CC BY
150
© Г.М. Еремин, 2003
УДК 622.271.45:622.271.46
Г.М. Еремин
«ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОТВАЛООБРАЗОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ НАГОРНО-РАВНИННЫХ КАРЬЕРОВ СЕВЕРА»
о материалам анализа размещения и состояния отвалов в горнопромышленном комплексе (ГПК) разработана структура информационной базы данных (БД) оценки техногенеза и экологического состояния окружающей среды (ОС) рис. 1. При этом рассмотрены 2 случая: первый, когда при влиянии основных факторов (климатических, горногеологических, гидрогеологических и горнотехнических) на карьерах имеют место геомеханические процессы (оползни и обрушения отвалов), и отвалы размещаются на значительном удалении от карьеров, имеют небольшую высоту; и второй, когда негативные последствия на отвалах отсутствуют (при специальной технологии работ), и они отсыпаются высотой, близкой к предельной по устойчивости для основных типов пород месторождений.
Кроме того учтена возможность переработки отвалов, когда они могут разрабатываться как техногенные месторождения по одному или 2-3 полезным компонентам (попадание в отвалы руды из приконтактных зон, содержание в значительном количестве кремнезема, благородных метал-
Плов, радиоактивных и химических материалов и др.). Для этого потребуются дополнительные площади для размещения оставшейся части пород отвалов и компенсация от нанесения ущерба ОС.
В первом случае ГПК (комбинаты) терпят прямой ущерб У1 от увеличения объема грузоперевозок при перемещении пород вскрыши в отвалы, создании в будущем горнопромышленных участков (ГПУ) У2 и нанесении ущерба ОС за
счет ее загрязнения (попадания химических веществ) (У3) и потребности дополнительных площадей при переработке отвалов и компенсации вреда ОС (У4).
Во втором случае при исключении обрушения отвалов и снижения их оползней до минимума, размещении отвалов вблизи карьеров и в зонах будущего открыто-подземного яруса (ОПЯ), а также внутри карьера составляющие ущерба для ГПК (У1’, У2’) и окружающей среде (У3’, У4’) многократно снижаются. Полученные соотношения могут быть записаны в виде
Уі + У2 + Уз + У4 >> у/ + У2' + Уз' + У4'
Разработаны методы выбора способов размещения и формирования высоких отвалов для нагорных и нагорноравнинных глубоких карьеров (Нк > 500-700 м), учитывающие как технологии безопасной и эффективной (по производительности) их отсыпки (поярусную), механику нагружения поверхности отвала грузо-транспортными средствами и оборудованием (минимум деформации слоев отвала), так и достижение минимальных затрат на транспортирование пород из карьера до отвалов и отва-лообразование в целом, рис. 2.
Основными критериями, параметрами технологических схем и высоты отвала, нагрузок на отвальную массу и затрат на вывозку пород из карьера и укладку ее в отвал за весь период работы карьера должны быть:
- расстояние транспортирования пород до площадок отвалов по периодам I, II, Ш;
L = 2LI, п, ш ^ L тіп
- деформации поверхностных слоев отвала от нагрузок горнотранспортной техники и оборудования и таяния снега
8р;
§р > §д ^ тіп
Параметры высоких отвалов
Но = Н1а/с + Н11(цпт + а/с) — Нпред
Затраты на транспорт породы до отвалов и на отвалооб-разование по этапам и в целом ^'З:
Хз = З1а/с + З11(цпт + а/с) — ХЗг — тт
- Снижение ущерба экологии окружающего пространства от техногенеза Уэ.
Den. 1 N666eo66a ё^бiбiaбёiшё aaju ааийо (БД) оценки техногенеза и экологического состояния окружающей среды ГПК при отвалооб-разовании (модель 1, 2).
У = 2Ущ —— тт
После обоснования и выбора местоположения отвалов и технологических схем отвалообразования (основные, временные, дополнительные отвалы), определения их объемов необходимо обосновать эффективную технологию отсыпки отвалов. По данным анализа проектов крупных карьеров объемы основных отвалов могут достигать 100-150 млн. м3 пород. Для размещения такого объема вскрышных пород на малых площадях наиболее целесообразно строительство высоких отвалов. Устойчивые их параметры по расчету составляют 200-250 м, а по данным практики (для нагорных карьеров) могут достигать 250-300 м.
В настоящее время особенно для карьеров Севера не имеется достаточно эффективных технологий отва-лообразования, обеспечивающих безопасную и эффективную с экологической точки зрения, отсыпку отвалов снизу-вверх.
Размещение пород вскрыши в высоких отвалах и выбор способов технологии отвалообразования снизу-вверх необходимо осуществлять с учетом неравномерности создаваемых по высоте наклонных слоев пород, зависящих от рельефа местности и их способности к уплотнениям и деформациям. При этом следует также учитывать условия стабильности и безопасности отсыпки пород как в зоне разгрузки пород вблизи откоса или с откоса (при автомобильном транспорте), так и на _ самой площадке отвала, (таблица).
Стабильные условия работы по отсыпке высокого отвала при попадании снега в породную массу и обеспечение максимальной производительности отсыпки пород на 1 п.м фронта работ при суточной деформации приот-косного слоя 300-500 мм/сут обеспечивается периодическим поднятием площадки отвала в зоне разгрузочного вала, рис. 3 а, б, в. Уплотнению породной массы и повышению связи частиц со снегом (льдом) способствует как работа бульдозера в зоне разгрузки автосамосвалов, так и их непрерывная «укатка» площадки отвала шириной 30-35 м, рис. 3 г. Из-за уплотнения ранее отсыпанных наклонных слоев во времени величина деформации пород за сутки в зонах разгрузочной площадки составляет 200-300 мм и уменьшается к местам въезда автомашин на отвал до 50-100 мм/сут.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТВАЛОВ ПО УСЛОВИЯМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ И СТАБИЛЬНОСТИ РАБОТЫ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН НА ОТВАЛЕ
Тип отвала Высота яруса, м Деформации на отвале
вертикальная осадка в зоне разгрузки, мм/сут на площадке
Автомобильные
Нагорные отвалы ОАО «Апатит» до 250300 300-600 В осенний и весенний периоды осадки пород, провалы до 2м, трещины
Карьер р-ка Железный (АО «Ков-дорский ГОК») 100-120 200-400 Деформации приоткосного массива пород, трещины, заколы
Конвейерные
Карьер Мурунтау до 100 200-300 Осадки участков (на глинистом основании), выпирание пород
Рис. 2. Блок-схема определения параметров техногенеза и эко-лого-экономической оценки его влияния на окружающую среду при различных технологиях отвалообразования.
Из-за неравномерного распределения и накопления снега на отдельных участках площадки отвала, его откосах и склонах в весенне-осенний периоды эксплуатации отвала при таянии снега за счет талых вод и жидких осадков на площадке отвала могут появляться не только местная осадка пород, но и провалы, трещины. Особенно большую опасность представляют откосы отвала зимней отсыпки, на которых по разным причинам было приостановлено ведение работ. Такие участки могут со временем послужить очагами для развития оползней и обрушений отвалов типа селей.
При комплексном воздействии на поверхность площадки отвала и приоткосную зону (подсыпкой пород и динамической нагрузки работающей техникой) удалось поддержи-
Рис. 3. Схемы влияния в приоткосной зоне осадки пород (а, б, в) и «укатки» площадки техникой (г) и способы формирования отвалов: а, б, в - 1, 2, 3 - прослойки и скопление снега; 4-5 - вновь сформированный и предыдущий откосы и площадка; 6, 7 - автосамосвал и бульдозер на укатанной площадке и зоны влияния нагрузки Р1 - Р3 при высоте Ня; ао - угол откоса; а’, б’, в’, г’ - соответственно автомобильный, автомобильно-конвейерный и автомобильный подъемники и конвейерноавтомобильный отвал с ярусами I, II, Ш при параметрах: высоте Н1-Н4, длине В1 - В4, зона действия транспорта: На - автомобильный, Нк - автомобильно-конвейерный, Нна - наклонного автоподъемника и автотранспорта, Нка - автомобильного и конвейерного; 1, 2 - откос борта карьера и отвал; 3, 4 - трассы конвейерного подъемника и автотрасса; 5, 6 - наклонный автоподъемник и крутонаклонный конвейер; 7,8 - бункер и узел дробления Д; ак - угол откоса борта карьера
вать в рабочем состоянии отвал длиной по склону 80-100 м
и шириной 100-120 м (по насыпной части) и высотой 280-320 м (отвал № 17 рудника Центральный ОАО «Апатит»). В связи с этим применение отвалообра-зователей в условиях нагорных карьеров Севера сложно, а иногда практически невозможно, поскольку при этом создается слой постоянной толщины, а при неровностях и изменяющемся рельефе отсыпаемая поверхность отвала будет волнистой или наклонной. Поэтому рекомендуемые в проектах шаг передвижки конвейеров более 50-100 м и параметрами отвалов более 100-200 м (по длине) требует уточнения. Даже в условиях жаркого климата карьера Мурунтау (Узбекистан) и сравнительно ровной поверхности (рельефа) пришли к необходимости вести отсыпку конвейерных отвалов узкими заход-ками. В условиях северных широт для применения данной технологии отвалообразования необходимо более мобильное оборудование с меньшими параметрами отвалообразователей, учитывающих ветровые нагрузки, снежные заряды и накопление изморози.
Вторым после фактора устойчивости отвалов и обеспечения безопасных условий для работы оборудования на площадке является фактор выбора эффективного и производительного вида доставочного транспорта пород на отвалы. Для нагорных место____ рождений наиболее экономичным и эффективным
оказался автотранспорт, работающий на коротком плече откатки и в основном по горизонтали (при срезке склонов) (рудник Центральный ОАО
«Апатит»). С его помощью за 40-летний период эксплуатации карьера вывезено и размещено в высоких отвалах около 500 млн. м3 пород вскрыши.
Для равнинно-нагорных и глубоких карьеров не имеется достаточно строгого научно-технического решения по организации и созданию 1-2 основных высоких отвалов, отвечающих требованиям достижения оптимальных затрат на
перевозку породной массы до отвалов и критерию экологичности процессов отвалообразования. Примером может служить Коашвинский карьер Восточного рудника ОАО «Апатит», на котором уже на первом этапе его работы расстояние транспортирования вскрыши до отвала № 2 составило 5 км и продолжает увеличиваться по мере углубления карьера.
Для данного и других глубоких карьеров, на которых отвалы формируются снизу-вверх по сравнению с нагорными (сверху вниз), могут быть проанализированы 2 схемы доставки и размещения породы в отвалах (рис. в 3а', б’, в): применение циклично-поточной технологии (ЦПТ) на доставке породы из карьера с глубины 150 м и затем с подъемом на насыпную часть отвала на высоту 100-150 м. Дальнейшее формирование отвала возможно с применением автотранспорта, и вторая - применение наклонных автоподъемников (высота подъема 300-500 м), рис. 3 б’. Формирование отвала осуществляется полностью с применением автотранспорта.
Первая схема с применением ЦПТ реализуема при достижении отвалами высоты 100-150 м. Проложение конвейерной трассы по насыпной части отвала соответствующим формированием ярусов не представляет затруднений (незначительная погонная нагрузка от конвейера на породную массу тела отвала). Формирование верхнего яруса отвала высотой 100-150 м осуществляется применением автотранспорта по технологической схеме отвальный конвейер
- бункер - автотранспорт. Общая высота отвала может достигать 250-300 м.
Применение автоподъемников в глубоких карьерах (Н > 250-300 м) экономически более эффективно, чем применение автотранспорта. Проложение трассы автоподъемников по насыпной толще при высоте яруса отвала Ня = 100-150 м сложно из-за большой погонной нагрузки (при автосамосвалах г/п 120-170 т) и подверженности породной массы деформациям при попадании в нее снега, воды. Применение автотранспорта при формировании высоких отвалов снизу-вверх (равнинные карьеры) при их высоте 120-150 м малоэффективно. Поэтому целесообразно при создании верхнего яруса высокого отвала (Ня = 100-150 м) применение ЦПТ и автотранспорта, как и в вышеописанной схеме.
Возможности создания второго яруса отвалов высотой 100-150 м могут быть расширены при решении технической задачи сооружения трассы наклоннного автоподьемника на скальном или полускальном основании с учетом нагорной части карьера а также применением крутонаклонных конвейеров по насыпной части отвалов (рис. 3 в’).
Обеспечение устойчивого и безопасного отвалообразо-вания при создании высоких отвалов в условиях Севера, как отмечено в работах [1-5], необходимо осуществлять с учетом влияния процессов, протекающих в теле отвала и вблизи контактных зон теплого и холодного периодов отсыпки, а также своевремено обеспечивать нейтрализацию жидких осадков, попадающих на площадку и откосы зимнего периодов отсыпки. Это достигается ведением отсыпки пород соответствующей интенсивности для создания буферных зон между слоями различных сезонов и снижения степени влияния жидких осадков на таяние снега в слоях холодного периода отвалообразования, а также недопущения их переувлажнения и насыщения водой. Кроме того для обеспече-
ния устойчивости высокого отвала, размещаемого на склоне или в долинной части гор, необходимо предусматривать создание на его откосах и в основании дрен из крупноблочных пород для исключения сбора и накопления вод, переувлажняющих отдельные зоны в отвале, которые могут стать очагами техногенных селей.
Особенно важно соблюдение этих требований, например, для Коашвинского автомобильного отвала № 3, имеющего высоту около 200 м и протяженностью по насыпной части до 2 км, запроектированного без разработки строгих регламентов. Очевидно, учитывая влияние комплекса факторов на устойчивость приоткосной части отвала, нельзя исключить возможную ее деформацию в случаях непредвиденного нарушения режима отсыпки отвала (перерывов в отсыпке пород).
Для исключения перехода сползшего на пологий склон отвала или его части в следующую стадию таяния снега и насыщения водой до критической величины, после чего может последовать его обрушение типа селя, необходимо возобновление отсыпки пород на данном участке с целью пригружения тела отвала для отжатия воды и создания дополнительных сил сопротивления в слоях пород призмы упора. Создаваемый на поверхности отвала новый слой породы может послужить экраном для снижения интенсивности таяния снега в отвале и будет способствовать уменьшению скорости его деформации.
На данный способ отвалообразования подготовлена заявка на предполагаемое изобретение. Применение способа позволит предотвратить оползания и обрушения отвалов не только в условиях нагорных, но и нагорно-равнинных карьеров, поскольку исключается главная причина их образования - перенасыщение тела отвала водой и накопления ее во времени.
1бе ш^ашее айшёеб хоааёш появляется возможность применения комбинированного способа отсыпки и засыпки вскрышными породами долинной части нагорного рельефа. Для этого целесообразно использовать механизм создания временных отвалов-самотранспортирования пород по склону по типу отвалов № 8-10, 26, успешно эксплуатировавшихся длительное время на карьере рудника «Центральный» ОАО «Апатит». Управляемое деформирование отвала обеспечивается созданием в его основании зоны пород с нулевой изотермой. При этом снижение скорости деформирования отвала на пологой части происходит плавно до минимальных значений.
При сравнении вариантов для описанных выше случаев и определении величины стока с поверхности откосов Сп может быть использована зависимость вида
Сп = Р1•S
где Р1 - коэффициент пропорциональности;
S - поверхность откоса отвала.
Для укрупненных оценок величина поверхности отвала может быть определена по формуле для усеченного конуса или эллипсоида с углом откоса 36-37° или моделям из комбинированных фигур усеченного конуса, эллипсоида, призмы или параллелепипеда.
При невысоких отвалах, и когда их количество по сравнению с основным при одинаковом суммарном объеме составляет пк > 5-6, боковая поверхность малых отвалов уве-
личивается в 2-3 раза и более, а при деформациях и обрушениях - в 4-5 раз и более. Соответственно возрастает и величина стока загрязненных вод с поверхностей отвалов. В связи с этим повышения эффективности отвалообразования с учетом эколого-экономического критерия можно добиться формированием высоких устойчивых отвалов и снижением суммарного стока загрязненных вод с их поверхности, а также исключением оползней и обрушением отвалов со склонов, загрязняющих площади, превышающие их проектные значения в десятки раз.
Из приведенного видно, что эффективного отвалообразова-ния в условиях равнинно-нагорных карьеров можно добиться применением комбинированных методов и способов отсыпки
пород в отвалы. Они учитывают как способы доставки пород из карьера на отвалы, способы их формирования и поддержания в устойчивом состоянии, так и соблюдение экономикоэкологического критерия безопасного отвалообразования. В последнем случае предлагается учитывать не только сохранение окружающей среды в период разработки месторождения, но и в последующий период разработки техногенных месторождений из заскладированных пород в отвалах. А при их значительной удаленности от пунктов переработки будет иметь место дополнительный ущерб окружающей среде от загрязнения территории и прямой ущерб при увеличении объема грузопотоков строительных горных пород и потоков «вскрыши».
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ржевский В.В., Анистратов Ю.И., Ильин СА. Открытые горные работы в сложных условиях. М.: Недра, 1964. - 294 с.
2. Геомеханика отвальных работ на карьерах / П.Н. Панюков,
В.В. Ржевский, В.В. Истомин,
А.М. Гальперин. М.: Недра, 1972. - 184 с.
3. Попов С.И., Габитов Р.М. Управление горнотехническими параметрами отвалов / Горн. журн. - 1988. № 2. - С. 25-27.
4. Демин АМ. Развитие технологии отва-лообразования на карьерах // Горный журнал. -1998. № 2. - С. 20-23.2.
5. Еремин ГМ. Эффективные способы
размещения отвалов на горных склонах в условиях Севера // Горный журнал. - 2001.
- № 7.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Еремин Г.М. — кандидат технических наук, Горный институт Кольского научного центра РАН.
