Использование эффекта сегрегации техногенных отходов для решения эколого-технических задач горного производства

Актуальность работы. Гигантские объемы техногенных образований, накопленных в горнодобывающих провинциях являются неисчерпаемым источником строительных грунтовых материалов. Вместе с тем механические и деформационные свойства этих образований остаются практически не изученными, хотя они существенно отличаются от свойств грунтов естественного происхождения. Эти различия обусловлены разнообразием технологий переработки и складирования вскрышных пород, не имеющих аналогов среди пород природного генезиса. Применительно к несвязным грунтам различие в свойствах техногенных образований проявляется, прежде всего в зональности их сложения. При этом различия в показателях этих образований определяются, прежде всего, степенью сортировки слагающих грунт обломков по крупности и прочности, т. е. так называемой сегрегацией. Хотя понятие сегрегации для горной массы, отсыпаемой в отвалы и насыпи описано в технической литературе более 30 лет назад, описание механизма этого явления отсутствует. Вместе с тем знание закономерностей изменения таких показателей как гранулометрический состав, пористость и коэффициент фильтрации техногенных образований по всей толще отвальных ярусов, упорных насыпей ограждающих дамб и т. п. крайне необходимо для решения большинства технологических и природоохранных задач, связанных с их использованием в народном хозяйстве. Определение вышеперечисленных показателей в натурных условиях, как правило невозможно или требует уникального оборудования. Таким образом теоретическое обоснование механизма сегрегации горной массы, отсыпаемой в отвалы, базирующегося на учете ее исходного гранулометрического состава и технологии складирования и обеспечивающем возможность расчета крупности и неоднородности обломков в любой зоне дамб и насыпей следует считать актуальной задачей исследований.

Цель исследований. Разработка метода расчета параметров сегрегации горной массы, отсыпаемой в отвалы, насыпи и дамбы, обеспечивающего получение надежных данных по ее гранулометрическому составу и пористости с учетом технологии и режима складирования.

Основная идея работы заключается в том, что сегрегация горной массы реализуется только при перемещении обломков по откосу за счет качения, при их скольжении сегрегация невозможна.

Научные положения:

1. Предлагаемый алгоритм расчета позволяет определить крупность и неоднородность обломков слагающих любую зону отвала, по заданной технологии отсыпки и исходному гранулометрическому составу горной массы.

2. Использование разработанных формул для определения крупности, однородности обломков и линейного коэффициента трения качения обеспечивает повышение надежности расчета конструктивных элементов камнеулавливающих сооружений, каменно-набросных плотин и насыпей специального назначения.

3. Управление процессом сегрегации позволяет разработать рекомендации по снижению негативного воздействия техногенных образований на качество подземных и поверхностных вод и подтопление территорий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сопоставлением результатов теоретических расчетов с данными экспериментальных исследований по скоростям движения обломков по откосам отвальных ярусов, распределению обломков по крупности на откосах и данными физического моделирования.

Научная новизна работы заключается в том, что по ходу ее выполнения:

1. Обоснован механизм гравитационной сегрегации горной массы как результат проявления более высоких скоростей качения крупных изометричных обломков по сравнению с более мелкими и неизометричными, перемещающимися за счет скольжения по откосу.

2. Дано физическое обоснование коэффициента формы обломков как второго по важности фактора, определяющего эффект сегрегации.

3. Установлены корреляционные зависимости между средним размером (с^-о) коэффициентами неоднородности (Кн) и изометричности (Ки) обломков, слагающих рассматриваемую зону отвала с исходным гранулометрическим составом горной массы и технологией ее складирования.

Практическая значимость работы:

1. Разработанная методика расчета с^о и Кн горной массы по высоте отвала обеспечивает возможность определения ее пористости (п) и угла сопротивления сдвигу (ср).

2. Предложены формулы для расчета скорости качения обломков позволяющие определить силу удара о преграду с учетом их формы и размера и повысить точность расчета конструктивных элементов камнеулавливающих сооружений.

3. Обеспечен надежный прогноз изменения крупности, пористости и показателей сопротивления сдвигу горной массы по высоте отвала, что гарантирует выбор оптимальной технологии отсыпки насыпей и ограждающих дамб на склонах и участках, где основание сложено грунтами с низкой несущей способностью.

4. Знание закономерностей изменения гранулометрического состава исходных материалов при использовании различных технологий их складирования позволяет формировать переходные слои и противофильтрационные экраны с заданными характеристиками.

5. Разработаны принципиальные схемы складирования техногенных отходов и горной массы, позволяющие отсыпать их в высокие отвалы независимо от несущей способности грунтов основания, обеспечивать свободный пропуск малых рек и ручьев через тело отвалов и свести к минимуму вынос токсикантов из законсервированных техногенных объектов.

Личный вклад автора состоит в уточнении математического описания процесса качения обломков по склону, проектировании и изготовлении лабораторного стенда, выполнении исследований процесса сегрегации на физических моделях и натурных объектах, статистической обработке результатов исследований, выводе уравнений множественной корреляции и разработке принципиальных схем складирования техногенных отходов и отсыпки дамб специального назначения с учетом природоохранных требований.

Методы исследований включают: анализ материалов предыдущих исследований, теоретические расчеты, исследования на физических и статистических моделях и натурные эксперименты, а так же метод множественной корреляции.

Объектом исследований являются отвалы крупнейших ГОКов России (Ковдорский, Костомукшинский), а так же завода «Магнезит» и ОАО «Бор», на которых горная масса была представлена породами различного литологического состава и крупности, а высота отвальных ярусов изменялась в пределах от 30 до 300 м.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований использовались при разработке рекомендаций по стабилизации отвала № 8 ОАО «Бор» и технологии его дальнейшей отсыпки единым ярусом высотой до 170 м.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция «Проблемы инженерной геологии», Санкт-Петербург 1997 г.

2. Семинар «Вопросы инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий в Уральском регионе», Екатеринбург 1997 г.

3. Областной конкурс научно-исследовательских работ студентов вузов, Екатеринбург 1997 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 112 страницах машинописного текста, включая 24 таблицы, 32 рисунка и списка использованных источников из 58 наименований.

Выводы по главе.

1. Проявление эффекта сегрегации при отсыпке отвалов из скальной горной массы обеспечивает сосредоточение в его нижней части наиболее крупных и прочных обломков, за счет чего угол внутреннего трения такого материала существенно выше угла наклона яруса (ая), поэтому независимо от его высоты (Ня) устойчивость такого отвала отсыпаемого на горизонтальное основание гарантированна.

2. При отсыпке отвалов из скальных пород на наклонное основание наиболее вероятный способ его деформирования — образование оползня по контакту отвал — основание за счет качения по последнему крупных глыб. Предлагаемый алгоритм расчета позволяет не только оценить устойчивость отвала на стадии его проектирования, но и предусмотреть оптимальный способ повышения коэффициента запаса.

3. При отсыпке отвалов на слабое основание, представленное заторфованными и пластичными грунтами, используя результаты расчетов по сегрегации складируемой горной массы можно подобрать такую высоту яруса или режим его отсыпки, при которой будет обеспечиваться опережающий отжим грунтов слабого слоя или формирование в нем жесткого каркаса из крупных скальных глыб.

4. Так как коэффициент фильтрации обломочных грунтов увеличивается пропорционально квадрату диаметра фильтрующих пор и общей пористости, то варьируя исходным гранулометрическим составом горной массы и высотой яруса насыпи) можно обеспечить свободное протекание воды мелких рек и ручьев без устройства специальных пропусков и связанных с их разрушением аварийных ситуаций.

5. Базируясь на использовании предлагаемого алгоритма расчета гранулометрического состава горной массы в теле отвала с учетом ее сегрегации можно уже на стадии проекта предусмотреть простейшие и дешевые мероприятия по защите окружающей среды от загрязнения токсикантами, содержащимися в складируемой вскрыше и некондиционных рудах и обеспечить неизменность их минерального состава на многие десятилетия для возможности их последующей переработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано решение актуальной задачи по разработке метода расчета параметров гранулометрического состава горной массы в отвальных ярусах с учетом изменения ее исходного состояния в процессе гравитационной сегрегации, что обеспечивает возможность эффективного решения ряда природоохранных задач при складировании и переработке техногенных отходов.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. На основе анализа энергетических переходов при движении горной массы, отсыпаемой в отвал, доказано что ее сегрегация возможна лишь при перемещении обломков качением.

2. Если горная масса состоит из изометричных обломков, то их распределение по крупности по высоте откоса яруса стремится к повторению кумулятивной кривой исходного гранулометрического состава, при этом степень приближения будет тем выше, чем форма обломков ближе к шарообразной.

3. Впервые установлены граничные соотношения размеров обломка, при которых его качение невозможно и найден критерий, определяющий взаимосвязь между отношениями радиусов и коэффициентов формы обломков, движение которых по откосу реализуется с равными скоростями.

4. Наиболее удобным показателем, характеризующим отклонение среднего размера обломков, слагающих откос яруса на относительной высоте 1, от размера обломков кумулятивной кривой исходного гранулометрического состава (при той же частости) является отношение разности с!-" и с!, 0 к среднему размеру обломков исходной горной массы (с15о0), т. е. А.

5. На основании анализа данных физического моделирования и натурных наблюдений на отвалах Ковдорского ГОКа, ГОКа Ковдорслюда и ОАО «Бор» установлено, что величина А, а так же средний размер обломков, слагающих любой интервал отвального яруса, и их коэффициент неоднородности с весьма высокой точностью описываются тремя показателями: коэффициентом неоднородности исходной горной массы, коэффициентом неизометричности обломков и отношением высоты яруса к среднему размеру обломка (ё5о°) исходной горной массы.

6. На основе экспериментальных исследований динамики качения обломков разной крупности и формы по откосу яруса и сопоставления полученных результатов с теоретическими расчетами доказано, что коэффициент линейного трения качения (К') однозначно (с коэффициентом корреляции г = 0.892) определяется тремя показателями.

7. Использование установленных корреляционных зависимостей, А = 1'(К&bdquo-. Ки, Н/с15о°),.

1о = 1″ (КН, Ки, Н/а500) и К'= Г (с1,я, Кн', И/(1-я) обеспечивает возможность расчета пористости (п), угла трения (ф), модуля деформации (Е) и коэффициента фильтрации (Кф) горной массы, слагающей любую зону отвала с учетом ее исходного состава и технологии складирования.

8. Возможность достаточно точного предрасчета показателей п, ф, Е и Кф позволяют уже на стадии предпроектных оценок осуществить выбор наиболее экономичных и экологически безопасных технологий ведения отвальных работ, отсыпки высоких насыпей со свободным водопропуском мелких рек и ручьев, формирования каменно-набросных плотин, а так же отсыпки фильтрующих слоев и т. п.

9. Выбор технологических схем отвалообразования, обеспечивающий достижение заданных характеристик противофильтрационных подотвальных экранов и перекрывающего их фильтрующего слоя гарантируют полный перехват атмосферных осадков и их отвод в пруд нейтрализатор.

1. Радченко Г. А. Естественная сегрегация отсыпаемых каменных материалов. -Гидротехническое строительство, 1967 — № 5, с. 23 — 25.

2. Токмаков П. И., Попов Н. С. Определение физико-механических свойств пород отвального массива на карьерах Кузбасса. — Уголь, 1965, — № 4, с. 44 — 46.

3. Фисенко Г. Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. — М: Недра, 1965 — 378с.

4. Терцаги К. Теория механики грунтов. М., Госстройиздат, 1961.508с.

5. Райнишвили Н. М. Исходные данные и методы определения основных размеров противообвальных защитных сооружений — Труды/ Тбилисский институт инженеров железнодорожного транспорта. — М.: Трансжелдориздат. 1955, — № 28, 265с.

6. Райнишвили Н. М. Защита железнодорожного пути от горных обвалов и осыпей. — М.: Транспорт, 1973. — 280с.

7. Зотеев В. Г., Крушатин Р. Ф., Комаров В. В. Камнеулавливающие сооружения при доработке глубоких горизонтов на железорудных карьерах. — Труды/ИГД Минчермета СССР — Свердловск, 1975, -№ 47, с. 84 — 94.

8. Исследование устойчивости бортов вермикулитового карьера и отвалов на рудниках «Ковдор» и «Чалмозеро» с выбором рациональной технологии и режима отсыпки. Отчет/ ИГД Минчермета СССР. Рук. Зотеев В. Г. инв.№ Б362 891 — Свердловск, 1974. -107 с.

9. Исследование устойчивости и выбор рациональных режимов и технологии складирования пустых пород в выработанное пространство Гологорского карьера. Отчет/ ИГД Минчермета СССР. Рук. Зотеев В. Г. инв.№ Б 511 466 — Свердловск, 1976. -72 с.

10. Исследование устойчивости и выбор режимов отсыпки отвалов рудника «Железный». Отчет/ ИГД Минчермета СССР. Рук. Зотеев В. Г. инв.№ 634 693 — Свердловск, 1977. -68 с.

11. Разработка рекомендаций по отсыпке отвалов Северо-западного карьера Азербайджанского ГОКа. Отчет/ ИГД Минчермета СССР. Рук. Зотеев В. Г. инв.№ Б 985 978 — Свердловск, 1981. -50с.

12. Разработка регламента по устойчивым параметрам и безопасным условиям отсыпки высоких (до 300м) одноярусных отвалов. Отчет/ Уральский научный центр АН России. Рук. Зотеев В. Г-Екатеринбург, 1992. -59с.

13. Бастан П. П., Ключкин Е. И., Гальянов A.B. О возможности сегрегационного разделения материалов при циклично-поточной технологии. — Известия вузов. Горный журнал. 1979, -№ 12, с. 36−38.

14. Сухаревский В. М. Деформация природных отвалов — Киев: Техника, 1970 — 108с.

15. Ершов Н. П. Разработка метода расчета параметров и режима отсыпки бульдозерных отвалов. Канд. диссертация. — Свердловск, ИГД Минчермета СССР, 1984. — 147с.

16. Ершов Н. П., Новиков В. П. Прогноз процесса сегрегации скальной массы и устойчивости высоких отвалов, отсыпаемых на наклонное основание. — Материалы Всесоюзного совещания по проблеме теории прогноза инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых. — Белгород: ВИОГЕМ, 1975, с. 174 — 176.

17. Ершов Н. П. Опыт организации складирования больших объемов скальных пород в условиях сильно пересеченной местности. Труды/ ИГД Минчермета СССР — Свердловск, 1978, -№ 57, с. 39−44.

18. Исследование устойчивости и выбор параметров и режима отсыпки Западного отвала Костомукшинского ГОКа. Отчет/ ИГД Минчермета СССР. Рук. Зотеев В. Г. инв.№ 2 830 046 892 — Свердловск, 1983. — 87с.

19. Разработка регламента по устойчивым параметрам и безопасным условиям отсыпки отвала № 8. Отчет/ УГГГА. Рук. Зотеев В. Г. — Екатеринбург, 1996 — 37с.

20. Гальянов A.B., Лаптев Ю. В., Ковалев М. Н. Закономерности сегрегации при складировании скальной породы и руд на карьерах ОАО «Комбинат Магнезит». -Екатерибург, ИГД УрОРАН, 1997 — 95с.

21. Розанов Н. И. Плотины из грунтового материала. — М: Стройиздат, 1983 — 296с.

22. Ничипорович A.A., Рассказов Л. Н. Сопротивление крупнообломочных грунтов сдвигу. Гидротехническое строительство, 1969 — № 8, с. 21 — 26.

23. Лофицкий В. Н., Пахомов O.A. Сопротивление сдвигу упрочненного замывом камня. -Известия/ ВНИИГ. — Л.: Энергия, 1975 — № 109, с. 32−41.

24. Ершов Н. П., Зотеев В. Г., Фролов A.B. Сжимаемость и сопротивление сдвигу скальной горной массы. Труды/ ИГД Минчермета СССР — Свердловск, 1981, -№ 67, с. 72 — 76.

25. Методика расчета показателей сопротивления сдвигу обломочных грунтов по их гранулометрическому составу и прочности обломков. /Зотеев В.Г., Зотеев О. В., Костерова Т. К. и др. — Материалы 2ой науч.-практ. Конф. «экологические проблемы горного производства, переработки и размещения отходов» — М.: МГГГУ, 1993. С. 501 -504.

26. Черкащенко H.A. Методика расчета конструктивных параметров и устойчивости ограждающих дамб экологически чистых хвостохранилищ. Канд. Диссертация. -Екатеринбург, РосНИИВХ, 1997.-97с.

27. Павчич М. П., Балыков Б. И. Методы определения коэффициента фильтрации грунтов. -Л.: Энергия, 1976; 115с.

28. Павчич М. П., Пахомов O.A. Экспериментальные исследования деформируемости смесей аллювиальных грунтов под большим давлением. — Гиротехническое строительство, 1979 — № 4, с. 20 — 24.

29. Зотеев В. Г., Фролов A.B., Кампель Ф. Б. Совершенствование технологии отвалообразования на Ковдорском ГОКе. — Горный журнал, 1988, — № 4, с. 22 — 26.

30. Ершов Н. П., Зотеев В. Г. Опыт отсыпки отвалов на заболоченное основание на Костомукшинском ГОКе. — Горный журнал, 1984, — № 4, с. 33 — 34.

31. Яровский Б. М., Детлаф A.A. Справочник по физике для инженеров и студентов Вузов. -М.: Наука, 1964.-847с.

32. Горное дело. Энциклопедический справочник, том 1. — М.: Углетехиздат, 1957, с. 122 — 129.

33. Ковалев М. П. Исследования сегрегационных явлений при складировании магнезитовых масс. — Горный журнал, 1988, — № 8, с. 147- 153.

34. Методические указания по исследованию проявления горного давления на моделях из эквивалентных материалов. — JL: ВНИМИ, 1976 — 83с.

35. Насонов И. Д. Моделирование горных процессов. — М.: Недра, 1978 — 258с.

36. Гухман A.A.

Введение

в теорию подобия. — М.: Высшая школа, 1973 — 295с.

37. Розовский Л. В.

Введение

в теорию геологического подобия и моделирования. — М.: Недра, 1969; 128с.

38. Турчанинов И. А., Иофис М. А., Каспарьян Э. В. Основы механики горных пород. — М.: Недра, 1989 — 273с.

39. Родионов Д. А. Статистические решения в геологии. — М.: Недра, 1981 — 231с.

40. Комаров И. С., Хайме Н. М., Бабенышев Л. П. Многомерный статистический анализ в инженерной геологииМ.: Недра, 1971 — 198с.

41. Кутузов Б. Н., Зотеев В. Г., Граур М. И. Методика расчета параметров взрывных работ при создании отрезных щелей с повышенным экранирующим эффектом. Труды/ ИГД Минчермета СССР — Свердловск, 1978, -№ 57, с. 58 — 64.

42. Кутузов Б. Н., Шифрин Е. И. Выбор рациональных параметров контурной отбойки при разработке скальной вскрыши на карьерах облицовочного камня. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1977 — № 6, с. 56 — 62.

43. Соколовский В. В. Статика сыпучей среды. М.: Физматгис, 1960 — 231 с.

44. Методические указания по определению углов наклона бортов и откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. — Л.: ВНИМИ, 1972 — 172с.

45. Учебно-методическое пособие по выполнению курсового проекта и лабораторных работ по дисциплине «Механика горных пород» для студентов профилизации «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания» (ГИГ) направления 553 200 «Геология и разведка полезных ископаемых"/В.Г.Зотеев, Т.К.КостероваУральская госуд. Горно-геол. академия. Каф. Охраны геологической среды. -Екатеринбург: Изд. УГГГА, 1997. — 56с.

46. Фоменко Г. Г. Гравитационные процессы обогащения полезных ископаемых. — М.: Недра, 1966;332с.

47. Гольдин A. J1., Рассказов JI.H. Проектирование грунтовых плотин. — М: Энергоатомиздаг, 1987;304 с.

48. Справочник по гидравлике. — КиевВысшая школа, 1977 — 280 с.

49. Разработка регламента по устойчивым параметрам уступов и выпуклых бортов Центрального и Западного карьеров ОАО «Бор» и технологическим схемам их отстройки. Отчет/ УГИ. Рук. Зотеев В. Г. — Екатеринбург, 1992, книга 1. — 170с.

50. Ломтадзе В. Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований: Учебное пособие для вузов. -2-е изд., перераб. и доп. — JL: Недра, 1990.328 с.

51. Исследование устойчивости бортов Западного участка месторождения ППО «Бор». Отчет/ СГИ. Рук. Зотеев В. Г. — Свердловск, 1991 — 40с.

52. Разработка регламента по устойчивым параметрам уступов и выпуклых бортов Центрального и Западного карьеров и технологическим схемам их отстройки. Отчет/ УГИ. Рук. Зотеев В. Г. — Екатеринбург, 1992 — 39с.

53. Рыбаков Ю. С. Охрана и предотвращение загрязнения водных объектов от стока с техногенных образований. Автореферет докторской диссертации. — Екатеринбург, РосНИИВХ, 1998;39 с.

54. Зотеев В. Г. Горно-добывающиё'! комплексы Урала и их влияние на состояние геологической среды.// Эколого-водохозяйственный вестник — Екатеринбург. РЭА, Свердловское отделение, 1996 — № 1, с. 100- 107.

55. Государственный доклад. «О состоянии окружающей природной среды и влиянии факторов среды обитания на здоровье населения Свердловской области», Екатеринбург -1997, 269 с.

56. Румянцев O.A. Влияние формы частиц песчаных грунтов на их деформационные свойства. Известия ВНИИГ, 1979 — № 135, с. 14.

57. Румянцев O.A. Количественная оценка формы частиц несвязных материалов. — Труды координационного совещания по’гидротехнике /ВНИИГ, 1977 — № 113, с. 58 — 61.

58. Иванов П. И., Шульц Л. В. Влияние формы частиц на свойства песков намывных сооружений. // ГТС, 1972 — № 11, с. 47 — 49.