CC BY
83
- © А.В. Архипов, 2014
УДК 622.271:622.7-17
А.В. Архипов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ РУД НА ОАО «КОВДОРСКИЙ ГОК»
Даны результаты определения физико-механических свойств хвостов в лабораторных натурных условиях, использованные для проектирования карьера на хвос-тохранилище ГОКа.
Ключевые слова: физико-механические свойства, хвосты, проектирование карьеров.
В результате деятельности гор-но-перерабатывающих предприятий в Мурманской области на их территориях образовались скопления техногенного минерального сырья (ТС). Это сырье зачастую содержит полезные компоненты, которые могут быть извлечены уже в настоящее время с большим экономическим эффектом. Накопленное техногенное сырье чаще всего размещено на дневной поверхности в так называемых техногенных месторождениях (ТМ) отвалах или складах на промплощадках рудников, обогатительных фабрик, металлургических заводов и тепловых электростанций, поэтому оно может отрабатываться открытыми горными работами.
Анализ данных мониторинга ТМ, в особенности представленных хво-стохранилищами обогатительных предприятий Мурманской области, неоднократные обращения предприятий и организаций в адрес Горного института Кольского научного центра РАН с просьбой рассмотреть целесообразность и технологию разработки некоторых хвостохранилищ, а также уникальный опыт отработки первого поля хвостохранилища ОАО «Ковдорский ГОК» показали назревшую актуальность разработки основных методических принципов технологии открытой добычи техногенного сырья, представленного отходами обогащения руд и
золами тепловых электростанций. Такие методические принципы были разработаны.
Основные принципы и параметры технологии открытой добычи базируются на физико-механических свойствах и особенностях ТС. В разные годы проводились определения физико-механических свойств материалов хвостохранилищ для таких предприятий, как ОАО «Ковдорский ГОК», ОАО «Апатит», ОАО «Апатит-ская ТЭЦ». Наиболее полно были определены гранулометрический состав, объемный вес, пористость, коэффициент фильтрации, естественная влажность, полная влагоемкость, угол естественного откоса (в сухом состоянии материала и под водой), сцепление, угол внутреннего трения для хвостов поля 2 хвостохранилища ОАО «Ковдорский ГОК».
Указанные свойства определялись по результатам лабораторных испытаний по 10 пробам скважинного разведочного бурения ОАО «Мурманская геологоразведочная экспедиция» на территории поля 2 на различной глубине. Кроме того были выполнены дополнительные полевые натурные испытания в ненарушенной структуре лежалых хвостов второго поля хво-стохранилища. Полевые испытания проводились на участке пляжа хранилища в 10 м от пульповода. Для этого
бульдозером был организован карьер, протяженностью 20 м по направлению слива хвостов. Карьер имел 3 уступа высотой по 1 м, а четвертый нижний 1,5 м, ширина ненарушенных площадок уступов составляла 3 м.
Экспериментальный карьер располагался на расстоянии примерно в 160 м от уреза отстойника и на 5-6 м выше последнего. Это обеспечивало реальную влажность материала хвостов, исключало их переувлажнение и максимально приближало к условиям реального будущего промышленного карьера.
Полевые замеры, наблюдения и отбор проб производились на площадках каждого из четырех уступов с использованием стандартных методик по проведению инструментальных наблюдений в полевых условиях [1]. Пробы из экспериментального карьера отбирались на соответствующих площадках уступов в бюксы и режущие кольца с соблюдением мер герметизации, предусмотренных типовыми методиками.
Для проведения необходимых испытаний использовались следующие приборы:
• полевая лаборатория Литвинова ПЛЛ-9У1 (рисунок);
• сдвиговой прибор ВСВ-25 (рисунок);
• прибор для определения угла естественного откоса в сухом состоянии, изготовленный в Горном институте;
• прибор для определения угла естественного откоса под водой (из ПЛЛ);
• прибор для зондирования поверхности площадок хвостохранили-ща ударник У-1, изготовленный Горном институтом (рисунок).
По фракционному составу хвосты представляют собой мелко-тонкозернистые пески в основном с содержанием класса до 0,63 мм.
Хвосты 2-го поля похожи на хвосты поля 1, которое в настоящее время отрабатывается, но отличаются меньшим содержанием полезных компонентов вследствие постоянного
Гранулометрический состав по результатам ситового анализа по данным ГоИ КНЦ РАН по 10 пробам МГРЭ из хвостохранилища (2-е поле) ОАО «Ковдорский ГОК»
№ проб Ед. измерения Класс крупности, мм Сумма по весу, г
<0,045 0,0450,071 0,0710,1 0,10,16 0,160,2 0,2-0,4 0,40,63 0,63-8
271-2 Вес, г 28,30 19,60 27,60 34,70 5,60 3,80 0,10 0,00 119,7
% 23,64 16,37 23,06 28,99 4,68 3,18 0,08
277-4 Вес, г 29,10 27,60 30,80 38,70 7,40 7,50 0,20 0,00 141,3
% 20,59 19,53 21,80 27,39 5,24 5,31 0,14
299-2 Вес, г 40,10 32,70 44,70 68,20 14,00 13,30 0,80 0,00 213,8
% 18,76 15,29 20,91 31,90 6,55 6,22 0,37
301-2 Вес, г 126,30 29,40 14,20 12,10 1,80 1,40 0,20 0,20 185,6
% 68,05 15,84 7,65 6,52 0,97 0,75 0,11 0,11
312-4 Вес, г 68,40 21,30 9,70 4,70 0,50 0,40 0,00 0,00 105,00
% 65,14 20,28 9,24 4,48 0,48 0,38
313-8 Вес, г 76,80 30,80 30,30 36,40 7,20 13,20 3,40 10,50 208,60
% 36,82 14,77 14,53 17,45 3,45 6,33 1,63 5,03
314-3 Вес, г 64,40 24,00 13,00 12,60 2,00 1,20 0,00 0,00 117,20
% 54,95 20,48 11,09 10,75 1,71 1,02
316-3 Вес, г 45,50 29,40 35,80 66,70 16,90 15,20 0,70 0,00 210,20
% 21,65 13,99 17,03 31,73 8,04 7,23 0,33
317-4 Вес, г 11,50 33,10 32,90 47,10 11,10 10,10 0,00 0,00 145,80
% 7,89 22,70 22,57 32,30 7,61 6,93
324-4 Вес, г 6,90 16,50 30,00 95,60 36,50 30,60 0,70 0,20 217,0
% 3,18 7,60 13,83 44,06 16,82 14,10 0,32 0,09
Общий результат Вес, г 497,3 264,4 269,0 416,8 103,0 96,7 6,1 10,9 1664,2
% 29,9 15,9 16,2 25,0 6,2 5,8 0,4 0,6 100
Нарастающая сумма, % 29,9 45,8 62,0 87,0 93,2 99,0 99,4 100,0
совершенствования технологии обогащения и более полного извлечения компонентов, поэтому приводятся для сравнения некоторые показатели по ТС поля 1.
Средний минеральный состав хвостов поля 1 имеет следующий вид: магнетит 1,5%; апатит 29,9%; форстерит 36,3%; карбонаты 25,1%; слюды 6,4%; пироксениты 2,2%; про-
чие 3,4%. По химическому составу хвосты поля 2 содержат Ревал.; Р205; СаО; С02; БЮ2; МдО; 2г02; Д^О,,; ЫБ; ТЮ2.
Определение гранулометрического состава выполнялось по нормативам обогатительного производства и представлены в табл. 1, 2, 3.
Для сравнения представлен гран-состав хвостов поля 1 в табл. 2.
Таблица 2
Грансостав лежалых хвостов поля 1
Класс крупности, мм 0-0,063 0,063-0,1 0,1-0,2 0,2-0,4 0,4-0,63 0,63-1,0 >1
Содержание, % 15,1 21,2 48,3 13,3 1,8 0,2 0,1
Выход по минусу, % 15,1 36,3 84,6 97,9 99,7 99,9 100,0
Таблица 3
Средние значения грансостава проб хвостов из площадок экспериментального карьера поля 2
Класс крупности, мм Единицы измерения
вес, г у, % нарастающая сумма, %
+1,0 3,5 0,38 100,00
-1,0+0,63 16,3 1,77 99,62
-0,63+0,4 64,1 6,97 97,85
-0,4+0,2 387,5 42,11 90,88
-0,2+0,16 139,0 15,11 48,77
-0,16+0,1 209,3 22,75 33,66
-0,1+0,071 54,9 5,97 10,91
-0,071+0,045 28,9 3,14 4,94
-0,045 16,6 1,80 1,8
Итого 920,1 100,00
Таблица 4
Плотность по пробам МГРЭ
№ пробы Влажные пробы Высушенные пробы
насыпная, г/см3 при постукивании утрамбованная, г/см3 насыпная, г/см3 при постукивании утрамбованная, г/см3
301-2 1,16 1,37 1,85 1,11 1,41 1,80
324-4 1,76 1,96 1,99 1,74 1,98 1,95
313-8 1,41 1,82 1,89 1,44 1,80 1,88
316-3 1,44 1,85 1,93 1,46 1,90 1,96
317-4 1,32 1,73 1,94 1,40 1,85 1,96
299-2 1,55 1,91 1,91 1,55 1,93 2,00
277-4 1,43 1,86 1,88 1,46 1,86 2,26
271-2 1,40 1,84 1,95 1,41 1,88 2,00
312-4 1,15 1,51 1,78 1,21 1,53 1,82
314-3 1,22 1,62 1,86 1,28 1,64 1,90
Сред. 1,38 1,75 1,90 1,41 1,78 1,95
Таблица 6
Полная влагоемкость, пористость и угол естественного откоса по пробам МГРЭ
Плотность хвостов в естественном состоянии по пробам в кольцах на горизонтах экспериментального карьера поля 2
Горизонт, м Средняя естественная влажность, % Средняя плотность, г/см3
0(+282) 5,0 1,83
-1(+281) 3,7 1,73
-2(+280) 9,7 Н.д.
-3(+279) 4,0 1,65
-4,5(+277,5) 5,4 1,76
Ср. по карьеру 5,71 1,74
Свойства Номера проб Ср. знач.
301-2 317-4 299-2 277-4 271-2 312-4 314-3 313-8 316-3 324-4
Полная влагоемкость, % 30,0 17,4 20,9 19,9 20,1 24,9 24,8 23,2 19,1 21,6 22,2
Пористость, % 54 36 43 41 42 47 47 46 40 44 44
Угол ест. откоса сух. матер., град. 41 41 38 38 38 37 39 36 37 33,4 37,84
Угол ест. откоса под водой, град 21,7 17,9 23,3 23,5 22,1 23 24 30,9 23 23 23,20
Среднее значение грансостава проб хвостов из экспериментального карьера представлено в табл. 3.
Определение плотности хвостов в сухом состоянии по 10 пробам производилось путем взвешивания бюкс из Полевой лаборатории Литвинова ПЛЛ-9У1. Так как пробы были представлены в нарушенном состоянии, то бюксы наполняли материалом проб тремя разными способами: насыпным, насыпным при уплотнении легким постукиванием по стенке бюксы и уплотненным с помощью ручного уплотнителя из полевой лаборатории. Средние значения объемных весов колебались в насыпном состоянии от 1,11 до 1,74 г/см3, в слегка уплотненном состоянии от 1,41 до 1,98 г/см3, в уплотненном (утрамбованном) состоянии от 1,8 до 2,26 г/см3 (табл. 4).
Результаты определения полной влагоемкости, пористости, углов ес-
тественного откоса представлены в табл. 6.
Полная влагоемкость и пористость по пробам из карьера составили соответственно 27,1% и 45,1%, средний угол естественного откоса по карьеру 34°.
Коэффициент фильтрации определялся расчетным методом В.А. Крю-гера [1] с температурной поправкой для 10° при плотности каждой пробы МГРЭ в утрамбованном состоянии. Среднее значения коэффициентов фильтрации составило 2,37 м/сут.
Сдвиговые испытания проводились на сдвиговом приборе ВСВ-25 (рисунок). По пробам МГРЭ испытания проводились в лабораторных условиях, а по пробам из экспериментального карьера непосредственно в натурных условиях на площадках карьера. Определялось сопротивление сдвигу (т), в зависимости от вертикальной нагрузки в диапазоне 160, 320,
Значения сцепления и угла внутреннего трения по пробам МГРЭ
№ пробы № опыта Нормальное усилие Сдвигающие усилие Сцепление Угол внутр. трения
инд, мм кг кг/см2 инд, мм кг кг/см2 кг/см2 МПа град.
301-2 1 2 160 4 1,4 64 1,6 0,60 0,06 14,00
2 3 320 8 1,65 104 2,6
3 4 480 12 1,9 144 3,6
324-4 4 2 160 4 1,33 52,8 1,32 0,03 0,003 19,8
5 3 320 8 1,8 128 3,2
6 4 480 12 2,05 168 4,2
313-8 7 2 160 4 1,35 56 1,4 0,11 0,011 16,7
8 3 320 8 1,58 92,8 2,32
9 4 480 12 1,95 152 3,8
316-3 10 2 160 4 1,22 35,2 0,88 0,09 0,009 11,3
11 3 320 8 1,43 68,8 1,72
12 4 480 12 1,62 99,2 2,48
317-4 13 2 160 4 1,35 56 1,4 0,03 0,003 20,8
14 3 320 8 1,82 131 3,28
15 4 480 12 2,1 176 4,4
299-2 16 2 160 4 1,45 72 1,8 0,17 0,017 21,3
17 3 320 8 1,77 123 3,08
18 4 480 12 2,22 195 4,88
277-4 19 2 160 4 1,38 60,8 1,52 0,13 0,013 18,8
20 3 320 8 1,68 109 2,72
21 4 480 12 2,05 168 4,2
271-2 22 2 160 4 1,35 56 1,4 0,2 0,02 18,3
23 3 320 8 1,75 120 3
24 4 480 12 2 160 4
312-4 25 2 160 4 1,45 72 1,8 0,29 0,029 20,8
26 3 320 8 1,82 131 3,28
27 4 480 12 2,2 192 4,8
314-3 28 2 160 4 1,35 56 1,4 0,11 0,011 18,3
29 3 320 8 1,68 109 2,72
30 4 480 12 2 160 4
Средние значения 0,18 0,018 18
Средние значения сцепления и угла внутреннего трения по сдвиговым испытаниям в экспериментальном карьере поля 2
Горизонт, м 0 -1 -2 -3 -4,5 По карьеру
Средние значения сцепления по горизонтам, кг/см2 0,20 0,27 0,035 0,11 0,027 0,13
Средние значения угла внутреннего трения по горизонтам, град. 11,3 18,0 18,1 13,5 14,6 15,1
Таблица 9
Давление в шинах, МПа 0,3-0,45 0,5 0,8
Контактные давления, МПа 0,3-0,45 0,45 0,6
Таблица 10
Грузоподъемность а/самосвала, т Давление в шинах, МПа Давление на грунт, МПа
75 0,57 0,51
110 0,55 0,50
180 0,58 0,513
480 кг. Строились графики зависимости сопротивления сдвигу т, кг/см2, от нормальных усилий ст, кг/см2 и по стандартной методике определялись величины сцепления, кг/см2, и углы внутреннего трения, град. Полученные значения сцепления и углов внутреннего трения для проб МГРЭ представлены в табл. 7, по испытаниям в экспериментальном карьере в табл. 8.
Натурными испытаниями определялась несущая способность хвостов для выбора горнотранспортного оборудования при разработке хвостохра-нилища на поле 2.
Одним из методов определения прочности сыпучих грунтов является метод зондирования с помощью погружаемых в грунт приборов (зондов) различной конструкции. Нами выбран метод погружения ударника У-1, разработанного институтом ДорНИИ и изготовленного в Горном институте (рисунок) [2].
Для определения несущей способности хвостов было проведено динамическое зондирование на площадках уступов экспериментального карьера
в естественном ненарушенном состоянии при естественной влажности хвостов. Всего выполнено 44 замера ударником У-1.
Испытания показали, что прочность грунта изменялась от 0,32 МПа, на поверхности, до значений 0,80,7 МПа на глубине 3-4 м. Низкая прочность на поверхности объясняется разрыхленным состоянием грунта из-за ветрового переноса. Подобные, ранее проведенные, испытания на поле 1 дали средние показатели равные 0,4-0,5 МПа.
Одновременно с замерами прочности на уступах были выполнены замеры на существующих дорогах хвостох-ранилищ поля 1 и АНОФ-2 ОАО «Апатит». Хорошо накатанные дороги, по которым осуществлялось постоянное движение транспорта, имели прочность 1,0-1,2 МПа, а на вспомогательных дорогах не ниже 0,6 МПа. Эти данные подтверждают известный в теории дорожного строительства факт, по которому прочность земляных дорожных покрытий в процессе укатывания возрастает в несколько раз.
Из работы [3] известно, что средние контактные давления колеса на грунт в зависимости от давления воздуха в шинах имеют следующие значения: табл. 9.
Современные карьерные автосамосвалы типа БелАЗ имеют давление в шинах и оказывают давление на грунт в следующих параметрах: табл. 10.
Приведенные замеры и данные об удельных давлениях на хвосты позволили сделать вывод о безопасной работе большегрузной техники на хво-
1. Чаповский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов. Изд. 4-е. - М.: Недра, 1975. - 304 с.
2. Черкасов И.И. Механические свойства грунтов в дорожном строительстве. - М.: Транспорт, 1976. - 247 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
стохранилищах, но в пределах влажности хвостов до 8-9%. Многолетний опыт эксплуатации карьера на поле 1 доказал правомерность этого вывода.
Проведенные лабораторные и натурные испытания по определению физико-механических свойств грунтов хвостохранилища ОАО «Ковдор-ский ГОК» легли в основу расчетов границ будущего карьера, расчетов высоты рабочих уступов (6 м) и уступов в конечном положении, углов откосов этих уступов и других технологических параметров.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Хархута Н.Я., Васильев Ю.М. Прочность, устойчивость и уплотнение грунтов земляного полотна автомобильных дорог. -М.: Транспорт, 1975. - 288 с. ЕЛЗ
Архипов Альфред Вячеславович - старший научный сотрудник,
Горный институт Кольского научного центра РАН, e-mail: [email protected].
UDC 622.271:622.7-17
DETERMINING PHYSICAL-MECHANICAL PROPERTIES OF COMPLEX ORES CONCENTRATION TAILINGS IN «KOVDORSKY GOK» JSC
Arkhipov A.V., Senior Researcher,
Mining Institute, Kola Scientific Center, Russian Academy of Sciences, e-mail: [email protected].
The author has developed procedural fundamentals for opencast mining and processing waste represented by ore concentration residue and heat power plant ashes. The key principles and parameters of the opencast mining technology are based on the physico-mechanical properties and features of industrial waste. The results of laboratory and in situ determination of physico-mechanical properties of tailings were used in planning an open pit mine at the tailing dump of the mining and processing integrated works: grain size composition by screening test, average grain size composition of tailings sampled in the experimental open pit mine field, density of dry and natural state tailings, total moisture capacity, porosity, natural slope and other parameters.
Key words: physical-mechanical properties, tailings, open-pit design.
REFERENCES
1. Chapovskij E.G. Laboratornye raboty po gruntovedeniju i mehanike gruntov. Izd. 4-e. (Laboratory work on soil science and soil mechanics. Edition 4), Moscow, Nedra, 1975, 304 p.
2. Cherkasov I.I. Mehanicheskie svojstva gruntov v dorozhnom stroitel'stve (Mechanical properties of soil in road construction), Moscow, Transport, 1976, 247 p.
3. Harhuta N.Ja., Vasil'ev Ju.M. Prochnost', ustojchivost' i uplotnenie gruntov zemljanogo polotna avtomobil'nyh dorog (Strength, stability and compaction of soil in road beds), Moscow, Transport, 1975, 288 p.
