книги / Проектирование и эксплуатация хвостовых хозяйств обогатительных фабрик

Сопряжения плотин с бортами хвостохранилищ должны быть разработаны проектом таким образом, чтобы предотвратить опас­ ную фильтрацию в берегах в обход плотины. Минимум проектиру­ емых мероприятий заключается в том, чтобы удалить паиболее фильтрующие или вывотрелые слои грунтов в местах сопряжения плотины с бортом хвостохранилища. В целях экономии можно предусматривать удаление выветрелых фильтрующих слоев грунта но по всей поверхности сопряжения плотины с берегами, а только по некоторой полосе. Отсутствие в проекте плотины хвостохрани­ лища одной из среднеазиатских фабрик разработки указанного сопряжения плотины привело к угрожающей фильтрации по одному из бортов долины. Фильтрация была прекращена устрой­ ством полосы сопряжения в виде врезки в берега с заполнением

ееглинистым грунтом.

Вслучаях устройства насыпных плотин первой очереди из грунтов менее фильтрующих, чем хвосты, следует ожидать выхода кривой депрессии выше гребня насыпной плотины. В этих случаях

следует предусматривать устройство наслонного дренажа на некоторой высоте низового откоса плотины из хвостов выше гребня плотины первой очереди. Такой дренаж должен состоять из слоев обратного фильтра и каменной наброски (рис. 100). При проекти­ ровании обратных фильтров крупность частиц песка и гравия следует выбирать в соответствии с указаниями (см. выше).

Сортировка природных смесей грунтов представляет собой сложную и весьма дорогую операцию. Поэтому рекомендуется в случаях отсутствия в районе устройства хвостохранилищ грун­ тов, удовлетворяющих данным табл. 40, применять для устрой­ ства дренажей природные смеси песчано-гравелистых грунтов без их сортировки, но с обязательным утолщением слоев обратного

231

Рис. 100. Наслонпый дренаж у подошвы низового откоса намывной части плотин хвостохранилищ:

1 — плотна первой очереди (насыпная); 2 — намывная плотина из хвостов; з — наслонный дренаж; 4 — кривая депрес­

сии; я — водоприемник; в — труба с отверстиями в стенках; 7 — сливная труба; S — сливные отверстия; 9 — водоспуск­ ной коллектор

фильтра до 0,5—1 м. Слон обратного фильтра рекомендуется прикрывать каменной наброской толщиной 1,0—1,5 м.

Предохранение от пиления хвостовых отложений и, в ча­ стности, от развевания откосов намывных плотин и дамб обвало­ вания из хвостов является сложной проблемой. Практика знает случаи, когда наблюдался быстрый разнос ветром намытых и вы­ сохших частей плотин из хвостов.

В качестве защитных мер применяют различные способы. На хвостохранилище Балхашской обогатительной фабрики с успехом применялись деревянные щиты типа защитных от снежных заносов железных дорог, устанавливавшиеся на гребне намывных из хвостов плотин и дамб обвалования. Перемещаемые ветром ча­ стицы хвостов у щитов теряют скорость и откладываются, образуя гряды.

Другим способом предотвращения развевания материала пло­ тин к хвостовых отложений является их увлажнение. На одном из хвостохранилищ, вдоль гребня дамбы обвалования, был про­ ложен водовод, из отверстий которого производился в период ветров полив верхового откоса. Этот способ оказался эффек­ тивным.

Для защиты низовых откосов плотин от развевания хвостов ветром применяется их одернование, посадка деревьев, покрытие гравием и пр. Так, на хвостохранилище Каджараиской фабрики на низовом откосе намытой из хвостов плотины были посажены черенки местной породы тополя, которые принялись и укрепили откос [2].

Производятся поиски простых и экономичных химических методов закрепления песчаных поверхностей для борьбы с нылением. К числу таких методов принадлежит опрыскивание поверх­ ностей жидкостью, содержащей полиакриламид. При этом обра­ зуется прочная корка, не только не препятствующая, по даже способствующая росту растений.

Внекоторых случаях, вероятно, возможно закреплять хвосто­ вые отложения битумом, цементным раствором или применять силикатизацию.

Вцелях повышения устойчивости откосов намывных из хво­ стов плотин часто проектируется глубокий послойный дренаж. Один из видов такого дренажа показан на рис. 101. Дренаж, устраиваемый в процессе намыва плотин, обеспечивает осушение низового откоса на толщипу 10 м, что способствует повышению устойчивости откоса и назначению его большей крутизны. Необ­ ходимость глубокого, послойного дренажа низовых откосов на­ мывных из хвостов плотин не является доказанной. Если исходить из того, что при намыве происходит классификация частиц хво­ стов но крупности, при котором вся верхняя часть откоса сложена из наиболее крупных частиц, обуславливающих ее большую проницаемость по сравнению с остальной частью, то надобности

вустройстве глубокого, послойного дренажа нет: верхняя толща

§3?

откоса будет отводить воду, фильтрующую сквозь плотину, и обеспечивать низкое положение поверхности депрессии. Дренажи подобного тина (см. рис. 101), институт Механобр начал разраба­ тывать после опыта эксплуатации плотины хвостохранилища на ручье Дара-Зами Каджаранской фабрики. Здесь наблюдались выходы фильтрационных вод на низовом откосе намываемой из хвостов плотины [2]. Наблюдаются также выходы фильтрующих вод на откосе намытой из хвостов плотины Чашииского хвосто­ хранилища Лениногорских обогатительных фабрик. Выходы фильтрующей воды па откосе плотины могли быть местными, обусловленными процессом инфильтцапии воды, протекающей по верховому откосу в процессе намыва плотины, образующей так называемую «верховодку». Е. Н. Навасардяп [2] указывал на то, что дренированные воды выходят на поверхность откоса в период таяния снегов, что косвенно подтверждает предположение, что выходы фильтрационных вод связаны с образованием «верхо­ водки».

В проекте хвостохранилища на ручье Дара-Зами (Каджаранская фабрика) были предусмотрены вдвинутые дренажи (рис. 102), предназначенные для понижения поверхности депрессии фильтру­ ющих сквозь плотину вод.

Плотина хвостохранилища Буурдипской обогатительной фаб­ рики по типу аналогичиа плотине на ручье Дара-Зами. Здесь не были запроектированы вдвинутые дренажи.

Скальное, трещиноватое основание плотины могло в первый период эксплуатации хвостохранилища играть роль вдвинутого дренажа на плотине Дара-Зами.

В процессе эксплуатации Буурдинской плотины не наблю­ дается выходов кривой депрессии на низовой откос ее намытой части. Это обстоятельство также подтверждает положение о том, что устройство глубинного, послойного дренажа намытых из хвостов откосов не всегда является необходимым.

Вопросы структурирования (приобретения структуры) хво­ стов при их отложении в процессе движения пульпы по намыва­ емому откосу и в процессе дальнейшей стабилизации во времени еще не изучены.

Приобретение хвостами свойств структурного грунтового тела, обладающего соответствующей прочностью, связано с ростом и оценкой плотности хвостовых отложений. Чем больше плотность отложений, тем при всех прочих равных условиях выше их проч­ ность, оцениваемая углом внутреннего трения и силой сцепления. Рост плотности отложений хвостов при их памыво и период их стабилизации связываются обычно с крупностью частиц, грануло­ метрическим составом и плотностью хвостов. Чем больше круп­ ность частиц и их плотность, тем больше плотность отложений хвостов и тем меньше период их стабилизации (вследствие того что тело, образованное из более крупных частиц, обладает боль­ шим коэффициентом фильтрации).

235

Накоплен опыт намыва плотип из хвостов, характеризуемых содержанием частиц мспее —0,074 мм в количестве <[60% с плот­ ностью 2,65—2,70 г/см3. Низовые откосы таких плотин в условиях нронизывания их фильтрационным потоком и при значительной интенсивности намыва обладают необходимой устойчивостью даже при высоте до 100 м. Имея в виду наличие такого опыта, можно считать, что возведение вполне надежных плотин и дамб обвалова­ ния хвостохранилищ из хвостов указанного выше гранулометри­ ческого состава и плотности не вызывают сомнений. Наоборот, нет уверенности в надежности намывных плотин из хвостов крупностью>>60% —0,074 мм. Именно поэтому совещание по проектиро­ ванию и эксплуатации хвостовых хозяйств обогатительных фаб­ рик [2j рекомендует в указанных случаях проектировать на всю высоту насыпные плотины или, по крайней мере, смешанные плотипы, используя в качестве материалов для дамб обвалования местные грунты, а в качестве основания — намывные отложения хвостов. Тип смешанной плотины показан на рис. 103.

Предел крупности частиц хвостов, разграничивающий область возможного и невозможного строительства из них плотин намыв­ ным способом, является в значительной мере условным. Одип только признак гранулометрического состава хвостов с учетом их плотности не является достаточным для характеристики ука­ занного разграничения. Практика эксплуатации хвостовых хо­ зяйств вводит существенные коррективы в изложенное выше положение. Хвосты разных фабрик одинакового гранулометри­ ческого состава и плотности обладают различной способностью к их структурированию и приобретению свойств прочности. На­ пример, хвосты Миргалимсайской фабрики сравнительно быстро приобретают структуру, намывные хвостовые отложения после сравнительно непродолжительной их выдержки («просушивапия») обладают значительной прочностью, обуславливающей проходи­ мость механизмов.

Наоборот, такие же по гранулометрическому составу и плот­ ности хвосты Алтын-Тонканской фабрики в течение их длитель­ ного выдерживания не приобретают структуры и непроходимы для людей и механизмов. Очевидно, на процессы структурирова­ ния хвостов влияет их минеральный состав и реагенты, обусло­ вливающие процессы стабилизации отложений хвостов. Поэтому вопрос о возможности устройства плотин из мелких хвостов при намыве плотин большей высоты каждый раз требует разносторон­ них исследований и прежде всего исследований процессов упроч­ нения нарастания структуры водонасыщенных хвостовых отло­ жений. Большая работа в этом направлении проводится с 1968 г. лабораторией механики грунтов и устойчивости хвостохранилищ при Ленинградском политехническом институте им. М. И. Ка­ линина.

В мировой практике эксплуатации хвостовых хозяйств имеются примеры устройства намывных плотин из хвостов, содержащих

237

90% частиц крупностью —0,074 мм. Поэтому уже на настоящем этапе надо отказаться от проектирования только насыпных плотин в случаях, когда в хвостах содержится частиц крупностью —0,074 мм больше 60%.

В институте Механобр в случаях, когда хвосты содержат ча­ стицы крупностью —0,074 мм в количестве больше 60% (до 90%), проектируют смешанные плотины (см. рис. 103). Дамбочки нара­ щивания проектируются из местных песчаных, песчано-гравели­ стых и гравелисто-песчаных грунтов в целях создания лучших условий консолидации намытых хвостовых отложений. При этом предполагается, что уже в первые годы эксплуатации таких хвостохранилищ будут произведены опытные работы, в результате которых будут определены условия устройства плотин из хвостов указанного гранулометрического состава намывным способом и возведения дамб наращивания из естественных местных грунтов на отложениях хвостов. В процессе таких исследований должны быть испробованы возможные механические и химические способы повышения плотности и закрепления отложепий хвостов. К таким способам относится покрытие намывных хвостовых отложений слоями песчаного фильтрующего грунта, золы, шлаков, послойное уплотнение хвостовых отложений вибромашинами. Эти методы уже применялись в опытах по устройству дамб золохранилищ из тонкодисперсной золы, проведенных лабораторией гидромеха­ низации ВНИИГ с удовлетворительным результатом.

В случаях, когда применяются решения об устройстве насып­ ных плотин на всю высоту, обеспечивающую необходимую емкость хвостохранилища, надлежит в этих случаях проектировать пло­ тины облегченного типа из местных материалов. Наилучшим типом земляной плотины является плотина из крупнозернистых, песчаных, гравелистых и каменных материалов (при наличии их по близости от створа сооружения и при практической возмож­ ности их разработки и укладки в тело плотины, определяющих технико-экономические преимущества этого типа). Необходимость создания пруда первой очереди для осветления пульпы и для зимней укладки хвостов требует устройства на части высоты верхо­ вого откоса водонепроницаемого экрана из глинистых грунтов (рис. 104).

В случаях устройства смешанных плотин (см. рис. 103) пло­ тина первой очереди устраивается как обычно для создания зим­ ней емкости и обеспечения осветления. Заполнение хвостохрани­ лища ведется но системе «от плотины к берегам», причем обра­ зуется экран плотины из хвостов, который используется как осно­ вание для дамбы наращивания, образуемой насыпным способом. Высота дамб наращивания (см. рис. 103) должна удовлетворять условию увеличения емкости хвостохранилища минимум на один год эксплуатации фабрики и, кроме того, конструкция ее должна быть такой, чтобы обеспечить устойчивость низового откоса пло­ тины в течение всего периода эксплуатации хвостохранилища.

238

С точки зрения выполнения второго из указанных условий, лучше делать дамбы наращивания разной высоты, с уменьшением последней снизу вверх.

Материалом для дамб наращивания являются фильтрующие грунты, лучше всего пескиПоследние являются дренажем для воды, выжимаемой из хвостов под нагрузкой дамбы наращивания. При зтом сокращается срок консолидации отложений хвостов, являющихся основанием дамбы наращивания. Кроме того, песча­ ные дамбы наращивания обеспечивают дренаж фильтрационных вод и низкое положение кривой депрессии.

Рис. 104. Тип насыпной плотины из песчаных грунтов на высоту, обеспе­ чивающую емкость хвостохранилища на весь период эксплуатации обогати­ тельной фабрики:

I, II, III — очереди возведения плотины, 1 — экран из глинистых грунтов на высоту, соответствующую емкости зимней укладки хвостов и емкости осветления; 2 — трубчатый дренаж; 3 — понур из глинистых грунтов (при водопроницаемом основании); 4 — отло­ жения хвостов, Г. в. — горизонты воды в вруде-хвостохранилище

Размеры профиля дамбы наращивания зависят от свойств проч­ ности и деформируемости отложений хвостов. В основном проч­ ность и деформируемость отложений определяются свойствами их уплотнения и консолидации-

Угол верхового откоса дамб наращивания с горизонтом должен быть меньше угла внутреннего трения отложений хвостов. Зало­ жение низового откоса дамб наращивания должно определяться условиями устойчивости всего откоса в целом. Как правило, величины откосов должны определяться расчетом.

5. Водосбросные сооружения хвостохранилищ

Водосбросные сооружения предназначаются для отвода из прудахвостохранилища приточных с поверхности водосбросного бас­ сейна вод, для отвода освободившихся от твердых частиц хвосто­ вых (осветленных) вод и для полного (или частичного) опорожне­ ния пруда. Необходимость в полном (или частичном) опорожне­ нии пруда может возникнуть в тех случаях, когда плотине или дамбе обвалования грозит, вследствие тех или иных причин, опасность разрушения, например, при интенсивной фильтрации

239

воды через тело плотины с выносом твердых частиц грунтов (суф­ фозия), оползании откосов, разрушения верхового откоса волной. Указанные обстоятельства надо также иметь в виду при проекти­ ровании водосливных отверстий, устройств по их закрытию и открытию. Необходимо, чтобы эти устройства обеспечивали воз­ можность частичного понижения уровня или, при необходимости, полного опорожнения пруда.

Конструкции водосбросных сооружений должны проектиро­ ваться с учетом необходимости отвода воды с различпых отметок горизонта воды в хвостохранилище, обусловленных почти непре­ рывным подъемом гребня дамбы обвалования в процессе эксплу­ атации.

Подъем горизонта воды в пруде вызывается необходимостью наращивания объемов хвостохранилища для вмещения непрерывно поступающих в него хвостов с фабрики.

Можно устроить плотину сразу на всю высоту для вмещения всех хвостов фабрики в течение проектного периода ее эксплу­ атации-

В этом случае сброс приточных и осветленных вод можно было бы производить с одной отметки НПГ, как это делается в гидро­ энергетике, водоснабжении, ирригации. Такое решение, одпако, является очень трудоемким и дорогим, и к нему следует прибегать в исключительных случаях.

Конструкцией водосбросного сооружения, удовлетворяющего условию отвода вод с разных горизонтов при непрерывном повы­ шении отметки зеркала вод в пруде-хвостохранилище, является водоприемник шахтного типа с отверстиями, перекрываемыми шандорами (рис. 105). Через отверстия вода сливается (падает) в колодец, устраиваемый в фундаменте водоприемника, откуда по коллектору отводится за пределы хвостохранилища.

Коллектор и колодцы должны размещаться в пруде таким обра­ зом, чтобы обеспечить осветление пульпы, поступающей в прудхвостохрапилище.

Это условие достигается тем, что в любой момепт эксплуатации пруда-хвостохранилища расстояние от места выпуска пульпы до сброса осветленной воды через отверстия в стенках водоприем­ ника должно быть достаточным для выпадения твердых частиц хвостов на дно пруда-хвостохранилища и соответствующим тре­ бованиям санитарных правил сброса осветленных вод в открытые водоемы.

В случаях хвостохранилищ, расположенных на склонах долин, когда один размер пруда в плане (длипа) значительно превышает другой его размер (ширину), при сооружении дамбы обвалования намывом хвостов следует устраивать две линии водоспускных коллекторов с водоприемниками шахтного типа, если при одной, линии водосбросных сооружений не обеспечивается должного осветления хвостовых вод. Это делается для того, чтобы в период намыва дамбы в районе одной линии водоприемников слив освет-

240