Натурные исследования донных отложений прудковой зоны хвостохранилищ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

-------------------------------------- © И. Т. Мельников, И.И. Мельников,

И. А. Пыталев, 2008

УДК 622.7.006.317

И.Т. Мельников, И.И. Мельников, И.А. Пыталев

НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ПРУДКОВОЙ ЗОНЫ ХВОСТОХРАНИЛИЩ

Приведены результаты исследований донных отложений прудковой зоны хвостохранилищ, являющихся ценным техногенным ресурсом.

Семинар № 16

Для складирования отходов обогатительных фабрик (ОФ) предназначены хвостовые хозяйства, включающие системы гидротранспорта и оборотного водоснабжения, хвостохра-нилища с комплексом дренажей, водозаборных устройств и контрольноизмерительной аппаратуры. При обогащении руд цветных металлов с применением флотореагентов требуется более мелкий помол и выход класса - 0,074 мм превышает 90-95 %, а отходы обогатительного производства складируются как правило в наливных хвостохрани-лищах. Применение сухой или мокрой магнитной сепарации при обогащении железных руд обусловливает выход класса - 0,074 мм не более 30-60 % и возможность строительства намывных хвостохранилищ для размещения хвостов. График гранулометрического состава хвостов ОФ Качканарского ГОКа

100

80

60

т о н

о

0 и

х 40

ч

1 20

т

0

2

3

\ 41

показан на рис. 1.

При намыве хвостохранилищ из наиболее крупных фракций формируется надводный пляж, образуя упорную призму, а более мелкие частицы уносятся потоком в прудок-отстойник. Осаждение пылеватых частиц приводит к осветлению оборотной воды и формированию отложений прудковой зоны. Исследование свойств отложений по глубине и длине прудковой зоны производилось в полевых условиях на хвосто-хранилище Качканарского горно-обогати-тельного комбината (ГОКа) и в лабораториях ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО г. Москва и МГТУ г. Магнитогорск по стандартным методикам.

Площадь прудка составляет 30-35 % от общей площади гидроотвала, которая составляет 450 га. Отбор проб осуществлялся по 3 створам и расстояние между точками отбор проб в каждом створе 5070 м согласно рис. 2. Разбивка створов производилась с помощью шнура длиной 50 м, лодки и катамарана.

0.001

0.01 0.1 Крупность, мм

1.0

Индикация мест отбора

Рис. 1. Гранулометрический состав хвостов: 1 - исходные хвосты ОФ; 2, 3, 4 - донных отложений прудковой зоны: на расстоянии 100-350 м, 350-500 и более 500 м от уреза воды

Таблица 1

Изменение плотности взвеси материала прудковой зоны с глубиной

Глубина прудковой зоны: от поверхности воды, И, м Плотность материала прудковой зоны

А створ В створ С створ

Тсусп. Я Тсусп. Я Тсусп. Я

0,5 1,00015 4732 1,00014 5000 1,00015 4545

1,5 1,00020 3448 1,00014 5000 1,00014 5000

2,5 1,00015 4546 1,00020 3333 1,00020 3703

3,5 1,00013 5263 1,00014 5000 1,00020 3125

4,5 1,00039 1754 1,00046 1493 1,00054 1351

5,5 1,034 19,5 1,047 14.3 1,045 14,9

6,5 1,239 1,96 1,275 2,16 1,305 1,92

7,5 - - 1,476 1,118 1,402 1,38

проб в прудке-отстойнике выполнялась с помощью деревянных или пенопластовых буйков. Для определения количества твердых осадков в осветляемой воде, суспензии и материале текучей консистенции производился отбор по глубине через 0,5 м с помощью батометра. Результаты определения количества твердого в единице объема материала прудковой зоны приведены в табл.1.

Плотность материала прудковой зоны, находящегося во взвешенном состоянии, определяется по формуле 1.

. _ -ПК = 11(1+5) (1)

с|" уТ' + К 1 + уТК ’ (

где Я = Ж:Т - весовая консистенция (вес воды, содержащий 1 т твердого), т/т; ут

- 3,15 т/м3 - средневзвешенная плотность минералов частиц хвостов.

Началом донных отложений считалось появление структурной прочности хвостов, т.е. при переходе их в текучую консистенцию. При исследовании использовался метод статического зондирования с применением металлического шара-пенетрометра диаметром 15 см и весом 15 кг, размеры и вес которого взяты по аналогии с применявшимися при зондировании намывной плотины Форт-Пек в США [1]. Исследованиями ряда авторов [2, 3, 4, 5] установлено, что шар-

пенетрометр зависает при переходе суспензии в грунт текучей консистенции, имеющий сдвиговую прочность 0,001-0,002 МПа, W = 80-95 %. Переход от суспензий к грунту текучей консистенции происходит при уск.взв = =0,60-0,65 т/м3, а к текучепластичному при Уск.взв = 0,80-0,90 т/м3.

В суспензиях и отложениях текучей консистенции частицы хвостов находятся в состоянии взвеси. Исходя из этого вводится понятие - определение "плотности скелета взвеси", которая определяется по формуле 2

_ (у сусп. - 1 Ь Т

У,

У т - 1

У с

(2)

І сусп

где У сусп = ■---------

относительная

Ус

плотность суспензии ("тяжелой жидкости"); ут, у0 - плотность минеральной части хвостов и воды, т/м3.

На расстоянии до 350-400 м от уреза воды мощность слоя суспензии практически равна нулю. Это означает, что поверхность донных отложений сложена довольно плотными пылеватыми породами и супесями намывными. По мере удаления от уреза воды мощность слоя суспензии возрастает и на расстоянии

Рис. 2. Схема отбора проб на хвостохранилище Качканарского ГОКа

больше 500 м от уреза воды составляет 1,5-2,0 м и более (рис. 1).

Выполненные натурные и лабораторные исследования показывают, что переход донных отложений в текучую консистенцию происходит при плотности взвеси усквзв=0,55-0,60 т/м3. Высота слоя осажденных частиц текучей консистенции также возрастает по мере удаления от уреза воды и как правило не превышает 2,0-2,5 м. При уск.взв=1,1-1,2 т/м3 осадок переходит в текучепластичную и с глубиной в мягкопластичную консистенцию при усквзв=1,6-1,7т/м3.

Отбор проб отложений прудковой зоны производился с предварительно заякоренного катамарана пробоотборником конструкции И. С. Федорова [6]. По каждому из трех створов в каждой точке стояния образцы отложений прудковой зоны отбирались с шагом 1 м по глубине. Максимально возможная глубина извлекаемых образцов отложений в прудковой зоне составляла 7-8 м и ограничивалась техническими возможно-

стями и увеличением плотности материала прудковой зоны с глубиной.

У образцов ненарушенной структуры, отобранных по высоте слоя структурных отложений прудковой зоны, определялись значения плотности ут и плотности минеральных частиц уТ величина влажности и гранулометрический состав по стандартным методикам и ГОСТ 25584-90.

Допуская, что коэффициент водона-сыщения хвостовых отложений прудковой зоны равен или близок к единице (О = 1,0), остальные основные показатели рассчитывались по известным формулам 3.

у _ ----------—-■ у _ у — ^ск у '

‘ ск Л Г\ Г\ Л ’ 1 взв I ск

1 + 0’01ю у Т

у т - у ск n

n = П-------------L2L; s =

у т

1 - n

(3)

После высушивания и взвешивания определялся гранулометрический состав отобранных образцов. Обработка полученных результатов исследований пока-

зывает, что средневзвешенный диаметр хвостовых отложений уменьшается по мере удаления от уреза воды-границы между пляжной и прудковой зонами. В зависимости от зернового состава названия разновидностей хвостов согласованы с принятыми для песчаных грунтов в ГОСТ 251GG-95. Для отдельных проб содержание пылеватых и глинистых частиц, то есть частиц размером менее 0,05 мм, суммарно достигает 9G %, что приводит к проявлению пластических свойств. По ГОСТ 251GG-95 донные отложения можно классифицировать как пески антропогенного образования. Гранулометрический состав донных отложение прудковой зоны показан на рис. 1. (кривые 2, 3, 4).

Обобщая результаты выполненных исследований можно констатировать следующее:

- на расстоянии 1GG-35G м от уреза воды донные отложения в основном представлены пылеватыми хвостами, средневзвешенный диаметр которых составляет dq, = 0,04-0,124 мм (класс 0,150,05). Пористость донных отложений на поверхности составляет n = 52,4-54,2 %, а на глубине 2-3 м уже уменьшается до n = 45,0-48,1 %. Отбор проб на большей глубине не представлялся возможным из-за высокой плотности донных отложений (уск > 1,75 т/м3);

- на расстоянии 35G-5GG м от уреза воды донные отложения представлены в основном частицами, средневзвешенный диаметр которых рав-няется d^ = 0,020,035 мм (класс 0,05-0,02). Пористость донных отложений на границе структурных образований не превышает n = 61,8-65,7 %, а на глубине 3 м уменьшается до 48,7-53,7 %. Для этих донных отложений содержание пылеватых частиц диаметром менее 0,05 мм составляет около 90 %, а диаметром менее 0,02 мм в пределах 1G-2G %;

- на расстоянии более 5GG м от границы между пляжной и прудковой зонами донные отложения прудковой зоны представлены частицами, средневзвешенный диаметр которых равняется dq, = 0,011-0,0152 мм (класс 0,020,01). На поверхности структурных образований пористость колеб-лется от 66,1 до 73,б %, а плотность скелета

0,326-1,01 т/м3. Содержание частиц крупностью менее 0,05 мм превышает, как правило, 95-98 %, менее 0,02 мм колеблется от 20 до 30 %.

Изменение плотности скелета донных отложений с глубиной показано на рис. 3. На глубине 3 м пылеватые хвостовые отложения, супеси и суглинки намывные имеют интервал изменения плотности скелета соответственно равный 1,651,74 т/м3, 1,46-1,58 т/м3, 1,26-1,33 т/м3. На глубине 7 м плотность скелета суглинков намывных составляет 1,55-1,62 т/м3. Таким образом, плотность донных отложений различной крупности с глубиной возрастает, что объясняется с точки зрения теории фильтрационной консолидации. Согласно данной теории процесс уплотнения грунтов под действием собственного веса, находящихся под водой, протекает тем медленнее, чем меньше коэффициент фильтрации.

Фильтрационно-компрессионные испытания отложений прудковой зоны производились на приборе соответствующему ГОСТ - 25584-9G, который позволял определять коэффициенты фильтрации хвостовых отложений при различных значениях эффективных сжимающих нагрузок. Как правило, определение фильтра-ционных свойств отложений прудковой зоны в полевых условиях сопряжено с рядом трудностей. Поэтому для получения расчетных характеристик было принято моделирование структуры образцов в лабораторных

условиях согласно методике, разработанной во ВНИИ ВОДГЕО.

Из хвостовых отложений готовились пасты с влажностью, соответствующей пределу текучести. Тщательным перемешиванием из пасты удалялись пузырьки воздуха и затем производилась загрузка прибора. Определение коэффициентов фильтрации производилось при нагрузках 0; 0,025; 0,050; 0,1; 0,3; 0,7 МПа после полной стабилизации деформации. Результаты исследований представлены на рис. 4., анализ которого показывает, что происходит значительное уменьшение коэффициента фильтрации в интервале сжимающих нагрузок 0-0,5 МПа. Как установлено при полевых исследованиях, донные отложения находятся в текучепластичной консистенции при уск > 1,6-1,7 т/м3, что соответствует величине сжимающих нагрузок 0,2-0,6 МПа. В данном интервале нагрузок коэффициент фильтрации пы-

Рис. 3. Изменение плотности скелета донных отложений прудковой зоны в зависимости от глубины их залегания: 1 - пылеватые породы (класс 0,15-0,05); 2 - частицы класса 0,05-0,02; 3 - частицы класса 0,02-0,01

леватых хвостов частицы (класс 0,05-

0,15) изменяется от 2-10-4 до 8-10-5 см/с, частицы класса 0,02-0,05 от 8-10-5 до 5-10-6 см/с и частицы класса 0,01-0,02 от 3-10-6до 1-10-7 см/с и менее 1-10-7 см/с из водозаборных сооружений.

По результатам выполненных исследований можно сделать следующие важные выводы о том, что донные отложения хвостовых отложений являются ценным техногенным ресурсом:

1. Донные отложения неоднородны по своему составу и их средневзвешенный диаметр уменьшается по мере удаления от уреза воды и коэффициент фильтрации по направлению к водозаборному сооружению и с глубиной.

2. Донные отложения прудков - отстойников могут использоваться для создания противофильтрационных экранов при формировании отвалов вскрышных пород, шлаков металлургического производства, золоотвалов на поверхности земли и в отработанных пространствах карьеров для защиты подземных вод от загрязнения, так как их коэффициент фильтрации находится в пределах от 1-10-5 до 5-10-7см/сек.

3. Удельная поверхность пылеватых хвостов по сравнению с исходным сырьём увеличена в 105 - 106 раз и с момента процесса измельчения до складирования в хвостохранилище они не вступают в соприкосновение с кислородом воздуха. Поэтому при высушивании, имея высокую поверхностную химическую активность, и при соприкосновении с воздухом тонкодисперсные хвосты донных отложений затвердевают

КфХ 10

см

сек

4

3

2

1

0

1 1~

УУ//

г

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ат

КфХ10

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ат МПа

Рис. 4. Изменение коэффициента фильтрации хвостовых отложений прудковой зоны при различных значениях эффективных нагрузок: 1- пылеватые хвосты (класс 0,15-0,05); 2 - частицы класса 0,05-0,02; 3 - частицы класса 0,02-0,01

и могут быть использованы в качестве слабовяжущего материала. Способностью образовывать цементный камень обладают и донные отложения хвосто-хранилищ Соколовско-Сарбайского и Лисаковского ГОКов. Поэтому необходимы более детальные исследования минералогического состава мелкодис-

персных хвостов для их широкого применения в цементной промышленности.

4. Использование донных отложений позволяет увеличивать вместимость хвостохранилищ и снижает угрозу возникновения селевых потоков в случае прорыва ограждающих дамб.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шульц Л.В. и др. Физико-механических свойства грунтов хвостохранилищ, Труды ЛПИ. -Л., 1974, №338, с. 93-95.

2. Абегян Ц.Х., Трунков Г.Т., Элоян Л.А. Исследование характеристик грунтов прудковой зоны хвостохранилища. - В кн.: Рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды. Л., ЛПИ им М.И. Калинина, 1977, с. 107-113.

3. Горелик Л.Ш., Чернявский В.А. Лабораторные исследования прудковых отложений хвостохранилищ. - В кн.: Проектирование, строительство и эксплуатация хвостохранилищ обогатительных фабрик. Белгород, 1978, с. 4648.

4. Каминская В.И., Коновалов Л.П. Экспериментальные исследования физикомеханических свойств грунтов прудковой зоны гидроотвала. - Труды ВнИИгС. - Л., 1973, вып. 36, с. 96-101.

5. Чернявский В.А. Полевые исследования хвостохранилищ и шламоотвалов. - В кн.: Проектирование, строительство и эксплуатация хвостохранилищ обогатительных фабрик. Белгород, 1978, с. 199-200.

6. Федоров И.С., Добровинская ОХ. Свойства и расчетные характеристики намытых хвостов рудообогатительных фабрик. - М.: Недра, 1970. - 151 с. ПТЩ

— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------

Мельников И. Т., Мельников И.И., Пыталев И.А. - ООО «Маггеопроект»

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 16 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.С. Коваленко

276

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

11_Мельников16

Е:\С диска по работе в универе\ГИАБ_2008\11\семинар С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коат1^\М1сго80й\ШаблоныШогта1Ло1т © И

Гитис Л.Х.

03.09.2008 13:34:00 3

04.09.2008 16:25:00 Гитис Л.Х.

6 мин.

25.11.2008 23:16:00

7

2 048 (прибл.)

11 675 (прибл.)