CC BY
57
© Б.А. Борзаковский, М.И. Русаков, А.В. Шилов, 2016
Б.А. Борзаковский, М.И. Русаков, А.В. Шилов
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТУБОВ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ГЛИНИСТО-СОЛЕВЫХ ШЛАМОВ НА КАЛИЙНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
При производстве хлористого калия на калийных рудоуправлениях ПАО «Уралкалий» после переработки калийной руды образуются глинисто-солевые шламы, которые в виде шламовой пульпы размещают в шламохранилищах, подмешивают в пульпу солеотходов и размещают в специальные выработки, проходимые в подстилающей каменной соли. Площади существующих шламохрани-лищ ограничены, их расширение требует капитальных вложений, а строительство новых негативно воздействует на окружающую среду. На зарубежных предприятиях все большее применение получает размещение шламов различного происхождения в геотубах. Геотубы на калийных предприятиях могут быть использованы для размещения глинисто-солевых шламов в шахтных условиях в отработанных очистных камерах и для увеличения емкости существующих поверхностных шламохранилищ. Институтом ОАО «Галургия» на базе рудоуправлений ПАО «Уралкалий» проведены опытные испытания по размещению глинисто-солевого шлама в геотубы в шахтных условиях и на шламохранилище. Результаты испытаний положительные. В результате обезвоживания при начальной плотности шламовой пульпы 1,33 т/м3 в геотубах достигнута плотность осадка твердых частиц шлама до 1,8 т/м3. Размещение шлама в геотубах в шахтных условиях на руднике БКПРУ-4 может составить до 15% от количества образующихся шламов. Увеличение емкости существующих шламохранилиц за счет наращивания высоты дамб при помощи геотубов составляет до 10%. Рассмотренные технологии применения геотубов позволяют организовать добычу и переработку калийной руды без строительства новых наземных шламохранилищ до конца срока службы рудоуправлений. Ключевые слова: калийный рудник, глинисто-солевой шлам, отработанные камеры, шламохранилище, геотуб, обезвоживание.
В настоящее время технологии с использованием геотубов широко используют для складирования шламовых и мелкодисперсных отходов, укрепления берегов, обезвоживания отходов бурения [1, 2]. Принцип работы геотубов обусловлен
статическим обезвоживанием, при котором твердые частицы оседают внутри геотуба, а жидкая часть фильтруется через его поверхность.
Геотуб представляет собой фильтровальный мешок, сшитый из геотекстиля с большим разрывным усилием (до 200 кН/м). Длина и периметр геотубов различны и определяются их назначением. Так, геотубы, используемые для укрепления берегов, имеют длину до 150 м. Для заполнения в геотубе имеется несколько отверстий с рукавами, в которые вводятся трубы, по которым подаются суспензии.
В процессе производства хлористого калия на калийных рудоуправлениях ПАО «Уралкалий» после переработки калийной руды образуются глинисто-солевые шламы. Глинисто-солевые шламы в виде шламовой пульпы размещают в шламох-ранилищах, подмешивают в пульпу солеотходов и размещают в специальные выработки, проходимые в подстилающей каменной соли. Площади существующих шламохранилищ ограничены, их расширение требует серьезных капитальных вложений, а строительство новых создает негативное техногенное воздействие на окружающую среду.
Одним из направлений применения геотубов на калийных предприятиях может быть их использование для размещения глинисто-солевых шламов в шахтных условиях в отработанных очистных камерах, другим — их использование для увеличения емкости существующих поверхностных шламохранилищ.
Глинисто-солевые шламы являются отходами обогащения калийной руды и представляют собой суспензию, состоящую из твердых глинистых частиц и рассола. В суспензии массовое отношение жидкого к твердому 2—3:1.
Технология размещения шлама в геотубы заключается в том, что мешок заполняют шламом, отфильтровавшийся рассол удаляют, мешок вновь заполняют, циклы заполнения-фильтрации продолжают до полного заполнения геотуба осадком шлама. Большая поверхность фильтрации геотуба создает условия для получения осадка со сравнительно небольшой влажностью.
Для оценки возможности использования геотубов в процессе обезвоживания шлама калийных рудников проведены пилотные испытания фильтрации осветленного рассола из фильтровального мешка, сшитого из полипропилена марки РР 105/105. В мешок подавали сгущенный шлам плотностью 1,45— 1,50 т/м3. Емкость фильтровального мешка составляла 65 л.
Шлам подавали несколько раз. Общий объем поданного шлама 240 л. Время между подачами шлама 1—7 суток. В результате эксперимента получен массив осадка шлама, имеющий разную плотность по высоте: в верхней части — 1,77 т/м3, в нижней — от 1,8 до 1,9 т/м3. Средняя скорость фильтрации 0,032 м3/м2 • сут.
После положительных лабораторных испытаний по размещению шлама в фильтровальный мешок, изготовленный из такого же материала, что и геотуб, были проведены опытно-промышленные испытания размещения шлама в шахтных условиях и на земной поверхности.
На одном из рудников ПАО «Уралкалий» проведены опытные испытания размещения шлама в геотуб в шахтных условиях. Геотуб длиной 50 м с периметром оболочки 8 м разместили в выработке на пласте каменная соль. Геотуб заполняли шламовой пульпой средней плотностью 1,30 т/м3. Часовая подача составляла 26—46 м3/ч. Всего в геотуб за 9 циклов подали 867 м3 шламовой пульпы. Плотность осадка по высоте геотуба переменна. Максимальная плотность зафиксирована в нижней части 1,87 т/м3, минимальная — в верхней части 1,65 т/м3, средневзвешенная плотность составила 1,69 т/м3. Через 9 месяцев после испытаний средняя плотность осадка шлама возросла до 1,78 т/м3. Удельная скорость фильтрации определена с учетом объемов и площади фильтрации и составляет от 0,044 до 0,095 м3/м2 • сут.
Результаты опытно-промышленных испытаний размещения шлама в геотуб, расположенный на шламохранилище, заключаются в следующем. Испытания размещения шлама проводи-
Рис. 1. Геотуб на шламохранилище СКРУ-1
ли в геотуб с периметром оболочки 10 м, длиной 50 м. Геотуб разместили в резервной карте шламохранилища СКРУ-1 ПАО «Уралкалий» (рис. 1). В геотуб подавали шлам, направляемый в шламохранилище. Средняя плотность подаваемой шламовой пульпы составляла 1,22 т/м3. Шламовую пульпу подавали через два патрубка.
Первое заполнение геотуба шламовой пульпой произведено за 4 часа. Производительность подачи 30—40 м3/ч. Шлам подавали циклами через 1—2 суток. По производственным причинам был 20-дневный перерыв в подаче шлама. После чего было произведено еще две подачи. Спустя неделю после последней подачи плотность осадка составила на глубине 0,3 м от поверхности геотуба 1,657 т/м3, на глубине 0,7 м — 1,678 т/м3. В таком состоянии подачу шлама прекратили из-за наступления зимы.
После зимовки средняя высота геотуба составила 0,4 м, средняя плотность 1,837 т/м3. В теплое время года провели три повторных подачи шлама, причем объем подач постоянно уменьшался (происходило выливание шлама из предохранительного стояка). После трех подач высота геотуба увеличилась только на 0,1 м. Невозможность заполнения геотуба на проектную высоту (1,1—1,2 м) вызвана тем, что давление, возникающее при подаче шлама в геотуб, оказалось недостаточным для деформации осадка шлама. Из этого следует, что для эффективного использования объема геотуба, подачу в него шлама следует производить, не допуская больших перерывов.
При заполнении геотуба определены коэффициенты фильтрации рассола через осадок шлама плотностью 1,60 т/м3 и 1,85 т/м3, которые соответственно составляют 20,0 и 2,5 мм/сутки.
Положительные результаты опытных испытаний явились предпосылками для разработки технологии размещения шла-мов в геотубы в промышленных условиях. Для этой цели разработана технологическая схема и определены параметры размещения шлама в геотубы в руднике БКПРУ-4, имеющем подземный шламовый комплекс.
В районе ствола к шламопроводу, транспортирующему шламовую пульпу в шламовые камеры, подсоединяют шламопро-вод, по которому транспортируют шлам до участка размещения геотубов. По блоковому штреку прокладывают шламопровод, от которого монтируют отводы в несколько камер, где расположены геотубы. Геотубы размещают в камеры, наклон которых не превышает 1,0 град. В зависимости от наклона и профиля камеры в ней размещают один или два геотуба. В случае размещения
Рис. 2. Технологическая схема подачи шлама в геотуб: 1 — основной шла-мопровод; 2 — шламопровод-рассолопровод; 3 — геотуб; 4 — насос для откачки рассола из камер; 5 — насос участкового рассолосборника; 6 — рассольный бак; 7 — насос для промывки и откачки рассола в центральный рассолосборник; 8 — мерные рейки
в камере двух геотубов вначале производят заполнение геотуба расположенного выше, а затем нижнего. Для хорошей фильтрации рассолов геотубы располагают в верхней части камер.
Для обеспечения непрерывной подачи шлама количество подсоединенных к шламопроводу геотубов должно составлять не менее 10 штук. По мере заполнения геотубов осадком шлама к шламопроводу подсоединяют следующие геотубы. Отфильтрованный рассол скапливается в нижней части камер, откуда его откачивают насосом в рассолопровод. Из рассолопровода рассол поступает в участковый рассолосборник, который располагают в нижней части участка. Из участкового рассолосбор-ника рассол откачивают в бак объемом не менее 120 м3, установленный у ствола, и далее — в центральный рассолосборник.
Технологическая схема размещения шлама в геотубы показана на рис. 2.
К параметрам технологии размещения шлама в геотубы относятся геометрические параметры геотубов, параметры заполнения геотубов, режим работы и производительность, параметры удаления рассола.
Параметры геотуба, размещаемого в камеры, определены с учетом следующих условий. Высота заполненного геотуба принята по результатам опытных испытаний и составляет 1,4 м. По условиям применения перепад высот по длине геотуба не
должен превышать 1 м, что при длине геотуба 50 м соответствует наклону 1,14 град.
Периметр оболочки геотуба должен определяться по условию достижения максимальной площади сечения, которая получается, в случае если ширина сечения равна ширине камеры. С учетом этих условий периметр геотуба Ргео, м, составляет:
Ргео = 2 -(bK -híeo) + п-Кео, (1)
где Ьк — ширина камеры, м; hveo — высота геотуба при заполнении шламом, м.
Параметрами заполнения геотуба являются: масса твердых частиц шлама; объем шламовой пульпы, подаваемой в геотуб для его заполнения осадком шлама; объем рассола, фильтрующегося из геотуба в процессе его заполнения; объем рассола, фильтрующегося из геотуба в процессе усадки осадка шлама.
Масса твердых частиц шлама в геотубе Qvm, т, определяется по формуле:
Q = Рж0 - Рр - р -V , (2)
^ гео гт.ш гео
Рт.ш Р
т.ш
Р
3. ,
где рос ш — плотность осадка шлама в геотубе, т/м3; рр — плотность рассола, т/м3; ртш — плотность твердых частиц шлама, т/м3; V — объем геотуба, м3.
гео ^ '
Объем шламовой пульпы, подаваемой в геотуб для его заполнения осадком шлама Vп, м3, определяется по формуле:
V = Оо , (3)
П
тш.п
где тшп — масса шламовых частиц в 1 м3 шламовой пульпы, подаваемой в геотуб, т.
Гш.п Рр
т =-— • р , (4)
ш.п гт.ш
Рт.ш Рр
где ршп — плотность шламовой пульпы подаваемой в геотуб, т/м3.
Объем рассола, фильтрующегося из геотуба в процессе его заполнения Vр, м3, определяется по формуле:
V = V - V (5)
р п гео
Объем рассола, фильтрующегося из геотуба в процессе усадки осадка шлама АVф, м3, определяется по формуле:
= Vгео - V/ , (6)
Рис. 3. Расположение геотуба на дамбе шламохранилища
где V — конечный объем осадка в геотубе, м3.
V/ = V ос'ш р (7)
гео гео
Рк.ос Рр
где ркос — плотность осадка шлама после усадки, т/м3.
При росш = 1,69 т/м3, р = 1,23 т/м3, ртш = 2,41 т/м3, ршп = 1,33 т/м3, ркос = 1,78 т/м3 масса твердых "частиц шлама в геотубе объемом Угео = 300 м3 составит 284 т, объем шламовой пульпы, подаваемой в геотуб, составит 1379 м3, объем рассола, фильтрующегося из геотуба в процессе его заполнения, составит 1079 м3, объем рассола, фильтрующегося из геотуба в процессе усадки осадка шлама, составит 250 м3.
При опытных работах подача шламовой пульпы в геотуб составляла 50 м3/ч. При годовом фонде рабочего времени шламового комплекса 7200 ч возможная годовая подача шламовой пульпы составит 360 тыс. м3 или 74 тыс. т твердых частиц шлама, что составляет около 15% образующегося на фабрике БКПРУ-4 шлама.
Реализация технологии размещения шлама в геотубах на руднике БКПРУ-4 позволит уменьшить объемы строительства подземных шламохранилищ, сократить объем закладки каменной соли и за счет этого позволит увеличить объем закладки со-леотходов.
Идея использования геотубов для увеличения емкости существующих поверхностных шламохранилищ заключается в том, что по контуру земляной дамбы укладывают геотубы, заполняют их шламом, в результате этого кроме шлама, размещенного в геотубах, образуется дополнительная емкость, в которую размещают шламы по обычной технологии. Это позволит продлить срок эксплуатации существующего шламохранилища.
Геотубы на шламохранилище размещают после его заполнения осадком шлама на проектную высоту. Перед укладкой геотуба демонтируют шламопровод и временно относят его на противоположную сторону. Производят отсыпку упорного вала из песка или суглинка. После этого размещают геотубы на откосе дамбы с выходом его на 1 м ширины дамбы. Схема размещения геотуба приведена на рис. 3. На дамбе геотуб закрепляют с помощью ремней, пришитых к геотубу.
Геотубы укладывают с небольшим нахлестом около 1 м, что обеспечивает их контакт между собой после их заполнения осадком шлама. Стык между геотубами дополнительно уплотняют глинисто-цементным раствором. Глинисто-цементный раствор удерживают полосой из геотекстиля, укладываемого в месте стыка геотубов, а затем сшитого. В качестве геотекстиля используют такой же материал, из которого изготовлен геотуб, или равнозначный по прочности другой материал. Глино-це-ментный раствор вносят после заполнения геотубов и достижения осадком шлама конечной плотности.
После укладки геотубов монтируют распределительный трубопровод с задвижками напротив каждого геотуба. К задвижкам монтируют резиновые шланги, вставляют их в рукава геотуба и закрепляют хомутами.
После заделки стыков дополнительный объем шлама размещают в шламохранилище.
Масса шлама дополнительно размещаемого в шламохранилище Мдопосн, т, определена по формуле:
Мдоп.осн = $ос.д • Кд • тос.д , (8)
где S — площадь шламохранилища при дополнительном раз-
ос.д 2 1 мещении шлама, м, яд — высота дополнительно размещаемого слоя шлама, м. Высоту размещения принимаем примерно равной высоте геотуба при конечной плотности осадка; mосд — масса твердых частиц шлама в 1 м3 осадка дополнительно размещаемого шлама, т/м3.
Рос.д Рр
тос.д = --Р • Рт.ш , (9)
Рт.ш Рр
где рос д — плотность осадка дополнительно размещаемого шлама, т/м3.
Значение плотности осадка дополнительно размещаемого шлама принято равным плотности поверхностного слоя осадка шлама в основной карте шламохранилища.
При росд = 1,75 т/м3, р = 1,23 т/м3, ртш = 2,41 т/м3, масса твердых частиц шлама в 1м® осадка дополнительно размещаемого шлама составит 1,07 т/м3, масса шлама, дополнительно размещаемого в шламохранилище, 109 тыс. т, что увеличивает емкость существующего шламохранилища ориентировочно на 10%.
Общая масса твердых частиц шлама, размещаемого в шла-мохранилище при использовании геотубов, определяется суммированием массы шлама дополнительно размещаемого в шламохранилище и массы шлама, размещаемого в геотубы.
Таким образом, использование геотубов для увеличения емкости существующих шламохранилищ позволяет продлить срок их эксплуатации без серьезных капитальных вложений.
Рассмотренные технологии применения геотубов позволяют организовать добычу и переработку калийной руды без строительства новых наземных шламохранилищ до конца срока службы рудоуправлений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ермолаев С.В., Ярыгина А.А. Использование геотекстильных контейнеров для обезвоживания и складирования отходов // Экология производства. — 2010. — № 5.
2. Рублевская О.Н., Краснопеев А.Л. Опыт внедрения современных технологий и методов обработки осадка сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. — 2011. — № 4. — С. 65—69. ^^
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Борзаковский Борис Александрович — кандидат технических наук, главный научный сотрудник, e-mail: Rusakov.Mihail@gallurgy.ru, Русаков Михаил Ильич — заведующий лабораторией, e-mail: Rusakov.Mihail@gallurgy.ru, Шилов Александр Владимирович — ведущий инженер, e-mail: Shilov.Aleksandr@gallurgy.ru, Научно-исследовательская лаборатория технологии закладочных работ ОАО «Галургия», 614002, Пермь.
B.A. Borzakovskii, M.I. Rusakov, A.V. Shilov PROSPECTS FOR APPLICATION OF GEOTUBES FOR DISPOSAL OF CLAY-SALT SLUDGE IN POTASH PLANTS
In potash mines of «Uralkali» PJSC by the production process of potash chloride clay-salt sludge is formed after potash ore processing. Clay-salt sludge in the form of sludge pulp is located in sludge dumps, is admixed into salt waste pulp and is disposed in special mine workings driven in underlying rock salt. Areas of the current sludge dumps are limited, their expansion needs heavy investment, and construction of new ones creates negative man-made
UDC 622.273.2
impact on the environment. In recent years disposal of sludge of different origin in geotubes becomes more popular in foreign plants. One of the options for geotubes application in potash mines can be their utilization for disposal of clay-salt sludge in mine conditions in mined out stopes, another one - their utilization for increasing capacity of the current surface sludge dumps. The «Galurgia» institute based on «Uralkali» PJSC mines has performed experimental tests on disposal of clay-salt sludge in geotubes. The tests have been carried out in mine conditions and in sludge dump. Results of the tests are positive. As a result of dewatering at initial density of sludge pulp 1.33 t/m3 in geotubes the density of settlings of sludge solids has reached up to 1.8 t/m3. Sludge disposal in geotubes in mine conditions in Berezniki 4 mine can account for up to 15% of the formed sludge volume. Increase of capacity of the current sludge dumps due to expansion of dam height using geotubes makes up to 10%. Considered process of geotube application enables to perform extraction and processing of potash ore without construction of new ground sludge dumps until the end of mine life.
Key words: potash mine, clay-salt sludge, mined out chambers, sludge dump, geotube, dewatering.
AUTHORS
Borzakovskiy B.A.1, Candidate of Technical Science, Chief Researcher, e-mail: Rusakov.Mihail@gallurgy.ru,
Rusakov M.I.1, Head of Laboratory, e-mail: Rusakov.Mihail@gallurgy.ru, Shilov A.V.1, Lead Engineer, e-mail: Shilov.Aleksandr@gallurgy.ru, 1 Research Laboratory on Backfill Operations Process of «Galurgia» OJSC, 614002, Perm, Russia.
REFERENCES
1. Ermolaev S.V., Yarygina A.A. Ekologiyaproizvodstva. 2010, no 5.
2. Rublevskaya O.N., Krasnopeev A.L. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika. 2011, no 4, pp. 65-69. _^
I НОВИНКИ ИЗДАТЕЛЬСТВА «ГОРНАЯ КНИГА»
ГОРНЫЙ
ИНФОРМАЦИОННО
•юяпгтжнъ
IMiNINt» WronMMIONAl Л WO
lUUlT'N
Горный информационно-аналитический бюллетень. Специальный выпуск № 30. Геомеханические и геотехнологические проблемы освоения недр Севера
Год: 2015 Страниц: 446 ISBN: 0236-1493 UDK: 622
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ И ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ НЕДРСЕВЕРА
В сборнике представлены результаты исследований в области повышения эффективности техники и технологии открытой и подземной добычи, обогащения и глубокой переработки минерального сырья. Рассмотрены актуальные вопросы механики материалов и конструкций, геофизики, геомеханики, рудничной аэрогазодинамики и горной теплофизики при разработке месторождений, в том числе области многолетней мерзлоты. Уделено внимание мировым и российским тенденциям развития производства и потребления минеральных ресурсов, а также экономическим и экологическим аспектам освоения месторождений твердых полезных ископаемых Северных и Северо-Восточных регионов России.
