликованных отчетов и сборников Государственного гидрологического инсти­ тута, а также по указаниям специальных руководств ио гидро­ логическим расчетам 160].

Величина коэффициента стока ц зависит от ряда природных факторов, главными из которых являются характер рельефа и залесетшости водосборного бассейна и метеорологические усло­ вия весеннего снеготаяния. Величина ц имеет различную степень вероятности (обеспеченности).

Величина весеннего стока заданной обеспеченности с 1 км2 определяется по формуле

s=s,.vKv,

!'Дс SС(1— норма среднего весеннего стока; может быть опреде­ лена но специальным. картограммам [49, 601; /(р — модульный

329

коэффициент, заданной в проекте обеспеченности, определяется по формуле

Значения Фр и С„ определяются по картам изолиний коэффи­ циента вариации весеннего стока и специальным таблицам, по­ мещенным в ряде пособий [49, 60J.

Таким образом, объем весеннего стока заданной обеспечен­ ности определяется по формуле

S = KpS,vF.

В случаях проектирования хвостохранилищ в равнинных областях с резко континентальным климатом (при наличии дли­ тельной зимы) можно принимать

we = S.

При проектировании хвостохранилищ в горных областях и в районах, в которых зима практически отсутствует, естествен­ ный приток определяется суммарной площадью гидрографов паводков, построение которых следует производить но указапиям, помещенным в главе VI, разделе

Количество воды и,,, поступающей в хвостохранилище вместе с хвостами, определяется по заданию на проектирование хвосто­ вого хозяйства-

Величина испарения с водной поверхности хвостохранилища определяется по формуле В. К- Давыдова

e = 0,55d°>8 (1+ 0,125i;),

где е — среднееуточная величина испарепия, хм; d — средне­ суточная величина дефицита влажности; v — скорость ветра, м/с.

При значительной площади зеркала пруда (~1 км2 и больше) в указанную формулу вводится поправочный коэффициент К — =-- 0,90.

По формуле В. К. Давыдова и по климатическим показателям построены карты изолиний испарения [491, пользуясь которыми, определяют величину годового слоя испарения в сантиметрах, а затем, при данной площади зеркала хвостохранилища, и и\.

При расчетах баланса вод в хвостохранилище площадь зеркала последнего рекомендуется принимать соответствующей средне­ годовой отметке горизонта воды в хвостохрапилище. Сезонное распределение потерь воды на испарение может быть определено по данным об испарении в районе по месяцам, обычно имеющимся в климатическом очерке района устройства хвостохранилища.

330