Разработка методики определения рациональных параметров намывных хвостохранилищ и отвалов вскрыши

Методология создания ресурсовоспроизводящих.

Медяник Н.Л., Калугина Н.Л., Варламова И.А., Строкань А.М.

Bibliography

1. Medyanik N.L., Girewaya H.Y. Copper ions recovery out of waste water using precipitating - reducing agent // Vestnik of MSTU named after G.I. Nosov. 2007. № 1. P. 113-114.

2. Selection of high-performance agents for flotation recovery of copper (If) and zinc ions out of industrial hydro mineral resources / Medyanik N.L., Varlamova I.A., Kalugina H.L., Girewaya H.Y. // Bulletin of Irkutsk state technical university. 2010. № 3 (43). P. 91-96.

3. Medyanik N.L. Quantitative assessment of precipitators activity for

flotation recovery of non-ferrous metals cations out of mine waste waters // Mineral dressing: Collection of scientific papers presented at the symposium «Miner Week - 2009» / Under the editorship of V.M. Avdohin. M.: Mining Book. 2009. № 0814. P. 210-215.

4. Patent 2359920 of the Russian Federation. The Way of Waste Water Refining of Ions of Heavy Metals / Medyanik N.L., Shad-runova I.V., Girewaya H.Y., Strokan A.M.

5. The patent for useful model 97123 of the Russian Federation. Device for electrochemical clearing of water solutions / Medyanik N.L., Mishurina O.A.

УДК 622.271.75: 622:882

Мельников И.Т., КутлубаевИ.М., СуровА.И., Мельников И.И., Васильев К.П.,

Плотников Д.П., Шевцов Н. С.

РАЗРАБОТКАМЕТОДИКИОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАМЫВНЫХ ХВОСТОХРАНИЛИЩ И ОТВАЛОВ ВСКРЫШИ

К концу прошлого века на каждого жителя планеты ежегодно приходилось 45 т разнообразного сырья, из которого не более 2% преврашдется в полезный продукт, а остальное возврашдются окружающей природе в виде отвалов вмещающих пород, шлаков металлургического производства, золохранилищ, шламо- и хвосто хранилищ, отждов химической промышленности. Формируются так называемые горнотехнические техногенные сооружения, для размещения которых ежегодно безвозвратно отторгаются миллионы гектаров земель [1].

Динамика работы 15 железорудных ГОКов России, Украины и Казахстана с годовой производительностью по сырой руде более 10 млн. т в период с 1970 по 2009 годы приведена на рис. 1. Период с 1990 по 2000 годы характеризуется переждом от плановой экономики к рыночной, переделом собственности и падением обьё-

мов добычи железной руды. Планируеммые во второй декаде III тысячелетия ввод в эксплуатацию Приосколь-ского месторождения, увеличение производственных мощностей Качкаканарского, Бакальского, Лебединского и освоенияе месторождений Чинейской железорудной провинции Забайкалья (Этырко и Магнитное) позволи прогнозировать годовой объём добычи сырой руды к 2020 году на предприятиях СНГ до 450-500 млн т, товарной руды 150-170 млнт, выжд хвостов обогащения до 300-330 млнт. Начавшийся подъём экономики был прерван мировым финансовым кризисом, который разразился в конце 2008 года и приостановил реализацию многих проектов. В 2009 году произошлэ снижение объёмов добычи железной руды - основы металлургического сектора экономики, уменьшение инвестиций в создание наукоградов и проведение достойной социальной политики (см. рис. 1).

К 2020 году можно прогнозировать увеличение объёмов добычи сырой руды до 400 млн т в год выход хвостов до 250 млн т и товарной руды до 140-150 млнт. Динамика развития железорудной горнодобывающей промышленности, несмотря на влияние макроэкономических факторов, позволяет предполагать, что ежегодная интенсивность прироста добычи сырой руды, выхода хвостов и получения концентрата будет составлять соответственно более 3, 2 и 1 млн т.

В настоящее же время среднее содержание железа в добываемом сырье на большинстве горно-обогатительных комбинатах (ГОКах) колеблется в пределах 16-45%, а содержание железа в товарной руде возрастает и на

Рис. 1. Динамика добычи сырой железной руды, выхода товарной руды и хвостов на ГОКах России, Украины и Казахстана

отдельных предприятиях достигает 66,5-67,0% [2]. Динамика изменения средневзвешенных значений содержания железа в сырой и товарной руде на ГОКах России, Казахстана и Украины приведена на рис. 2, на котором видно, что на рубеже веков средневзвешенные значения содержания железа в сырой руде снизилось до 26-27°%. Исждя из имеющей сырьевой базы, с определённой долей вероятности можно прогнозировать средневзвешенное содержание железа в сырой и товарной руде к 2020 году соответственно 26 и 65,1%

Выполненный анализ развития железорудной горнодобывающей промышленности стран СНГ показывает увеличение объёмов добычи, рост содержания железа в товарной руде по требованиям металлургического передела и его снижения в сырой руде в связи с переходом на разработку более бедных месторождений. Это однозначно предполагает увеличение выхода объёмов хвостов и обострение проблем, связанных с гидротранспортом, укладкой и хранением отходов обогащения.

По данным Госгортехнадзора только в России околэ 300 хвостохранилищ и накопителей промстоков [3], половина из которых находятся в аварийном состоянии или достигли своих проектных отметок. За последние 15-20 лет на территории России не построено ни одного нового хвостохранилища, потому что требуются значительные капитальные, интеллекту альные и организационные затраты, отторжение огромных площадей земель различного назначения, мониторинг загрязнения воздушного и

год

Год

Рис. 2. Динамика изменения средневзвешенных значений содержания железа на горно-обогатительных комбинатах России, Казахстана и Украины:

а - в товарной руде (концентрате); б - в сырой руде;

- область прогнозных значений

водного бассейнов. Новая генерация собственников в погоне за прибылью не способна оценить серьёзности угроз такой политики, риска потерять бизнес при нарастающем интересе государства к требованиям экологичности и безопасности эксплуатации техногенных гидротехнических сооружений. В связи с этим в настоящее время перед многими горно-обогатительными предприятиями стоит проблема увеличения вместимости эксплуатируемых хвостохранилищ, строительство новых, пережд на новые технологические схемы гидротранспорта высокоплэтных пульп, новые технологии укладки и утилизации хвостов [4, 5].

Вместимость хвостохранилищ и внешних отвалов вскрыши определяется многообразием геотехнических факторов: физико-механическими свойствами пород отвала и основания, формой и площадью земельного отвода, рельефом местности, воздействием сейсмических и гидродинамических сил. В связи с вышеизложенным, разработка методики определения рациональных параметров намывных хвостохранилищ и отвалов вскрыши, обеспечивающихмаксимальную вместимость подотвальных площадей при учёте многообразных факторов, является актуальной задачей.

Возможные варианты конфигурации техногенных горно-технических сооружений определяются рядом параметров: физико-механическими свойствами пород основания и тела отвала, площадью и формой земельного отвода под внешние отвалы, рельефом местности и воздействием внешних сил. По сути выбор оптимальных параметров является задачей многопараметрической оптимизации. В качестве критерия оптимальности следует принимать максимальную вместимость отвалов вскрыши при заданной площади и форме земельного отвода или минимальную площадь для размещения определенного объёма вскрышных пород или хвостов. Методика определения рациональных параметров техногенных хранилищ заключается в использовании интерактивного режима расчетов и реализуется в следующей последовательности.

В общем случае объём отвала определяется по зависимости вида

¥0 = Н0^0 -АГотк,

V = Н0- 0,1667Я02о18(а)) х(3Р0 -КфН0е^(а)),

где ЛКотк - потери объема в приоткосной части, м3;

£0 - площадь основания, м2; Н0 - высота отвала, м; а -угол откоса отвала, град; Р0 - периметр основания подотвальной площади, м; Кф - коэффициент формы подотвальной площади. В выражении (1) коэффициент Кф определяет формы земельного отвода. Для наиболее распространённых вариантов аналитическое выражение Кф представлены в таблице. В общем случае Кф определяется по формуле

\-1

КФ =(Р -Рв)(Н(«))'

где Рв - периметр верхней площадки отвала, м.

Для земельного отвода многоугольной формы

Кф = 2N tg^N-1)

H0 = m ctgn а .

Для определения коэффициента т и п используются две точки, лежащие на графике и имеющие координаты Нь а.\ и Н2, а2. Выбор точек основывается на их принадлежности к предполагаемому интервалу высоты и угла откоса отвала или хвостохранилища. В этом случае коэффициенты пи т определяются по формулам:

п =

m = H1 tgn а1 = H2 tgn а2

где N - количество сторон многоугольника основания. Для фигур неправильной формы коэффициент приближенно считают как для эллиптической, принимая за полуоси полэвину наибольшего и наименьшего измерения.

При проектировании и определении технологических параметров хранилищ техногенных отждов можно построить неограниченное количество конфигураций, различающихся по высоте и в плане. Обязательным при этом является обеспечение нормативного коэффициента запасаустойчивости (рис. 3, а).

Высота отвала отвала Н0 в выражении (1) является функцией физико-механических свойств основания и тела отвала и, кроме того, зависит от результирующего угла откоса а. В работе [6] предложена методика построения зависимости высоты отвала Н0 от результирующего угла откоса а (рис. 3, б) при безусловном обеспечении нормативного коэффициента запаса устойчивости [Ку]. Однако эта зависимость имеет дискретный характер, что затрудняет аналитическое исследование функции (1).

Для расчёта оптимальных параметров внешних отвалов вскрыши и хвостохранилищ следует иметь эту зависимость в формализованном виде. Для этого полученный график H0 = f(ctg а) следует аппроксимировать функцией вида

После соответствующих подстановок в уравнение (1) можно определить угол а = аопт, обеспечивающий достижение максимального объема У0

аопт = arcctg1,5/0 (2n +1)- 2,25P02 (2n +1)2 -

- 6nS0Кф (3n + 2)]^ [шКф (3n + 2)]“

Широко распространенной задачей при проектиро-вани отвалов и хвостохранилищ является задача по определению минимальной площади земельного отвода

ж

X

X

н,м

80

bttzHj а, н<

10

20

30

40

50 а, град

Рис. 3. График зависимости устойчивых параметров отвала на прочном основании и возможные конструкции многоярусных отвалов

Значения коэффициентов формы подотвальной площади Кф и основания отвала К0

Форма подотвальной площади Методика определения коэффициентов

Круглая Кф = 2п; К0 = 2п1'2

Эллиптическая, а, Ь - полуоси; К= Ь/ а Кф = 2я|о,5 + 0,5-(а -Ь)(а + Ь)'2 ^|; К0 = л1/2 (К +1)К12

Квадратная К ф = 8; Ко = 4

Прямоугольная, а, Ь - стороны; К= Ь/ а К ф = 8; Ко = 2 (К +1) К

Трапециевидная, а, Ь - основания; И - высота К ф = 8; К0 а + Ь + 2И cosjаrоtg 0,5И_1 (Ь - а) + (Ь - а)/2) 2

Треугольная, а, Ь, с - стороны; Р - полупериметр треугольника Кф = 10,39; К0 =(а + Ь + о)[(P - а)(P -Ь)(Р - о)P]_1

Неправильный многоугольник, N - количество сторон основания Кф = 2N^тс^11; К0 - определяется путем инструментальных замеров площади и периметра земельного отвода в плане

Примечание. Наибольшее значение Кф имеет треугольник - 10,39; наименьшее - круг 2ж =6,28. Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2011. № 1.--------------------------------------------------

определенной формы, необждимой для размещения заданного объема вскрыши или некондиционных руд.

Введем коэффициент основания подотвальной площади К0.

K о = Po • S о

'У

S0 = ^0,25K0 m ctg(n + ) («) +

V0 m 1 ctg n (a)-

- m ctg'

2 Y

0

16

Продифференцировав уравнение (7) по d (ctg(a)), найдем значение угла откоса а = аопть при

котором достигается минимум площади земельного отвода под основание отвала для размещения требуемого объёма техногенных пород V0:

a onml = arCCtg

!3V0 к 0г

x(3 - 3MKф + Mг K2 )'

n+1

-113n+г M m

l

n+1

Полученные зависимости позволяют установить взаимосвязь между максимальной вместимостью и минимальной площадью земельного отвода:

Vmax =( K0M )n+1 mnf10,333 X

Решая уравнение (1) относительно Б0, используя введенный коэффициент основания, получим:

3n+г

х| 3 - 3MK4> + MгkJ ) S02n+г ;

Smin = 1 3^0

1

( K0 M ) n+1 mn+1 X

x(3 - 3MK^ + Mг Kl'

2n+2 11 3n+2

Для технико-экономических расчетов рекультивации отвалов необждим расчет площади откосов $отк и горизонтальных площадок Бр:

SomK = ^S>"2 K0 - 0,5 Kф H0 ctg (a)j х хH0 (ctg2 (a)) 12;

Sr = H0

<(ctg (a)- ctg (a e )) K

-2 0 ,

где ае - угол естественного откоса уступа отвала или угол, приданный ему в результате горнотехнической рекультивации.

SO

Объем хвостохраяилшца У млн^н Угол внешнего откоса а,град

Рис. 4. Вместимость хвостохранилища при различном положении депрессионной кривой:

1 - тело ограждающей дамбы не обводнено; 2 - прогнозируемое положение депрессионной кривой дпяфакгическсго неоднородного строения ограждающей дамбы сучёгом экранирующегодейсг вия переходной зоны и донных отложений прудковсй зоны и работ ы дренажной системы;

3 и 4 - соответственно расчётное положение депрессионной кривой при работающем и не работающем горизонт апьномтрубчагом дренаже для однородной ограждающей дамбы безучёга экранирующего действия переходной зоны и донных отложений прудковой зоны

Полученные аналитические зависимости позволяют оценить взаимовлияние параметров, определяющих конфигурацию внешних отвалов вскрыши или хвосто-хранилищ.

Было установлено, что:

- с увеличением площади земельного отвода оптимальный угол откоса уменьшается, а высота отвала возрастает;

- отклонение формы земельного отвода от круга обусловливает увеличение угла откоса и снижение высоты отвала;

- вместимость подотвальных площадей также зависит от формы земельного отвода. Так, на круглом отводе земли площадью 400 га при указанных свойствах пород отвала и основания вместимость составит 318,2 млн м3, а при треугольной форме подотвального участка такой же площади вместимость - 245,8 млнм3, т.е. на 30% меньше;

- расчеты по предлагаемой методике показали, что для складирования 100 млн м3 пород с указанными свойствами на прочном основании (см. рис. 2) требуются участки с площадью: при круглой форме отвода - 165 га, квадратной - 185 га, прямоугольной (Ь/а=2) - 200 га, треугольной - 220 га.

Зависимости (4), (7), (9), (10) позволяют оценивать влияние степени обводнения откоса. Для хвосто-хранилища площадью 8=100 га при квадратной форме земельного отвода были рассчитаны У0, аопт и Нош (рис. 4) при различной степени обводнения и эффективности работы дренажных систем.

Для необводненных внешних отвалов вскрыши на этой площади можно разместить до 41,2 млн м3. При полном обводнении откоса вместимость снижается до 22,4 млнм3. Однако учёт реального неоднородного строения ограждающей дамбы - области фильтрации и экранирующего действия донных отложений Прудковой и переждной зоны - области питания фильтрационного потока, выбор эффективной дренажной системы позволяет увеличить вместимость хвостохранилищ еще на 25-30°%. Прогноз основных технологических параметров - интенсивность и длина фронта намыва в рациональных контурах намывного хвосто-хранилища аопт и Нопт определяется по разработанной методике [8], что обеспечивает безопастность эксплуатации гидротехнических сооружений.

Заключение

Предложенная методика позволяет обоснованно рассчитывать параметры внешних отвалов вскрыши и хвосто хранилищ, обеспечивающие безопасное увеличение их ёмкости. При этом учитываются физикомеханические свойства складируемого материала,

пород основания, формы и площади земельного отвода, воздействия фильтрационного потока и эффективности работы дренажных систем.

Список литературы

1. Ресурсосбережение и экология в металлургии / Юсфин Ю.С., Карабасов Ю.С., Карпов ЮА. и др. // Научные школы МИСиС -75 лег. М.: МИСиС, 1997. С. 272-283.

2. Сухорученков А.И. Железорудное сырье: прогноз на завтра // Металлы Евразии. 2005. № 1. С. 32-34.

3. Основы проектирования, строительства и эксплуатации хво-сгохранилищ большой вместимости /Л.К. Антоненко, В.Г. Зо-теев, А.И. Коваленко, А.М. Иваненко, Т.К. Косгерова // Горный журнал. 1990. № 11. С. 43-45.

4. Антоненко Л.К., Зотеев В.Г. Проблемы безопасной эксплуатации хвост ох ранилищ и пути их решения // Горный журнал. 1998. № 1. С. 65-67.

5. Антоненко Л.К., Зотеев В.Г., Морозов М.Г. Наземные хвосто-хранилища каскадного типа как реальные источники техногенных катастроф. Причины и следствия Качканарской аварии // Горный журнал. М., 2000. № 10. С. 49-52.

6. Мельников Т.И., Мельников И.Т. Аналитический метод оценки устойчивости откосов на слабом основании // Горный журнал. Изв. Еузов. Свердловск, 1984. № 6. С . 35-38.

7. ПоповС.И., Мельников И.Т., ЛеганинВ.М. Системный подход при проектировании отвалов, гидроог валов и хвост (хранилищ // Горный журнал. Изв. Еузов, Свердловск 1991. № 10. С. 27-31.

8. Мельников И.Т. Математическое описание технологии возведения намывных хвостохранилищ равнинного и нагорного ти-пов // ВестникМПУим. Г.И. Носова. 2007. № 1. С. 3-9.

Bibliography

1. Usfin U.S., Karabasov U.S., Karpov U.A., et al. Resource-saving and ecology in metallurgy. Scientific schools of MISiS - 75 years old. М.: MISS, 1997. P. 272-283.

2. Suhoruchenkov A .I. Iron ore material: forecast for tomorrow // Metals of Eurasia. 2005. № 1. P. 32-34.

3. Basics of the designing, construction and operation of big capacity tailings storages / L. K. Antonenko, V.G. Zoteev, A .I. Kovalenko, A.M. Ivanenko, Т.К. Kosterova // Mining magazine. 1990. № 11. P. 43-45.

4. Antonenko L. K., Zoteev V.G. Problems of safe operation of tailings storage and their solutions // Mining magazine. 1998. № 1. P. 65-67.

5. Antonenko L.K., Zoteev V.G., Morozov M.G. Overland tailings storage of cascade type as potential sources of technological disasters. Causes and effects of Kachkanarsk accident // Mining magazine. M., 2000. № 10. P. 49-52.

6. Melnikov T.I., Melnikov I.T. Analytical method of slope stability estimation on a weak base // Mining magazine. Proceedings of high school. Sverdlovsk. 1984. № 6. P. 35-38.

7. Popov S.I., M elnikov I. Т., Letanin V.M. System approach to dump, sludge ponds and tailings storage design // Mining magazine. Proceedings of high school. Sverdlovsk. 1991. № 10. P. 27-31.

8. Melnikov I.T. Mathematical formulation of construction technology for alluvial tailings storage of plain and highland types // Vestnik of MSTU named after G.I. Nosov. Magnitogorsk, 2007. № 1. P. 3-9.