автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Оценка влияния гидровскрышных работ на эффективность дренирования карьерных полей в сложных гидрогеологических условиях

Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи ПАВЛЕНКО Валерий Михайлович

УДК/622.271.46 : 622.271.6 : 502.7(043.2)

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГИДРОВСКРЫШНЫХ РАБОТ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДРЕНИРОВАНИЯ КАРЬЕРНЫХ ПОЛЕЙ В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 05.15.03 — «Открытая разработка месторождений полезных ископаемых»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада

Москва 1992

Работа выполнена в Губкинском специализированном ка-рьеростроительном управлении «Гидромеханизация».

Официальные оппоненты: проф., докт. техн. наук МЕДНИКОВ Н. Н., канд. геол.-минер. наук АТРОЩЕНКО Ф. Г.

Ведущая организация — институт «Центрогипроруда».

Защита диссертации состоится . »^-^-^МЭЭЗ г.

в J¿L . час. на заседании специализированного совета

К-053.12.01 Московского горного института по адресу: 117935, Москва, Ленинский проспект, 6, МГИ.

С диссертацией можно, ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «й^Г» сЛ^-^г^^у^^. 1993 г.

Секретарь ученого совета,

доц., канд. техн. наук СЕНАТОРОВ Н. П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сложные гидрогеологические условия залегания железных руд в бассейне КМА вызывают необходимость создания дорогостоящих систем осушения, затраты на строительство и эксплуатацию которых составляют сотни миллионов рублей. Наиболее эффективной и экономичной технологией ведения вскрышных работ в бассейне является гидравлическая разработка. К 1992 г. этим способом разработано и перемещено в отвалы свыше 370 млн. м3 вскрыши. Практически полная поточность технологического процесса, наивысшая в бассейне производительность труда указывают на то, что область применения гидромеханизации следует расширить не только на действующих, но и на вновь строящихся карьерах.

Большие резервы в повышении эффективности разработки месторождений заложены также в совершенствовании систем дренажа карьерных полей. Современные требования к охране окружающей среды ставят задачу ведения горных и осушительных работ в режиме, исключающем истощение запасов подземных вод. Накопленный производственный опыт, проведенные ранее исследования позволили решить ряд задач, обеспечивших интенсивное освоение бассейна. Однако круг вопросов, связанных с влиянием технологии гидравлической разработки вскрышных пород на эффективность работы дренажных систем карьеров, возможностью использования гндровскрышного оборудования как средства водоотлива, влиянием технологических процессов на охрану окружающей среды и рациональным использованием водных ресурсов, является актуальным, недостаточно исследованным и требует дальнейшего изучения.

Объектами исследований являются месторождения бассейна КМА. Отдельные положения, выводы и рекомендации могут использоваться на перспективных и ближайших разработках— Приоскольском, Чернянском месторождениях и в других горнодобывающих районах со сходными инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями.

Цель работы — оценка влияния технологии гидромеханизации на осушение карьеров и гидроотвалов для повышения эффективности гидровскрышных и дренажных работ и сохранения запасов подземных вод.

Идея работы — управление режимом подземных вод в рабочей зоне карьеров и технологией намыва при гидроотвало-образованин.

Научные положения, разработанные лично диссертантом, и их новизна:

дана оценка влияния степени осушенности массива рабочих бортов карьерсв на производительность средств гидромеханизации, отличающаяся тем, что в ней учитывается эффект естественного водонасыщешвд и обрушения пород при наличии определенного остаточного напора подземных вод в рабочей зоне гидроЕскрышных комплексов [3, 7, 8, 11];

установлены технологические требования к осушению. вскрышного массива в зависимости от типов применяемого оборудования, учитывающие величину высоты клина высачи-вання фильтрационного потока и параметры языков оплывания [5, 6];

установлена зависимость скорости осушения намывных масс внутренних, зон гидроотвалов от технологии и параметров намыва специальных дренажных элементов из фильтрующих пород вскрыши и хвостов обогащения [1, 2, 4, 10];

установлена зависимость фильтрационных потерь в основании гидроотвалов от литологического состава намывного массива, отличающаяся тем, что в ней учитываются экранирующие свойства намывных тонкодисперсных масс гидроотвальных массивов [5, 9].

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

анализом производственного опыта, теоретическими расчетами, промышленными экспериментами;

достигнутой экономической эффективностью от внедрения результатов исследований па карьерах и гидроотвалах бассейна КМА;

сходимостью результатов (расхождение не превысило 5— 8%) аналитических расчетов и промышленных экспериментов по установлению зависимости влияния осушения вскрышного массива на производительность средств гидромеханизации;

результатами многолетних натурных наблюдений за режимом фильтрации в основании гидроотвалов;

сокращением на 60% водспритока к карьеру со стороны гндроотвала «Березовый Лог» при внедрении предложенной автором технологии намыва внутренних зон гидроотвала.

Научное значение работы заключается в установлении зависимостей и определении влияния остаточных напоров под-. земных вод в приконтурных зонах рабочих бортов на эффек-

тивность гидровскрышных и дренажных работ; разработке требований к дренажу вскрышного массива в сложных гидрогеологических условиях в зависимости от вида применяемого горнотранспортного оборудования; разработке методики оценки дренирующего эффекта фильтрующих элементов в ядерных зонах гидроотвалов на основе теории фильтрационной консолидации.

Практическое значение работы заключается в установлении новых элементов дренажной системы и параметров рабочих площадок с расстановкой гидромеханизированного оборудования на кровле водоупора и вышележащих горизонтах, обеспечивающих аккумуляцию технологических вод. Разработаны комбинированные технологические схемы использования зеэдснарядов и земустановок в строительный период, технологические схемы опережающего на:мыва тонкодисперсных водонепроницаемых пород на участки фильтрующего основания гидроотвалюв.

Реализация работы. Рекомендованные параметры рабочих площадок и схема одноконтурного дренажа внедрены на Южно-Лебединском карьере (комбинат «КМАРуда» и Лебединский ГОК). Рекомендации по опережающему замыву дренирующих участков основания гидроотвала, намыву во внутреннюю зону дренажных элементов из песков вскрышных пород и хвостов обогащения внедрены на гндроотвале «Березовый Лог». Суммарный экономический эффект составил 4110 тыс. руб. (в ценах 1-го квартала 1992 г.). Диссертант являлся участником авторского коллектива, получившего Премию Совета Министров СССР 1989 г. за разработку и внедрение на горных предприятиях высокоэффективной технологии формирования гидроотвалов.

Апробация работы.

Основное содержание и отдельные положения работы докладывались п получили одобрение на Всесоюзных совещаниях: по инженерной геологии (Ленинград, 1976 г.; г. Н. Раз-дол, 1977 г.); по гидромеханизации (Москва, 1981 г.); на технических советах: комбината «КМАРуда», 1975, 1976, 1977 гг,. Лебединского горно-обогатительного комбината, 1980, 1990 гг., треста «Гидромеханизация» Минэнерго СССР, 1981, 1982 гг., Губкинското карьеростроительного управления «Гидромеханизация», 1992 г.; на семинарах кафедр открытых горных работ и геологии МГИ, 1983, 1992 гг.

Публикации.

В результате выполненных исследований опубликовано 8 статей и докладов, получено 3 авторских свидетельства иа изобретения.

Автор чтит память профессора Григория Аркадьевича Ну-рока, проявлявшего внимание и интерес к настоящей работе.

Полезные советы и замечания в процессе' работы' даны автору чл.-корр. РАН В. А. Мироненко, чл.-корр. АЕН РФ А. М. Гальпериным, канд. техн. наук Е. П. Писанцом, В. К. Учаевым, И. С. Булгаковым. В опытно-промышленных работах принимали участие сотрудники Губкинского управления1 треста «Гидромеханизация», Губкинского специализированного ка-рьеростроительного управления, комбината «КМАРуда» и Лебединского ГОКа. Всем перечисленным специалистам автор выражает искреннюю благодарность.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

Гидравлическая разработка вскрышных пород в бассейне КМА осуществляется с 1956 г., когда прямой гидромониторный размыв был применен при строительстве Лебединского' карьера. За 35-летний период накоплен практический опыт работы и выполнены.исследования, обеспечившие развитие и дальнейшее совершенствование технологических процессов. В настоящее время гидромеханизация применяется на Лебединском, Михайловском и Стойленском горно-обогатительных комбинатах. Доказана. экономическая целесообразность разработки вскрышных пород гидравлическим способом в дальнейшем, при строительстве и эксплуатации карьеров Короб-ковского, Приоскольского, Чернянского месторождений. Все месторождения бассейна находятся в сложных гидрогеологических условиях. Создание Л'зухконтурных систем о сушения приводит к значительному удорожанию горных работ: удельный вес затрат на осушение в себестоимости 1 т богатой руды составляет 12—17%.

Проблеме эффективного и безопасного ведения открытых разработок на карьерах КМА посвящено значительное количество работ акад. В. В. Ржевского; проф. Г. Л. Фисенко, Б. А. Симкина, А. М. Гальперина, И. П. Иванова, В. И. Стрельцова; канд. техн. наук В. В. Лосицкого, Р. А. Фиделя, М. А. Дергилева, Н. Н. Рогатина. Вопросам совершенствования технологии гидровскрышных работ посвящены работы проф. Г. А. Нурока, Н. Н. Медникова, А. Т. Калашникова; канд. техн. наук Ю. Н. Дьячкова, И. С. Булгакова, А. Г. Лу-товинова и ряда других авторов. Исследования способов и методов осушения карьерных полей выполнены чл.-корр. РАН В. А. Мироненко; проф. Ю. А. Норватовым; канд. техн. наук Е. П. Писанцом, С. В. Кравчуком, В. И. Чуйко и другими. Проведенные работы позволили решить ряд важнейших задач, обеспечивших интенсив'ное освоение бассейна.

Анализ условий работы одноковшовых и роторных экскаваторов, железнодорожного и автомобильного транспорта показывает, что для их безопасной и производительной эксплу-

атацшг должна быть-обеспечена высокая степень осушенно-сти массива, практически исключающая высачивание подземных вод на рабочих горизонтах, что, естественно, приводит к удорожанию дренажных работ. Интенсификация водоотбо-ра: приводит та«же к истощению запасов подземных вод. Применение средств гидромеханизации позволяет принципиально понизить требования к необходимым пределам осуше-. ния. Ввод в эксплуатацию Лебединского, Южно-Лебединско-го и Стойленского карьеров в сжатые сроки был-обеспечен благодаря применению земснарядов на разработке обводненных пород и их использовании как установок открытого водоотлива.

В эксплуатационный период гидромоннторно-землесосные комплексы могут успешно работать, в условиях интенсивной фильтрации в основании отрабатываемого уступа, что улучшает разрабатываемость массива и дает возможность уменьшить водоотбор скважинами внешнего контура и сохранить часть запасов подземных вод [3].

В то же время, при применении гидромеханизации необходимо учитывать специфику работ и влияние технологических вод и фильтрации из гидроотвалов на условия осушения [5].

. В настоящей работе изложены результаты исследований условий работы средств гидромеханизации при разработке обводненных вскрышных пород осадочной толщи месторождений. КМА, выполненные автором в 1970—1991 гг. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование условий и работы средств гидромеханизации при наличии проскока подземных вод на рабочий горизонт песчаных отложений и установление зависимостей производительности гидровскрышного оборудования от степени осушенности массива.

2. Обоснование требований к дренажу вскрышного массива в зависимости от видов применяемого горнотранспортного оборудования.

3. Определение влияния гидровскрышных работ на обводненность карьеров и надежность работы дренажных устройств.

4. Разработка эффективных технологических схем гидравлической разработки и дренажа карьеров с использованием землесосных установок для открытого водоотлива.

5. Разработка технологии последовательного складирования фильтрующих и слабоводопроннцаемых намывных пород для ускорения водоотдачи тонкоднсперсньгх масс внутренних зон гидроотвалов и уменьшения водопритоков к карьеру и откосам гидроотвалов.

6. 'Обоснование рациональных параметров и технико-эко-нсмическая оценка рекомендуемой технологии гидровскрышных работ и систем осушения.

Основное внимание уделено рациональным параметрам рабочих площадок при разработке пород в условиях выклинивания фильтрационного потока на контакте с водоупором и обоснованию допустимой высоты высачивания; учету фильтрационных потерь технологических вод в карьере и гидроотвале и изысканию рациональных способов отвода технологических вод к дренажным устройствам, изучению влажност-ного режима осушенных пород; определению рациональной технологии укладки намывных пород с целью уменьшения фильтрации из гидроотвала [1, 2].

В 1978—1979 гг. автором проведены опытио-промышлеН-иые эксперименты по изучению работы землесосных установок в условиях повышенной обводненности при отключении участка скважин внешнего контура Южно-Лебединского карьера. Положительные результаты эксперимента и аналитические расчеты позволили внедрить с 1980 г. на участке карьера схему дренажа без водопонижающих скважин внешнего контура [3, 5].

При участии автора в 1976—1987 гг. осуществлены разработка и внедрение новой технологии намыва ядерной зоны гидрсотвала «Березовый Лог», обеспечивающей опережающее экранирование чаши и промежуточной зоны с целью уменьшения фильтрации в основание и к упорным призмам, а также намыв фильтрующих элементов во внутреннюю часть гидроотвала для ускорения процессов консолидации и повышения плотности пород [4]. В третьей секции гидроотвала на тонкодисперсные глинисто-меловые грунты произведена гидравлическая укладка пористого штампа из отходов рудообогащения комбината «КМАРуда». К настоящему времени отдельные элементы этой технологии внедряются на гидроотвале «Балка Чуфичева» и на хвостохранилищах Л ГОКа.

Горно-геологические условия разработки и осушения месторождений КМА рассмотрены с позиций разрабатываемо-стп массива средствами гидромеханизации. Надрудная толща месторождений КМА представлена осадочными отложениями девонского, юрского, мелового и четвертичного возрастов. Инженерно-геологическая оценка разрабатываемостн пород гидромониторной струей выполнена с учетом физико-механических свойств литологических разностей пород и опыта ведения гидровскрышных работ. В разрезе выделяются три характерных комплекса пород: несвязные песчаные отложения сеноман-альба, апта и батского ярусов; меловые отложения туронского и коньякского ярусов и юрско-неоком-ские и келловейские глины,

G

Для песков месторождений КМА характерны низкая во-допрочность, высокие значения пористости и коэффициента фильтрации, разнородность гранулометрического состава. Отличительной особенностью является наличие сцепления, особенно в нижней части разреза. В целом все эти качества позволяют вести их эффективную разработку прямым гидромониторным размывом.

Для мело-мергелъной толщи характерны различные показатели прочности на сжатое и разрыв в плане и разрезе,, наличие блоковой трещиноватости, относительно высокая водоустойчивость. Гидравлическая разработка этих пород эффективна только после предварительного рыхления. Наибольшее распространение на практике получил буровзрывной способ подготовки, являющийся более экономичным. Производительность землесосных установок при разработке взорванного мела достигает 500 м3/ч [6, 7].

Прямой гидромониторный размыв юрско-неокомских глин дал отрицательные результаты, что объясняется их высокой пластичностью (/„.,--19) и водоустойчивостью. Опыта непосредственной гидравлической разработки келловейских глин, характеризующихся более высокими показателями, прочности, до настоящего времени нет. Однако в течение 1973— 1979 гг. на Южно-Лебединском карьере юрско-неокомские отложения эффективно разрабатывались из навалов после рыхления экскаваторами, Производительность землесосных установок достигала 350—400 м3/ч и экономически применение гидромеханизации на отработке глинистых пород из навалов вполне оправдано.

Изыскание рациональных технологических схем гидромеханизации и осушения карьеров

Выбор рациональной технологии вскрышных работ определяет требования к осушению и конструкции дренажных устройств. Проекты на строительство и эксплуатацию Лебединского, Михайловского, Стойленского и Южно-Лебединско-го месторождений предусматривали применение различных видов комплексной механизации с использованием на вскрышных работах одноковшовых и роторных экскаваторов в сочетании с железнодорожным, автомобильным и конвейерным транспортом. В период строительства разработка пород в зоне осушения на месторождениях Старооскольской группы велась с использованием земснарядов, выполнявших одновременно разработку грунта и водопонижение на внутреннем контуре осушения. Недостатком на этой стадии является однотипность проектных решений по системам осушения карьеров при различных технологических схемах ведения вскрыш-

ных работ как с применением «сухоройной» техники, так к гидромеханизации.

Анализ опыта строительства карьеров Старооскольской группы подтвердил необходимость разработки обводненных пород с использованием земснарядов. Темпы углубления в этом случае определялись эффективностью работы земснарядов непосредственно на разработке грунта и как водопони-зительных установок. Скорость водопонижения при использовании земснарядов в этом случае определяется как количеством скважин на внешнем контуре осушения, так и объемом подземных вод, откачиваемых земснарядом, при снижении уровня воды в котловане.

Для определения темпов водопонижения в период строительства в аналитических расчетах используют зависимость, установленную Ф. М. Бочевером:

5 = 7), ..'/' (1)

4тт/

где (3 — общий расход дренажного контура;

Т = кт — водопроводимость пласта;

5 —понижение;

т — мощность водоносного горизонта;

а — коэффициент, равный

а/2

где а — коэффициент уровнепроводности; I— время водопонижения;

-_, г

'

где г — расстояние от расчетной точки до дренажного контура;,

гк — радиус дренажного контура. При выполнении земснарядом функций открытого водоотлива количество скважин дренажного контура может быть уменьшено на величину

п - , (2)

О

где (Зскз — дебит одной скважины;

Озси—производительность земснарядов по водоотливу. Зависимость (1) примет вид:

5- ^ск'П + ^'еч-Л/(а,г). (3)

4т-Т

Анализ показывает, что эффективность водопонижения зависит от правильного соотношения водоотлива между дренажным контуром и земснарядом.

Граничным условием, определяющим скорость снижения и допустимые водопритоки к котлова-ну, является поддержание постоянной высоты высачивания фильтрационного потока, ограничивающейся в период строительства только обеспечением устойчивости откосов и сохранением вышележащих берм и рабочих площадок.

Минимальное время, необходимое для выполнения горных работ по условиям водопонижения, в этом случае определяется из выражения:

\ . ' (4)

^зсн

где т — мощность водоносного горизонта;

' ^зсн—скорость снижения-воды в котловане;

^ — время; необходимое для откачки остаточного озера, равное (предложено Р. А. Фиделем); 0(3

/г — высота подводного забоя.

Анализируя выражение (1), можно установить минимальный объем, который необходимо выполнить земснарядом:

^зси ~~ А^, , (5)

где — годовая производительность земснаряда.

Для условий, когда полные объемы горнокапитальных вскрышных работ в зоне осушения больше разрабатываемых земснарядом при водопонижении, экономически целесообразно отработку части вскрыши вести с применением землесосных установок,, количество которых определяется по формуле:

V - Л'

' гор '»зсн

1'зс»

д7~

(6)

где 1/гор — необходимый объем пород, разрабатываемых в зоне осушения;

. А/Зу —годовая производительность землесосных установок.

Проведенные расчеты позволят рекомендовать технологические схемы ведения горных работ в зоне осушения с применением земснарядов и землесосных установок и разрабатывать вскрышу земснарядами в объемах, обеспечивающих водопонижение [6]. Зависимости удельных водопритоков при водопонижении с применением водопонижающих скважин и земснарядов изображены на рис. 1.

Выполнение гидровскрышных работ в эксплуатационный период имеет свои специфические особенности, связанные с подачей и удалением из карьера технологической воды в соотношении 1 : lO-i-12 к объемам вскрыши. Например, дл,я условий Южно-Лебединского карьера при разработке в 1973— 1977 гг. 15—18 млн. м3 ежегодно в .карьер подавалось 150— 180 млн. м3 воды. Потери даже 1—2% их и недооценка влияния этого фактора на условия горных работ и эксплуатацию дренажных сооружений приводят к серьезным осложнениям. Отрицательное влияние технологических вод проявляется в следующем:

1. Фильтрация из зумпфов в забое землесосных установок и из гидроотвалов вызывает повышение влажности пород нижележащих горизонтов и увеличивает водоприток к сооружениям дренажа в карьере.

2. Необходимость сброса воды из систем гидротранспорта и водообеспечения на время профилактических и аварийных ремонтов требует создания аккумулирующих технологических емкостей и водоотводов на рабочих площадках. Прогнозная оценка фильтрационных потерь в карьере выполняется на основе формулы Н. Н. Павловского; для расчета фильтрации воды из каналов целесообразно использовать выражение:

Q-1 КЧ (в + Щ + S klU (в + 2А), (7)

где А,- 3 — соответственно коэффициенты фильтрации в зоне работы гидромонитора и потока пульпы;

Li —соответственно длина участка с разными коэффициентами фильтрации.

Дополнительное повышение влажности в массиве необходимо учитывать для мело-мергельных отложений. Остаточная— гравитационная влажность мела после осушения системой дренажа карьера колеблется в пределах 26—32% и не поддается снижению обычными методами. При работе землесосных установок водонасыщение мелов увеличивается и относительная влажность повышается до 33—36%. Недоучет этого фактора может привести к серьезным авариям за счет тиксотропии и перехода массива в текучее состояние. Проведенная с участием автора отработка методики экспресс-анализа влажности нейтронным способом во взрывных скважинах показала ее применимость для корректирования величины заряда при расчете параметров буровзрывных работ.

Для выполнения ремонтных работ периодически возникает необходимость выпуска воды из технологических трубопроводов, при этом минимальное количество воды, попадающее на рабочую площадку, равно:

VT = SJB + SJa, ' (8)

пз

N м со Ь о ш зим

о л

о я я м со

о

_ а

3 *<!

и о со

со

X

о со

д щ И

ш го •с!

а я

« со

а

о я о

ё

5

'У

Равочай тощашка на горизонте мренака (рекомендуемый ваРиа/гт}

¿у л. ДЛ-а ет с,.г ,е,

Уу\ Ыд IX

В *!.+€, *е„*3ет +€те+€дт

Роговая /тлсщаж/га )

В-ширим рбвочея

площавкн ¡.-ширина блояа (¿■ширина вермы везоплсиастп

(тТРАСЫ ГРГВЗПРО-

еалаз (г-тршспоршя

верма (те-шхр/тз гехтт-

кой ешвстя (¡7-ширина лремг-наЛ трбнщен

Рис. 2. Параметры элементов системы разработки с учетом размещения технологических емкостей и дренажных устройств

где 5а, 5П — соответственно сечение водоводов и пульпопроводов;

1В, /п— длина участков трубопроводов с уклоном к карьеру.

Учитывать эти потери необходимо при работе землесосных установок на горизонте кровли водоупора, где размещаются сооружения дренажа внутреннего контура осушения карьера. Ширина рабочей площадки с учетом размещения технологической емкости и дренажной траншеи определяется по формуле:

Д = Я/, + /тр + /те + /,т + /веэ + 3/т> (9)

где Шл—ширина заходки;

/гр — полоса для размещения трубопроводов; /те—ширина технологической емкости; /г — транспортные полосы; /вез— ширина бермы безопасности; /1Т—ширина дренажной траншеи.

Параметры элементов системы разработки с учетом размещения технологических емкостей и дренажных устройств приведены на рис. 2.

Разработка месторождений со сложными гидрогеологическими условиями связана с необходимостью определения пределов осушения, обеспечивающих безопасную и высокопроизводительную эксплуатацию карьеров, и выполнения мероприятий по предотвращению истощения водных ресурсов.

Наличие остаточного напора повышает эффективность гидроразмыва за счет дополнительного обрушения разрабатываемого уступа посредством фильтрационного выноса частиц и потери «местной» устойчивости. Степень осушения и высоту высачивания в забое на горизонте кровли водоупора необходимо определять с учетом выполнения следующих условий:

1. Обеспечения устойчивости борта карьера и нерабочих уступов. ,

2. «Проскок» подземных вод на рабочий горизонт не должен превышать водоприемной способности технических средств дренажа внутреннего контура осушения, т. е.

ъ

где — удельный водоприток к откосу на 1 м фронта работ;

<7од —удельная приемная способность дренажа нерабочего борта внутреннего контура осушения; т]э — коэффициент запаса устойчивости борта.

3. Суммарный водоприток к зумпфу от .«проскока» подземных вод и работы гидромонитора не должен превышать производительности землесосной установки:

?о£ф+'<2гм<<?зу. (Ю)

где Ьф —длина фронта работ землесосной установки; (),.,.,—расход у насадки гидромонитора; '

<5зу — производительность землесоса 'по воде.

4. Обводненность рабочей площадки не должна ухудшать условия работы механизмов в забое, т. е.

Р Р

1 II 0 * Ы'

Удельное давление Рм на грунт, передаваемое ходовой частью бульдозера, трубоукладчика, должно быть меньше несущей способности водонасыщенных грунтов на рабочем горизонте Р „о-

Допустимое высачивание -подземных вод над подошвой забоя землесосной установки, установленное по этим критериям для условий Старооскольской группы, составляет 3-*--ьЗ,2 м, причем граничным условием является приемная способность дренажа внутреннего контура нерабочего борта.

В развитие выполненных исследований по оценке условий гидравлической разработки рассмотрены возможности повышения до 50 м высоты уступов, сложенных в нижней части песчаными, а в верхней — трещиноватыми или предварительно разрыхленными меловыми породами. Разработаны способ разрушения полускального тиксотропного мела [7] и технологические схемы отработки двухслойных забоев [9], прошедшие опытно-промышленные испытания на карьере Лебединского ГОКа.

Возможность производительной работы гидромониторно-землесосных комплексов на обводненных уступах позволяет по-новому подойти к выбору отметки рабочего горизонта на кровле водоупора. Для технологических схем с использованием одноковшовых экскаваторов наилучшие условия разработки обеспечиваются при оставлении над кровлей водоупора «недобора» по пескам, чтобы рабочий горизонт располагался' выше высачивания подземных вод и остаточный водоприток перехватывался дренажной траншеей. При" технологических схемах с использованием средств гидромеханизации землесосную установку целесообразно располагать непосредственно на кровле водоупора. Выводы, сделанные а'втором на основе анализа, подтверждены результатами промышленного эксперимента на Южно-Лебединском карьере, предусматривавшего отключение участка скважин внешнего контура. Высота высачивания в забое во время опыта составляла 1,5— 1,9 м (без учета недомыва по подошве), максимальный во-

доприток к зумпфу—124 м3/ч, производительность земуста-иовки повысилась с 446 до 475 м3/ч, т. е. на 6,5%, максимальное увеличение достигало 10,2%. Проведенный эксперимент подтверждает необходимость понизить требования к коэффициенту перехвата подземных вод внешним контуром. При отработке песчаных отложений Старооскольской группы месторождений допустимая величина проскока составляет 25—30'м3/сут на 1 м фронта работ.

Проверочные расчеты изменения положения депрессион-ной кривой в отрабатываемом уступе при подвигании забоя со скоростью 40 м в месяц (максимальный показатель, достигнутый на Южно-Лебединском карьере) выполнены по формуле В. А. Мироненко для полуограниченного потока:

н - \ 77,- - и,;'- (П)

где Н—положение депрессионной кривой в расчетной точке; -

Я, — напор на границе области питания;

#2 — напор на границе высачивания (забой рабочего уступа); Ф(л)—функция Гаусса.

Влияние технологии намыва гидроотвалов на режи^ут фильтрации и водопритоки к карьеру и дренажным устройствам

Изучение:режима фильтрации из гидроотвала вызывается необходимостью решения следующих задач:

оценки величины фильтрации через основание к дренажным устройствам карьеров;

определения водопритоков к упорным, призмам гидроотвалов: •

разработки мероприятий по ускорению консолидации и упрочнению водонасыщенных намывных грунтов внутренней зоны для повышения емкости и последующего использования территорий, занимаемых гидроотвалами.

Оценка фильтрационных потерь через основание и их влияние на водопритоки к карьеру проводились путем создания сети наблюдательных скважин в районе гидроотвала «Березовый Лог»-и анализа многолетних наблюдений за режимом подземных вод. Предварительный прогноз фильтрационных потерь и увеличения, водопритоков к карьеру на перспективу, при его возведении до проектной высоты, был выполнен с ориентировкой на величину фильтрационных потерь в на-' чальный период эксплуатации, когда в основании пруда-отстойника находились участки не экранированных трещиноватых меловых отложений. По данным моделирования (метод

ЗГДА) увеличение водопритоков к карьеру при заполнении гидроотвала до проектных отметок составило 1500 м3/ч и, таким образом, к моменту завершения эксплуатации требовалось бы сооружение дополнительных дренажных водопо-нижающих скважин. Выполнение работ по опережающему намыву в зоны интенсивной фильтрации глинисто-меловых пород позволило резко сократить потери на фильтрацию. Графики колебания уровней водоносного горизонта коренных пород за период 1972—1980 гг. показывают, что с 1973 г.— начала выполнения работ по опережающему намыву глинисто-меловых пород в основание — прекратился подъем уровней на участке между западным бортом карьера и гидроотвалом и в дальнейшем происходило равномерное снижение уровней, что объясняется удалением пруда-отстойника от границ дренажного контура карьера. Проверочными расчетами, выполненными по данным наблюдений за снижением уровней в гидроотвале в периоды зимней остановки работ за 1976—1980 гг., установлено, что после выполнения мероприятий по экранированию фильтрация через основание снизилась до 470—560 м3/ч.

Выполненные мероприятия по изменению технологии и созданию эффективной наблюдательной сети обеспечили возможность активно влиять посредством соответствующей технологии намыва глинистых пород на величину фильтрации и водопритоки к карьеру. Прогнозные расчеты следует проводить с учетом следующих факторов: экранирующей способности намывных грунтов, удаления пруда-отстойника (область питания) от границ дренажа карьера и изменения размеров пруда'-отстойника на различных этапах гидроотвалооб-разования.

Фильтрация в откосах гидроотвала оказывает влияние на снижение устойчивости упорных призм. Величина водопритоков к откосу и положение депрессионной кривой учитываются при расчетах коэффициента запаса устойчивости. Изучение условий фильтрации выполнялось автором на гидроотвале «Березовый Лог» в период с 1972 по 1981 г. За этот период накоплен значительный опыт и проведены обширные исследования и изыскания по режиму фильтрации в упорных призмах. Прогнозные фильтрационные расчеты, выполненные с учетом фильтрации в процессе намыва упорных призм и влияния пруда-отстойника по аналогии с методикой расчетов крупных земляных плотин водохранилищ, неприменимы для условий гидроотвала. Наиболее достоверные результаты дает моделирование методом ЭГДА, позволяющее регистрировать изменения коэффициента фильтрации по зонам упорных призм с учетом технологии намыва и экранирующей способности пород, целенаправленно укладываемых -в промежуточную зону между упорными призмами и прудом-отстойником.

Проведенное по методике, предложенной автором, моделирование процессов фильтрации по наиболее характерным поперечникам позволило корректировать технологию намыва, что дало возможность сократить объемы дренажных работ, а также полностью отказаться от строительства дренажа II очереди на северном и северо-западном участках гидроотвала. Данные многолетних наблюдений по сети пьезометров подтвердили правильность расчетов; предложенная методика прогноза фильтрации к откосам гидроотвалов может быть рекомендована при проектировании перспективных гидроотвалов.

Разработка способов эффективного дренажа ядерных зон, в которых размещаются слабоводопроницаемые тонкодисперсные породы, осуществлялась совместно Московским горным институтом, Губкинским управлением треста «Гидромеханизация» и Украинским отделением института «Гидропроект» с 1972 года.

С участием автора на уровне изобретения предложен способ возведения намывного основания [4]. По предложенному способу, одновременно с намывом тонкодисперсных пород в ядерную зону подается пульпа фильтрующих материалов (песков, хвостов обогащения) с образованием гидравлически связанных линзообразных прослоек, являющихся крыльями дренажных призм («плавающих ядер»). Создание системы дренирующих элементов обеспечивает форсирование консолидации тонкодисперсных масс. Методика прогнозной оценки уплотняемости и несущей способности намывных тонкодисперсных масс разработана А. М. Гальпериным.

Однако в ранее выполненных исследованиях не давалась оценка фильтрующего эффекта системы дренирующих элементов. В работе выполнены расчеты величины отжимаемой из намывных массивов воды на основе теории фильтрационной консолидации. Объем воды, поступающей к дренажным устройствам, определялся с учетом изменения пористости во времени по формуле:

ДАс

К

(1 + £о)

1 +■

ср

1 +

яср

"а //с

к

(1 + е„)

я ср

(л;

я ср

■ДА

5,

(12)

где ео — начальное значение коэффициента пористости; Д/гср —средняя осадка;

^яср — средняя расчетная мощность глинисто-меловых пород в ядерной зоне; 5 — площадь секции гидроотвала.

На рис. 3 представлены расчетная схема и графики зависимости объемов отжимаемой воды (млн. м3) отЛ;мощности слоев тонкодисперсных грунтов /гя и скорости" намывали (м/год) при различной площади секций гидроотвалов-применительно к условиям Старо-Оскольского района КМА.

Для повышения экологической безопасности строительства-и эксплуатации намывных горнотехнических сооружений разработана "новая схема объединенного гидроотвально-хвосто-вого хозяйства, предусматривающая складирование в гидроотвале в: балке «Чуфичева» - вскрышных пород карьера ЛГОКа, рекультивацию гидроотвала «Березовый Лог»,>скла-дирование хвостов обогатительных фабрик комбината «КМАРуда», золошлаков Губкинской ТЭЦ, а также пылепо-давление путем экранирования поверхности хвостохранилищ-[9,10,111.

Новая схема предусматривает:

консервацию ранее действующих хвостохранилищ и золо-отвалов ТЭЦ путем замыва их поверхности четвертичными суглинками;

создание резервной емкости для самотечного сброса в нее хвостов обогащения и золошлаков с последующим напорным Транспортированием этих материалов в гидроотвал «Березовый Лог» с помощью землесосного 'снаряда типа 350-50Л-и перёкачивающих станций соответствующего типа;

организацию сброса в резервную емкость с уровнем воды, поддерживаемым ниже уровня р. Осколец, недостаточно очищенных стоков шахтных 'вод, а также аварийных сбросов ТЭЦ, обогатительных фабрик и гидроотвала.

Достоинства новой схемы: •

ликвидация ветровой эрозии поверхности хвостохранили-ща и золоотвалов; -..

исключение загрязнения р. Осколец;

прекращение забора воды из р. Осколец для нужд гидромеханизации, так как с внедрением новой схемы вместе с хвостами обогащения и золошлаками ТЭЦ в гидроотвал дополнительно поступает около 2,8 тыс. м3/ч воды;

возможность искусственного ускорения консолидации разжиженных масс ядерной зоны гидроотвала, что позволило повысить вместимость и ускорить рекультивацию его поверхности;

наличие резервной емкости придает схеме достаточную гибкость, что позволило отказаться от использования резервного оборудования и трубопроводов;

создание единого отвального хозяйства позволило повысить уровень эксплуатации и надзора за - сооружениями и оборудованием;

внедренный ранее на хвостохранилище «Грачев Лог» и золоотвалах ТЭЦ способ подавления пыли, заключающийся

4. N

4 Ü -V,

V

V

i Cj

J

Si

/

1 / » Si

/ J /

, f / /

/ 1 /

/ A /

y / i

i / /

<5,- ед íí

to

¿5

§

«Я ч> lit « & 2 ^ Г-. Ci 0 «ï 1 С £ <5> i § <5> tk ЧГ » ■s <!>

s

§ 1 ï î ï > JS;

«N S«»

§ Êt

<N % 1 s ^ t g 1 5*1 S 1 «N

§

^ S f § §1* 4 S ад <U 5 Rf С S «a «О

g

^ 1 ; gj - • •»» r>

as

о

ra P.

D-о

g и

О)

я а:

И Я

W о

о о

X œ

о о

( I i II I try

ИТ

irt

IQrr

1

II

Tf к Ü

с;

I

■t J

4

9-

f

ж

Ш

Ш

Vi

I

«Ö V vo

s S s

«4 ■4 •3

H

I &

£

OJ &

О » » -

О CÛ

; ■ К

¿i а

о к

s о

«

ra га

to Ен

Ei S

>ü'

СП

ï* ГО

CD

И О

О (-.

ш

Ч Э m

го œ & о

Ей Р. •j:

0> Я о

BV Л * ■

О « о

са fc!

4¿l m

со

о

Ph

в периодическом тонкослойном замыта- открытых пляжей глинистой пульпой, применяется на гидроотвале «Березовый Лог» без "Дополнительных затрат, так как поверхность замывается слоем суглинка при выполнении горнотехнической рекультивации.

На действующих намывных объектах ЛГОКа используется новый способ возведения намывного основания, предусматривающий также предварительное создание во внутренней зоне на естественном основании дренажной дамбы [10].

При внедрении схемы объединенного гидроотвально-хво-стсвого хозяйства в 1992 г. осуществлен намыв эффективного глинистого экрана в пределах секции хвостохранилища ЛГОКа в балке «Казиновка».

Обоснование рациональных параметров дренажных систем при гидровскрышных работах

Основой расчета рациональных параметров дренажных систем является правильная оценка требований, предъявляемых к дренажу на различных этапах строительства и эксплуатации карьеров.

Исходные данные к расчетам фильтрационной консолидации представлены на рис. 4.

На основе анализа многолетнего опыта эксплуатации и проведенных опытных работ автором доказана целесообразность дифференцированного расчета параметров и конструкций дренажных систем применительно к гндромеханизнрован-ным карьерам, с выделением трех периодов: строительного, освоения проектной мощности н последующей эксплуатации и затухания горных работ.

Расчет параметров и выбор конструкций дренажа в строительный период являются наиболее сложными. На этом этапе ведется интенсивное водопонижение в режиме неустановившейся фильтрации в карьере, на минимальных рабочих площадках сконцентрировано разнотипное горное оборудование и величина допустимого «проскока» подземных вод определяется по условиям работы одноковшовых экскаваторов, для которых предельно допустимая величина языка оплывания рассчитывается по формуле:

//с!^ - " , ' (13)

где 10ПЛ —длина языка оплывания;

/? — радиус черпания;

Н—высота уступа;

В — ширина ходовой части экскаватора; а — угол откоса уступа.

Б условиях месторождений КМА величина /онл при использовании экскаваторов ЭКХ-4,6 составляет 5—6 м.

Выполненные расчеты показывают, что на момент ввода карьера в эксплуатацию необходимо сооружение 2-контурных систем с минимально допустимым по условиям горных работ и экономическим расчетам радиусом внешнего контура водо-понижающих скважин. Для условий, аналогичных Южно-Ле-бсдинскому карьеру, расстояние между скважинами следует принимать 45—60 м.

Период освоения проектной мощности характеризуется ускоренными темпами подвигания фронта горных работ, увеличением размеров рабочих площадок до параметров, обеспечивающих заданную производительность по вскрыше и полезному ископаемому-. При применении гидромониторной разработки допустимая величина проскока подземных вод в карьер лимитируется - возможностью организации водоотводов и устанавливается опытным путем. Для условий, аналогичных месторождениям Старооскольской группы, = =15 м3/еут.

Период эксплуатации и затухания наименее сложный в работе дренажной системы. На определенном этапе, при увеличении параметров карьера, фактические водопритоки после отключения скважин внешнего контура не превышают допустимых для работы гидромониторно-землесосных комплексов. Величина приведенного радиуса внутреннего контура осушения в этом случае определяется по формуле:

г.(Н)

2-д0

где С2 — общий водоприток к карьеру;

к3 — коэффициент запаса, равный 1,2; qо—удельный водоприток к откосу, допустимый для гидромониторно-землесосных установок.

После соблюдения этого условия необходимость во внешнем контуре осушения отпадает и целесообразно переходить на дренаж карьера при помощи сооружений внутреннего контура.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований в работе дано новое решение актуальной научной задачи: оценка влияния технологии гидромеханизации на осушение карьеров и гидроотвалов, что позволяет на основе разработанной автором методики осуществлять проектирование и планирование гидровскрышных работ и, соответственно, обеспечить улучшение разрабатываемости массива и оптимизацию дренажных работ.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации:

1. Установлено, что суточная производительность гидроземлесосных комплексов при отработке обводненных песчаных пород повышается при наличии в подошве уступа фильтрационного потока подземных вод с расходом в интервале от,70 до 350 м3/ч. Зависимость имеет параболический вид. При больших притоках происходит резкое снижение производительности по гиперболической зависимости вследствие падения энергии гидромониторной струи, вызываемого уменьшением подачи воды. При проектировании систем разработки на горизонте отработки обводненных пород- землесосные установки следует устанавливать на кровле водоупора. Данная технологическая схема внедрена на Южно-Лебединском карьере бассейна КМА.

2. Установлено, что выклинивание подземных вод в забое песчаных уступов с коэффициентом фильтрации свыше 3 м/сут и удельным расходом до 25 м3/сут на 1 м фронта работ не ухудшает условий работы землесосного оборудования и позволяет уменьшить количество водопонижающпх скважин по контуру карьера с суммарным дебитом, равным определяемому по графикам проскоку подземных вод к землесосной установке.

3. После достижения проектной мощности карьера стабилизация водопрнтоков и снижения удельных расходов до 25 м3/сут на 1 м фронта работ целесообразно переходить на однорядные системы дренажа по внутреннему контуру на кровле водоупора (схема внедрена на карьере Лебединского ГОКа). При проектировании дренажных систем количественные расчеты следует выполнять для трех этапов: периода строительства, достижения проектной мощности и эксплуатации.

4. Разработанная технология совместного складирования фильтрующих и слабоводопроницаемых намывных грунтов обеспечивает, с одной стороны, ускорение водооборота за счет интенсификации отжатия воды из тонкодисперсных толщ к дренажным элементам и, с другой стороны, уменьшение водопрнтоков к карьеру и откосам гндроотвалов за счет опережающего намыва водоупорных грунтов на водопроницаемое основание. Технология (по А. с. 663777) внедрена на крупнейшем намывном объекте — гидроотвале «Березовый Лог», где благодаря ее применению уложено до 260 млн. м3 глинисто-меловых грунтов, песков, золошлаков и отходов ру-дообогащения и успешно завершены рекультнвацнонные работы.

Формирование гидроотвала ЛГОКа в балке «Чуфнчева» осуществляется с использованием способа по а. с. 1624093, согласно которому расширяется система намывных дренажных элементов в толще тонкодисперсных меловых грунтов.

2*

19

5. Значительная экономия водных ресурсов (за-период 1976—1985 гг. — 134 млн. м3) достигается при реализации предложенной автором схемы объединенного гидроотвально-хвостового хозяйства. В рамках этой схемы также эффективно осуществляется экранирование глинистым материалом из пород вскрыши поверхности хвостохранилища и достигается эффективное пылеподавление без применения специальных закрепляющих веществ.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Баранов Н. Н., Мешков В. А., Павленко В. М., Соболевский Ю. А. Обеспечение устойчивости гидроотвала для складирования вскрышных пород Лебединского и Южно-Ле-бединского карьеров КМА/Материалы Всесоюзной конференции по инженерной геологии. — Ленинград, 1976.

2. Дьячков Ю. Н., Чистов В. А., Родзевилло И. Т., Павленко В. М. Опыт строительства и эксплуатации гидроотвалов на карьерах К.МА. — Горный журнал, 1977, № 8.

3. Павленко В. М. Дренирование массива в условиях гидромеханизации на вскрышных работах/Тез. докл. Всесоюзного совещания «Проблемы инженерной геологии в горнодобывающих районах». — г. Н. Раздол, 1977.

4. А. с. № 663777 (СССР). Способ возведения намывного основапия/А. М. Гальперин, Ю. Н. Дьячков, В. И. Евдокимова, В. А. Мешков, В. М. Павленко. — Опубл. в Б. И., 1979, № 19.

5. Павленко В. М. Охрана подземных вод при ведении гидровскрышных работ на карьерах КМА/Тез. докл. Всесоюзной научно-технической конференции «Гидромеханизация и проблемы охраны окружающей среды». — Москва, МГИ, 1981.

6. «Лосицкий В. В., Фидель Р. А., Булгаков И. С., Билик С. С., Павленко В. М. — Hydraulic stripping of iussion iron ore Mining magazine, 1982, May,

7. A. c. 973846 (СССР). Способ разрушения полускального тиксстропного мела/Перцовский Ю. М., Лебедев О. Ф., Булгаков И. С., Павленко В. М. — Опубл. в Б. И., 1982, №42.

8. Павленко В. М., Воеводенко Д. Г., Булгаков И. С., Лебедев О. Ф. Отработка песчаных и меловых (глинистых) пород высокими уступа'ми. — Безопасность труда в промышленности, 1991, № 2.

9. Опыт строительства и рекультивации гидроотвала «Березовый Лог»/Павленко В. М., Алыпов В. М., Кравченко Н. П., Горбатов Ю. П. — Гидротехническое строительство, 1985, № 9.

10. А. с. 1624033 (СССР). Способ возведения намывного основания/А. М. Гальперин, Ю. Н. Дьячков, 10. П. Горбатов, В. С. Зайцев, Б. И. Комкин, В. М. Павленко. — Опубл. в Б. И„ 1991, №4.

11. Экономия водных ресурсов на гидромеханизированных карьерах.—-Горный информационно-аналитический бюллетень. Вып. 3, —М., МГИ, 1992.

Подписано в печать 28.12.92 г. Формат 60x90/16 Объем 1,25 п. л. + 4 вкл. Тираж 100 экз. Заказ № 1381.

Типография Московского горного института. Ленинский проспект, д. 6