книги / Проектирование и эксплуатация хвостовых хозяйств обогатительных фабрик

ГЛАВА V

ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ УКЛАДКА ХВОСТОВ

1.Выбор места расположения

итипа хвостохраиилища

Для выбора мест расположения фабрики и хвостохраиилища обычно создают комиссию из специалистов в разных областях техники с привлечением представителей местпых Советов, Госсапинспекции и организации противопожарной безопасности. Комиссия решает задачу путем непосредственного осмотра и зна­ комства с местностью и условиями строительства и последующей эксплуатации предприятия. Рациональность этого метода не вызывает сомнений. Однако опыт показывает, что и при этом методе возможны ошибки. В процессе последующей эксплуатации хвостохранилищ обогатительных фабрик было обнаружено, что при выборе площадок были избраны не лучшие решения. Так, на­ пример, хвосты Лепиногорских фабрик длительное время транс­ портировались в Чаишнское хвостохранилище. Транспорт осу­ ществляется на расстояние -—’4,5 км тремя землесосными стан­ циями с землесосами типа 12Р-7 с преодолением геометрического подъема II — 82 м. Необходимо было рассмотреть возможность укладки хвостов в районе Круглой Сопки, расположенной вниз по течению реки Филипповки. Этот вариант, возможно, оказался бы экономичнее, так как количество перекачечных станций, ве­ роятно, было бы меньше. Поэтому проектировщики, получив акт о выборе площадки, должны тщательно изучить вопрос о месте расположения хвостохраиилища и на основе анализа различных вариантов выбрать наиболее рациональное, обоснованное решение. Для составления вариантов необходимо освещение топографии местности и геологического строения района расположения фаб­ рики.

При выборе площадки для устройства хвостохраиилища пре­ жде всего необходимо руководствоваться требованиями санитар­ ных норм в отношении соблюдения максимальной чистоты воздуш­ ного бассейна в районе расположения промышленных предприятий или особенно в районах существующих и проектируемых жилых поселков, а также в отношении минимального, допустимого по нормам загрязнения естественных водоемов.

Площадка под хвостохрапилище должна выбираться в соот­ ветствии с розой повторяемости и силы ветров с таким расчетом, чтобы предотвратить пылевио (перенос) хвостов в направлении

171

к предприятиям и жилым поселкам. Разрыв между границами эастроенпых территорий и хвостохранилищем должен быть не меньше 250 м [100]. При прочих равных условиях необходимо располагать хвостохранилища с таким расчетом, чтобы осветлен­ ные воды сбрасывать в водоемы, не являющиеся источниками питьевого водоснабжения и не имеющие рыбохозяйственного значения.

При решениях вопросов хвостового хозяйства необходимо учитывать рациональность объединения укладки хвостов обогати­ тельных фабрик и золы ТЭЦ или отходов других промышленных предприятий в одном месте, а также учитывать возможное исполь­ зование хвостов как строительного материала или как сырья для производства других иромпродуктов. При устройстве хвостохранилищ речного типа необходимо учитывать возможность ис­ пользования создаваемого перепада в энергетических целях (стро­ ительство гидростанций).

В ряде случаев указанные вопросы должны решаться нутом составления соответствующих вариантов в проектном задании. Для такой разработки необходимо предусматривать проведение необходимых дополнительных изысканий и исследований.

Удачный и рациональный выбор моста расположения хвостохрапилища определяет и рациональную компоновку — схему сооружений хвостового хозяйства как в части гидравлической укладки хвостов, так и в части гидравлического транспорта. При решении этой задачи необходимо руководствоваться указаниями, приведенными в главе II, раздел 3.

Определение пригодности площадки иод хвостохранилище производится после нанесения на плане местности в горизонталях оградительных сооружении — плотин и дамб обвалования, опре­ деления емкости хвостохранилища, путем выяснения минималь­ ных затрат на устройство сооружений — плотин, дамб обвалова­ ния, водосбросных устройств, системы сооружений для гидро­ транспорта хвостов, сооружений для очистки хвостовых вод и оборотного водоснабжения.

Необходимую общую емкость хвостохранилища можно с не­ которым приближением определять но формуле

\у — T<nt

Yo»l ’

где Тс — суточное количество хвостов, выдаваемых фабрикой, т; п — число рабочих дней в году; I — время эксплуатации фабрики, годы; у0 — объемная масса хвостов при их укладке в хвосто­ хранилище; т) — коэффициент заполнения хвостохранилища.

Величины Тс, п, t являются при решении задачи об устройстве хвостохранилища заданными.

Объемная масса хвостов определяется но формуле

V - Y (1 - го).

172

где у — плотность хвостов; зависит от минерального состава хвостов и определяется в зависимости от вида и свойств пере­ рабатываемой руды, по литературным данным или эксперимен­ тально, при испытаниях руды на обогащение. При решении задачи об устройстве хвостохранилища величина у является заданной; т — пористость отложений хвостов в пруде-хвостохранилшце.

Пористость зависит от геометрической и гидравлической круп­ ностей хвостов и от условий их отложения в хвостохранилище. Наиболее рыхло (наименее плотно) хвосты укладываются при сбросе пульпы в водоем под воду, при выпадении твердой соста­ вляющей на дно, в силу ее гидравлической крупности. При отло­ жениях хвостов выше уреза воды хвостохранилища хвосты укла­ дываются более плотно.

При намыве хвостов имеет место классификация их частиц по крупности. Более крупные частицы откладываются вблизи выпусков пульпы. Далее, по направлению движения пульпы по формируемому из хвостов откосу, крупность частиц умень­ шается. Наиболее мелкие частицы хвостов выпадают уже в прудехвостохрапилище. Соответственно этому по длине откоса меняется и пористость отложений: у выпусков пульпы она наименьшая, при отложениях хвостов под водой — наибольшая.

При назначении объемной массы отложений хвостов в хвосто­ хранилище следует учитывать и процесс их уплотнения во времени под воздействиями нагрузок от вышележащих отло­ жений.

Следует также иметь в виду влияние на плотность отложений неоднородности исходного материала хвостов но гранулометри­ ческому составу. Чем более неоднороден материал (см. главу III, раздел 1), тем более плотно, с наименьшей пористостью он укла­ дывается. Плотность укладки хвостов (пористость) будет также зависеть и от их плотности.

Произведено большое количество исследований эксплуатиру­ емых хвостохранилищ. Большинство из них произведено отрасле­ вой лабораторией механики грунтов и устойчивости хвостохрани­

На основании анализа имеющихся материалов исследований объемной массы песков и хвостов при их намыве рекомендуется принимать значения пористости отложений хвостов в зависимости от их гранулометрического состава.

Коэффициент заполнения т| хвостохранилища характеризует практическую возможность заполнения его геометрического объ­ ема. Полное заполнение хвостохранилища пе представляется возможным, так как необходимо оставить минимальный объем пруда, при котором обеспечивается должное осветление пульпы. Величина коэффициента заполнения зависит от геометрической формы хвостохранилища и его объема. Рекомендуется принимать

173

И д р .

значения коэффициента заполнения хвостохранилища в соответ­ ствии с данными, приведенными ниже.

При намеченных границах площадки хвостохранилшца объем хвостохранилшца в зависимости от высоты плотины или дамбы обваловании определяется путем планиметрирования площадей, ограниченных осями ограждающих сооружений и данной гори­ зонталью (рис. 63).

Объем хвостохранилища в пределах заданных горизонталей определяется но правилу трапеций:

где W n л- п -| 1 — объем хвостохранилища. ограниченный отметками горизонталей п и п т 1; F — площадь поверхности, ограничен­ ной осями оградительных сооружений и /г-н горизонталью; Fn+, — площадь поверхности, ограниченной осями оградительных соору­ жений и п Ь 1-й горизонталью.

174

Общий объем хвостохранилища между горизонталями п и т (т^>п) определяется но формуле

При предварительном рассмотрении вариантов расположения хвостохранилшца ориентировочное определение ого объема произ­ водится путем выражения его геометрической формы, близкой к той или иной геометрической фигуре (пирамида, усечеппая пирамида, призма, клин и т. д.).

*

Рис. 03. Схематический план хвостохранилшца в горизонталях (к определе­ нию емкости хвостохрапилища). Уклон естественной поверхности по линии А —А характеризует качество площадки под хвостохранндище

Рис. 04. Кривые объемов (емкости) 1 и площадей хвостохранилища 2

В результате планиметрирования площадей строятся кривые объемов и площадей хвостохранилища (рис. 64).

При сравнении вариантов расположения хвостохранилища при прочих равных условиях следует отдавать предпочтение тому варианту, при котором требуются меньшие высоты и длина огра­ ждающих сооружений — плотин и дамб обвалования. Это поло­ жение обуславливается соображениями наименьших объемов работ но устройству плотин и дамб. Чем выше земляная плотина из связных грунтов, в том числе намывная плотина из хвостов, тем больше должно быть заложение откоса. Это обстоятельство об­ уславливает потерю полезного объема хвостохранилища, что имеет особое значение при крутопадающем рельефе площадки хвостохранилища.

Средний уклон поверхности площадки хвостохранилища по линии наибольшего падения рельефа местности поперек продоль­ ной оси ограждающего сооружения (рис. 65) определяет понятие

175

«качество площадки». Это понятие характеризует площадку в отно­ шении емкости располагаемого на ней хвостохранилища и условий создания плотины или дамбы обвалования. На рис. 65 показано, что при крутом падении рельефа местности вся емкость хвосто­ хранилища занимается дамбой обвалования и эксплуатация хво­ стохранилища в этом случае заключается в намыве дамбы обвало­ вания *. Это определяет большую интенсивность намыва хвостов и малые сроки для консолидации их отложений. В связи с этим обеспечение устойчивости намывной из хвостов дамбы обвалования требует соответствующего уложения откоса. Крутое падение рельефа площадки обуславливает большие потери емкости хвосто­ хранилища.

При расположении хвостохранилищ в балках и оврагах, име­ ющих большой продольный уклон тальвега, указанные обсто­ ятельства в тех случаях, когда объем паводка велик, приводят к невозможности создания объемов для аккумулирования павод­ ковых вод. Поэтому приходится устраивать водоотводящие соору­ жения, рассчитываемые на пропуск всего паводкового расхода обеспеченностью, соответствующей данному классу хвостохрани­ лища. Это приводит к необходимости устройства сложных и до­ рогостоящих водосбросных сооружений.

Предельные значения «качества площадки», при которых еще возможно устройство хвостохранилища, i = 0,15—0,20. Удовлет­ ворительные условия создания хвостохранилища имеют место при «качестве площадки» i < 0,05. Хорошие условия для устройства хвостохранилища определяются «качеством площадки» i <' 0,01.

Устройство хвостохранилищ возможно, и во многих случаях целесообразно, при плоском рельефе поверхности i — 0. В этих случаях (рис. 66) наиболее выгодной формой хвостохранилища в плане является круг, так как при наименьшей длине дамбы обвалования получается наибольшая емкость хвостохранилища. При трудности придания хвостохранилищу формы круга следует рассмотреть форму многоугольника, квадрата, ромба и, наконец, прямоугольника или параллелограмма.

Преимуществом хвостохранилища на плоской поверхности является отсутствие необходимости в устройстве водосливных сооружений для отвода паводковых вод, так как хвостохранилшце является, по существу, бессточным.

К недостаткам хвостохранилища этого типа следует отнести: относительно большую длину ограждающих сооружений — дамб обвалования, необходимость большего постоянного внимапия к наращиванию дамб, большую длительность намыва дамб обва­ лования, требующую мероприятий для предотвращения пыления хвостовых отложений и разноса дамб.

* Это относится к операции укладки хвостов. Необходимость в других операциях по эксплуатации хвостохранилища (осветление и сбросы вод, содержание сооружений и др.) имеет место и в этих случаях.

177

9 — гр ан и ц а за п ол н ен и я н а 20-й г о д эк сп л у а та ц и и ; ю — в о д о о т в о д н о й к а н а л ; 11 — в о д о ­

(п р ав а я в е т в ь ); 16 — х в о с т о п р о в о д в д в е н и тк и и з д е р е в я н н ы х н е п р е р ы в н ы х т р у б ; 17 — эстак ад а Л) 1; 13 — х в о с т о п р о в о д в од н у н и т к у из д е р ев я н н ы х н е п р е р ы в н ы х т р у б

Описанный тип хвостохранилища в виде кругового отвала часто называют гидротерриконом. В отличие от сухих терриконов, гидротеррикон имеет форму усеченного конуса, внутри которого образуется водный бассейн для обеспечения отстоя пульпы. Для сброса осветленной воды гидротеррикон должен иметь в центре водоприемпый колодец, от которого вода отводится водоспускным коллектором (см. рис. 66).

Встречаются случаи, когда единственно возможным местом устройства хвостохранилища оказывается склон к реке с крутым падением рельефа (см. рис. 65). В этом случае необходимо учиты­ вать возможность оползания естественного откоса при его загружении отвалами хвостов с учетом силового воздействия фильтра­ ционного потока из пруда-хвостохранилшца в реку на грунтовой массив основания плотины. При этом необходимо учитывать и фактор изменения свойств прочности и деформируемости грунтов, слагающих естественный откос (склон), в результате их замачи­ вания.

Необходимо стремиться располагать хвостохранилище на пло­ щадках, сложенных из малопроницаемых грунтов — суглинков

178

и глин, особенно в тех случаях, когда хвостовые воды содержат вредные реагенты. Расположение хвостохрапилищ на площадках, сложенных из малопроницаемых грунтов, обеспечивает наиболь­ ший возврат воды, что особенно важно при строительстве обогати­ тельных фабрик в безводных или маловодпых районах.

В целях обеспечения наилучших условий для устройства плотин, дамб и водоспускных сооружений хвостохрапилищ, а также для обеспечения минимальных потерь воды па фильтра­ цию, необходимо оси этих сооружений намечать с учетом инже­ нерно-геологических условий. Наилучшим является расположение сооружений и самого хвостохранилища на суглинистых и глини­ стых груптах, находящихся в полутвердом состоянии (естествен­ ная влажность грунтов w меньше 1,2wp, где шр— влажность грунта на пределе раскатывания).

Скальные и полускальные основания сооружений более пред­ почтительны в смысле их прочности и деформируемости. Однако в силу их возможной, иногда значительной трещиноватости они являются менее водоупорными, чем мягкие связные грунты — суглинки и глины.

При предварительном определении преимуществ и недостатков различных вариантов устройства хвостохрапилищ с точки зрения экономики гидротранспорта можно пользоваться таблицей значе­ ний гидравлического уклона в зависимости от геометрической крупности, плотности хвостов и консистенции пульпы.

Вывод составлен в результате систематизации и анализа следу­ ющих данных эксплуатации напорных хвостопроводов:

приведенные данные проверены опытом эксплуатации систем гидротранспорта грунтов и хвостов при расходах от 80 до 800 л/с; при значениях средневзвешенной геометрической крупности твердой составляющей от 0,04 до 0,20 мм гидравлические уклопы

170

при плотности твердой составляющей у jg 2,70 г/см3, при­ веденной в выходе, гидравлические уклоны увеличиваются в соот-

ношении

Можно рекомендовать использовать эти данные и при без­ напорном транспорте хвостовых пульп.

В ряде случаев для сравнения различных вариантов устрой­ ства хвостохранилища необходимо делить проектный срок экс­ плуатации хвостового хозяйства на периоды. При этом может оказаться, что в начальный период эксплуатации хвостового хозяйства возможен безнапорный или чаще всего напорно-само­ течный гидротранспорт хвостов, не требующий устройства земле­ сосных станций и затрат энергии.

Окончательный выбор места расположения и типа хвосто­ хранилища производится в результате технико-экономического сравнения составленных вариантов.

2. Некоторые основные сведения о физических и строительных свойствах грунтов

Единое представление о содержании понятия «грунт» до сих пор отсутствует. В строительной практике грунтами называют горные породы, слагающие поверхностные горизонты земпой коры, явля­ ющиеся основаниями разнообразных сооружений и материалом для возведения сооружений.

Обычно грунты делят на три типа:

I. Скальные (твердые) — разнообразные изверженные по­ роды (гранит и др.), метаморфические породы (например, гнейс и др.) и некоторые прочные осадочные породы (известняк, песча­ ник и др.).

II.Полускальные породы — мергели, опоки, сланцы и др. III. Мягкие или рыхлые породы — гравий, песок, супесь,

суглинок, глина.

Скальные и полускальные породы обычно разделяют по сте­

пени прочности образцов пород на одноосное сжатие при атмо­ сферном всестороннем давлении. Скальными называют породы, сопротивление сжатию которых больше 500 кгс/см2. Полускальными называют породы, сопротивление сжатию которых 50— 500 кгс/см2 ]173].

Мягкими или рыхлыми называют породы, сопротивление сжа­ тию которых 0—50 кгс/см2.

Наиболее часто хвостохранилища приходится устраивать на площадках земной поверхности, сложенных на значительную глубину из мягких грунтов. Из последпих, как правило, устра­ иваются сооружения, ограждающие хвостохрапилшца, плотины и дамбы обвалования.

180