Инженерно-геологические условия отвалов фосфогипсов на предприятии «Балаковские минеральные удобрения»

- © А.В. Филатов, 2014

УДК 624.131

А.В. Филатов

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОТВАЛОВ ФОСФОГИПСОВ НА ПРЕДПРИЯТИИ «БАЛАКОВСКИЕ МИНЕРАЛЬНЫЕ УДОБРЕНИЯ»

Представлены результаты изучения инженерно-геологических условий отвалоо-бразования отходов производства фосфорных минеральных удобрений на предприятии «Балаковские минеральные удобрения», в том числе приведены значения физико-механических свойств техногенных грунтов - фосфогипсов. Выполнены расчеты устойчивости отвала с целью определения оптимальных параметров от-валообразования на предприятии.

Ключевые слова: отвалы, фосфогипсы, инженерно-геологические условия, устойчивость.

При производстве фосфорных минеральных удобрений используется фосфорная кислота, которая получается методом сернокислотного разложения фосфатного сырья, в частности, хибинского апатитового концентрата. Побочным продуктом при этом является сульфат кальция, называемый фосфогипсом. Это весьма ценный продукт. Он в принципе может широко использоваться в народном хозяйстве и, в первую очередь, при производстве строительных материалов. Однако, несмотря на многократные попытки применения фосфогипсов, только 9% от общего количества нашло свое применение в промышленности, а большая его часть складируется в отвалы. Так, к настоящему времени в отвалах предприятий РФ накоплено более 200 млн т фосфогипса.

При создании отвалов отчуждаются земли, иногда, это земли сельхозяй-ственного назначения. Накопление фосфогипса приводит к изменению рельефа, структуры, состояния и свойств массивов горных пород, загрязнению окружающей среды: ухудшение экологической обстановки в районе отвала; проникновение вредных веществ в почву через экран, пыление, отвалы достигают в высоту нескольких десятков

метров. Так, при сухом складировании в газовую фазу выделяется в среднем 0,1% фтора, содержащегося в фосфо-гипс; в пыли, содержащейся на отвале, содержится в среднем 10 г фтора на 1 т фосфогипса. Кроме того, транспортировка фосфогипса в отвалы и его хранение требует капитальных и эксплуатационных затрат, составляющих 40 % стоимости сооружения и эксплуатации основного производства [1]. Таким образом, изучение инженерно-геологических условий отвалообра-зования при размещении вторичного сырья производства фосфорной кислоты являются весьма важными и требуют дополнительной разработки с учетом особенностей их технолитогенеза.

Предприятие «Балаковские минеральные удобрения» на сегодняшний день является одним из крупнейших в России по производству сложного азотно-фосфорного удобрения - аммофоса. Оно выпускает также серную кислоту различных марок, олеум, осветленную фосфорную кислоту, кормовой монокальцийфосфат, кремне-фтористый натрий. Продукция предприятия пользуется широким спросом, как на внутреннем, так и на внешнем рынках. Предприятие находится в г. Балаково Саратовской области.

Изменение сопротивления вращательному срезу с глубиной при испытании пород в скважине 1

Отвалы ООО «БМУ» занимают площадь 100 га, имеют максимальную высоту 50 м и характеризуются углами наклона откосов 25-28 град. В них в различные годы размещали два вида гипсовых отходов: дигидрат сульфата кальция и полугидрат сульфата кальция. Первая разновидность отсыпалась на начальных этапах существования отвала до 2001 г., поэтому нижняя часть его разреза мощностью от 20 до 30 м сформирована по ди-гидратной технологии. После 2002 г. в отвал стали складировать как диги-драты, так и полугидраты в соотношении один к двум. В настоящее время отвал подошел практически к предельным отметкам, остро стоит проблема дальнейшего размещения отходов производства. Одним из путей ее решение будет увеличить высоту данного горнотехнического сооружения. Определение оптимальных параметров сопряжено с необходимостью изучения и прогнозирования инженерно-геологических условий.

Устойчивость отвальных сооружений определяется следующими факторами (признаками природно-техно-генной системы):

1. Строением отвального массива и физико-механическими свойства-

ми техногенных пород, отсыпаемых в отвал.

2. Строением естественного основания отвального сооружения и физико-механическими свойствами слагающих его отложений.

3. Характером обводненности отвального массива и его основания (уровнем техногенного водоносного горизонта, уровнем и напорами подземных вод в основании отвала).

Изучение прочностных показателей техногенных пород в отвалах, сформированных из отходов производства фосфорных удобрений: ди-гидратов и полугидратов сульфата кальция, производилось с применением лабораторных испытаний методом одноплоскостного сдвига и вращательного среза - полевого метода, позволяющего определить прочность пород непосредственно в местах их залегания.

При выполнении буровых работ осуществлялся отбор образцов нарушенного сложения. К сожалению, отбор монолитов из скважин произвести не удалось, что связано, видимо, с дискретностью массива отвала из-за развития в нем трещиноватости. Образцы подвергались сдвиговым испытаниям на одноплоскостном при-

боре БП-32 конструкции ВНИМИ (типа ВСВ). Рассматривая результаты выполненных сдвиговых опытов пород, отметим, что верхняя часть исследуемой толщи, сложенная смесью дигидратов и полугидратов, характеризуется значительными углами внутреннего трения (30-43 град.) и сцеплением, увеличивающимся с глубиной от 0,026 до 0,09 МПа. Построение обобщающего графика прочности по данным определения сопротивления сдвигу пород толщи отвала позволяет оценить средневзвешенные значения показателей сопротивления сдвигу техногенных отвальных пород данного состава углами внутреннего трения 37 град и сцеплением 0,026 МПа. Определения сопротивления сдвигу отвальных пород из ди-гидрата показали средневзвешенные параметры: угол внутреннего трения 33 град и сцепление - 0,034 МПа.

Изучение прочности пород крыльчаткой показало ее увеличение с глубиной (рисунок).

В геологическом строении основания отвала принимают участие отложения верхнечетвертичного возраста (сверху вниз): делювиальные суглинки (в IV) мощностью до 3 м; лиманно-

морские шоколадноподобные глины (lim III hv2) мощностью 3-5 м; аллювиальные голубые суглинки (al III hv1) мощностью 4-6 м. В подошве террасы на глубине от 11 до 22 м. залегают мелкозернистые пески с тонкими прослоями суглинков (al III hv1). Отложения второй надпойменной террасы подстилаются среднечетвертичными породами третьей надпойменной террасы р. Волги.

Гидрогеологические условия участка отвала подстилающих пород характеризуются распространением двух водоносных горизонтов: грунтового в отложениях делювиальных суглинках; субнапорного, приуроченного к аллювиальным пескам второй надпойменной террасы. Глубина уровня грунтовых вод составляет 0,4-3,6 м, сезонное колебание до 0,8 м. Поток направлен на юг в сторону р. Большой Иргиз. Подземные воды аллювиального водоносного горизонта характеризуются величинами напоров от 3 до 9 м.

По результатам исследований НЦ геомеханики и проблем горного производства СПГГУ [5] охарактеризованы инженерно-геологические условия основания отвала (таблица).

Физико-механические свойства пород площадки отвала

ИГЭ Наименование и описание ИГЭ Плотность, т/м3 Угол внутреннего трения, град Сцепление, МПа

2а Делювиальные суглинки уплотненные 1,95 17 0,076

2б Делювиальные суглинки неуплотненные 1,91 22 0,068

3а Лиманно-морские шоколадоподобные глины уплотненные 1,95 10 0,075

3б Лиманно-морские шоколадоподобные глины неуплотненные 1,86 10 0,04

4а Аллювиальные голубые суглинки уплотненные 2,02 15 0,06

4б Аллювиальные голубые суглинки неуплотненные 1,91 17 0,037

4в Аллювиальные голубые суглинки неуплотненные «слабый слой» 1,95 12 0,028

Изучение гидрогеологических условий массива отвала осуществлялось по датчикам порового давления, установленным в отвал, и скважинам ранее пробуренным на отвале для выполнения гидрогеологических мониторинговых наблюдений. Установлено, что в теле отвала фосфогип-са развит техногенный водоносный горизонт с безнапорным режимом фильтрации, питание которого обеспечивается за счет атмосферных осадков и технологической воды, поступающей на отвал с отходами производства фосфорных удобрений. В центральной части отвала уровень воды расположен достаточно высоко (18-22 м от поверхности), а на откосах - находится на контакте с основанием, разгружаясь через его породы -делювиальные суглинки.

Анализ инженерно-геологических условий отвалообразования позволяет принять для расчетов устойчивости

отвалов схему обводненного откоса на «слабом обводненном основании» [4, 5]. При таких условиях нарушение устойчивости двухкомпонентной системы отвалоснование происходит в виде оползания откоса с захватом пород основания. При этом поверхность скольжения в основании отвала проходит по слою пород, характеризующихся наименьшим сопротивлением сдвигу. Для рассматриваемых условий отвалообразования наименьшими прочностными свойствами характеризуется слой голубых суглинков аллювиального генезиса в своей нижней части, которая примыкает к границе с нижележащими водонасыщенными песками. К данному слою в расчетной схеме приурочивается предполагаемая поверхность скольжения.

Выполненные по установленным инженерно-геологическим условиям расчеты устойчивости позволили обосновать увеличение высоты отвала до 100 м.

1. Фосфогипс и его использование / Под ред. С. Д. Эвенчика, А. А. Новикова. - М.: Химия, 1990.

2. Указания по методам гидрогеомехани-ческого обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть II. Обоснование оптимальных

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

параметров отвальных сооружений. - Л.: Издательство ВНИМИ, 1990. - 51 с.

3. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. - СПб., Минтопэнерго РФ. РАН. Гос. НИИ горн. геомех. и маркшейд. дела - Межотраслевой научн. центр ВНИМИ, 1998. - 208 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_

Филатов Антон Вадимович - аспирант,

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,

Научный Центр геомеханики и проблем горного производства, e-mail: post@spmi.ru.

UDC 624.131

ENGINEERING-GEOLOGICAL CONDITIONS IN PHOSPHOGYPSUM DUMPS OF BALAKOVO MINERAL FERTILIZERS LLC

Filatov A.V., Graduate Student,

National Mineral Resource University «University of Mines»,

Scientific Center for Geomechanics and Mining Problems, e-mail: post@spmi.ru.

There are the results of studying of the geoengineering conditions of dumping waste products of phosphate fertilizer in the enterprise, «Balakovo mineral fertilizers», including lists the physical-mechanical properties values of anthropogenic soils - phosphogypsum. There were made calculations of the dump stability in order to determine the optimal parameters of dumping on the enterprise.

Key words: dumps, phosphogypsum, geoengineering conditions, stability.

REFERENCES

1. Fosfogips i ego ispol'zovanie. Pod red. S.D. Jevenchika, A.A. Novikova (Phosphogypsum and its use, Evenchik S.D., Novikov A.A. (Ed.)), Moscow, Himija, 1990.

2. Ukazanija po metodam gidrogeomehanicheskogo obosnovanija optimalnyh parametrov gidrootvalov i otvalov na slabyh osnovanijah. Chast' II. Obosnovanie optimalnyh parametrov otval'nyh sooruzhenij (Guidance on methods of hydro-geomechanical validation of optimized parameters for slurry dumps and dumps on weak foundations. Part II: Validation of optimized parameters of dumps), Leningrad, Izdatel'stvo VNIMI, 1990, 51 p.

3. Pravila obespechenija ustojchivosti otkosov na ugol'nyh razrezah (Practice of slope stability maintenance in open pit coal mines), Saint-Petersburg, VNIMI, 1998, 208 p.

УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ИНЕРЦИОННОГО ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЯ ВИБРАЦИОННОЙ ЩЕКОВОЙ ДРОБИЛКИ ПРИ РАБОТЕ В ЗОНЕ РЕЗОНАНСА

Загривный Эдуард Анатольевич - доктор технических наук, профессор, e-mail: zagrivniy@yandex.ru,

Дубовик Дмитрий Васильевич - аспирант, e-mail: melantego@bk.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Разработан новый способ стабилизации амплитуды перемещения дробящей щеки и скорости вращения инерционного вибровозбудителя вибрационной щековой дробилки при изменении технологической нагрузки от номинального до режима холостого хода. Представлена схема вибрационной щековой дробилки с авторезонансным электроприводом переменного тока и инерционным вибровозбудителем. Сформулирован принцип получения автоколебаний на резонансной частоте дробящей щеки и инерционного вибровозбудителя вибрационной щековой дробилки. Представлены фазовые соотношения электромагнитного момента асинхронного электродвигателя M, Н-м, скорости перемещения дробящей щеки x', м/сек и амплитуды перемещения дробящей щеки x, м при работе в авторезонансном режиме.

Ключевые слова: авторезонанс, вибрационная установка, вибрационная щековая дробилка, дробящая щека, инерционный вибровозбудитель, технологическая нагрузка.

THE CONTROL ELECTRIC DRIVE INERTIAL VIBRATION EXCITER VIBRATION JAW CRUSHER WHEN IN RESONANCE MODE

Zagrivniy E.A., Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: zagrivniy@yandex.ru, Dubovik D.V., Graduate Student, e-mail: melantego@bk.ru, National Mineral Resource University «University of Mines».

A new method for stabilizing the amplitude displacement crushing jaws and rotation speed of the inertial vibration exciter jaw crusher when the process load from nominal to idle mode. A scheme of the vibration jaw crusher with autoresonance AC drive and inertial vibration exciter. The principle of the self-oscillation to obtain the resonance frequency of the crushing jaws and inertial vibration exciter vibration jaw crusher. Shows the phase relation of the electromagnetic torque induction motor M, N-m, the speed displacement of the crushing jaws x', m/sec and amplitude of displacement crushing jaws x, m working in autoresonance mode.

Key words: autoresonance, vibration machine, vibration jaw crusher, crushing jaw, inertial vibration exciter, technological load.

_ ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ

ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ