CC BY
23ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОГРАЖДАЮЩЕЙ ДАМБЫ ХВОСТОХРАНИЛИЩА ПРИ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Лолаев Алан Батразович,
Доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО Северо-Кавказского
горно-металлургического института (Государственного технологического университета), г. Владикавказ;
Главный научный сотрудник Владикавказского научного центра
Российской академии наук Бадоев Александр Сергеевич Инженер-исследователь Научно-образовательного центра «Геоинжиниринг» ФГБОУ ВО Северо-Кавказского горно-металлургического института (Государственного технологического университета), г. Владикавказ; Научный сотрудник Владикавказского научного
центра Российской академии наук Оганесян Эмил Хачатурович,
ФГБОУ ВО Северо-Кавказского горно-металлургического института (Государственного технологического университета), г. Владикавказ
Кацанов Азамат Заурбекович Магистрант ФГБОУ ВО Северо-Кавказского горно-металлургического института (Государственного технологического университета),
г. Владикавказ
Аннотация
Разработаны и обоснованы методы, обеспечивающие устойчивость ограждающей дамбы при строительстве гидротехнических сооружений (хвостохранилищ), установлены границы технологических параметров устойчивости.
Abstract: The methods that ensure the stability of the dam during the construction of hydraulic structures (tailings) are developed and substantiated, the limits of the technological parameters of stability are established.
Ключевые слова: хвостохранилище, устойчивость, хвосты, технологические параметры.
Keywords: tailing, stability, tails, technological parameters.
Для обеспечения процесса расчетного сопровождения прогноза безопасности и устойчивости хвостохранилищ в эксплуатационном режиме необходимо моделирование различных ситуаций, которые могут возникнуть на хвостохранилище в процессе его эксплуатации: изменение заложения низового откоса и параметров пляжа, изменение физико-механических свойств хвостов, увеличение высоты сооружения и т.д.
За последние годы накоплен значительный опыт эксплуатации сооружений хранилищ и возведения плотин и дамб, намываемых из отходов производства и отсыпаемых из вскрышных пород, и соответственно разработано большое количество правил, инструкций, рекомендаций и т.п. [1]
Наращивание высоты первоначальной насыпной дамбы производится путем намыва хвостов, при котором наиболее крупные частицы осаждаются из пульпы в начале пляжа, а затем более мелкие и в последнюю очередь самые тонкие.
В связи с этим проблема формирования и безопасной эксплуатации хвостохранилищ является весьма актуальной и требует разработки и реализации мероприятий по повышению их устойчивости.
В пределах изучаемого объекта можно выделить области, для исследования которых целесообразно применить разные способы моделирования [2]. Такие сочетания принято называть «гибридным моделированием».
Теория принятия решений различает три возможные ситуации выбора решения и для решения в условиях риска и в условиях неопределенности положений был применен комплекс экспериментальных исследований, обоснована нечеткая природа инженерно-геологических условий и разработан алгоритм построения прогностических моделей.
Для построения базовой расчетной схемы было выбрано сечение на ПК-28 ограждающей дамбы хвостохранилища «Лебяжье» ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель», являющееся наиболее характерным и представляющее наиболее уязвимую зону для аварии. Для прогнозирования устойчивости ограждающей дамбы были выбраны шесть факторов в виде входных лингвистических переменных, наиболее информативных об изучаемом процессе:
Х1 - функция угла откоса дамбы, градус;
Х2 - функция высоты дамбы, м;
Хз - функция гранулометрического состава грунтов, мм;
Х4 - функция температурного состояния тела дамбы, С°;
Х5 - функция давления подземных грунтовых вод, МПа;
Хб - функция ширины пляжа, м.
В качестве зависимой переменной У выбрано значение коэффициента устойчивости.
Далее была сформирована матрица опроса в виде полного факторного эксперимента типа 2П+1 где п - количество входных лингвистических переменных [3, 4], представленная в форме крайних значений входных лингвистических переменных. Обработка результатов опроса проводилась в кодированном виде.
Результирующее уравнение в кодированном виде имеет вид:
У = 1,38-0,11Х -0,05Х + 0,04Х + 0,08Х -0,06Х5 + 0,03Х6 -
- 0,03ХХ + 0,02ХХ - 0,02ХХ + 0,02ХХ + 0,02ХХ - (1)
- 0,02ХХ + 0,03ХХ + 0,02ХХХ - 0,02ХХХ + 0,02ХХХ
где У - значение коэффициента устойчивости
Для построения базовой расчетной схемы было выбрано сечение на ограждающей дамбы, являющееся наиболее характерным и представляющее наиболее уязвимую зону для аварии.
Коэффициент запаса устойчивости составил:
куст = 1,48 (2)
Это свидетельствует об устойчивости сооружения в соответствии с нормами, предъявляемыми к сооружениям такого класса (Таблица 1).
Здесь необходимо отметить, что сооружения типа хвостохранилища относятся ко второму классу опасности и минимальный коэффициент устойчивости составляет [5]:
(3)
Таблица 1
к = 12
куст 1,2
Сочетания нагрузок и воздействий Класс капитальности
I II III IV
Основные
Выше допустимого >1,3 >1,2 >1,15 >1,1
Допустимый 1,3-1,25 1,2-1,15 1,15-1,1 1,1-1,05
Недопустимый <1,25 <1,15 <1,1 <1,05
Особые
Выше допустимого >1,1 >1,1 >1,05 >1,05
Допустимый 1,1-1,05 1,1-1,05 1,05 1,05
Недопустимый <1,05 <1,05 <1,05 <1,05
Для оценки корректности определения коэффициента устойчивости ограждающей дамбы по предложенной модели, была проведена также оценка устойчивости ограждающей дамбы хвостохранилища с применением теории математического планирования эксперимента, для которой независимыми входными переменными X, выбраны те же 6 основных факторов.
В итоге получена математическая модель вида:
куст= 1,55 - 0,217X7- 2,129 ■ 10"3Х+ 0,042Хз- 6,172 10"3Х-
- 0,046X5+ 8,169 10-4 Хб (4)
По уравнению (4) был проведен расчет коэффициента устойчивости для того же створа дабы (ПК - 28) и он составил:
куст = 1,54 (5)
После намыва хвостов высотой слоя на 0,5 м, что обусловлено сроками технологического отдыха, на участках где по результатам расчетов были получены неудовлетворительные коэффициенты устойчивости для разных участков: 1,05; 1,00; 1,02; 1,14, было произведено вторичное обвалование хвостов пляжной зоны на расстоянии до 5 м с применением экскаваторов [6].
Дополнительная дамба обвалования в свою очередь приводит к:
• изменению геометрических параметров дамбы с увеличением размеров дамбы по верху, а исследования показали существенное влияние конструктивных параметров на безопасность сооружения и на риск аварии;
• ускорению процессов консолидации намытых хвостов и естественному улучшению основания для применения последующей технологии уплотнения тела дамбы и пляжной зоны.
Принципиальная схема создания дамбы вторичного обвалования с помощью экскаватора показана на рисунке 3.
Рисунок 3 Принципиальная схема устройства дамбы вторичного обвалования из намытых хвостов
Оценка устойчивости ограждающей дамбы хвостохранилища с применением теории математического планирования эксперимента.
Независимыми входными переменными X, были выбраны те же 6 основных факторов определенных позволяющих определить регрессионные зависимости факторов, влияющих на объект.
Фильтрующая призма
[I — = 1 — ^ Ч- — — 4= • 1 ^ ц_еч_0 --1--1т- 1- 1 " " 1 л Т г~ у " — 1
^ 1 1 > / /
В= — т ¿-А = = р у [|_Л _И ,| и ¡Л 'V X / Л V _ *
|>--- 4= *В= — — р О—Р! _о , --1-- : * ]| и Г" г ¿1 Г" Г"
Ограждающая дамба
Рисунок 2 Схема уплотнения хвостов пляжной зоны. 1 - след, перекрываемый катком; 2 - каток.
Результаты полученных данных сравнивались с результатами базового варианта расчета устойчивости и оценки риска сооружения. Они показывают динамику изменения свойств грунтов, что сказывается на показатель устойчивости и риска, доказывая правомерность применения технологии управления риском сооружения при его возведении (Таблица 2).
Таблица 2
Сравнительные результаты расчета устойчивости участков огражда-
ющей дамбы хвостохранилища.
Значение куст, до применения технологий Значение куст, после применения технологий
1,05 1,25
1,00 1,26
1,02 1,31
1,14 1,41
Таким образом, технологии управления риском определенные лабораторными экспериментами нашли подтверждение на натурных экспериментах и показали действенность исследований.
Список литературы
1. Аксенов С.Г., Жабовский В.П. Проблемы безопасности накопителей промстоков (хвостохранилищ, шламохранилищ и гидроотвалов) промышленных предприятий и пути повышения их устойчивой работы. Четвертый международный симпозиум «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» / ВНИИ ВИОГЕМ. - Белгород: 1997. - С.127 - 132.
2. Бутюгин В.В., Шкода В.С. Роль гибридного моделирования в разработке технологий строительства намывных гидротехнических сооружений. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции / Норильский индустриальный ин-т. - Норильск, 2000. - С. 123 - 124.
3. Гвоздик А.А. Решение нечетких уравнений // Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. - 1984. - № 5. - С. 176 - 183.
4. Заде Л.А. Понятие лингвистической переменной и ее приложение к принятию приближенных решений. - М.: Мир, 1976. - 165 с.
5. СП 58.13330.2012: Гидротехнические сооружения. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 33-01-2003 (с Изменением N 1)
6. Lolaev A.B., Sumin M.N., Oganesian E.Kh., Akopov B.P. Geotechnical modeling and numerical analysis of the tailing dam stability in the permafrost region: Proceedings of the 2-nd International Conference "Geotechnics for Sustainable Development". - Hanoi, VIETNAM. - 2013
