CC BY
173
--------------------------------------------- © А.В. Архипов, 2011
УДК 622.011.4 : 622'17+622.68 А.В. Архипов
НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ГРУНТОВ ХВОСТОХРАНИЛИЩ И ЗОЛОШЛАКООТВАЛОВ
ПРИ РАЗРАБОТКЕ КАРЬЕРНЫМ ГОРНОТРАНСПОРТНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Приведены результаты замеров погружным ударником У-1 прочности поверхностей хвостохранилищ Мурманской области, предназначенных для разработки карьерами. Ключевые слова: хвостохранилища, прочность грунтов, инженерно-геологические свойства, карьер, горнотранспортное оборудование.
стощаемость коренных месторождений полезных ископаемых, непрерывное повышение цен на минеральное сырьё, огромные объёмы образованного и размещённого на дневной поверхности так называемого вторичного минерального или техногенного сырья всё больше и больше обращают внимание горнодобывающих компаний на вовлечение в эксплуатацию техногенного сырья, за-складированного в предыдущие годы и десятилетия в различного рода отвалы. Одной из групп таких отвалов являются гидроотвалы или хвостохрани-лища, предназначенные для приёма и хранения отходов обогащения. Отходы обогащения, особенно уложенные десять и более лет назад очень часто содержат комплекс полезных компонентов, которые не извлекались в прежние годы и потребность в которых возникла в настоящее время. Причём разрабатывать хвосты и извлекать из них эти полезные компоненты экономически оказалось очень целесообразным, что и предопределяет большое внимание к возможности раз-
работки хвостохранилищ, как техногенных месторождений — новых источников минерально-сырьевой базы.
Не смотря на кажущуюся простоту, технология разработки хвостохрани-лищ обладает своей спецификой, организацией производства и условиями работы горнотранспортного оборудования. Опыт формирования и обслуживания хвосто-ранилищ, имеющих отстойники оборотного водоснабжения, большие пылящие поверхности пляжей, дамбы отвалования, показывает, что поверхности пляжей из тон-кодисперстных хвостов не выдерживают перемещения и работу большегрузной техники, которая часто проваливается и буксует. Поэтому на обводнённых пляжах часто используют гусеничную технику высокой проходимости типа болотоходов.
На основании такого опыта геологоразведочные и проектные организации, готовящие проекты разведки и разработки хвостохранилищ, непременно задаются вопросом о несущей способности грунтов (хвостов) или прочности поверхности.
Горный институт Кольского научного центра РАН имеет многолетний опыт исследований и составления регламентов на разработку хвостохранилищ Мурманской области, в том числе и опыт исследований несущей способности грунтов этих хвостохранилищ.
Институтом были проведены измерения несущей способности грунтов на хвостохранилище апатит-нефелиновой фабрики № 2 (АНОФ-2) ОАО «Апатит», на хвостохранилищах ОАО «Ковдорский ГОК» (поле 1 и поле 2), на золошлакохранилище ТЭЦ г. Апатиты. Полученные данные легли в основу регламентов и рекомендаций по выбору технологии и выемочнотранспортного оборудования при разработке названных техногенных месторождений. Одно из этих месторождений, поле 1 хвостохранилища ОАО «Кводорский ГОК», успешно разрабатывается с 1995 г.
Для решения вопроса о выборе горнотранспортного оборудования при разработке карьером хвостохранилища следует оценить допустимые нагрузки на грунт в различных условиях и сравнить их с показа-елями удельного давления на грунт выбираемого оборудования. Допустимые нагрузки зависят от прочности материала и в инженерной геологии и практике дорожного строительства разработаны методы и приборы для определения показателей прочности сыпучих грунтов [1].
Одним из методов определения прочности сыпучих грунтов является метод зондирования с помощью погружаемых в грунт приборов (зондов) различной конструкции. Нами выбран метод погружения ударника У-1, разработанного институтом ДорНИИ [2].
Ударник У-і состоит из трёх частей: наконечника длиной ЗО см с нанесённым на нём делениями через і см, гири массой 2,5 кг для забивки наконечника в грунт и направляющего штока для движения по нему гири, который является продолжением наконечника.
Для измерения показателя прочности грунта ударник У-і устанавливают вертикально наконечником на грунт, поднимают гирю по направляющему штоку на высоту 5О см и отпускают её. Падая, гиря загоняет стержень наконечника в грунт.
Сбрасывание гири повторяется до тех пор, пока наконечник не погрузится в грунт сперва на іО см и затем на ЗО см. В процессе работы подсчитывается число ударов гирей при погружении на іО см и далее с нарастающим итогом на ЗО см.
По тарировочному графику из работы [2] определяют прочность грунта в месте замера на глубину до іО см и ЗО см. Показатель прочности грунта в данной точке определяется как среднеарифметическое значение этих двух замеров.
Методика полевых замеров с помощью ударника включала в себя не только обследование намытой уже поверхности хвостов, но и замеры со взятием проб грунта на глубину. Для чего на выбранном участке пляжа хво-стохранилища организовывался с помощью бульдозера небольшой опытный карьер глубиной до 2—4,5 м с нетронутыми бульдозером площадками уступов, расположенными по глубине через 0,5-і м. На каждой из площадок производились замеры ударником У-і и отборы грунта в ненарушенном состоянии для исследования грансоста-
ва, влажности, плотности и других физических свойств. Кроме того, с помощью полевого прибора ВСВ-25 проводились сдвиговые испытания грунта.
Замеры несущей способности поверхностей вышеназванных хвосто-хранилищ производился в разные годы, начиная с 1987 по 2007 гг. по мере поступления заказов. За это время изменялись характеристики объектов и сырья, цели и методики исследований. Поэтому для сравнения результатов необходимо кратко охарактеризовать объекты исследований и свойства грунтов.
Хвостохранилище ОАО «Ковдор-ский ГОК» является объектом по размещению хвостов обогащения комплексных бадделеит-апатит-маг-
нетитовых руд Ковдорского месторождения, расположенного в четырёх километрах от г. Ковдор Мурманской области. Хвостохранилище расположено в долине ручья Можель и состоит из двух самостоятельных участков (полей). Первое поле расположено выше по долине, второе поле — ниже и отделено от первого поля разделительной дамбой. Выше первого поля расположено водохранилище, которое ранее служило отстойником оборотного водоснабжения, а теперь служит ёмкостью чистой воды от ручья Можель.
С 1962 по 1981 гг. в первое по-ле поступали хвосты мокрой маг-нитной сепарации и флотации руд без отделения апатита и бадделета. После заполнения ёмкости первого поля хвосты стали складироваться во второе поле, причём с девяностых годов добываемые руды стали обогащаться как с извлечением железа, так и с извлечени-
ем апатита и бадделеита, при этом последние извлекались больше из хвостов первого поля. Поэтому качественные характеристики хвостов первого и второго поля несколько отличаются.
Хвосты как первого, так и второго поля представляют собой мелко тонкозернистые пески в основном класса менее 0,63 мм (более 99 %), но хвосты второго поля несколько мельче. Так, содержание класса -0,071 на первом поле составляло 20 %, а на втором поле — в среднем около 46 %.
Что касается хвостов хвостохрани-лища АНОФ-2, то по литологическому типу из паспортов фабрики они отнесены к мелким пескам, хотя по гран-составу выход класса менее 0,071 мм составляет 33,5 %, что говорит о тон-козернистости.
Материал отходов от сжатия углей на тепловых электростанциях (зол и шлаков) резко отличается по своим характеристикам от материалов хвостов обогащения руд. Основной областью применения зол и шлаков является изготовление золошлакоблоков для нужд строительства. В Мурманской области техногенным объектом с промышленными запасами золы могут считаться золошлакоотвалы ТЭЦ г. Апатиты.
Основные характеристики хвостов рассматриваемых хвостохранилищ и золошлакоотвала, влияющие на несущую способность поверхностей, представлены в табл. 1.
Представленные характеристики позволяют говорить об общности свойств хвостов флотационного обогащения руд за исключением золошлаковых материалов. В основном в хвостохранилищах размещены мелко
и тонкозернистые материалы. Налицо влияние сегрегации на процесс размещения. Так с глубиной и ближе к отстойникам размещается более мелкий материал (пробы из разведочных скважин), ближе к дамбам, на которых Таблица 1
Основные физические и инженерногеологические характеристики хвостов и золошлаков
расположены пульповоды, материал более крупных классов (пробы из опытных карьеров).
Плотности материала хвостов и даже золошлаков мало отличаются друг от друга.
Хвостохра-нилище (гидроотвал), место взятия проб Средне-взвешенный диаметр частиц, мм Содержа-ние частиц класса 0-0,071 мм, % Плотность в массиве, г/см3 Естественная влажность, % Полная влаго- ёмкость, % Пористость, %
сухих влажных
АНОФ-2, ОАО «Апатит», пробоотборник фабрики 0,128 33,5 1,54 1,60 12,0 18,1 43-57
ОФ, ОАО «Ков-дорский ГОК», первое поле (опытный карьер) 0,146 20,0 1,74 1,80 5-7 не опр. не опр.
То же, второе поле (опытный карьер) 0,245 5,0 1,74 5,7 27,1 45,1
То же, второе поле (разведочные скважины) 0,100 45,8 1,78 1,75 не опр. 22,2 44,0
Золошлакоотвал АТЭЦ 0,080 до 91,0 (класс 0-0,063) 1,50 не опр. 16,2- 22,6 не опр. 55,0
Естественная влажность хвостов в воздушно-сухом состоянии находится в пределах до 7 %. Показатель средней влажности хвостов хвостохранилища АНОФ-2 включает замеры по пробам, отобранным близко к акватории отстойников и имеющим влажность около 20 %.
Высокий показатель влажности зо-лошлаков объясняется высокой пористостью материала, причём эта пористость измеренная методом полной влагоёмкости, включает не только по-
ры между частицами, но и поры внутри самих частиц.
Показатели пористости материала хвостов достаточно близки между собой. Известно, что от этого показателя в очень высокой степени зависит несущая способность сыпучего материала, так как пористость характеризует плотность упаковки материала, чем плотнее состояние поверхности, тем большую нагрузку она может выдержать без деформации. Кстати, пористость песков пустыни Каракумы в естественном состоянии составляет 50 %, что ненамного
превышает показатели табл. 1 [3]. По классификации, приведённой в работе [4], хвосты рассматриваемых хвосто-хранилищ мож-но отнести к мелким и пылеватным пескам, имеющим плотность сложения на границе между рыхлым состоянием и средней плотности.
Результаты натурных замеров несущей способности (прочности) грун-
тов ударником У-1 на площадках опытных карьеров на хвостохранили-щах представлены в табл. 2.
Зависимости прочностных характеристик от глубины представлены на рис. 1. Анализ проведенных экспериментов показал, что прочность поверхности площадок хвостов не зависит
Таблица 2
Результаты замеров прочности поверхности площадок опытных карьеров на хвостохранилищах
Г лубина от поверхности, м Средняя прочность грунта, МПа
поле 1; 120 м от уреза воды отстойника поле 1; 400 м от уреза воды отстойника поле 1; 195 м от уреза воды отстойника АНОФ-2
0 0,32 0,48
-0,5 0,40 0,40 - 0,55
-1,0 0,45 0,49 0,17 0,67
-1,5 0,45 0,50 - 0,65
-2,0 0,47 0,45 0,28 0,65
-3,0 0,65
-4,5 0,58
Рис. 1. Прочность поверхности хвостов по хвостохранилищам
-------- «Ковдорский ГОК», экспериментальный карьер на поле 2;
-------- на поле 1
---------- пляжи АНОФ-2 ОАО «Апатит»
от глубины нахождения площадок в пределах 2 м, не зависит от влажности хвостов в пределах от 4 до 8—9 %, а в большей степени зависит от грансо-става и степени уплотнения грунта.
Средние значения прочности для хвостов первого поля находятся в пределах 0,4—0,5 МПа, прочность хвостов АНОФ-2 оказалась выше, чем хвостов первого поля и составила 0,5—0,7 МПа. Средние значения прочности хвостов второго поля сравнимы с аналогичными показателями для АНОФ-2 особенно для глубины 3—4,5 м, что объясняется в большей степени плотностью массива на этой глубине. Малые значения прочности хвостов поля 2 на площадках до 2 м объясняются большой разрыхлённо-стью этого слоя из-за постоянного переноса хвостов за счёт дующих ветров.
Одновременно с замерами в опытных карьерах были выполнены замеры на существующих дорогах хвостохра-нилищ. Хорошо накатанные дороги с постоянным движением транспорта имели прочность 1,0-1,2 МПа, а на вспомогательных дорогах прочность грунта составляла не ниже 0,6 МПа. Эти данные подтверждают известный в теории дорожного строительства факт, по которому прочность земляных дорожных покрытий в процессе укатывания из-за понижения пористости массива возрастает в несколько раз.
Для исследования влияния акватории отстойника на прочностные характеристики пляжей действующих хвостохра-нилищ были проведены испытания несущей способности поверхности хвосто-хранилища поля 2 ударником У-1. Измерения проводились через каждые 10 м по направлению от пульповода до уреза
воды отстойника на расстоянии 200 м, последний пункт замера размещался на расстоянии 1 м от уреза. От пульповода до расстояния 130 м прочность материала хвостов, в основном, колебалась от 0,26 до 0,32 МПа, ближе к урезу воды прочность поверхности постепенно снижалась до расстояния 180 м от пульповода до величины немногим более 0,1 МПа. На последних 20 м из-за большой насыщенности водой прибор уходил в грунт под собственным весом до необходимых по методике отметок.
Низкие показатели прочности поверхности пляжа до расстояния 130 м объясняются ветропереносом хвостов и значительным их разрыхлением, а далее к отстойнику на прочность поверхности оказывал влияние уровень воды самого отстойника. Однако, на расстоянии 50 м от уреза отстойника при необходимости передвигалась бульдозерная и погрузочная техника на гусеничном и колёсном ходу с деформацией колеи не глубже, чем на сухих участках пляжей, что говорит о несущей способности обводнённых участков пляжей достаточной для безопасного передвижения транспорта.
Опыт отработки хвостов на первом поле, которое не имеет отстойника показал, что в теле хвос-тов могут оставаться линзы с влажностью более 10—16 %, которые создают определённые трудности при их отработке карьерными экскаваторами.
В 2006 году Горным институтом по заказу была выполнена разработка горнотехнического регламента на отработку золошлаковых отходов Апатитской ТЭЦ. К этому моменту заказчик произвёл выемку промышленной пробы небольшим опытным карьером. Для выбора горнотранспортного оборудова-
ния были определены физико- площадок карьера ударником У-1.
механические свойства золошлаковой Средние величины прочности и влаж-
смеси, в том числе и проведены заме- ности были следующие.
ры несущей способности некоторых
Место замера Средняя прочность грунта, Влажность в пробе, %
24,4
16,2 22,6
почти полное насыщение
МПа
Естественная поверхность 0,35
осушенного золошлакоотвала
Площадка забоя в опытном карьере 0,66
Поверхность дороги к забою 0,64
Обводнённая площадка 0,25
у акватории отстойника
Из работы [1] известно, что средние контактные удельные давления колеса на грунт в зависимости от давления воздуха в шинах имеют следующие значения:
Давление в шинах, МПа 0,3—0,45
Контактные давления, МПа 0,3—0,45
0,5
0,45
0,8
0,6
Современные карьерные автосамосвалы типа БелАЗ имеют давление в шинах и оказывают давление на грунт в следующих параметрах:
Г рузоподъёмность а/самосвала, т
75
110
180
Давление в шинах, МПа
0,57
0,55
0,58
Давление на грунт, МПа
0,51
0,50
0,513
Что касается удельного давления на грунт гусеничных экскаваторов, то оно редко превышает значения 0,25 МПа.
Сравнение приведенных замеров и данных об удельных давлениях на хвосты позволяют сделать вывод о
безопасной работе большегрузной техники на хвостохранилищах флотационного обогащения руд, но в пределах влажности хвостов до 8—9 %. Многолетний опыт эксплуатации карьера на поле 1 доказал правомерность этого вывода.
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хархута Н.Я., Васильев Ю.М. Прочность, устойчивость и уплотнение грунтов земляного полотна автомобильных дорог. — М., «Транспорт», 1975. — 288 с.
2. Черкасов И.И. Механические свойства грунтов в дорожном строительстве. — М., «Транспорт», 1976. — 247 с.
3. Сергеев Е.М. Инженерная геология. М., Изд. Моск. универ., 1978. 384 с.
4. Механика грунтов, оснований и фундаменты: Учеб. Пособие М 55 для строит. спец. Вузов / С.Б. Ухов, В.В. Семёнов, В.В. Знаменский и др.; Под ред. С.Б. Ухова. — 2е изд., перераб. и допол. — М.: Высш. шк., 2002. — 566 с.ВШЭ
— Коротко об авторе ------------------------------------------------------------------
Архипов А.В. — старший научный сотрудник Г орного института Кольского научного центра РАН, г. Апатиты, root@goi.kolasc.net.ru
