СПОСОБ УСКОРЕННОЙ МЕХАНОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
METHOD OF ACCELERATED MECHANOHYDRAULIC RECULTIVATION OF MINED SPACE OF OPEN MINE WORKINGS

Способ ускоренной рекультивации выработанного пространства открытых горных выработок служит для гидравлической закладки выработанного пространства открытых горных выработок породами внешних отвалов и может быть использован при рекультивации нарушенных земель в различных отраслях промышленности.
Известен способ рекультивации открытых горных выработок (Патент РФ №2297533. МПК Е21С 41/32 (2006.01) авторы и патентообл. Сенкус В.В., Фомичев С.Г., Сенкус Вал. В., Сенкус Вас. В. Заявл. 26.08.2005. Опубл. 20.04.2007. Бюл. №11.
Способ включает отделение плодородного слоя при вскрытии запасов полезных ископаемых и складирование горных пород при их отработке, планировку открытых горных выработок закладкой горной породой и нанесение плодородного слоя с восстановлением растительности в соответствии с направлением использования земель. Причем при закладке пород в открытые горные выработки с поверхности земли формируют наклонную траншею к оставляемой открытой части обнаженного выхода пласта в бортах горной выработки, которая обеспечивает доступ и последующую подземную отработку оставленных запасов месторождения и будет являться частью промплощадки.
Техническим результатом является совмещение процессов добычи угля с рекультивацией земель и сохранение доступа к вскрытым запасам для последующей их доработки.
Недостатком способа является низкая производительность закладки выработанного пространства.
Известен способ рекультивации открытых горных выработок (Патент РФ №2655548. МПК Е21С 41/32 (2006.01) Патентообл. Ермаков А.Ю. Сенкус В.В. Авторы Ермаков А.Ю., Сенкус В.В., Сенкус Вал. В., Сенкус Вас. В. и др. Заявл. 26.06.2017. Опубл. 28.05.2018. Бюл. №16.
2
Способ включает отдельное складирование плодородного слоя и вскрышных горных пород при вскрытии полезных ископаемых, закладку выработанного пространства после отработки, уплотнение и планировку поверхности в зависимости от выбранного направления рекультивации, нанесение плодородного слоя почвы и восстановления растительного покрова. При этом закладку выработанного пространства ведут поэтапно: на первом этапе закладку выработанного пространства до уровня восстановления первоначальных гидрологических режимов подземных водоносных пластов ведут вскрышными породами, не представляющими потенциальной экологической опасности для загрязнения подземных вод, образуя водоносный слой, отделяемый от заполненного пространства водоупорным слоем глины мощностью 0,8-1,0 м и/или литой твердеющей закладки, приготовленной из отходов из бытовых и промышленных отходов, мощностью 0,20-0,30 м, которые обеспечивают водонепроницаемость слоев при вертикальном дренаже воды, на втором этапе оставшееся выработанное пространство заполняют до уровня выхолаживания рекультивируемой территории твердыми бытовыми или промышленными отходами IV-V класса опасности, обеспечивая их захоронение, которые выравнивают, уплотняют и отделяют водоупорным слоем глины мощностью 0,8-1,0 м, на третьем этапе выхолаживают откосы по площади открытой выработки с учетом угла заданного наклона и затрат на планировку рекультивируемой поверхности, а затем наносят водоупорный слой глины 0,5-0,7 м, на четвертом этапе в зависимости от вида выбранных растений и глубины их корневой системы на рекультивируемую площадь наносят слой и/или остатков сточных вод, донного ила, отходов животноводства мощностью 0,1-0,2 м, слой дробленного котельного шлака с размеров кусков 0-10 мм, или золы уноса ТЭЦ мощностью 0,10-0,20 м, или перемешенные материалы в пропорции 1:1-1:2 в зависимости от типа растительности с укладкой в один слой мощностью 0,2-0,6 м, служащий для улучшения воздухо- и влагопроницаемости, а также структуризации почвы при вспашке и бороновании, на пятом этапе на рекультивируемую площадь наносят плодородный слой мощностью 0,15-0,2 м или потенциально плодородной слой почвы мощностью 0,3-0,5 м, в который для улучшения плодородия вносят брикетированное удобрение из остатков сточных вод с расходом 100-180 г/м, на шестом этапе производят посев трав, посадку деревьев и кустарников, выбранных в зависимости от направления рекультивации земель.
Техническим результатом является захоронение бытовых и производственных отходов IV-V классов опасности, ускорение биологического этапа рекультивации нарушенных земель за счет создания под плодородным слоем слоя подкормки корневых систем высаживаемых растений и трав и восстановления первоначальных гидравлических режимов нарушенной территории.
Недостатком способа является многоэтапность технологии закладки, что снижает ее производительность.
Известны различные типы дренажных проходов, подушек и трубчатых дренажей, лотков, дренажных канав (Нурок Г.Н., Луговинов А.Г., Шерстюков A.Д. Гидроотвалы на карьерах. - М.: Недра, 1977. - 311 с. (С. 123-138), включающих формирование проходов подушек из водоносных пород (галька, шебень, песок и др.), закладку труб из различных материалов с фильтрами и без них, также установку лотков и закладку дренажных канав на верхнем урезе дамбы, обеспечивающих водосброс дренажных вод.
Основным недостатком устройств является их забучивание при длительной эксплуатации.
Известен комплекс механогидравлической рекультивации нарушенных земель (Патент РФ №2569145. МПК Е21С 41/32 (2006.01) Патентообл. ФГБОУ ВПО «КемГУ» В.В. Авторы: Сенкус В.В., Сенкус Вал. В., Сенкус Вас. B. и др. Заявл. 06.08.2014. Опубл. 20.11.2015. Бюл. №32). Комплекс механо-гидравлической рекультивации нарушенных земель включает машины, механизмы, устройства, объединенные в единый технологический процесс с замкнутым циклом водоснабжения и выполненные самоходными и/или модульными, смонтированными на перемещаемых платформах и разнесенными в пространстве и во времени. Подготовку карт проводят самоходными машинами на дне открытой горной выработки отсыпкой и уплотнением фильтрующих дамб, на которых монтируют водосбросы, закрытые от попадания плавающих предметов защитными решетками или перемычками.
Отстойник для воды делят фильтрующей дамбой с водосбросом на большую карту отстойника, в которую направляют по сточным канавам на уступах открытой горной выработки ливневые, талые и дренажные воды, и малую карту отстойника - зумпф, куда размещают на плавающем понтоне шламовый насос для подачи воды на пульпоформирование или закрытый защитной решеткой всас шламового насоса, размещенного на уступе открытой горной выработки.
Подготовка сыпучей горной массы в едином технологическом процессе разбита на стадии: выемки, отделения негабаритов, их дробления и погрузки горной массы, которые проводят машинами и механизмами.
Отделение негабаритов производят при выемке горной массы из отвалов ковшом погрузочной машины и на наклонной защитной решетке валковой дробилки, которая одновременно производит перепуск кусков горной массы по размерам, пригодным для гидротранспорта, на конвейер, дробление зубками валковой дробилки и перепуск кусков слабых горных пород на конвейер, отделение и перепуск кусков прочных горных пород зубками, установленными по спиральной линии, в щековую дробилку, где производят их дробление до размеров, пригодных для гидротранспорта, и перепуск их на конвейер для доставки на пульпоформирование в смеситель.
Пульпоформирование осуществляют смешиванием подготовленной горной массы с водой в соотношении 1:3-1:5 в смесителе механическими или гидравлическими устройствами. Напорный гидротранспорт пульпы производят углесосом или шламовым насосом по пульповоду, имеющим распределенные по картам пульпосбросы с запорной арматурой и устройства поворота струи потока на 90 градусов, которые монтируют на уступах открытой горной выработки и/или дамбах карт, при этом пульпосбросы и водосбросы располагают в диаметрально противоположных углах карт.
Намыв пород в картах производят последовательно от верхних к нижним картам и отстойнику, при этом воду фильтруют через тело дамбы, а ее излишек очищают каскадным переливом через водосбросы в соседние карты, а также большую и малую карты отстойника, при этом размеры малой карты регламентируют размерами плавающего понтона или объемом зумпфа, равным 3-5-кратной часовой производительности шламового насоса подачи воды на пульпоформирование.
Выполаживание бортов открытой горной выработки производят после заполнения всех карт механизированным и/или гидравлическим способом с учетом защиты их от водной эрозии и направления рекультивации нарушенных земель, при этом определяют показатель восстановления гидрологического режима подземных вод. При неудовлетворении показателем восстановления гидрологического режима подземных вод условию полного поглощения ливневых, талых, сточных и дренажных вод впадину рекультивированной поверхности оснащают водосбросом излишков воды во внешние водоемы.
Техническим результатом является снижение трудоемкости работ по рекультивации нарушенных земель и экологического ущерба окружающей среде.
Недостатком способа является заиливание дренажных путей фильтрующей дамбы и снижение производительности закладки карт, а также каскадного построения карт гидроотвалов.
Известны различные типы дренажных проходов, подушек и трубчатых дренажей, лотков, дренажных канав (Нурок Г.Н., Луговинов А.Г., Шерстюков А.Д. Гидроотвалы на карьерах. - М.: Недра, 1977. - 311 с. (С. 123-138), включающих формирование проходов подушек из водоносных пород (галька, шебень, песок и др.), закладку труб из различных материалов с фильтрами и без них, также установку лотков и закладку дренажных канав на верхнем урезе дамбы, обеспечивающих водосброс дренажных вод.
Основным недостатком устройств является их забучивание при длительной эксплуатации.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ механогидравлической рекультивации земель (Патент РФ №2569146. МПК Е21С 41/32 (2006.01) Патентообл. ФГБОУ ВПО «КемГУ» В.В. Авторы Сенкус В.В., Сенкус Вал. В., Сенкус Вас. В. и др. Заявл. 06.08.2014. Опубл. 20.11.2015. Бюл. №32).
Способ механогидравлической рекультивации земель включает подготовку карт для приема пульпы, отстойника для приема воды, подготовку горной массы из внешних и/или внутренних отвалов, пульпоформирование, транспортировку пульпы в карты, намывку пород в картах, очистку воды; подачу воды на пульпоформирование и выполаживание бортов открытой горной выемки. В зависимости от глубины и объемов горной массы в отвалах рекультивацию земель проводят однослойную или многослойную, подготовку карт ведут на дне открытой горной выработки отсыпкой фильтрующих дамб, расположенных каскадом с уклоном 5-6° в сторону отстойника для воды, на которых монтируют водосбросы.
Отстойник располагают в глубокой части открытой горной выработки для сбора ливневых, талых и дренажных вод. Горную массу вынимают из отвала, дробят для гидравлического транспортирования, смешивают с водой в отношении твердого к жидкому по массе 1:3-1:5, при этом воду используют в замкнутом цикле. Пульпу закачивают по распределенным пульпосбросам в карты последовательно от верхней к нижней. Намывку горных пород в картах ведут до заданной отметки и в последнюю очередь заполняют карту отстойника. Воду очищают фильтрацией через тело дамбы и переливом через водосбросы. Подачу воды на пульпоформирование производят из отстойника. Выполаживание бортов открытой горной выработки ведут с учетом защиты их от водной эрозии и направления рекультивации земель.
Недостатком способа является заиливание дренажных путей фильтрующей дамбы и снижение производительности закладки карт, а также каскадного построения карт гидроотвалов.
Задачами изобретения являются ускорение осаждения взвешенных частиц, дренажа воды из гидроотвала, повышения устойчивости дамбы при механогидравлической рекультивации выработанного пространства открытых горных выработок.
Решение поставленных задач достигается тем, что: для ускорения осаждения взвешенных частиц, дренажа воды из гидроотвала, повышения устойчивости дамбы, ее отсыпают или намывают отсортированными скальными породами размером от 10 до 140 мм из вскрышных отвалов, а в теле дамбы укладывают равномерно и ступенчато трубчатые дренажи по длине дамбы с углом наклона 5-6° в сторону разреза, которые со стороны гидроовала закрыты пластинчатой решеткой типа «жалюзи» с горизонтальным расположением щелей, имеющих ширину 10 мм, с углом наклона пластин 55°, верхними кромками обращенными в сторону поступления воды, и жестко связанной с верхним краем трубы дренажа заслонкой, имеющей зазор с нижнем краем трубы дренажа L=50 мм, при этом площадь заслонки равна сечению дренажной трубы и имеет круглую форму, а со стороны разреза они соединены с трубчатыми водосбросами, уложенными на откосе дамбы, которые сбрасывают воду в дренажную канаву разреза, проложенную вдоль дамбы разреза и связанную с системой дренажных канав, сбрасывающих воду в отстойник разреза, разделенный на две части плавающей перегородкой для загрязненной и отстоявшейся воды, в последней из которых располагается плавающий понтон с насосной установкой для подачи воды по водоводу на пульпоформирование; намыв горных пород и заполнение карты производят последовательно от участка, находящегося на диаметрально противоположной стороне от нижнего трубчатого дренажа, обратным ходом, а от участка нижнего трубчатого дренажа до верхнего прямым ходом с наращиванием пульповода, при этом, сокращаемый и наращиваемый пульповод укладывается на уступе разреза или дамбе карты, имеет равномерно расположенные выпуски с запорной арматурой, к которым могут быть подключены гибкие рукава для качественной закладки карты после уплотнения грунта; расстояние между дренажными трубами равно длине фронта отвальных работ, которая определяется по формуле В.А. Мелентьева
i
10
140
i
где F - содержание фракций от d до d, L - длина намытой зоны каждой из i-x фракций пород, м;
ci
3
где γ - удельная плотность скальной i-й породы, т/м; n - количество скальных пород; L - длина откоса намыва от выпуска до центральной части прудка, а количество трубчатых дренажей определяется, как целая часть числа по формуле
D
где L - длина дамбы, м;
1
Высота ступени Н укладки трубчатых дренажей определяется по формуле
где Н - высота дамбы, м, при этом верхний трубчатый дренаж укладывается в тело дамбы на расстоянии 0,5 м от борта разреза и глубине равной расчетной величине ветровой волны в прудке, а нижний трубчатый дренаж устанавливается на расстоянии и высоте 1-1,5 м от борта и дна разреза, а дренажную канаву при окончательном заполнении карты обустраивают в место верхнего трубчатого дренажа с использованием его водосброса на откосе дамбы.
Сущность способа поясняется чертежами: на фиг. 1 представлен общий вид заполняемой карты гидроотвала; на фиг. 2 - внешний вид дамбы и по сечению А-А.
На чертежах приняты следующие условные обозначения: 1 - дамба, 2 - гидроотвал, 3 - пульповод, 4 - уступ разреза, 5 - карта, 6 - трубчатые дренажи, 7 - водосброс дренажных вод, 8 - внешний откос дамбы, 9 - дренажная канава, 10 - отстойник, 11 - пластинчатая решетка типа «жалюзи», 12 - заслонка, 13 - выпуски пульпы с запорной арматурой 14, 15 - плавающая перегородка, 16 - плавающий понтон, 17 - насосная станция, 18 - водовод.
Способ ускоренной механогидравлической рекультивации выработанного пространства открытых горных выработок включает: отсыпку автотранспортом или намыв дамбы 1 для гидроотвала 2 вскрышных пород; укладку пульповода 3 на уступе разреза 4 или дамбе 1; намыв горных пород и заполнение карты 5; дренаж воды через тело дамбы 1 и трубчатые дренажи 6 в дамбе 1; водосброс дренажных вод 7 по трубам на внешнем откосе 8 дамбы 1 в дренажные канавы 9 разреза, гидравлически соединенные с отстойником 10 разреза, подача воды на пульпоформирование, подачу пульпы на гидрозакладку, отличается тем, что: для ускорения осаждения взвешенных частиц, дренажа воды из гидроотвала, повышения устойчивости дамбы 1, ее отсыпают или намывают отсортированными скальными породами размером от 10 до 140 мм из вскрышных отвалов, а в теле дамбы укладывают равномерно и ступенчато трубчатые дренажи 6 по длине дамбы 1 с углом наклона 5-6° в сторону разреза, которые со стороны гидроовала закрыты пластинчатой решеткой 11 типа «жалюзи» с горизонтальным расположением щелей, имеющих ширину 10 мм, угол наклона пластин 55°, верхними кромками обращенными в сторону поступления воды, и жестко связанной с верхним краем трубы дренажа круглой заслонкой 12 с диаметром равным диаметру трубы дренажа, имеющей зазор с нижнем краем трубы дренажа 50 мм, а со стороны разреза трубчатые дренажи соединены с трубчатыми водосбросами 7, уложенными на откосе дамбы 1, которые сбрасывают дренажные воды в дренажную канаву 9 разреза, проложенную вдоль дамбы разреза и связанную с системой дренажных канав, сливающих воду в отстойник разреза, разделенный на две части плавающей перегородкой для загрязненной и отстоявшейся воды, в последней из которых располагается плавающий понтон с насосной установкой для подачи воды по водоводу на пульпоформирование; намыв горных пород и заполнение карты 5 производят последовательно от участка, находящегося на диаметрально противоположной стороне от нижнего трубчатого дренажа, обратным ходом и демонтажем отработанной части пульповода 3, а от участка нижнего трубчатого дренажа до верхнего - прямым ходом с наращиванием пульповода 3 на дамбе 1, при этом, сокращаемый и наращиваемый пульповод 3 укладывается на уступе разреза 4 или дамбе 1 карты 5, имеет равномерно расположенные выпуски 13 с запорной арматурой, к которым могут быть подключены гибкие рукава для качественной закладки карты 5 после уплотнения грунта.
Способ ускоренной механогидравлической рекультивации выработанного пространства открытых горных выработок отличается тем, что расстояние между дренажными трубами равно длине зоны отвальной работы одного выпуска 13 пульпы, которая определяется по формуле В.А. Мелентьева скорректированная для фракций от 10 до 140 мм
i
10
140
i
где F - содержание фракций от d до d, L - длина намытой зоны каждой из i-x фракций пород, м;
ci
3
где γ - удельная плотность скальной i-й породы, т/м; n - количество скальных пород; L - длина откоса намыва от выпуска до центральной части прудка, а количество трубчатых дренажей определяется, как целая часть числа по формуле
D
где L - длина дамбы, м;
1
Высота ступени Н укладки трубчатых дренажей определяется по формуле
где Н - высота дамбы, м, при этом верхний трубчатый дренаж укладывается в тело дамбы на расстоянии 1-1,5 м от борта разреза и глубине равной расчетной величине ветровой волны в прудке, нижний трубчатый дренаж устанавливается на расстоянии и высоте 1-1,5 м от борта и дна разреза в зависимости от высоты дамбы, а дренажную канаву при окончательном заполнении карты обустраивают в место верхнего трубчатого дренажа с использованием его водосброса на откосе дамбы.
При намыве пород через удаленный выпуск 13 пульповода 3 в гидроотвал 2 и заполнения карты 5, вода вместе со взвешенными частицами растекается по дну карты 5, где происходит осаждение взвешенных частиц, достигает дамбы 1, дренирует через ее тело и поступает в дренажные канавы 9 разреза. По мере расширения гидроотвала 2 взвешенные частицы забучивают дренажные каналы дамбы 1, повышая уровень воды в карте 5 пока он не достигнет нижнего трубчатого дренажа, через который вода сбрасывается по водосбросу 7 в дренажные канавы 9 разреза и поступает в отстойник 10 разреза, разделенный плавающей перегородкой 15 на две части загрязненной и осветленной воды, в последней из которых располагают плавающий понтон 16 с насосной станцией, перекачивающей воду по трубопроводу 18 на пульповормирование, образуя замкнутый цикл. Постепенно нижний трубчатый дренаж заиливается и циклы подъема воды и дренажа воды через дамбу повторяются до полного заполнения карты 5, при этом водосброс нижнего дренажа демонтируется, а труба извлекается для повторного использования. Более интенсивный сброс воды и ее низкий уровень при заполнении карты не создают динамического давления на дамбу и повышают ее устойчивость. На последнем этапе после усадки пород карта пополняется, при этом на месте верхнего трубчатого дренажа проводят дренажную канаву для сброса воды с использование водосброса верхнего трубчатого дренажа.
Техническим результатом является ускорение осаждения взвешенных частиц, за счет дренажа воды из гидроотвала, повышение устойчивости дамбы за счет снижения динамического давления и дренажа воды через тело дамбы и перепуска ее через трубчатые дренажи, а также последовательного, распределенного сброса пульпы обратным ходом, от наиболее удаленного участка к ближним участкам дамбы.