книги / Проектирование и эксплуатация хвостовых хозяйств обогатительных фабрик

Т а б л и ц а 65

ниями хвостов, мощность которых в некоторых случаях доходит до 100 м.

В большинстве случаев при намыве дамб и заполнении хвостохранилищ по системе «от плотины к берегам» непосредственно над коллектором залегает толща из отложений самых мелких частиц хвостов и далее по высоте залегают толщи из отложений более крупных частиц хвостов.

При увеличении высоты отложений хвостов в первый момент вся нагрузка от их массы будет передаваться на заключенную в порах нижнего слоя отложений хвостов воду. Это обусловливает грузовую схему коллекторов в виде практически равномерно распределенной гидростатической нагрузки но всему периметру сечения коллектора. Такая грузовая схема наиболее благопри­ ятна для прочности коллектора круглого сечения, так как не вызывает появления в стенках последнего растягивающих напря­ жений. Постепенно, по мере уплотнения хвостовых отложений и отжатия воды из пор последних вверх и вниз (в случае фильтру­ ющего ложа хвостохрапилища), нагрузка от массы вышележащих отложений будет восприниматься скелетом хвостового массива с соответствующим уменьшением в нем норового давления. Этот процесс, называемый процессом консолидации, сопровождается уплотнением отложений хвостов. Длительность этого процесса зависит от длительности заполнения хвостохрапилища, определя­ ющего процесс загружения нижней толщи хвостов и от коэффи­ циента фильтрации отложений хвостов. Продолжительность за­ вершения консолидации после окончания заполнения хвостохра­ пилища зависит от мощности отложений мелких частиц хвостов вокруг сечения коллектора, условий оттока отжимаемой из них воды, от коэффициента фильтрации отложений хвостов и от свойств прочности и деформируемости контактов частиц, определяющих явление ползучести.

В табл45 приведены значения коэффициентов фильтрации хвостовых отложений зоп I, II и III по рис. 141. В этом случае границы зон могут быть намечены условно. Пользуясь этими значениями характеристик хвостовых отложений, а также про­ ектным графиком заполнения хвостохрапилища (интенсивность роста отложений), по формулам можно произвести расчет времени консолидации хвостовых отложений.

Практика таких расчетов ноказывает, что при коэффициентах фильтрации грунтов 10~7 —10 8 см/с, при постоянном увеличении толщины отложений и при водонепроницаемом основании, опре­ деляющем односторонний (снизу вверх) отток выжимаемой из пор грунта воды, процесс консолидации продолжается годами. Такой отток воды надо считать даже в случаях фильтрующего ложа хвостохрапилища, так как последнее закольматируется. Если при этом учесть так называемую вторичную консолидацию

342

то указанный срок консолидации может возрасти до десятилетий. Первичной (фильтрационной) консолидацией 71азывается уплот­ нение грунтов вследствие выжимания воды из их пор в условиях отсутствия сил сопротивления смещению твердых частиц груптовой массы. В начальный период уплотнения текучих водонасыщен­ ных грунтов происходит преимущественно именно такая (фильтра­ ционная) консолидация, так как трение между частицами при их смещениях вслед за выжатой водой мало. В последующий период происходит первичная и вторичная консолидация грунтовой массы, при которой выжимание воды происходит в условиях замедленных смещений твердых частиц друг относительно друга. При этом также часть нагрузки, которую эти частицы восприни­ мали, передается на воду, заключенную в порах грунта. Вторич­ ная консолидация происходит в условиях снижения сопротивле­ ния сдвигу твердых частиц грунтовой массы, обусловленного свойством ползучести грунтов. Это свойство проявляется с тече­

нием времени.

Общая картина деформаций бетонной или железобетонной трубы и окружающей ее грунтовой и хвостовой сред сводится к следующему.

При укладке трубы на поверхность естественного грунта (без заглубления), имеющего большую жесткость, чем хвостовые отло­ жения, осадки слоев хвостов, откладывающихся вне коллектора, будут больше, чем осадки слоев хвостов, откладывающихся над коллектором. Вследствие этого распределение вертикальной на­ грузки но горизонтальному диаметральному сечению оказывается неравномерным; в середине меньше, а по бокам больше (рис. 155, б) Этот эффект будет тем более незначительнее, чем меньше диаметр коллектора и чем более пластичными будут отложения хвостов,

расчете прочности бетонных и железобетонных коллекторов рекомендуется в этом случае пренебрегать и считать эпюру вертикальных нагрузок равномерной (сплошная линия на рис. 155, б).

Приведенная рекомендация находится как бы в противоречии с указаниями Г. К- Клейна [67]. Однако рекомендации

Г. К. Клейна относятся к однородным грунтам, покрывающим

JJ

коллектор, и главным образом к тем случаям, когда — (где Н —

толщина грунтового слоя над коллектором, d — диаметр коллек­ тора) не превышает 16.

В хвостохранилищах мы имеем:

неоднородный грунтовой слой (отложения хвостов) над кол­ лектором;

над коллектором откладываются самые мелкие частицы хво­ стов, образующие более пластичный слой, который выравнивает нагрузку на стенки коллектора от массы вышележащих слоев,

РАЗ

состоящих из более крупных частиц и потому обладающих боль­ шей жесткостью;

расчетной схемой для коллекторов хвостохранилшц обычно является схема полного заполнения хвостохранилищ, при которой

отношение—, как правило, значительно больше 16.

При заглублении коллекторов в естественный грунт, более жесткий, чем отложения хвостов (причем котлован засыпается

Рис. 155. Виды грузовых схем на туннельные обделки н на стенки коллек­ торов хвостохранилищ:

а — гр у з о в ы е сх ем ы на ту н н ел ь н ы е о бд ел к и по н р о т м д ы и со н о к у , б — г р у з о в ы е сх е м ы

п о М . М . П р о т о д ь я к о н о в у; 3 — св о д п ри м я гк и х п о р о д а х п о М . М . П р о т о д ь я к о н о в у

более разрыхленным грунтом, чем естественный грунт, подстила­ ющий коллектор), будет иметь место обратная картина: осадка хвостовых отложений над коллектором будет больше, чем сосед­ них масс хвостов, и, следовательно, эпюра нагрузок на коллектор по горизонтальному диаметральному сечению будет иметь вид, показанный на рис. 155, б пунктиром с двумя точками.

Таков механизм нагрузок, оказываемых на водоспускной коллектор откладывающимися над ним хвостами.

При расчете прочности подземных бетонных и железобетонных сооружений применяют следующие грузовые схемы (см. рис. 155).

341

1. В качестве нагрузки на стенки туннеля, выполняемого проходкой, принимается масса породы в области свода М. М. Про- ■годьякоиова высотой Н = B/2fn, где В — пролет выработки [661 (см. рис. 155, а). В соответствии с этим в зависимости от коэффи­ циента крепости породы, слагающей вышележащую толщу / п, определяется интенсивность внешней нагрузки на стенки подзем­ ного сооружения q. Расчет моментов и перерезывающих сил в сече­ ниях обделки туннеля определяется с учетом возникающего при его деформации упругого отпора окружающих пород в зоне с цен­ тральным углом 270°. Эта же расчетная схема может быть при­ менена и при расчете внешней нагрузки

Я ~ 7н:1с77■

где Упас — объемная масса вышележащих пород в водонасыщенном состоянии; Н — мощность лежащих над коллектором пород.

Определение изгибающих моментов и перерезывающих сил в сечениях коллектора производится при этом по формулам, приведенным в технических условиях и нормах проектирования гидротехнических сооружений (гидротехнические туннели гидро­ электростанций) .

2. По горизонтальному диаметру коллектора приложена вер­ тикальная равномерно распределенная нагрузка qn = у тсН, а по вертикальному диаметральному сечению — равномерно распре­ деленная нагрузка qr —■цу1ШСН, причем коэффициент бокового давления определяется в соответствии с решением теории предель­ ного равновесия сыпучей среды:

где ф — угол внутреннего трения окружающей коллектор среды.

мости от вида опирания трубы (непосредственно на естественном основании или на специальных бетонных подушках) но формулам, приведенным в работе [67J. Расчет производят на 1 м длины трубы.

Переходя к оценке изложенных выше расчетных схем, отметим, что в описанных выше условиях формирования толщ отложений хвостов над коллектором нельзя рассчитывать на образование свода по М. М. Протодьяконову. В последнем заложена идея пере­ распределения напряжений в толще горных пород при образова­ нии в них выработки. В результате этого перераспределения и образуется указанный свод, пяты которого воспринимают массу пород, лежащих выше свода.

В условиях хвостохранилищ сечения для коллекторов не про­ ходятся горным способом (устройство туннелей) и сами они стро­ ятся еще до заполнения хвостохранилищ, т. е. когда над коллекто­ рами никаких толщ пород нет.

345

В процессе заполпения хвостохранилищ напряженное состо' яние окружающей среды определяется только массой постепенно растущих отложений хвостов и гидростатическим давлением воды, заключенной в порах отложений. На формирование напряженного состояния окружающей коллектор среды деформации стенок кол­ лектора практически не оказывают никакого влияния вследствие ничтожности этих деформаций. Кроме того, нельзя представить реальное значение коэффициента крепости отложений по М. М. Протодьяконову, имея в виду описанные их механические свойства и неизбежное протекание в них процессов консолидации.

Нельзя также рассчитывать на упругий отпор отложений хвостов, окружающих коллектор, выражаемый обычно коэффи­ циентом постели К. Значение этого коэффициента для хвостов, находящихся в пластичном состоянии, не может быть большим и поэтому при расчетах коллекторов упругой отпорной способ­ ностью отложений хвостов следует пренебрегать. Это не распро­ страняется, конечно, на случай заглубленных в естественные груцты коллекторов (туннелей).

Расчетная схема нуждается, применительно к условиям водо­ спускных коллекторов хвостохранилищ, в определенных уточ­ нениях.

Одним из основных вопросов схемы 2 является выражение для коэффициента бокового давления т] и связь последнего с норовым давлением.

Приведенное выше выражение для коэффициента бокового давления (для условий предельного равновесия) является прин­ ципиально и практически неправильным, так как условия пре­ дельного разновесия и характеристика' прочности грунтов об­ условливают наличие значительных деформаций грунтов [68], которые но условиям прочности бетонных и железобетонных коллекторов недопустимы. Определение коэффициента бокового давления хвостовых отложений надо производить в условиях почти полного отсутствия деформаций стенок коллектора. Именно

схемы для расчета прочпости бетонных и железобетонных кол­ лекторов, предлагается рассматривать два случая:

1. Первый расчетный случай соответствует незавершившемуся процессу консолидации хвостовых отложений, окружающих кол­ лектор (рис. 156, б). Коэффициент избыточного давления при­ нимается равным Кр — 0,5. При этом равномерное всестороннее гидростатическое давление воды, заключенной в порах хвостовых отложепий Рп, принимается по формуле

Р0 — -\\Н [- 0,5yci</i,

где — плотность воды, равная 1; Н — высота столба воды от центра тяжести сечения коллектора до расчетного максимального

340

горизонта воды в пруде-хвостохранилшце или до поверхности депрессии; усл — объемная масса скелета толщи хвостов, лежащих над коллектором (при определении объемной массы ^грунта, за­ легающего ниже поверхности депрессии, необходимо учитывать взвешивание по Архимеду); h — толщина слоя хвостов, лежащих над коллектором (от центра тяжести сечения коллектора до поверх? ности отложений хвостов или до дна пруда).

Рис. 156. Грузовые схемы стенок коллекторов:

а — п р и за в ер ш и в ш ем ся у п л о т н е н и и о тл о ж е н и й х в о с т о в , б — п р и н еза в ер ш и в ш ем ся уп л отн ен и и отл о ж е н и й х и о ст о в

Давление q„ можно определить по формуле

9в = VCK^0,5*,

а давление qr по формуле

9r = T)iYCKftO,5*,

причем % — 0,60.

2. Второй расчетный случай соответствует полному заверше­ нию консолидации хвостовых отложений, окружающих коллектор. Коэффициент норового давления Кр — 0. При этом (см. рис. 156, а):

* Коэффициент 0,5 введен для соответствия принятому расчетному случаю: Кр = 0,5.

Низкие значения коэффициента бокового давлении т] (0,40— 0,55) следует принимать в случаях, когда слой хвостов, непосред­ ственно покрывающих коллектор, состоит из относительно более крупных частиц, например, характеризующихся содержанием частиц —0,074 мм — 50—60%. Высокие значения коэффициента бокового давления (0,55—0,70) следует принимать в случаях, когда слой хвостов, непосредственно покрывающих коллектор, состоит из относительно более мелких частиц, например, характеризу­ ющихся содержанием частиц —0,074 мм больше 60%.

Вопрос о грузовой схеме для коллекторов хвост.охранилищ нельзя считать вполне решенным. Необходимо уточнение значений коэффициентов бокового давления для различных видов хвостов в зависимости от их гранулометрического состава и других физи­ ческих свойств. Приведенные выше рекомендации но количе­ ственным выражениям коэффициента бокового давления основаны на качественных представлениях о степени пластичности хвосто­ вых отложений в зависимости от их гранулометрического состава.

Исследование с разработкой собственных предложений по мето­ дам расчета прочности стенок коллекторов провел М. В. Малы­ шев [220], с учетом сейсмических воздействий, для различных форм коллекторов и форм их опирания на основания из различных грунтов. В зависимости М. В. Малышева входят: коэффициент бокового давления |, модуль деформации Е, пористость и, плот­

лабораторных испытаний. В необходимых случаях можпо рас­ считывать прочности коллекторов по методам М. В. Малы­ шева 1220].

П. В. Дергачев в институте ВодГЕО произвел полевые иссле­ дования давления на стенки коллектора хвостохранилища Каджаранской обогатительной фабрики на ручье Пухрут-Гет [221, 222, 223]. Коллектор имел внутренний диаметр 1,65 м, железобетон­ ную стенку толщиной 0,15 м. Основание коллектора — плотные гравелистые пески. Коллектор состоит из 38 железобетонных

давления хвостовых отложений на стенки коллектора вполне укла­ дываются в схему нагружения коллектора (см. рис. 156); вер­ тикальное давление с некоторым приближением (идущим в запас прочности стенок коллектора) можно принять равномерным и равным 50 тс/м2; горизонтальное давление — 20 тс/м2. Таким образом, коэффициент бокового давления равен 2/5 — 0,40.

Объемная масса скелета хвостовых отложений но П. В. Дергачеву колебалась в пределах от 1,46 до 1,64 тс/м3. Следовательно, пористость хвостовых отложений колебалась в пределах от 48 до 41 % и объемная масса взвешенных хвостовых отложений коле-1 балась от. 0,94 до 1,05 тс/м3 и, следовательно, объемная масса водонасыщенпых хвостов колебалась от 1,94 до 2,05 тс/м3. Среднее:

348

значение объемной массы водонасыщенных хвостов будет 2 тс/м3, Нормальное вертикальное напряжение от собственной массы

хвостов

ственной массы хвостов у„а, Н. Концентрация пормальшлх напряжепий обусловливается разными осадками коллектора и хвостов над ним и осадками отложений хвостов, лежащих рядом с ними, вследствие чего на коллектор передается часть массы хвостов, лежащих рядом с ним. Учитывая это обстоятельство, необходимо в соответствующих случаях принимать при расчете прочности стенок коллекторов но схеме, показанной на рис. 156, действующих на диаметральную горизонтальную поверхность в размере 1,40ун.т; Н тс/м2, а боковое давление 0Д0уна,. П.

Коллекторы хвостохранилищ овражного типа, с пропуском через них паводковых вод оврагов и ручьев (типа хвостохранилища на ручье Дара-Зами, Каджаранская обогатительная фаб­ рика), должны работать и после завершения периода эксплуата­ ции хвостохранилища. В этих случаях стенки коллекторов надо обязательно рассчитывать на давление стабилизированных хво­ стовых отложений и, следовательно, принимать наименьшее значение коэффициента бокового давления.

Следует также обратить особое внимание на разработку соот­ ветствующих конструкций входа в коллектор и выхода из коллек­ тора паводковых вод и в соответствующих случаях меры борьбы с селями.

Наибольшую опасность для прочности стенок бетонных и же­ лезобетонных коллекторов представляют растягивающие напря­ жения. Поэтому наиболее невыгодной должна являться вторая расчетная схема. Всесторонне, равномерное гидростатическое давление, сколь бы велико оно ни было, пе может привести к боль­ шим толщинам коллекторов. В связи с указанным возникает мысль о рациопальности устройства оболочки по периметру кол­ лекторов из пластичных материалов (рис. 157), которые имеют назначение усреднять неравномерное давление окружающей кол­ лектор среды и приводить его к среднему гидростатическому давлению [69], одинаковому но всему периметру. Такие решения особенно рациональны при коллекторах больших диаметров (>1,50 м) и при значительных высотах отложений хвостов над коллекторами (>50 м). Толщина такой оболочки может быть от 15 до 25 см.

Необходимо, однако, провести соответствующие исследования для внедрения указанного предложения в практику строительства коллекторов хвостохранилищ.

349

При устройстве коллектора с заглублением в естественном грунте расчетная грузовая схема будет зависеть от вида окружа­ ющих коллектор грунтов. При грунтах, более фильтрующих, чем III зона отложений хвостов, и при достаточном оттоке воды из этих грунтов за пределы хвостохрапилища надо принимать вторую расчетную схему с коэффициентом бокового давления для сунесей и легких суглинков г) = 0,4, для песков т) = 0,5. В про­ тивном случае следует также считаться и с процессом консолида­ ции малофильтрующих естественных грунтов и принимать более высокие значения коэффициента бокового давления.

а

Рис. 157. Конструкции водосиускпых коллекторов с обкладкой из пластич­ ного материала:

а — н а н есж и м а ем ом о сн ов а н и и , б — . н а си л ь и о сж и м а е м о м осн о в а н и и

Имея в виду приведенные обстоятельства, котлованы для устройства коллекторов в глинистых грунтах желательно заклады­ вать жирными глинистыми водонасыщенными пластичными грун­ тами. при изоляции последних от фильтрующих грунтов осно­ вания.

При устройстве труб в насыпях (по трассам хвостопроводов) из естественных грунтов необходимо следовать указаниям суще­ ствующих норм (СНиП, нормы МПС).

12. Расчеты устойчивости водоприемников шахтного типа

Расчет устойчивости водоприемников шахтного типа состоит в проверке их на всплывание по Архимеду. Необходимо обеспече­ ние следующего условия устойчивости:

G+ Gnp^ l,0 5 W ,

350