CC BY
29
УДК 622.013.624.131.43 © И.Х. Ахмедьянов, О.В. Зотеев,
В.Н. Калмыков, А.А. Гоготин, 2014
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ СЦЕНАРИЕВ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЙ ПРИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ УЧАЛИНСКОГО КАРЬЕРА СГУЩЕННЫМИ ХВОСТАМИ ОБОГАЩЕНИЯ
Установлено, что борта и дно Учалинского карьера соединены с подземным рудником 52-я крупными гидравлическими каналами (подземные выработки и обрушения от недозаложенных камер). Для обеспечения безопасной работы Учалинского подземного рудника предложена технология рекультивации карьера продуктом сгущения хвостов, включающая в себя предотвращение поступления пульпы и воды в выработки, необходимые для подземной доработки запасов месторождения, обеспечение дренажа формируемого массива в карьерном пространстве для предотвращения возможности залпового прорыва воды, обеспечение достаточной мощности подземного водоотлива с учетом объема воды, выделяющейся из размещаемого продукта сгущения. Ключевые слова: Учалинский карьер, подземный рудник, хвосты обогатительной фабрики, технология рекультивации карьера, безопасная работа подземного рудника.
В настоящее время площадь Учалинского карьера по поверхности составляет 1 890 000 м2 при длине 1950 м и ширине 1025 м. Глубина карьера на конец отработки составила 332 м в северной части и 376 м — южной. В северной части чаши карьера сформирован внутренний отвал вскрышных пород. С 1993 г. отработка Учалинского месторождения производится комбинированным способом (открытым и подземным). При отработке месторождения подземным способом используется система разработки с камерной выемкой и закладкой выработанного пространства твердеющими смесями. Все борта карьера находятся в предельном положении. К началу рекультивации карьера верхняя отметка ведения подземных горных работ должна быть ниже гор. — 460 м. Камеры всех вышележащих горизонтов будут заложены твердеющей смесью. В результате на начало рекультивации карьера между его дном и зоной ведения подземных горных работ бу-
дет создан искусственный целик, мощностью от 80 м на южном фланге до 160 м на северном.
При обследовании состояния карьера было установлено, что борта и дно Учалинского карьера соединены с подземным рудником 52-я крупными гидравлическими каналами (подземные выработки и обрушения от недозаложенных камер). Кроме того, существует ряд разведочных и закладочных скважин, имеющих связь с выработками подземного рудника.
Продукт сгущения хвостов обогатительной фабрики (пастообразная пульпа), используемый для рекультивации карьера, аналогичен водонасыщенным суглинкам. Его динамическая вязкость в 60 - 150 раз выше, чем вязкость воды. Продукт обладает по сравнению с водой малой подвижностью и относительно невысокой проникающей способностью и склонен кольматировать гидравлические каналы в мелкообломочных грунтах.
Продукт сгущения может поступать в подземные выработки как по существующим крупным гидравлическим каналам (скважины, выработки), так и через обрушенную массу пород.
Для обеспечения безопасной работы Учалинского подземного рудника технология рекультивации карьера продуктом сгущения хвостов должна:
1. Предотвратить поступление пульпы и воды в выработки, необходимые для подземной доработки запасов месторождения.
2. Обеспечить дренаж формируемого массива в карьерном пространстве для предотвращения возможности залпового прорыва воды.
3. Обеспечить достаточную мощность подземного водоотлива с учетом объема воды, выделяющейся из размещаемого продукта сгущения.
Предусмотренная проектом система перемычек полностью перекрывает все возможные пути поступления сгущенного продукта в действующие выработки Учалинского подземного рудника. Тем не менее существует два возможных сценария поступления пульпы в охраняемое подземное пространство:
1. Образование нового обрушения при отработке какой-либо камеры, которое соединит охраняемую зону с областью распространения сгущенных хвостов.
2. Разрушение глухой перемычки, в результате которого пульпа начнет поступать в охраняемые выработки.
Оба этих сценария требуют оценки вероятности их реализации и степени угрозы как персоналу непосредственно, так и срыва производственного процесса.
Высота возможной зоны обрушения может быть оценена исходя из понятия «безопасная глубина отработки», определяемая «Правилами ...» [1] следующим образом:
Н > к к • . Ь'1, 2 , (1)
V +(к)2
где Нб - безопасная глубина залегания верхней кромки камеры; Ь
- размер выработанного пространства по простиранию; I - размер горизонтальной проекции выработанного пространства вкрест простирания; 12 - высота выработанного пространства; к -коэффициенты, зависящие от крепости пород (к=6)
Предельные высота и длина камер на Учалинском руднике равны 20 и 40 м соответственно, пролет камеры - 15 м, средний угол падения рудного тела равен 80°, камеры длинной стороной могут быть ориентированы как по простиранию рудного тела, так и вкрест. Средневзвешенная прочность сформированного искусственного массива из твердеющей закладки может быть оценена в соответствии с технологией закладочных работ на Учалинском руднике: нижняя часть камер (примерно 25 %) закладывается смесями с нормативной прочностью 5 МПа, а остальная часть камеры
- закладкой с прочностью 3 МПа. Таким образом, средневзвешенная прочность существующего массива составляет 3,5 МПа.
Подстановка в (1) исходных данных дает:
• при ориентировке камер вкрест простирания рудного тела: Ь=43 м, I =15 м, 12=20 м, безопасная глубина Нб=102 м;
• при ориентировке камер по простиранию рудного тела: Ь=40 м, I =18,4 м, 12=20 м, безопасная глубина Нб=109 м.
До начала рекультивации карьера будут погашены все запасы до гор. 460 м. Наибольшее понижение горных работ в карьере будет на южном фланге месторождения, что предполагает развитие обрушения по двум вариантам:
1. Обрушение при отрабатке запасов в этаже 460/480 м достигнет выработок гор. 430 м, заполненных сгущенным продуктом (рис. 1). Высота обрушения в этом случае составит 38 м, коэффициент
разрыхления массива, исходя из объемов обрушения и камеры -Кр=1,3, пористость обрушенного массива (пустотность) достигнет п=0,53. Высота столба пульпы над обрушением в начальный период рекультивации карьера составит 58 м, плотность пульпы 2,24 т/м3, а давление - 1,07 МПа. Градиент давления составит 1=2,8. На момент окончания деятельности подземного рудника высота столба пульпы над обрушением составит 422 м, плотность пульпы 2,28 т/м3, а давление - 7,6 МПа, градиент давления составит 1=18,0.
цй ---- Запасы подлежащие доработке
Рис. 1. Схема развития зоны обрушения до гор. 430 м
Гор. - 500 м Гор. - 520 м
Гор^- 540 м Запасы подлежащие доработке Рис. 2. Схема развития зоны обрушения до дна карьера
2. Обрушение достигнет дна карьера (рис. 2). Высота обрушения составит 96 м, коэффициент разрыхления снизится до Кр=1,2, а пористость (пустотность) обрушенного массива снизится до п=0,21. Высота столба пульпы над обрушением в начальный период рекультивации карьера принимается равной 10 м, тогда плотность пульпы составит 2,20 т/м3, давление - 0,21 МПа, а градиент давления составит 1=0,22. На момент окончания деятельности подземного рудника высота столба пульпы над обрушением будет равна 340 м, плотность пульпы 2,28 т/м3, а давление - 6,15 МПа, градиент давления составит 1=6,4.
Для того, чтобы оценить возможность проникновения пульпы через обрушения в зону ведения горных работ, а также рассчитать скорость ее поступления в охраняемые выработки, необходимо определить средний радиус гидравлических каналов [3 - 5]:
2п
г = —, (2)
5
где г - средний радиус канала в обломочном грунте, п - пористость грунта; S - удельная поверхность пор:
6 (1 - п )
5 = -Ц-^, (3)
а
где аэ - эффективный диаметр частиц грунта:
, (4)
а, ^Ч
где в — удельное содержание /-той фракции; т — количество фракций; а — средний диаметр частиц /-той фракции.
Фрагментация (кусковатость) руды является результатом естественного разрушения массива, определяемым как распределение фракций по размерам кусков (блоков - отдельностей), которые отделяются от массива в пределах свода обрушения в процессе выпуска. Кусковатость массива при самообрушении под давлением в общем случае лучше, чем при процессе оседания из-за высокой скорости распространения обрушения. Типичная кривая гранулометрического состава, полученная при самообрушении крепких скальных пород приведена на рис. 3 [6].
Рис. 3. График распределения фракций при самообрушении [6]
В работе [7] приведены кумулятивные кривые обрушенной массы для скального массива Текелийской залежи, отрабатываемой системами разработки с самообрушеним (рис. 4).
Для Учалинского подземного рудника оценка гранулометрического состава зон самообрушения осуществлялась фотометрическим методом замера кусковатости породы. Полученные результаты дают хорошую сходимость с результатами, представленными на рис. 3, что дает возможность достаточно достоверно оценить размер обломков в зонах возможного обрушения:
1 0,02 0,03 0,05 0,1 0,14 0,26
ё э 3 2,75 2,25 1,75 1,25 0,75 0,15 0,12 0,13
- +
= 3,68.
0,375 0,1875 0,0625
Отсюда эффективный диаметр обломков равен 0,27 м. Полученная оценка близка к результатам определения среднего размера структурного блока (15 - 40 см) для глубоких горизонтов Учалинского карьера [8].
Удельная поверхность пустот в обрушенном массиве составит 10,38 м2/м при выходе обрушения на гор. 430 м и 17,44 м2/м при выходе обрушения в дно карьера. Средний радиус гидравлических каналов составит для этих случаев 0,102 м (при выходе обрушения на гор. 430 м) и 0,024 м (при выходе обрушения в дно карьера).
Рис. 4. График распределения фракций при самообрушении.
Соответственно величина начального градиента, обеспечивающая возможность попадания сгущенного продукта в очистное пространство составит 1,19 при обрушении, выходящем на гор. 430 м, а для обрушения, выходящего в дно карьера, величина начального градиента, полученного лабораторным путем, составит 3,78.
Таким образом, при выходе обрушения на выработки гор. 430 м поступление пульпы в действующие подземные выработки начнется сразу, а при выходе обрушения в дно карьера только после того, как слой пульпы на дне карьера наберет необходимую мощность.
Оценить скорость распространения пульпы по выработкам можно через скорость фильтрации пульпы в зоне обрушения и действующий градиент напоров:
V = Кф ^ - Л) , (5)
где J и Jn - действующий и начальный градиенты напоров соответственно; Кф - коэффициент фильтрации обрушенной массы [3]:
2 3
К = £ X п
Кф = 2
(6)
где g — ускорение свободного падения; п — пористость; % — коэффициент извилистости, х=0,5 - 0,7; V — кинематическая вязкость фильтрующейся пульпы; — удельная поверхность паровых каналов.
Рассмотрим самый опасный случай, когда обрушение выходит на выработки гор. -430 м, а высота столба пульпы в карьере максимальна (422 м над верхней границей обрушения). Величина давления в пульпе тогда достигнет 7,6 МПа, а градиент давления ./=18,0. Плотность пульпы будет равна 2,28 т/м3. Кинематическая вязкость в этом случае составит v=4340350 м2/с, величина коэффициента фильтрации достигнет Кф=6,61-10-5 м/сут. Подставляя в (5) значения градиентов получим скорость поступления пульпы через обрушение У=0,001 м/сут.
Предельные высота и длина камер на Учалинском руднике равны Ь=20 и /=40 м соответственно, пролет камеры - Ь = 15 м. Следовательно расход пульпы через камеру будет равен Q=V•/■Ь=0,603 м3/сут. Для оценки скорости распространения пульпы по выработкам предположим, что вся эта пульпа попадет в одну выработку с поперечным сечением 8выр=20 м2. Тогда после стабилизации внештатной ситуации скорость распространения пульпы VI по выработке не превысит скорость прохождения пульпой обрушения:
v1 = 0,03 м/сут. (7)
^выр
Если по каким-то причинам не произойдет увеличения плотности пульпы, т.е. ее плотность останется равной 2,0 т/м3, а v=891500 м2/с, то коэффициент фильтрации повысится Кф=3,22-10"4 м/сут, скорость поступления пульпы через обрушение возрастет до V=0,005 м/сут. В этом случае расход пульпы через обрушение составит 2,94 м3/сут, а скорость распространения по одиночной выработке не превысит 0,15 м/сут.
Таким образом, опасность залпового прорыва сгущенного продукта через вновь сформировавшееся обрушение отсутствует; малая скорость распространения пульпы позволяет не только своевременно обнаружить аварийную ситуацию, но и построить на пути распространения пульпы перемычку для охраны действующих выработок.
Как показывает опыт, риск полного разрушения глухих перемычек равен нулю [9]. Если при строительстве бетонной перемычки была нарушена технология ее формирования (образован «холодный шов», недостаточно качественно проведен тампонаж контактов бетона и вмещающих пород, использовавшийся цемент оказался недопустимо низкого качества и т.д.), то в ходе эксплуатации в теле перемычки могут образоваться сквозные трещины, через которые в охраняемую выработку может начать поступать пульпа (рис. 5). Также в случае плохого заполнения пустот при формировании перемычки или низкого качества тампонажа возможна обходная фильтрация по контакту между телом перемычки и вмещающими породами.
Для расчета скорости течения по отдельной трещине используется формула Буссинеска [3, 4]:
V =
§Ъ2
12 - , (8) 12-V
где Ь - толщина трещины; остальные обозначения приведены выше.
Результаты расчетов позволяют утверждать, что даже при образовании сквозной трещины риск залпового затопления выработок отсутствует: даже в самом опасном случае (перемычка 300/7) при образовании в ней идеально прямой трещины толщиной
Продукт сгушрнии
фильтрация
Рис. 5. Возможные места возникновения каналов в теле перемычек или по ее периметру
50 см, что практически нереально, скорость поступления пульпы в выработку составит 1120 м3/сут (46,6 м3/час). Таким образом, при условии достаточного контроля за состоянием перемычек со стороны персонала рудника всегда есть возможность сначала построить временную перемычку из мешков с песком, а потом возвести новую глухую перемычку из бетона.
При условии ведения мониторинга состояния перемычек и отрабатываемых камер (образования обрушений), а также своевременной закладки камер рекультивация карьера Учалинский продуктом сгущения хвостов обогатительной фабрики не создает угрозы для безопасности деятельности Учалинского подземного рудника. В случае нештатной ситуации малая скорость движения продукта сгущения дает возможность своевременно принять меры по исключению распространения пульпы по охраняемым выработкам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных работ при разработке меднорудных месторождений Урала. - М.: МЦМ СССР, 1978.
2. ОАО «Учалинский ГОК». Проект «Комплекс пастового сгущения отвальных хвостов обогатительной фабрики для проведения горнотехнической рекультивации Учалинского карьера». Книга 11.11.048-01.1-ПЗ 1: Общая пояснительная записка. - В. Пышма, 2013. - 36 с.
3. ШестаковВМ. Гидрогеодинамика. — М.: МГУ, 1995. - 368 с.
4. Гавич И.К. Гидрогеодинамика. - М.: Недра, 1988. - 352 с.
5. РослякА. Т. Физика пласта. - Томск, ТГУ, 2008. - 131 с.
6. Самообрушение руды при подземной добыче: Учебное пособие. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2006. - 283 с.
7. Черемушенцев И А., Рыжова Л.В. Применение систем этажного обрушения на полиметаллических рудниках СССР. Свердловск 1958 - 160 с.
8. Оценка устойчивости бортов Учалинского карьера при использовании его в качестве хвостохранилища /Отчет о НИР. - ОАО «Уралмеханобр, 2009.
9. Калмыков Е.П. Борьба с внезапными прорывами воды в горные выработки. - М.: Недра, 1973. - 240 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Ахмедьянов Ильяс Харисович, кандидат технических наук, технический директор, Учалинский горно-обогатительный комбинат, Зотеев Олег Вадимович, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, Институт горного дела Уральского отделения РАН, Калмыков Вячеслав Николаевич — доктор технических наук, профессор, Гоготин А.А.,
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова.
UDC 622.013.624.131.43
ANALYSIS OF POSSIBLE SCENARIOS OF THE ORIGIN
AND DEVELOPMENT OF CONTINGENCIES DURING RECLAMATION
UCHALINSKY CAREER THICKENED TAILINGS
Ahmed'janov I.H., Uchalinsky GOK,
Zoteev O. V., Professor, Doctor of Technical Sciences, Institute of Mining, Ural branch of the Russian Academy of Sciences,
Kalmyikov Vyacheslav, Head of Department, Professor, Doctor of Technical Sciences, Gogotin A.A., Magnitogorsk state technical University G.I. Nosov.
It is established that the sides and bottom of Uchalinsky career connected with an underground mine 52nd large hydraulic channels (underground generation and collapse from neot-lozhennykh cameras). Product thickening tailings beneficiation plant can enter the underground workings as existing large hydraulic channels (wells, production), and through the collapsed mass of rocks. To ensure safe operation of Uchalinsky underground mine proposed remediation technology career product thickening tailings, including the prevention of the receipt of the pulp and water in production required for underground improvements reserves, provision of drainage generated array in the career space to prevent instantaneous breakthrough of water, ensuring sufficient capacity of the underground drainage taking into account the volume of water released from the placed product of condensation.
Key words: Uchalinsky quarry, underground mine, tails concentrator technology for reclamation of the quarry, the safe operation of the underground mine.
REFERENCES
1. Pravila ohrany sooruzhenij i prirodnyh ob#ektov ot vrednogo vlijanija podzemnyh gornyh rabot pri razrabotke mednorudnyh mestorozhdenij Urala (Rules for the protection of structures and natural objects from the harmful effects of underground mining operations at the development of copper-ore deposits of the Urals). Moscow, MCM SSSR, 1978.
2. OAO «Uchalinskij GOK». Proekt «Kompleks pastovogo sgushhenija otval'nyh hvostov obogatitel'noj fabriki dlja provedenija gornotehnicheskoj rekul'tivacii Uchalinskogo kar'era» (JSC "UGOK". The project "Complex of paste thickening tailings beneficiation plant for carrying out mining reclamation Uchalinsky career"). Kniga 11.11.048-01.1-PZ 1: Obshhaja pojas-nitel'naja zapiska. V. Pyshma, 2013, 36 p.
3. Shestakov V.M. Gidrogeodinamika (Gidrogeodinamika). Moscow, MGU, 1995, 368 p.
4. Gavich I.K. Gidrogeodinamika (Gidrogeodinamika). Moscow, Nedra, 1988, 352 p.
5. Rosljak A.T. Fizika plasta (Physics of the reservoir). Tomsk, TGU, 2008, 131 p.
6. Samoobrushenie rudy pri podzemnoj dobyche (Samoobrona ore in underground mining): Uchebnoe posobie. Moscow, Izdatel'stvo Moskovskogo gosudarstvennogo gornogo uni-versiteta, 2006, 283 p.
7. Cheremushencev I.A., Ryzhova L.V. Primenenie sistem jetazhnogo obrushenija na polimetallicheskih rudnikah SSSR (Application systems .storey collapse onpolymetallic mines in the USSR). Sverdlovsk 1958, 60 p.
8. Ocenka ustojchivosti bortov Uchalinskogo kar'era pri ispol'zovanii ego v kachestve hvostohranilishha (Evaluation of slope stability Uchalinsky career when using it as tailings) /Otchet o NIR. OAO «Uralmehanobr», 2009.
9. Kalmykov E.P. Bor'ba s vnezapnymi proryvami vody v gornye vyrabotki (The struggle with the sudden outburst of water in mining). Moscow, Nedra, 1973, 240 p.
