CC BY
45
УДК 621.796:622.765 А.Е. Балек
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И УСЛОВИЙ БЕЗОПАСНОГО СКЛАДИРОВАНИЯ ХВОСТОВ МОКРОЙ ФЛОТАЦИИ В ЗОНАХ ОБРУШЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩИХ ШАХТ
Выполнен комплекс исследований по условиям безопасного размещения хвостов мокрой флотации в зонах обрушения железорудных шахт.
Ключевые слова: мокрая флотация, хвостохранилища, породные массивы, безопасное складирование хвостов.
Семинар № 9
Градиционная технология складирования хвостов фабрик флотационно-магнитного («мокрого») обогащения (МОФ) железных руд требует существенных затрат на отсыпку дамб и подготовку ложа хвостохрани-лищ, и главное — выделения значительного землеотвода для размещения хвостов. В ИГД УрО РАН на базе шахты «Северопесчанская» Богословского рудоуправления (г. Краснотурьинск Свердловской области) выполнен комплекс геомеханических и геофизических исследований по изысканию возможностей и условий безопасного размещения хвостов мокрой флотации в зонах обрушения действующих железорудных шахт в целях снижения затрат на складирование хвостов и обеспечения условий для последующей рекультивации земель, нарушенных подземными горными работами.
Учитывая, что до настоящего времени не разработано специальных нормативных документов, регламентирующих организацию и оборудование хранилищ отходов обогатительных фабрик в зонах обрушения действующих шахт, при выполнении исследований руководствовались действующими «Правилами охра-
ны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и Казахстана» 1990г [1]. «Правила ...» допускают ведение всего комплекса горных работ в зонах обрушения за пределами зон воронкообразо-вания, а на участках с завершившимся процессом воронкообразования — все виды работ по засыпке воронок обрушения и провалов (в том числе, требующих постоянного присутствия людей и механизмов). Сами рабочие процессы по оборудованию и эксплуатации хвосто-хранилищ регламентируются федеральными «Едиными правилами безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом» и «Правилами безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов».
На основании анализа отечественной и зарубежной практики размещения отходов обогатительных фабрик и эксплуатации гидротехнических сооружений в областях влияния горных работ, а также анализа обстоятельств аварий на такого рода объектах (в первую очередь на рудниках «Муфулира» и «Лассинг», произошедших, соответственно, в Зам-
бии в 1970 и в Австрии в 1998 г. [2]), выявлены наиболее значимые факторы, определяющие безопасность складирования флотационных хвостов в зонах обрушения шахт. В качестве ключевых факторов были выделены динамика и подвижность горных массивов, вмещающих или подстилающих хвостохра-нилища.
На основании анализа результатов 30-летних ежегодных натурных геоме-ханических и геофизических исследований динамики породного массива на шахте «Северопесчанская» выполнено районирование зоны обрушения Севе-ропесчанской залежи по критерию ее пригодности к размещению отходов (хвостов) проектируемой МОФ. Хвосты МОФ представляют собой тонкозернистый продукт с содержанием 75 % фракций до 0,074 мм, поступающий непрерывно с производительностью 65,5 т/ч (480 тыс.т в год) по твердому в виде пульпы плотностью 50 %.
Зона обрушения ш. «Северопесчанская» на плане земной поверхности (рис. 1) представляет собой эллипс длиной до 1300 м и шириной 700 — 800 м, вытянутый в меридио-нальном направлении. На разрезах (рис. 2—4) граница зоны характеризуется следующими значениями углов обрушения: по висячему боку — Р"' = 65о; по лежачему боку — Р1''' = 55о; по
Е5 пределах зоны обрушения иерархически блочный и хаотично трещиноватый породный массив, сформированный диоритами, порфиритами и их туфами, разбит многочисленными разнонаправленными разрывными трещинами, раскрытие которых достигает десятки сантиметров, а протяженность — десятки метров. При этом скальные породы выходят непосредственно под слой почвы, осадочная толща выветрелых
пород практически отсутствует. Отсутствуют также и какие либо гидроизолирующие глинистые слои.
В зоне обрушения над выработанными пространствами сформировались два эллипсовидных провала (рис. 1), заполненные крупноблочной скальной массой, с размерами породных отдельностей до нескольких метров и более. Провал над основной частью залежи соединяется с отработанным карьером и достигает глубины 90 — 100 м, ширины 220 — 230 м и длины свыше 600 м. Над Северным блоком — провал глубиной 40 — 50 м и диаметром около 100 — 130 м.
Согласно исследованиям ИГД УрО РАН доработка Северопесчанской залежи не ведет к существенному изменению границ зоны обрушения вследствие нахождения отрабатываемых площадей под ранее отработанным пространством. На южном фланге (рис. 4) высота свода обрушенных пород уже достигла своего максимального значения Н = 250 м, а на других участках происходят перепуски обрушенной скальной массы в пределах существующих границ зон воронкообра-зования. И если при этом в провалах на дневной поверхности находятся флотационные хвосты, даже совершенно сухие, то эти хвосты рано или поздно опускаются вниз и оказываются в выработках выпуска (по законам сегрегации движущейся разнородной сыпучей среды вниз перепускаются частицы тех фракций, количество которых меньше).
Однако, учитывая нахождение флангов залежи в условиях неполной подработки, а также отсутствия остаточных пустот таких размеров, воронки вторичного обрушения которых могли бы выйти на дневную поверхность, было сделано заключение
Рис. 1. Зона обрушения шахты «Северопесчанская» в плане: 1 — проекция выработанного пространства; 2 — граница провалов; 3 — граница зоны обрушения (трещин с раскрытием 25 см и более); 4 — внешний контур отработанного карьера; 5 — тектонические нарушения
о безопасности размещения флотационных хвостов сразу же по завершению очистных работ под тем или иным участком зоны обрушения. Причем не только предварительно обезвоженных хвостов, но и в виде пульпы, поскольку
было экспериментально установлено, что при неподвижности разуплотненных пород в провалах происходит заиливание пустот и осаждение шламовых частиц в верхней части зоны воронкообра-зования. Вода при этом частично от-
Рис. 2. Разрез по профильной линии 71
фильтровывается в подземные выработки для последующего откачивания. Возможно и возникновение «прудков» на поверхности хвостохранилища, откуда также можно откачивать воду, что выгодно как энергетически, так и с точки зрения организации оборотного водоснабжения МОФ. Но в любом случае отсутствие в зонах воронкообразования крупных пустот, способных спровоцировать повторные перепуски обрушенных пород, делает невозможным массовые прорывы в подземные выработки как самой хвостовой пульпы, так и воды из «прудков». Опасность массовых прорывов воды по крупным тектоническим разломам, выделенным в пределах Се-веропесчанского участка (рис. 1), также отсутствует вследствие их сравнительно невысокой геодинамической активности.
С учетом выявленных условий безопасного складирования хвостов, зона обрушения шахты «Северопесчанская» была разделена на три участка:
• участок севернее профильной линии 20 (рис. 2), где складирование хвостов любой водонасыщенности возможно после отработки балансовых запасов по горизонту -320 м;
• центральный участок, ограниченный профильными линиями 7-20, где размещение хвостов возможно после завершения очистных работ на горизонте -480 м и выемки запасов, ранее законсервированных в предохранительном целике лежачего бока по горизонтам -240 и -320 м (рис. 3);
• участок, расположенный южнее линии 7 и представленный южной частью отработанного карьера (рис. 4), где по окончании очистных работ на гор. -320 м
4-опп м Запад Восток у , лЛ } . Л 1. , ; ■г.'1 т м.. 1Ч'^Ц.А 1 ■
V,’ 1Л . Ч 1 > ■ Л/К /уИ ^ г -8°м \ 1 УА*’’ /
V ' | V у | -240 м \ / ^>г" •>Ч-. /г Шт '*/ 1 V/ / 1 /
-320 м ' | / /7 1 % ч«£
\ та.-'' -400 м ГЛ\ ' / А 65°
-480 м ■ /
Рис. 3. Разрез по профильной линии 15
допустимо размещать хвосты любой во-донасыщенности при соблюдении мер по недопущению их прорыва на центральный участок.
Разработаны рекомендации по оптимальной технологии размещения хвостов в зоне обрушения. Предложено подавать хвосты по трубопроводам в виде пульпы с плотностью до 50 % непосредственно в те провалы, под которыми завершены очистные работы. При этом определены следующие технологиче-
ские условия, зависящие от участка складирования:
• при подаче пульпы в провал северного участка — проведение мониторинговых исследований водопритоков на горизонты, по результатам которых принимается решение о целесообразности оборудования пункта откачки воды с поверхности складируемых хвостов и организации оборотного водоснабжения МОФ;
Рис. 4. Разрез по профильной линии 5
• размещение хвостохранилища в карьере на южном участке требует отсыпки дамбы, а также, при больших во-допритоках в зону обрушения центрального участка, организацию мониторинговых инструментальных наблюдений за динамической активностью тектонических нарушений V и VI (рис. 1) и прилегающего породного массива;
• размещение хвостов на центральном участке производится после отработки запасов горизонта -480 м с учетом полученного опыта и результатов натурных исследований.
Таким образом, на основании выполненного комплекса исследований определены следующие необходимые условия безопасного размещения хвостов
мокрой флотации в зонах обрушения железорудных шахт:
• недопущение перепуска в выработанное пространство ранее обрушившихся пород, служащих основанием для хвостохранилищ, что исключает складирование хвостов любой степени водо-насыщенности в пределах зоны обрушения над отрабатываемыми или планируемыми к отработке участками залежи;
• недопустимость существенных проседаний дневной поверхности и, соответственно, оснований хвостохранилищ, при оборудовании насосных станций и иных сооружений для намыва дамб на поверхности складируемых хвостов, что требует отсутствия в нарушенном породном массиве
остаточных пустот таких размеров, воронки обрушения которых могли бы выйти на дневную поверхность;
• недопущение существенных подвижек породного массива по крупным тектоническим нарушениям, соединяющих основание хвосто-
1. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и Казахстана: Утв. Минметом СССР 02.08.90. — Свердловск: ИГД Минмета СССР. — 1990. — 64 с.
хранилищ с подземными выработками и выработанными пространствами, что обусловливает необходимость организации инструментальных мониторинговых наблюдений за динамической активностью таких нарушений и прилегающего породного массива.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Дорн Э. Анализ аварии на руднике Лас-синг, Австрия / Горно-информационный аналитический бюллетень. — 2003. — № 7. — С.
22 — 23. ЕШ
— Коротко об авторе -------------------------------------------
Балек А.Е. — институт горного дела УрО РАН г. Екатеринбург. e-mail: direct@igd.uran.ru
й
---------------------------------------------------------------------- НОВИНКИ
ИЗДАТЕЛЬСТВА «ГОРНАЯ КНИГА»
Димов Л.А., Богушевская Е.М.
Магистральные трубопроводы в условиях болот и обводненной местности. - М.: Изд-во МГГУ, издательство «Горная книга». - 2010, 392 с.
На основе результатов аналитических и экспериментальных исследований приведены решения расчетов оснований свободных и забалластированных железобетонными утяжелителями трубопроводов по предельным состояниям. Выполнено обобщение методологии совместного расчета трубопроводов и оснований с учетом взаимодействия трубы и грунта. Рассмотрены примеры расчета трубопроводов с произвольным расположением оси на болотах. Дана характеристика торфов, болот, особенностей поведения торфяной залежи применительно к сооружениям на болотах трубопроводов и других объектов транспорта нефти и газа. Изложены результаты экспериментальных исследований по определению сопротивления грунта продольно-поперечным перемещениям трубы и физико-механических характеристик обратных засыпок трубопроводов в условиях болот и обводненных грунтов.
Для инженерно-технических работников, занятых проектированием магистральных трубопроводов. Может быть полезна научным сотрудникам, аспирантам и студентам старших курсов нефтегазовых вузов, обучающимся по специальности «Проектирование и сооружение магистральных трубопроводов».
