Инженерно-геологическое обоснование новых технологий формирования дренажных элементов на гидроотвалах Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

© Ю.В. Кириченко, Т.В. Макарова, М. П. Уваров, 2004

УДК 624.131.1./622.5

Ю.В. Кириченко, Т.В. Макарова, М.П. Уваров

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ДРЕНАЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ГИДРООТВАЛАХ

Семинар № 1

Ту азработка и внедрение природоохранной технологии формирования ответственных намывных горнотехнических сооружений — гидроотвалов и хвостохранилищ невозможны без специальных инженерногеологических исследований намывных массивов. Для выполнения требования экологии, уменьшения наносимого вреда окружающей среде, и повышения эффективности производства, необходимо уже на стадии техникоэкономического обоснования, технического проекта и рабочих чертежей, рассматривать возможные варианты технологических схем горных работ, которые способствовали бы снижению землеемкости, сокращению площадей нарушенных угодий и уменьшению пыле-образования.

Для крупных гидроотвалов и хвостохрани-лищ с высокой интенсивностью намыва повышение плотности укладки складируемого материала и начало рекультивационных работ одновременно с достижением проектных отметок заполнения сооружений может обеспечиваться путем управления свойствами и состоянием намывных толщ в ходе их формирования благодаря совместному намыву грунтов различной водопроницаемости [1].

При подготовке намывного массива к дальнейшему использованию необходимо обладать информацией о времени “отдыха” гидроотвалов и хвостохранилищ, осадках намывных грунтов и несущей способности основания.

Разработанная в МГГУ методика определения коэффициента консолидации Су (м2/сут) путем обратных расчетов через полученную по натурным наблюдениям величину степени уплотнения и, позволяет с использованием ЭВМ оценивать и прогнозировать состояние намывного массива во времени, выполнять прогнозные расчеты степени уплотнения и, несущей способности Рдоп, текущих Б(1;) и остаточных

Бост осадок и достижения максимальной несущей способности Рдоп на заданный момент времени 1 [1, 2].

С целью повышения емкости (вместимости) гидроотвалов, ускорения водооборота и обеспечения беспрепятственной рекультивации намывных территорий кафедрой геологии МГГУ совместно с трестом “Энергогидромеханизация” разработан способ возведения намывного основания, отличительной чертой которого является расчленение толщи тонкодисперсных грунтов системой гидравлически связанных намывных фильтрующих элементов -призм, линз и подушек, ускоряющих процесс консолидации слабоводопроницаемых техногенных грунтов (рис. 1). Способ внедрен впервые на гидроотвале “Березовый Лог” (ЛГОК), при подготовке которого к рекультивации намыто около 18 млн м3 фильтрующих материалов. Укладка фильтрующих материалов осуществлялась путем безэстакадного намыва. В качестве фильтрующих материалов на этом гидроотвале использовались пески, отходы обогащения железистых кварцитов, золошлаки ТЭЦ

[1, 3].

Эта технология формирования гидроотвалов внедрялась с использованием основного технологического оборудования гидромеханизации для создания дренажных элементов из различных фильтрующих материалов одновременно с гидравлическим складированием тонкодисперсных грунтов и для укладки на подготовленное намывное основание защитного суглинистого и плодородного слоев.

Гидромеханизированная технология создания дренажных элементов во внутренних зонах гидроотвалов, а также ограждающих дамб хорошо зарекомендовала себя не только на намывных объектах КМА, но и на разрезах Кузбасса. Однако область применения дренажных призм зачастую ограничивается отсутствием

достаточного количества дренажного материала, необходимостью организации дополнительного водоотвода при отмыве фильтрующих элементов, а также раздельной организацией намыва дренажных элементов и защитного или (и) плодородного слоя.

В то же время имеется множество установок и технологий, позволяющих изменить консистенцию пульпы, разделять ее на фракции и производить их целенаправленную укладку. При этом появляется возможность в оборотном водоснабжении использовать глинистую пульпу для размыва вскрышных пород и в качестве несущей среды для абразивных материалов с целью уменьшения износа пульпопроводов или создания защитного слоя для предотвращения пыления намытых территорий. В случае, если легкая фракция представлена потенциально плодородным материалом, то ее модно использовать для намыва защитного или (и) плодородного слоя при горнотехнической рекультивации.

Применительно к условиям КМА наиболее целесообразно использовать для этих целей передвижные сгустители, разработанные в системе АК «Трансгидромеханизация» [4].

Разработано два типа сгустителей - вертикальной и горизонтальной установки (на базе экскаватора МТБ-71Б или трактора Т-130Б). Эксплуатация центробежных сгустителей при намыве автодорог в Западной Сибири мелко-

Рис. 2. А) схема расположения дренажных призм; Б)конструкция намывного основания: 1 - намывное основание; 2 - упорные призмы; 3 - намывной массив; 4 - линзообразные прослойки; 5 - "плавающее ядро”; 6 - фильтрующая дамба; 7 - слой фильтрующего грунта; 8 - внутренний прудок

Рис. 1. Конструкция намывного основания

зернистых грунтов показала высокую эффективность этих установок. Агрегат обеспечивает сгущение гидросмеси любой концентрации (более исходной) вплоть до предельно возможной по условиям транспортирования по распределительной трубе.

Производительность сгустителя - 800; 2000 м3/ч по гидросмеси; максимально достигаемая концентрация по объему - 93 %; граничная крупность разделения, мм - 0,04__1.

Нами разработаны следующие варианты применения сгустителей на намывных объемах КМА (рис. 3).

1. Создание водонепроницаемого глинистого ядра призмы (дамбы) с «крыльями» из песчаного материала (рис. 3 а). В этом случае при одновременном намыве обоих «крыльев» из песка происходит обжатие с частичным выдавливанием центральной глинистой части призмы и формируется водонепроницаемое ядра

2. Создание дренажной «подушки» или «крыльев» призмы (рис. 3 б). Такая технологическая схема предусматривает опережающий намыв легкой фракции по полиэтиленовым трубам (или ее отбор для других целей) с последующим одновременным (из двух выпусков) или попеременным (из одного выпуска) формированием «крыльев» дренажной призмы или пористого штампа в виде «подушки».

к 4. * \ 1_ , -к 6 3 ГГ

ШШ

19 £ Д 21

\ А и

ШШШ

№ ( 6

( А: X-

Рис. 3. Намыв дренажных элементов с использованием передвижных сгустителей.: 1 - намывные отложения; 2 - глинистое ядро; 3 - песчаные "крылья"; 4 - дренажная (отсечная) призма; 5 - намыв легкой (глинистой) фракции; 6 - намыв песчаной (дренирующей) фракции; 7 - подводящий намывной пульпопровод; 8 - ограждающие дамбы (ярус упорной призмы); 9 - дренажная подушка; 10 - передвижной сгуститель; II -защитный или почвенный слой; 12 - "крылья" из тонкодисперсного материала; 13 -граница между фракциями; 14 - кварцитная обсыпка

3. Вариант создания песчаной дренажной или отсечной призмы обжатого профиля (рис. 3 в). При такой схеме намыв крупной фракции производится по оси будущего сооружения, а легкая фракция укладывается или во внутренние зоны намывного массива или в прудок-отстойник с целью ускорения возврата отработанной воды в системы водоснабжения.

4. Создание дренажной системы обжатого профиля с намывом «крыльев» или защитного слоя из тонкодисперсного материала (рис. 3 г). В этом случае происходит интенсивное формирование песчаного «ядра» призмы с продавливанием намывного массива небольшой мощности (особенно в прудковых зонах гидроотвалов овражно-балочного типа) до его

основания, опережающий намыв препятствует растеканию глинистой фракции.

5. Создание ограждающих дамб (рис. 3 д). Такая технологическая схема предусматривает рассредоточенный намыв песчаной фракции с некоторым отставанием от укладки тонкодисперсного материала. Формируемая таким образом упорная призма выдавливает и замещает глинистые отложения в пляжной зоне. Окончательное формирование ограждающих дамб может включать планировочные работы с применением бульдозеров и обсыпку кварцитами.

Во всех рассматриваемых схемах возможно использование легкой фракции для создания защитного или(и) плодородного слоя (рис. 3 г) (при наличии в пульпе по--------■ тенциально-плодородного материала) или формирования пленки, исключающей пыление поверхностей намывных сооружений.

Возможно складирование песчаной фракции в штабель с последующим использованием дренажного материала для нужд предприятия. Область применения разработанных технологических схем определяется потребностями предприятия, фракционным составом намываемого материала и технологией вскрышных и обогатительных работ.

Целесообразно использовать при намыве полиэтиленовые трубы, которые обладают рядом преимуществ, среди которых [5]:

• устойчивость к абразивному износу, -что увеличивает их срок службы;

• малый вес, способствующий созданию удлиненных консолей;

• малое удельное сопротивление материала труб;

• гибкость, что позволяет изменять направление без применения фасонных частей и шаровых соединений;

• простота соединения труб в плети и пульпопроводы.

Формирование защитных и плодородных слоев с применением основного технологического оборудования определяет высокую экономическую эффективность работ.

Разработанная технология за счет увеличения плотности укладки грунта обеспечивает повышение на 15-20 % емкости гидроотвалов и хвостохранилищ, проведение горнотехнической рекультивации территорий гидроотвалов параллельно с их формированием, увеличение коэффициента запаса устойчивости сооружения и повышение их безопасности, возможность использования территорий гидроотвалов сразу после окончания их заполнения, сокращение потребления водных ресурсов на 20-25 %.

Экологическая безопасность разработанной технологии определяется в основном следующим:

- экономией свежей воды для подпитки гидроустановок при оборотном водоснабжении, исключающем загрязнение прилегающих водоемов технологическими водами;

- исключением нарушения дополнительных площадей за счет повышения плотности укладки складируемого материала;

- возможностью поэтапной рекультивации намывных массивов параллельно с гидроскладированием;

- беспрепятственным созданием пригодных для последующего использования территорий (горизонтальной планировки) в пределах овражно-балочной сети;

- проведение мероприятий по пылеподав-лению на территориях гидроотвалов и хвостохранилищ за счет гидроукладки суглинистого слоя, используемого в дальнейшем в качестве подпочвенного (при этом исключается применение токсичных химреагентов - нерозина, полиакриламида, кохеракса и др. (для стабилизации пылящих поверхностей);

- созданием при горнотехнической рекультивации выпуклой формы техногенного рельефа намывных территорий, что предотвращает возникновение мульд оседания и заболачивания восстановленных площадей.

Использование предлагаемого способа позволяет также повысить несущую способность наиболее слабой части намывного сооружения и резко сократить сроки проведения рекульти-вационных работ, приступая к ним сразу же по достижении проектной отметки намыва, за счет ускорения процесса отбора воды в ядерной зоне.

1. Гальперин А.М., Дьячков Ю.Н. Гидромеханизированные природо-охранные технологии. - М.: Недра, 1993.

2. Кириченко Ю.В., Щекина М.В. Современные методы и способы контроля геомеханических процессов в намывных горнотехнических сооружениях. ГИАП. Вып.6, - М., МГГУ,1998.

3. Гальперин А.М., Зайцев В.С., Кириченко Ю.В. Инженерно-геологическое обеспечение возве

----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

дения, консервации и рекультивации гидроотвалов и хвостохранилищ (анализ 30-летнего опыта). Геоэкология, №4,2000.

4. Егоров В.К., Каменецкий В.Л., Харченко С.Л., Штин СМ. Научные достижения в области гидромеханизации. - М.: МГГУ, 2001.

5. Кириченко Ю.В. Использование полиэтиленовых труб при гидротранспортировке высокоабразивных грунтов. ГИАП, Вып.7-8, - М.: МГГУ, 1993.

Коротко об авторах

Кириченко Юрий Васильевич — профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.

Макарова Татьяна Владимировна — бакалавр кафедры геологии, Московский государственный горный университет.

Уваров Михаил Петрович — технический директор ОАО «КМАГидромеханизация».

---------------------------------------------------- © М.В. Прохоренко, М.П. Уваров,

2004