СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРООТВАЛА В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА

СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРООТВАЛА В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА

Научная статья

Пыталев И.А.¹, Резник А.В.², Якшина В.В.^3, *

^{1, 3} Магнитогорский государственный технический университет имени Г. И. Носова, Магнитогорск, Россия;

² Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, Новосибирск, Россия

* Корреспондирующий автор (v.v.yakshina[at]inbox.ru)

Аннотация

В статье представлен анализ условий отработки запасов пологозалегающих месторождений. На основе сравнения вариантов формирования гидроотвалов определена область их применения. Предложена классификация вариантов формирования гидроотвала в выработанном пространстве карьера. Разработана схема намыва гидроотвала в выработанном пространстве. Представлена технология формирования гидроотвала с помощью различных технологических конструкций: оградительных дамб, подпорных стенок. Представлены результаты исследования осаждения частиц в технологическом пруду-отстойнике.

Ключевые слова: выработанное пространство, гидроотвал, карьер, вскрышные породы, ограждающая дамба, угольный разрез.

WAYS TO CREATE A HYDRAULIC WASTE DISPOSAL IN THE MINED-OUT COAL PIT

Research article

Pytalev I.A.¹, Reznik A.V.², Yakshina V.V.^3, *

^{1, 3} Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia;

² N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences Novosibirsk, Russia

* Correspondent author (v.v.yakshina[at]inbox.ru)

Abstract

The article presents an analysis of the conditions of mining light-pitching deposits. Through the comparison of the ways to create hydraulic waste disposal, the authors determined their application domain. A classification of the ways to create hydraulic waste disposal in the mined-out quarry space is proposed. The scheme of alluviating hydraulic waste disposal in the mined-out space is developed. The article presents the technology for creating hydraulic waste disposal using various technological structures: bund walls and relieving walls. The results of the study on the settling of particles in a technological sediment pond are presented.

Keywords: mined-out space, hydraulic waste disposal, quarry, stripping soils, bund wall, coal pit.

Введение

В настоящее время в России более 74% угледобычи производится открытым способом. Значительные запасы этого полезного ископаемого сосредоточены в Канско-Ачинском угольном бассейне. В целом, горно-геологические условия вскрытия на них благоприятные и характеризуются небольшой глубиной залегания и высокой мощностью пластов, коэффициент вскрыши составляет 0,1-2 м³/т. Осложняет добычу повышенная обводненность продуктивной толщи, требующая применения соответствующих технологических решений для их освоения [1], [2], [3].

На сегодняшний день перед горнодобывающими предприятиями, разрабатывающими аналогичные по горно-геологическим и горнотехническим условиям месторождения, стоит задача не только поиска и внедрения технологий разработки обводненных пластов, но и изыскания свободных земель для складирования пород вскрыши, что является основным условием рационального природопользования и интенсификации горных работ, а также комплексного использования сырьевых ресурсов, в том числе, внедрения в производство безотходной технологии и мероприятий по охране окружающей среды.

Перспективным решением задач, связанных с размещением вскрышных пород при обеспечении постоянно ужесточающихся экологических требованиях, является формирование гидроотвала в выработанном пространстве угольного разреза [4], [5].

Размещение гидроотвала вскрышных пород в выработанном пространстве разреза обеспечивает следующие основные преимущества (рис.1):

- отсутствие необходимости изъятия дополнительных площадей земли вне поля разреза;

- минимальное расстояние транспортирования пород вскрыши от забоя до гидроотвала;

- исключение вероятности прорыва гидротехнического сооружения;

- повышение экономической эффективности горного производства за счет сокращения эксплуатационных затрат.

Рис.1 – Схема намыва гидроотвала в выработанном пространстве: α⁰ – угол борта карьера; Н_к – глубина карьера; 1 – плавучая насосная станция; 2 – водовод; 3 – пруд-отстойник; 4 –породы вскрыши, 5 – пульпровод

 

Формирование гидроотвала в выработанном пространстве разреза

Конструкция гидроотвала включает следующие элементы:

- ограждающие дамбы, создающие приёмную ёмкость, или выработанное пространство карьера;

- пруд-отстойник;

- устройства для отвода осветлённой воды;

- сооружения для пропуска паводковых и ливневых вод.

Необходимо учитывать, что при расположении гидроотвалов на сухих рыхлых породах, они, выступая в качестве основания, могут быть вымыты при фильтрации [6]. С целью недопущения этого следует предусматривать выполнение определенного вида предварительных работ по подготовке основания, в том числе кольматаж основания, что в конечном итоге предопределяет эффективную и безопасную работу всего комплекса гидромеханизации вскрышных работ.

Формирование гидроотвала в выработанном пространстве разреза возможно для двух условий:

- в отработанном карьере;

- в действующем карьере.

С целью определения способов подготовки основания гидроотвалов, формируемых в выработанном пространстве карьера, на основе положительного опыта ведения работ по гидромеханизации и условий их безопасного функционирования разработана классификация вариантов формирования гидроотвала в выработанном пространстве карьера (таблица).

 

Таблица 1 – Классификация вариантов формирования гидроотвала в выработанном пространстве карьера (разреза)

Согласно данной классификации формирование гидроотвала в выработанном пространстве карьера должно быть предусмотрено на стадии разработки проектных решений и отвечать следующим требованиям, предъявляемым к данным гидротехническим сооружениям [7], [8], [9]:

- соблюдение условий охраны окружающей среды и промышленной безопасности при их эксплуатации;

- наличие технологических и конструкционных материалов для возведения дамб обвалования;

- наличие защиты от подтопления рабочей зоны карьера;

- обеспечение устойчивости бортов карьера (разреза) или откосов дамб.

Важными требованиями к гидроотвалам, созданным в выработанных пространствах действующих карьеров, являются: обеспечение их устойчивости на всех этапах формирования и обеспечение необходимого объема.

Формирование гидроотвала в выработанном пространстве карьера возможно по двум вариантам:

• Вариант 1 – с сооружением оградительных дамб вдоль верхней кромки технологического водоема (рис. 2а);
• Вариант 2 – без сооружения дамб (рис.2б) [2].

 

Рис. 2 – Варианты формирования гидроотвала в выработанном пространстве разреза: 1 – технологический водоем; 2 – оградительная дамба; 3 – гидроотвал; 4 – отвал бестранспортной вскрыши

 

Вариант 1. Сооружение гидроотвала с помощью оградительных дамб по периметру верхней бровки технологического водоема применяется с учётом характеристик укладываемых грунтов, рельефа основания, класса ответственности гидроотвалов, объёмов работ и характера дальнейшего использования гидроотвалов. Следует отметить, что данный способ создания гидроотвала имеет ряд недостатков, связанных с потребностью в необходимом материале для формирования оградительных дамб, применения более сложных нетрадиционных схем складирования пород вскрыши, а также сокращения полезного объема формируемой приемной емкости в контуре выработанного пространства карьера. В качестве материала для создания оградительных дамб пригодны грунты, обеспечивающие требуемые прочностные и фильтрационные характеристикам [10], а также железобетонные конструкции, такие как уголковые подпорные стенки: консольные и контрфорсные.

Применение данных технологических и конструкционных материалов является перспективным в горном деле не только в качестве гидротехнического сооружения, обеспечивающего сокращение объема используемых грунтов для возведения оградительных дамб при одновременном увеличении прочностных характеристик горнотехнических объектов, но и для увеличения приемной способности техногенных емкостей.

Вариант 2. Формирование гидроотвала в выработанном пространстве карьера без сооружения дамб. Применение данного способа целесообразно для обводненных месторождений пологого залегания, а наличие откосов бортов разреза на флангах, выполняющих роль оградительных дамб, позволяет значительно сократить капитальные и эксплуатационные затраты на их формирование.

При отсутствии оградительных дамб важное значение приобретает вопрос дальности распространения элементов гидросмеси в технологический водоем, так как в случае попадания их в призабойную зону цепных экскаваторов возможно увеличение зольности добываемого угля. Согласно исследованиям [3] видно, что при постоянной глубине отстойника длина осаждения частиц зависит, главным образом, от их крупности и скорости течения пульпы. Чем меньше крупность частиц и выше скорость их течения, тем больше длина их осаждения, которая достигает величин 70-160 м. Снижение расстояния осаждения частиц достигается путем регулирования гранулометрического состава и скорости подачи гидросмеси, с установкой (при необходимости) боковых заграждений. В случае достаточно большого удаления гидроотвала от откоса нижнего добычного уступа (более 500 м), распространение в призабойную зону крупных элементов гидросмеси маловероятно. Возможно увеличение мутности воды, что не является критичным.

Заключение

Применение предложенных способов формирования гидроотвала при разработке обводненных месторождений обеспечивает возможность размещения гидроотвала вскрышных пород в выработанном пространстве разреза, что исключает необходимость изъятия дополнительных площадей земли, при одновременном снижении негативного воздействия открытых горных работ на атмосферу, гидросферу и литосферу путем сохранения природного состояния окружающей среды, исключения загрязнения вредными веществами водоемов за счет аккумуляции технической воды в прудке-накопителе и дальнейшей ее подачи в цикл оборотного водоснабжения.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Ческидов В. И. Научное обоснование ресурсосберегающих экологически щадящих технологий открытой разработки месторождений твердых полезных ископаемых / В. И. Ческидов, В. К. Норри, Г. Д. Зайцев, А. А. Ботвинник, А. С. Бобыльский, А. В. Резник // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2014. – № 5. – С. 107–122.
2. Резник А. В. Технология открытой разработки обводненных буроугольных месторождений Канско-Ачинского бассейна / А. В. Резник, В. И. Ческидов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2019. – №1. – С. 106–115.
3. Ческидов В. И. Особенности формирования гидроотвала вскрышных пород при разработке обводненного буроугольного месторождения / В. И. Ческидов, А. В. Резник // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2019. – № 2. – С. 105–111.
4. Гавришев С.Е. Перспективы многоцелевого использования техногенных пространств карьеров и отвалов / С.Е. Гавришев, И.А. Пыталев // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2015. – № S1-1. – С. 301-310.
5. Заляднов В. Ю. Обоснование способов формирования техногенных георесурсов при открытой разработке железорудных месторождений : дис. … канд. техн. наук. – Магнитогорск, 2005.
6. Радченко С. А. Особенности формирования внутреннего гидроотвала на насыпном основании // Горно-информационный бюллетень. – М.: МГГУ, 2004. – №7. – С. 168-171.
7. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2017 году» / Министерство природных ресурсов и экологии РФ, – М., 2017.
8. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых»» Зарегистрировано в Минюсте России 02.07.2014 №32935.
9. «Требования к содержанию правил эксплуатации гидротехнических сооружений (за исключением судоходных и портовых гидротехнических сооружений)» Зарегистрировано в Минюсте России 01.12.2015 №39911.
10. Мельников И. Т. Прогноз фильтрации в теле намывных дамб хвостохранилищ с учетом донных отложений прудковых зон / И. Т. Мельников, В. И. Гладских, А. И. Суров, Л. И. Кондратьев, A. A. Манушин // Материалы 66-й научно-технической конференции. Сборник статей. - Магнитогорск. – 2008. – Т. 1. – С.173-177.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Cheskidov V. I. Nauchnoye obosnovaniye resursosberegayushchikh ekologicheski shchadyashchikh tekhnologiy otkrytoy razrabotki mestorozhdeniy tverdykh poleznykh iskopayemykh [Scientific substantiation of resource-saving ecologically sparing technologies of opencast mining of solid mineral deposits] / V. I. Cheskidov, V. K. Norrie, G. D. Zaitsev, A. A. Botvinnik, A. S. Bobylsky, A. V. Reznik // Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh [Physical and technical problems of the development of minerals]. – 2014. – № 5. – P. 107–122. [in Russian]
2. Reznik A. V. Tekhnologiya otkrytoy razrabotki obvodnennykh burougol'nykh mestorozhdeniy Kansko-Achinskogo basseyna [Open-pit mining technology of flooded brown coal deposits in the Kansk-Achinsk basin] / A. V. Reznik, V. I. Cheskidov // Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh [Physical and technical problems of the development of minerals]. – 2019. – №1. – P. 106–115. [in Russian]
3. Cheskidov V. I. Osobennosti formirovaniya gidrootvala vskryshnykh porod pri razrabotke obvodnennogo burougol'nogo mestorozhdeniya [Features of the formation of a hydraulic dump of overburden during the development of a watered brown coal deposit] / V. I. Cheskidov, A. V. Reznik // Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh [Physical and technical problems of the development of minerals]. – 2019. – № 2. – P. 105–111. [in Russian]
4. Gavrishev S. E. Perspektivy mnogotselevogo ispol'zo-vaniya tekhnogennykh prostranstv kar'yerov i otvalov [Prospects for the multipurpose use of technogenic spaces of quarries and dumps] / Gavrishev S. E., Pytalev I. A. // Gornyy informatsi-onno-analiticheskiy byulleten' (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal) [Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal)]. – 2015. – No. S1-1. – P. 301-310. [in Russian]
5. Zalyadnov V. Yu. Obosnovaniye sposobov formirovaniya tekhnogennykh georesursov pri otkrytoy razrabotke zhelezorudnykh mestorozhdeniy [Substantiation of methods of formation of technogenic georesources in open mining of iron ore deposits]: dis. ... PhD in Engineering. – Magnitogorsk, 2005. [in Russian]
6. Radchenko S. A. Osobennosti formirovaniya vnutrennego gidrootvala na nasypnom osnovanii [ Features of the formation of an internal hydraulic dump on a bulk foundation] // Gorno-informatsionnyy byulleten' [Gorno-informational bulletin]. – 2004. – №7. – P.168-171. [in Russian]
7. Gosudarstvennyy doklad «O sostoyanii i ob okhrane okruzhayushchey sre-dy Rossiyskoy Federatsii v 2017 godu» [State report "On the state and on the protection of the environment of the Russian Federation in 2017"] / Ministerstvo prirodnykh resur-sov i ekologii RF [Ministry of Natural Resources and Ecology of the Russian Federation]. – M., 2017. [in Russian]
8. Federal'nyye normy i pravila v oblasti promyshlennoy bezopasno-sti «Pravila bezopasnosti pri vedenii gornykh rabot i pererabotke tverdykh poleznykh iskopayemykh»» Zaregistrirovano v Minyuste Rossii 02.07.2014 №32935 [Federal norms and rules in the field of industrial safety "Safety rules for mining and processing of solid minerals" Registered in the Ministry of Justice of Russia on 02.07.2014 No. 32935]. [in Russian]
9. «Trebovaniya k soderzhaniyu pravil ekspluatatsii gidrotekhnicheskikh sooruzheniy (za isklyucheniyem sudokhodnykh i portovykh gidrotekhnicheskikh sooruzheniy)» Zaregistrirovano v Minyuste Rossii 01.12.2015 №39911 ["Requirements for the content of the rules for the operation of hydraulic structures (except for shipping and port hydraulic structures)" Registered in the Ministry of Justice of Russia on 01.12.2015 No. 39911]. [in Russian]
10. Melnikov I. T. Prognoz fil'tratsii v tele namyvnykh damb khvostokhrani-lishch s uchetom donnykh otlozheniy prudkovykh zon [Forecast of filtration in the body of alluvial dams of tailing dumps taking into account bottom sediments of pond zones] / Melnikov I. T., Gladskikh V. I., Surov A. I. Kondrat'ev L. I., Manushin A. A. // Materialy 66-y nauchno-tekhnicheskoy konferentsii. Sbornik statey [Materials of the 66th scientific and technical conferences. Digest of articles]. - Magnitogorsk. – 2008. – V. 1. – P. 173-177. [in Russian]