Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Использование эффекта сегрегации техногенных отходов для решения эколого-технических задач горного производства

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Использование эффекта сегрегации техногенных отходов для решения эколого-технических задач горного производства"

-о О*

, К Л» «98

На правах рукописи

МОРОЗОВ МИХАИЛ ГРИГОРЬЕВИЧ

Использование эффекта сегрегации техногенных отходов для решения эколого-технических задан горного производства

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

Екатеринбург 1998

Работа выполнена в Уральской государственной горногеологической академии

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Зотеев В.Г.

Официальные оппоненты - Доктор геолого-минералогических

наук, профессор Булатов Р.В. Доктор технических наук, профессор Бастан П.П.

Веду щее предприятие - АО Институт Уралгипроруда

Защита состоится " 2.3 " _1998г. в "/У" часов на

заседании диссертационного совета Д 099.01.01 в Российском научно-исследовательском институте комплексного использования и охраны водных ресурсов (РосНИИВХ), по адресу: 620049, г.Екатеринбург, ул. Мира, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского научно-исследовательского института комплексного использования и охраны водных ресурсов.

Автореферат разослан " " //о^Т?^ 1998г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим высылать по адресу: 620049, г.Екатеринбург, ул. Мира, 23, РосНИИВХ.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 099.01.01 кандидат технических наук

Ю.С.Рыбаков

Актуальность работы. Гигантские объемы техногенных образований, накопленных в горнодобывающих провинциях являются неисчерпаемым источником строительных грунтовых материалов. Вместе с тем механические и деформационные свойства этих образований остаются практически не изученными, хотя они существенно отличаются от свойств фунтов естественного происхождения. Эти различия обусловлены разнообразием технологий переработки и складирования вскрышных пород, не имеющих аналогов среди пород природного генезиса. Применительно к несвязным грунтам различие в свойствах техногенных образований проявляется, прежде всего в зональности их сложения. При этом различия в показателях этих образований определяются, прежде всего, степенью сортировки слагающих фунт обломков по крупности и прочности, т.е. так называемой сегрегацией. Хотя понятие сефегации для горной массы, отсыпаемой в отвалы и насыпи описано в технической литературе более 30 лет назад, описание механизма этого явления отсутствует. Вместе с тем знание закономерностей изменения таких показателей как фанулометрический состав, пористость и коэффициент фильтрации техногенных образований по всей толще отвальных ярусов, упорных насыпей офаждающих дамб и т.п. крайне необходимо для решения большинства технологических и природоохранных задач, связанных с их использованием в народном хозяйстве. Определение вышеперечисленных показателей в натурных условиях, как правило невозможно или требует уникального оборудования. Таким образом теоретическое обоснование механизма сефегации горной массы, отсыпаемой в отвалы, базирующегося на учете ее исходного фанулометрического состава и технологии складирования и обеспечивающем возможность расчета крупности и неоднородности обломков в любой зоне дамб и насыпей следует считать актуальной задачей исследований.

Цель исследований. Разработка метода расчета параметров сефегации горной массы, отсыпаемой в отвалы, насыпи и дамбы, обеспечивающего получение надежных данных по ее фанулометрическому составу и пористости с учетом технологии и режима складирования.

Основная идея работы заключается в том, что сегрегация горной массы реализуется только при перемещении обломков по откосу за счет

качения, при их скольжении сегрегация невозможна.

Научные положения:

1. Возникновение сегрегации горной массы при складировании ее в отвалы обусловлено меньшими энергетическими затратами при движении крупных обломков по откосу за счет их качения, при этом основными показателями, определяющими активность процесса сегрегации являются форма обломков и их размер.

2. Предлагаемый алгоритм расчета позволяет определить крупность и неоднородность обломков слагающих любую зону отвала, по заданной технологии отсыпки и исходному гранулометрическому составу горной массы.

3. Использование разработанных формул для определения крупности, однородности обломков и линейного коэффициента трения качення обеспечивает повышение надежности расчета конструктивных элементов камнеулавливающих сооружений, каменно-набросных плотин и насыпей специального назначения.

4. На основе расчета изменения гранулометрического состава техногенных материалов при их отсыпке с использованием различных технологий обеспечивается возможность управления устойчивостью отвалов и ограждающих дамб и их фильтрационными характеристиками.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сопоставлением результатов теоретических расчетов с данными экспериментальных исследований по скоростям движения обломков по откосам отвальных ярусов, распределению обломков по крупности на откосах и данными физического моделирования.

Научная новизна работы заключается в том, что по ходу ее выполнения:

1. Обоснован механизм гравитационной сегрегации горной массы как результат проявления более высоких скоростей качения крупных изометричных обломков по сравнению с более мелкими и неизометричными, перемещающимися за счет скольжения по откосу.

2. Дано физическое обоснование коэффициента формы обломков как второго по важности фактора, определяющего эффект сегрегации.

3. Установлены корреляционные зависимости между средним размером

(с15о) коэффициентами неоднородности (Ки) и неизометричности (Ки) обломков, слагающих рассматриваемую зону отвала с исходным гранулометрическим составом горной массы и технологией ее складирования.

Практическая значимость работы:

1. Разработанная методика расчета с!50 и К„ горной массы по высоте отвала обеспечивает возможность определения ее пористости (п) и угла сопротивления сдвигу (ср).

2. Предложены формулы для расчета скорости качения обломков позволяющие определить силу удара о преграду с учетом их формы и размера и повысить точность расчета конструктивных элементов камнеулавливающих сооружений.

3. Обеспечен надежный прогноз изменения крупности, пористости и показателей сопротивления сдвигу горной массы по высоте отвала, что гарантирует выбор оптимальной технологии отсыпки насыпей и ограждающих дамб на склонах и участках, где основание сложено грунтами с низкой несущей способностью.

4. Знание закономерностей изменения гранулометрического состава исходных материалов при использовании различных технологий их складирования позволяет формировать переходные слои и противофильтраиионные экраны с заданными характеристиками.

5. Разработаны принципиальные схемы складирования техногенных отходов и горной массы, позволяющие отсыпать их в высокие отвалы независимо от несущей способности фунтов основания, обеспечивать свободный пропуск малых рек и ручьев через тело отвалов и свести к минимуму вынос токсикантов из законсервированных техногенных объектов.

Личный вклад автора состоит в уточнении математического описания процесса качения обломков по склону, проектировании и изготовлении лабораторного стенда, выполнении исследований процесса сегрегации на физических моделях и натурных объектах, статистической обработке результатов исследований, выводе уравнений множественной корреляции и разработке принципиальных схем складирования техногенных отходов и отсыпки дамб специального назначения с учетом природоохранных

требований.

Методы исследований включают: анализ материалов предыдущих исследований, теоретические расчеты, исследования на физических и статистических моделях и натурные эксперименты, а так же метод множественной корреляции.

Объектом исследований являются отвалы крупнейших ГОКов России (Ковдорский, Костомукшинский), а так же завода "Магнезит" и ОАО "Бор", на которых горная масса была представлена породами различного литологичсского состава и крупности, а высота отвальных ярусов изменялась в пределах от 30 до 300 м.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований использовались при разработке рекомендаций по стабилизации отвала № 8 ОАО "Бор" и технологии его дальнейшей отсыпки единым ярусом высотой до 170 м.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция «Проблемы инженерной геологии», Санкт-Петербург 1997г.

2. Семинар «Вопросы инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий в Уральском регионе», Екатеринбург 1997г.

3. Областной конкурс научно-исследовательских работ студентов вузов, Екатеринбург 1997г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 112 страницах машинописного текста, включая 24 таблицы, 32 рисунка и списка использованных источников из 58 наименований.

Основное содержание работы

В первой главе дается обзор выполненных ранее теоретических и экспериментальных исследований по сортировке горной массы в отвалах и насыпях выполненных в различные годы на крупнейших ГОКах России.

Впервые эффект сегрегации как специфический гравитационный процесс возникающий при высоте насыпи более 5 метров, был описан Г.А.Радченко в 1967 году. В результате дальнейших исследований за

распределением обломков горной массы по крупности по высоте отвальных ярусов проведенных в 1970 - 1979 годах были предложены эмпирические зависимости основанные на эффекте сегрегации, однако их использование не представляется возможным, так как в них не учитываются ни размер, ни форма обломков, ни технология отсыпки насыпи.

В отличие от теоретических исследований по обоснованию процесса гравитационной сегрегации, за период с 1967 по 1986 г.г. был проведен большой комплекс экспериментальных исследований по ее проявлению, выполненных в ИГД Минчермета СССР (ныне ИГД УрОРАН) под руководством В.Г.Зотеева, а так же П.Н.Токмакова, П.П.Бастана и позднее А.В.Гальянова и др. На основании статистической обработки результатов экспериментальных исследований были получены эмпирические зависимости, в которых учитывались исходный гранулометрический состав горной массы, значения с150' и Кн', а так же предприняты попытки учесть форму обломков через (К,/""1). Общим недостатком этих зависимостей является то, что они не имеют логического обоснования, из-за присутствия в них параметров, пояснение физической сущности которых выглядит неубедительно.

Располагая данными по гранулометрическому составу каменной наброски в любой части насыпи, на основании эмпирических зависимостей, приведенных в работах по исследованию показателей сопротивления крупнообломочных пород сдвигу, можно рассчитать как ее механические характеристики (ф, Е, п), так и коэффициент фильтрации (Кф). Однако основной трудностью при этом является разработка метода учета изменения гранулометрического состава в теле отсыпаемых насыпей за счет эффекта сегрегации. Если эту сложность удастся преодолеть, открываются широкие перспективы для внедрения эффективных технологий строительства каменнонабросных плотин без специальных экранов, отсыпки насыпей линейных сооружений через мелкие реки и ручьи без сооружения специальных пропусков для воды, отсыпки насыпей и отвалов на заболоченных участках и наконец снижения интенсивности загрязнения подземных вод тяжелыми металлами за счет уменьшения их выноса из техногенных образований.

Существует положительный опыт по решению разнообразных задач

с учетом технологии складирования по пересыпке мелких ручьев одноярусным отвалом со свободным пропуском через его тело воды ручьев, пересыпке заболоченных участков одноярусными отвалами с выдавливанием грунтов основания, и решению проблемы со снабжением оборотной водой обогатительной фабрики, за счет снижения фильтрационных потерь через тело дамбы путем замыва порового межглыбового пространства дресвяно-песчаными фракциями.

Несмотря на этот положительный опыт использования механизма сегрегации несвязных грунтов при отсыпке отвалов и водо удерживаю тих плотин, специальных исследований по его детальному изучению не проводилось. Использование эмпирических зависимостей хотя и указывает на существенное влияние формы обломков на проявление сегрегации, но оценка этого фактора не подтверждена какими-либо данными. Отсутствует так же критерий, определяющий границу между скольжением и качением обломков по склону.

Исходя из вышесказанного в настоящей работе должны быть решены следующие задачи:

1. С позиций закона сохранения энергии движущегося обломка в процессе перехода ее из потенциальной формы в кинетическую дать математическое описание процесса сегрегации с учетом формы и размера обломков.

2. На основании исследований на физических моделях оценить влияние исходного гранулометрического состава несвязного грунта, формы его обломков, а так же соотношения между высотой яруса и размером обломков на эффективность проявления сегрегации с выводом уравнений множественной корреляции.

3. Выполнить более детальный анализ экспериментальных данных натурных наблюдений за сегрегацией скальной горной массы в отвалах на ГОКах России с целью проверки возможности использования теоретических и корреляционных уравнений для расчета распределения крупности обломков по высоте яруса по исходному гранулометрическому составу горной массы и параметрам и технологии отсыпки отвала.

4. Разработать рекомендации по использованию процесса сегрегации при

проектировании, строительстве и эксплуатации природоохранных сооружений, отсыпке отвалов и насыпей с учетом требований по охране окружающей среды.

Во второй главе приводится теоретический анализ энергетических переходов при движении обломков по откосу; анализ динамики их движения, а так же приводятся эмпирические зависимости по определению линейного коэффициента трения качения по гранулометрическому составу горной массы слагающей откос.

Движение обломка по откосу возможно двумя способами: 1 - скольжение; 2 - качение. Исходя из того, что при перемещении отдельного обломка вниз по склону происходит переход его потенциальной энергии в кинетическую, то из закона сохранения энергии можно определить, что при скольжении:

Ус =Л/2§Н(1-К-С 1ёа), (1)

Г к' ^

а при качении V =-. -, (2)

л/1 + В

где Ус и Ук - соответственно скорости скольжения и качения обломка; Н - высота скатывания обломка; Я. - радиус шара (круга), вписанного в обломок; К - коэффициент трения скольжения обломка по откосу; К' - линейный коэффициент трения качения, определяемый

высотой выступов (шероховатостью) откоса; а - угол откоса яруса; В - коэффициент формы обломка.

Поскольку перемещение обломков за счет качения возможно только при Ук > Ус, то из (1) и (2) следует, что оно реально лишь при выполнении неравенства:

{„ КЛ

К---с^а

В<\ К] л , (3)

(1 - Кс^а)

В свою очередь форма и размер обломков горной массы

определяются прежде всего их литологическим составом и генезисом, так как при разработке скальных массивов с использованием буровзрывных работ около 50% обломков сохраняют форму и размеры естественных отдельностей.

Коэффициент трения скольжения по поверхности откоса К зависит от двух факторов (1-шероховатостей поверхностей обломков; 2- шероховатостей создающихся за счет выступающих углов обломков лежащих друг на друге). Следовательно К не может превышать величины:

(4)

чЬу

где ф' - угол трения между поверхностями обломков; с и Ь - соответственно минимальная и промежуточная оси обломка.

Из (4) следует, с учетом данных о (ср'): коэффициент трения скольжения не зависит от абсолютных размеров обломков, а лишь от их формы и шероховатости поверхностей, поэтому для интрузивных пород (ф' > 18° и Ь/с < 2.0) он не может быть ниже 0.83, а для рассланцованных метаморфических пород (Ь/с < 3 и ф' < 15°) не ниже 0.65, что и определяет минимальный угол наклона верхней части яруса (для интрузивных и метаморфизованных пород соответственно 43° и 33°);

Минимальное значение коэффициента линейного трения качения (К') будет равно:

К'™, = Ь, (5)

а с учетом прогиба постели (откоса) под крупными глыбами

К' > Ь, (6)

Приведенный коэффициент трения качения определяется по формуле:

К'

К"= —, (7)

Я

и следовательно:

приведенный коэффициент трения качения тем меньше, чем больше радиус обломка, а отношение Ь/с ближе к 1.0 и чем меньше шероховатость постели (поверхности откоса яруса);

максимальную скорость качения (при равных значениях Я) будут набирать обломки изометричной формы (с меньшим коэффициентом В), при этом участку их торможения соответствуют интервалы с меньшими углами наклона откоса яруса.

Таким образом, если преобладающим способом движения обломков по откосу является их качение, то:

верхняя часть откоса будет формироваться из мелких изометричных обломков и крупных обломков плитчатой формы (В>3). Ниже по склону будет располагаться среднеобломочный изометричный материал и глыбы с Ь/с > 2.0; а нижняя часть откоса будет слагаться наиболее крупными изометричными глыбами (Ь/с < 2.0), при этом угол откоса отвала будет закономерно уменьшаться по мере увеличения крупности и изометричности обломков, слагающих откос;

Фактические значения К' более надежно, чем по условию (6) могут быть определены экспериментально. Для этой цели по линии падения откоса устанавливается серия реперов, для каждого из них определяется вертикальное расстояние от верхней бровки (Ь,), угол наклона откоса (о^) на каждом интервале, а так же гранулометрический состав обломков, слагающих откос. При скатывании обломка с верхней бровки (ПКО) по сигналу запускаются секундомеры наблюдателей, располагающихся вблизи каждого репера для фиксации времени качения обломка от верхней бровки до наблюдателя ((¡).

Значение скоростей и ускорения обломков при качении по участку откоса между пикетами \ + 1 1м определяются соответственно по формулам:

V - V

а, = 1 , (9)

-I

Приведенный коэффициент трения качения глыбы радиусом Я на 1 -ом интервале рассчитывается по формуле:

а,(1 + В)"

К, =

(Ю)

а линейный коэффициент трения качения, определяемый шероховатостью откоса

к; = к;к, («о

Критерий (3) определяет границу перемещения обломков идентичных размеров за счет их качения. Если обломки имеют не только разную форму, но и размеры, то критерий, определяющий возможность их перемещения относительно друг друга имеет вид

Ил .

(12)

я, г^-в-^ва' г 1

где - 1 =-;

1 + В

Третья глава посвящена результатам исследований процесса складирования горной массы в отвалы с использованием физического моделирования.

При моделировании геомеханических процессов применительно к несвязной среде, прочность которой на растяжение и сжатие равна нулю, необходимо и достаточно соблюдение следующих условий:

1. Согласно геометрического условия подобия натурный объект (отвальный ярус) и модель должны иметь подобную форму и размеры (угол откоса яруса и модели идентичны, отношение высоты отвального яруса и модели должны быть не менее чем отношение максимальных размеров обломков в горной массе и модельной смеси).

2. Для соблюдения условия механического подобия при отсутствии сцепления в сыпучей среде необходимо и достаточно, чтобы горная масса и модельная смесь имели идентичные углы трения (ср„ = фм) и плотности минеральной части (рн = рм). Наилучшим образом этим требованиям отвечают смеси щебня различных фракций с идентичными горной массе величинами ф и р.

Для моделирования использовался стенд прямоугольной формы со стеклянными стенками на которые была нанесена координатная сетка с размером ячейки 0.1 х 0.1 м. При моделировании были так же использованы набор сит (от 7мм до 0.25 мм), технические весы, пробоотборник и

фотоаппарат со штативом.

В качестве исходного материала для моделирования использовались смеси различных фракций щебня с Шарташского гранитного карьера (р5 = 2800 кг/м\ ср - 36°). Расчетный гранулометрический состав обеспечивался за счет смешивания фракций разной крупности в соответствующих пропорциях. Использовались следующие фракции 0.25 - 0.5мм, 0.50 - 1.00мм, 1.00 -2.00мм, 2.00 - 3.00мм, 3.00 - 5.00мм и 5.00 - 7.00мм.

Форма обло.мков каждой фракции изучалась (за исключением фракции 5.00 - 7.00мм) по фотографиям с увеличением от 3 до 5 раз.

Всего было испытано 7 групп моделей (высотой 0.55м - 6 групп и 0.46м - 1 группа). При этом каждая группа включала три модели с идентичным гранулометрическим составом.

Высота моделей была выбрана исходя из необходимости соблюдения критерия Ясинского, т.е. для всех групп выполнялось неравенство

^>30. (13)

где Н - высота модели;

с1° - максимальный размер обломков в модельных смесях.

Подготовленная смесь через узкую щель отсыпалась на наклонную плоскость имитирующую основание отвала. После достижения отсыпанным слоем толщины не менее 5 см, когда какие-либо подвижки его по основанию полностью прекращались, производилось фотографирование модели (общим и крупным планом). После фотографирования модели по каждой из них производился отбор проб для ситового анализа. Отбор осуществлялся на расстояниях (по вертикали) от верхней площадки модели 5; 15; 25; 35; 45 и 55см, что соответствует 9; 27; 45; 64; 82 и 100% относительной высоты модели (¡). Отбор проб производился специальным пробоотборником последовательно сверху вниз. Отобранные пробы рассеивались на ситах и для каждой из них определялись величины с150' и К„' результаты всех измерений заносились в таблицы.

Далее производилась обработка результатов. Так как количественную опенку проявления сортировки обломочного материала по высоте откоса наиболее целесообразно производить в относительных

единицах, то в соответствии с этим условием по осредненным значениям

данных моделирования были рассчитаны фактические величины Дф.

~ "<|4)

и50

где с)," - размер обломков горной массы наблюдаемой на откосе на относительной высоте ¡; с],0 - размер обломков исходной горной массы соответствующий

накопленной частости ¡; с1зо° - средний размер обломков исходной горной массы.

Вычисленные значения с150' были вынесены на исходные кумулятивные кривые гранулометрического состава каждой модели.

Исходя из ожидаемой функциональной зависимости коэффициента Дф от значащих факторов первоначально дня каждой относительной высоты отбора пробы ( ] = 0.09; 0.27; 0.45; 0.64; 0.82 и 1.00) установлены уравнения парной корреляции между Дф и Кн° и соответствующие им коэффициенты парной корреляции.

С целью оценки влияния второго фактора (Ки ) были первоначально вычислены отношения

(15)

А.

после чего находились уравнения парной корреляции между у, и Ки для каждого значения ¡. Значения Д2, соответствующие учету двух факторов (Кн° и Ки ) определялись по формуле

Д2 = Д,-у,, (16)

Вычислив значения

А,

(П)

А2

н

определялись уравнения парной корреляции между у2 и отношением -.

¿50

Окончательные расчетные значения Др, учитывающие влияние трех факторов (Кн°; Кп и H/d30) вычислялись по формуле

Д,, = Д1 = Д2 • У2= А| ' У: ■ Уз. (18)

Из анализа данных парной корреляции между Дф и Д3 по относительной высоте откоса следует, что наиболее тесная связь между расчетными и фактическими значениями относительного коэффициента отклонения среднего размера обломков на откосе от исходного гранулометрического состава смеси характерна для верхней и нижней частей. На ранее построенных графиках видно, что пересечение кривых гранулометрического состава (исходной и сегрегированной смесей) имеет место вблизи середины высоты модели (i = 0.50), а так как погрешность определения гранулометрического состава не зависит от высоты отбора пробы, то погрешность определения Дф должна быть максимальной в средней части высоты яруса.

В результате использования факторного анализа, были найдены корреляционные зависимости функций:

Л,,0 = 0.0947(КН + 2.768)( Ки - 0.470)( 1 - 0.00111 H/d50) (19)

"= 00339(КН + 15.660)(1 -0.0623 Ки )(1 -0.000464 H/d50) (20) Значения Д'р (по высоте яруса) рассчитываются по форму

( ; Л

Д1 =А° р р

(21)

о У

Для оценки достоверности значений Д°ф и ¡°ф, рассчитываемых по уравнениям (19) и (20) были рассчитаны парные корреляции фактических и рассчитанных значений Д°ф и ¡°ф, которые имеют вид:

Д°ф = 1,062Д°р - 0.03 при г = 0.77 (22)

и

¡°ф = 0.93 ¡°Р +0.04 при г = 0.85 (23)

Таким образом использование уравнений (19) и (20) позволяет относительно просто и с достаточной для решения практических задач точностью определить изменение среднего размера обломков по высоте отвального яруса, величину же коэффициента неоднородности можно

определять по уравнению

(Кц')р ~ Кт,1\ - (К>шх - К,„,п)т (24)

где К„ш,= Ки .

Четвертая глава посвящена исследованию процесса сегрегации в натурных условиях.

Для выявления характера изменения крупности обломков по высоте откоса реальных отвалов нами использовались результаты исследований лаборатории устойчивости бортов карьеров ИГД МЧМ СССР, выполнявшихся в периоде 1969 по 1986 г.г. под руководством В.Г.Зотеева, с учетом исключения допущений, принятых при их предыдущей обработке, а так же данные, полученные по отвалам ОАО «Бор» в 1996г.

Во всех случаях для изучения гранулометрического состава использовалась идентичная методика суть которой сводится к следующему:

1. В зависимости от высоты отвального яруса (Н„) он разбивался по высоте на 5 - 6 и более интервалов, границы между которыми отмечались деревянными колышками, местоположение (высота от верхней бровки Ь,) определялось с помощью теодолита и дальномерной рейки. При этом так же определялся средний угол наклона откоса в пределах каждого интервала а,.

2. Для определения гранулометрического состава обломков, слагающих откос вблизи каждого пикета параллельно простиранию откоса укладывалась нивелирная рейка длиной 4 м и на ее фоне фотографировалась горная масса.

3. После фотографирования в отдельных случаях для оценки формы обломков производилась съемка горной массы более крупным планом, когда в качестве эталона использовалась логарифмическая линейка, а при необходимости производилось прямое измерение длин трех характерных осей.

4. После проявления пленки готовились отпечатки размером 18 х 24 или 24 х 36 см, которые являлись исходным документом для расчета гранулометрического состава.

По средним размерам обломков каждой из выделенных фракций и соответствующих значений их содержания (Р,) строилась кумулятивная

кривая гранулометрического состава, с которой считывались значения (1ю', с^о и с1(,0' и определялся коэффициент неоднородности К'„ (в этом случае под значком ¡-е обозначался номер пикета, возле которого производился замер или относительная высота его расположения на откосе ¡).

Кумулятивные кривые исходного гранулометрического состава по Ковдорскому ГОКу и руднику «Чалмозеро» были скорректированы, с учетом параметров и технологии буровзрывных работ и используемых экскаваторов.

Наличие данных по с!,0, считываемых с кривых исходного гранулометрического состава, и с),\ полученных по данным замеров, позволяет определить параметры Д0 и ¡о за счет использования метода факторного анализа, как это было осуществлено при обработке данных моделирования.

Значение величин Дф для отвалов №1 и №3 Ковдорского ГОКа, рудника «Чалмозеро» и отвала №8 ОАО «Бор» рассчитывалось по условию

(14), а коэффициент неизометричности Ки определялся так же на основе обработки фотографий по двум видимым размерам обломков, относящихся к одной фракции. На основе подсчета средних значений Ки по нескольким фракциям находилось среднее для горной массы значение коэффициента неоднородности (К ). На основе этих данных были рассчитаны уравнения регрессий вида (19) и (20).

Наличие экспериментальных значений Д0 и ¡0, полученных на натурных объектах предоставляет возможность оценить достоверность аналогичных регрессионных зависимостей, полученных по данным моделирования.

Из сопоставления результатов следует, что отношение До^/До15 равно 0.815, а отношение ¡о'1'/ ¡ор = 0.678. Отклонение этих отношений от 1.00 обусловлено тем, что при моделировании не было учтено изменение

величины Ки по высоте отвального яруса, поэтому в формулы (19) - (20) необходимо было ввести поправочные коэффициенты, после чего они приняли вид:

Др° = 0.077(К„° + 2.77)( Ки - 0.47)( 1 - 0.001 1 }Ш50) (25)

¡р° = 0.0023(К„° + 15.66)(1 -0.06 Ки )(1 -0.00046 Н/с1}0) (26)

Расчетные значения среднего диаметра обломков по откосу отвального яруса (с!,") в зависимости от относительной высоты рассматриваемой точки должны рассчитываться по формуле

4я = Д,р • с)3о0 + с1,°, (27)

где А,р - расчетное значение относительного отклонения среднего

размера обломков от исходного за счет проявления эффекта сегрегации;

с150° - средний размер обломков горной массы складируемой в отвал;

с1,° - размер обломков горной массы, складируемой в отвал при накопленной частости ¡. Так же было выполнение сопоставление расчетных и экспериментальных значений диаметров и коэффициентов неоднородности, рассчитанных по формулам (27) и (24) по откосу отвальных ярусов.

Из сопоставления экспериментальных и расчетных данных величин с),я и К„' следует, что они весьма близки между собой (коэффициенты взаимной корреляции (¿¡")э=Г(с1,")р и (Кн')3=ДКн')р колеблются соответственно в пределах от 0.994 до 0.997 и от 0.944 до 0.995.

На основании формул (8)-(11) при наличии данных о времени движения обломков от верхней бровки яруса до конечного репера каждого интервала, и критерия, определяющего границу их перехода в движении от качения к скольжению по откосу, а так же формулы для расчета приведенного коэффициента трения качения, нами были рассчитаны значения коэффициентов К1 по материалам экспериментов выполненных в ИГД Минчермета СССР в период 1974 - 1977 г.г. с учетом введения следующих поправок:

- при производстве экспериментов на Ковдорском ГОКе и ГОКе Ковдорслюда форма обломков принималась постоянной и коэффициент формы принимался постоянным и равным 0.765, что соответствует призматическому обломку с квадратным сечением, тогда как реальные обломки имели иную форму;

- при расчете величины линейного коэффициента К', радиус определялся из

расчета среднего диаметра, т.е.

а + с

К = , (28)

с

тогда как следует принимать К = —, (29)

В связи с тем, что коэффициент (0 должен определяться с учетом соотношения размеров всех трех осей обломка и его формы (призма, эллипсоид, октаэдр), а радиус качения (Я) должен приниматься равным радиусу вписанного в обломок шара (круга), то на основе первичных данных по обмеру обломков были уточнены значения коэффициента (0 и радиусов (Л).

Анализ уточненных данных свидетельствует о том, что величина линейного коэффициента трения качения К' не только возрастает пропорционально шероховатости откоса, определяемой средним размером слагающих его обломков (с150'), но зависит так же от коэффициента неоднородности обломков на рассматриваемом участке откоса и от соотношения РУсЗ,. Факторный анализ этих данных позволил установить следующую корреляционную зависимость:

Кр' = 0.003(с1|Я + 0.01 1577)( Кн' + 0.842328)( К/с!," + 0.830899) (30) При этом коэффициент корреляции между К/ и Кр' равен г = 0.892, а регрессионное уравнение

К|' = 1.269 Кр'-0.054 (31)

В пятой главе приводятся рекомендации по использованию эффекта сегрегации для решения типовых эколого-технических задач, 1. Использование эффекта сегрегации для сортировки горной массы по крупности и прочности обломков при отвалообразовании Складирование вскрышных горных пород и некондиционных руд, с учетом ряда ограничений и требований целесообразно производить в одноярусные отвалы (нагорные карьеры), а при невозможности или нецелесообразности такого способа (экскаваторные отвалы в условиях равнинного рельефа) планировать максимально возможную высоту отвальных ярусов. Такой способ складирования будет способствовать максимальному проявлению эффекта сегрегации, при этом достигается

следующее:

- наиболее крупные и изометричные обломки, представленные нерассланцованными породами будут сосредотачиваться в нижней части яруса, т.е. увеличение гравитационных напряжений в теле отвала от верхней бровки к основанию будет компенсироваться увеличением прочности складируемого материала и увеличением крупности обломков;

- снижение величины коэффициента неизометричности обеспечит существенное увеличение коэффициента трения скольжения отвальной массы в нижней части яруса, что исключает возможность образования оползня;

- с ростом высоты яруса угол откоса в его нижней части выполаживается до 27° - 30°, т.е. откос приобретает вогнутую поверхность, соответствующую максимальному коэффициенту запаса устойчивости;

- высокий угол трения сегрегированной горной массы (ф) обеспечивает максимальное уменьшение объема призмы активного давления и наоборот - увеличение объема призмы упора до максимума, что так же увеличивает коэффициент запаса устойчивости отвального яруса, особенно в тех случаях, когда складирование вскрыши осуществляется на слабое (неконсолидированные грунты в виде илов, торфа и разуплотненных глин) или наклонное основание.

Разработанная методика обоснования параметров отвалообразования с учетом эффекта сегрегации позволяет рассчитывать устойчивость насыпей применительно к трем вариантам:

а) отсыпка осуществляется на горизонтальное основание, сложенное устойчивыми грунтами (скальные и песчано-гравийные породы глинистые породы твердой консистенции);

б) отсыпка отвала осуществляется на склоне, угол которого близок к углу

трения качения глыбового материала по грунтам основания;

в) отсыпка отвала осуществляется на пойменных, заболоченных участках или

при засыпке глубоких болот и мелких озер.

При варианте отсыпки (а) в расчете устойчивости отвала нет необходимости при его высоте менее 300 м, так как коэффициент запаса устойчивости во всех случаях превосходит его нормативную величину (п = 1.20), т.е. устойчивость отвала гарантирована.

При отсыпке отвала по второму варианту (б), когда имеется реальная угроза его оползания путем смещения но контакту со склоном за счет качения крупных глыб по основанию расчет устойчивости отвала сводится прежде всего к построению его разреза, с выделением на нем поверхности скольжения, а так же призмы активного давления и призмы упора. Дальнейший расчет устойчивости отвала осуществляется по методу многоугольника сил. При этом чем больше величина ф, тем меньше площадь призмы активного давления и больше площадь призмы упора, т.е. тем выше коэффициент запаса устойчивости отвала. Если расчетами установлено, что коэффициент запаса устойчивости будет недостаточным, для его увеличения необходимо предусмотреть террасирование склона с целью придания ему большей шероховатости.

При реализации варианта (в), т.е. складировании вскрыши на слабое основание, возможно образование крупных оползней, связанных с выдавливанием пластичных грунтов основания. При этом более перспективным методом обеспечения устойчивости отвала является не ограничение его высоты, а выбор соответствующей технологии или режима его отсыпки.

Когда грунты основания имеют прочность на сжатие существенно ниже напряжения, создаваемого весом отвала или его нижнего яруса то безопасные условия отсыпки гарантируются при скорости продвижения фронта яруса (V,) ниже максимально допустимой У,пач, при которой в слабом слое обеспечивается формирование жесткого каркаса из крупных глыб. Максимальное значение скорости продвижения фронта яруса в этом случае определяется исходя из времени продавливания слоя пластичного грунта наиболее крупными глыбами, т.е. с использованием закона Стокса.

Если расчеты указывают на неприемлемость ограничений скорости продвижения фронта яруса из-за высокой вязкости грунтов основания, устойчивость высокого отвала может быть обеспечена за счет опережающей отсыпки предотвала из скального грунта, мощность которого (ДЬ) должна составлять не менее 10% от конечной высоты отвала, а опережение его фронта по отношению к основанию основного яруса (ДЬ) определяется неравенством:

ль

— >аё<р0. (32)

2. Использование эффекта сегрегации для пропуска через тело отвала и высокие насыпи вод ручьев и мелких рек При складировании больших объемов горной массы в понижениях рельефа зачастую возникает необходимость в засыпке мелких рек, ручьев и озер. Особенно часто такая необходимость возникает в горных районах, где большая водосборная площадь и крутые уклоны вызывают периодические увеличения расходов воды в водотоках в десятки раз. В связи с вышесказанным в таких случаях необходимо обеспечить возможность свободного пропуска воды под телом отвала на участках длиной 1 км и более на период в десятки лет.

При расчетах фильтрации через скальную наброску более достоверные результаты могут быть получены при использовании формул трубной гидравлики. Учитывая низкие значения скоростей течения воды в каменной наброске из крупнообломочного материала, поток жидкости можно считать ламинарным и состоящим из системы субпаралельных струй текущих по искривленным трубам, диаметр которых равен:

с10=с-^-с117, (33)

1 — и

где

с = 0.455\/к7 (34)

Общее число эквивалентных реальному потоку трубок ориентировочно равно

4-Сй-п

Мт =--¿г, (35)

где со - площадь поперечного сечения водотока, заполненного скальной наброской; п - пористость скальной наброски.

Средняя скорость течения воды по поровому пространству каменной наброски может быть рассчитана на основе формулы

_ 0.0245ё04/м 1Т .

(} =-^—(н,-н,), (36)

VI

где - пропускная способность трубопровода диаметром О и длиной I при разности напоров Н) - 1Ь.

Принимая, что (5Т = У-БТ, (37)

О = с!0, (38)

н.-н, .

' [ 2 =1- (39)

Бу - площадь сечения трубопровода

(40)

с учетом, что § = 9.81 м/с: и V = 0.15-10"5 м2/с, найдем

у = (40

К V

В качестве контрольной формулы для оценки правильности расчетов по величине подпора реки следует учитывать, что при любой ситуации должно выполняться равенство:

1 2

РР=КТ.^У. (42)

Предлагаемый алгоритм расчета позволяет, используя данные об исходном гранулометрическом составе горной массы и максимальном расходе пересыпаемой реки и уклоне ее русла, определить высоту насыпи, при которой достигается такая степень сортировки обломков по крупности, при которой подпор воды не возникнет или не превысит заданной величины. 3. Использование эффекта сегрегации для снижения интенсивности загрязнения подземных вод тяжелыми металлами, содержащимися в техногенных образованиях Разработка природоохранных мероприятий при складировании вскрыши должна базироваться на учете основных закономерностей выщелачивания растворимых соединений из отвалов, которые сводятся к следующему:

- количество токсикантов, выносимых из тела отвала тем больше, чем

больше количество атмосферных осадков фильтруется через них и чем выше дисперсность отходов, определяющая их удельную активную поверхность (м^м^);

- при идентичном количестве фильтрующихся осадков интенсивность выщелачивания будет тем больше, чем продолжительнее время их контакта с горной массой;

- скорость окисления первичных рудных минералов и выноса токсикантов тем выше, чем выше степень насыщения фильтрата кислородом и кислотами.

В связи с этим при складировании горной массы, содержащей

потенциально токсичные минералы целесообразно использовать эффект

сегрегации для снижения вредного воздействия этих объектов на

окружающую среду исходя из следующего:

- при отсыпке несвязных грунтов и скальной горной массы в отвал с высоким коэффициентом неоднородности (К„ > 5) степень их сегрегации будет тем выше, чем больше высота отвального яруса;

- основная часть мелких фракций, содержащихся в горной массе при отсыпке ярусами высотой более 20 - 30 м будет сосредоточена в верхней части яруса (слой мощностью И < 0.1 Н);

- крупность частиц и пористость в отвальном ярусе возрастает от его верхней площадки к основанию, вследствие этого и коэффициент фильтрации в теле отвала так же увеличивается сверху вниз, что способствует резкому сокращению времени контакта осадков с породой;

- при отсыпке одноярусных отвалов из некондиционных и убогих руд по мере продвижения фронта разгрузки планировка их верхней площадки с приданием уклона для стока воды и нанесением на нее тонкого (0.10 -0.15 м) слоя укатанного глинистого грунта позволяет сократить долю атмосферных осадков, фильтрующихся через тело отвала в десятки раз, при этом в равной пропорции уменьшится и скорость окисления и выщелачивания содержащихся в горной массе окислов и сульфатов тяжелых металлов;

- при отсыпке отвалов несколькими ярусами, толщина противоинфильтрационных экранов по верхней площадке каждого

(кроме верхнего) ярусов должна быть увеличена до 0.4 - 0.5м, при этом экран должен формироваться в два последовательно накатываемых слоя глинистого грунта с использованием 5-7 проходов дорожного катка; для многоярусных отвалов ширину промежуточных берм между ярусами на предельном контуре следует принимать минимальной, а если позволяют требования по обеспечению устойчивости отвала, то от оставления таких берм следует отказаться вообще, так как в этом случае резко сокращается пылевой снос и уменьшается количество воды, фильтрующейся через тело отвала.

Заключение

В диссертационной работе дано решение актуальной задачи по разработке метода расчета параметров гранулометрического состава горной массы в отвальных ярусах с учетом изменения ее исходного состояния в процессе гравитационной сегрегации, что обеспечивает возможность эффективного решения ряда природоохранных задач при складировании и переработке техногенных отходов.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. На основе анализа энергетических переходов при движении горной массы, отсыпаемой в отвал, доказано что ее сегрегация возможна лишь при перемещении обломков качением.

2. Если горная масса состоит из изометричных обломков, то их распределение по крупности по высоте откоса яруса стремится к повторению кумулятивной кривой исходного гранулометрического состава, при этом степень приближения будет тем выше, чем форма обломков ближе к шарообразной.

3. Впервые установлены граничные соотношения размеров обломка, при которых его качение невозможно и найден критерий, определяющий взаимосвязь между отношениями радиусов и коэффициентов формы обломков, движение которых по откосу реализуется с равными скоростями.

4. Наиболее удобным показателем, характеризующим отклонение среднего размера обломков, слагающих откос яруса на относительной высоте ¡, от размера обломков кумулятивной кривой исходного гранулометрического

состава (при той же частости) является отношение разности с1,я и с!,0 к среднему размеру обломков исходной горной массы (с1}о°), т.е. Д.

5. На основании анализа данных физического моделирования и натурных наблюдений на отвалах Ковдорского ГОКа, ГОКа Ковдорслюда и ОАО «Бор» установлено, что величина Д, а так же средний размер обломков, слагающих любой интервал отвального яруса, и их коэффициент неоднородности с весьма высокой точностью описываются тремя показателями: коэффициентом неоднородности исходной горной массы, коэффициентом неизометричности обломков и отношением высоты яруса к среднему размеру обломка С<^5о°) исходной горной массы.

6. На основе экспериментальных исследований динамики качения обломков разной крупности и формы по откосу яруса и сопоставления полученных результатов с теоретическими расчетами доказано, что коэффициент линейного трения качения (К') однозначно (с коэффициентом' корреляции г = 0.892) определяется тремя показателями К'р = Г(с1;\ Кн',

7. Использование установленных корреляционных зависимостей Д = «Кн, К^, Н/сЬо0), ¡о = «Кн, К^, Н/с15о0) и К'= «с1,\ К„\ 11/4*) обеспечивает возможность расчета пористости (п), угла трения (ф), модуля деформации (Е) и коэффициента фильтрации (Кф) горной массы, слагающей любую зону отвала с учетом ее исходного состава и технологии складирования.

8. Возможность достаточно точного предрасчета показателей п, ф, Е и Кф позволяют уже на стадии предпроектных оценок осуществить выбор наиболее экономичных и экологически безопасных технологий ведения отвальных работ, отсыпки высоких насыпей со свободным водопропуском мелких рек и ручьев, формирования каменнонабросных плотин, а так же отсыпки фильтрующих слоев и т.п.

9. Выбор технологических схем отвал ообразования, обеспечивающий достижение заданных характеристик противофильтрационных подотвальных экранов и перекрывающего их фильтрующего слоя гарантируют полный перехват атмосферных осадков и их отвод в пруд нейтрализатор.

Основные положении диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Метол определения свойств техногенных образований при их использовании для сооружения ограждающих дамб, насыпей и отсыпки отвалов//Областной конкурс научно-исследовательских работ студентов вузов. -Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1997. - с.6.

2. Методика исследований сегрегации техногенных образований при их складировании //Вопросы инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий в Уральском регионе. -Екатеринбург: ЗАО «УралТИСИЗ», 1997.- с.34-35.

3. Сегрегация горной массы при отсыпке в отвалы и ее влияние на гранулометрический состав складируемых отходов //Проблемы инженерной геологии Санкт-Петербург: СПбГГИ, 1997. - с. 47-49. (В соавторстве с В.Г. Зотеевым).

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Морозов, Михаил Григорьевич, Екатеринбург

/С 4 , О О ~ % / У-/-/ ¿Э ~ 9

О / ' У Ъ 3 I 1 1 / - ^

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

МОРОЗОВ МИХАИЛ ГРИГОРЬЕВИЧ

Использование эффекта сегрегации техногенных отходов для решения эколого-технических задач горного производства

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Профессор, д.т.н. Зотеев В.Г.

Екатеринбург 1998

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................4

1. Изученность вопроса и задачи дальнейших исследований......................................7

1.1. Теоретические предпосылки сортировки горной массы

в отвалах и рудных складах..............................................................................7

1.2. Экспериментальные исследования сортировки горной массы

• в отвалах, рудных складах и на физических моделях...............................................9

1.3. Учет эффекта сегрегации при отсыпке каменнонабросных

плотин и отсыпке высоких насыпей при переходе болот и мелких рек.......................14

1.4. Задачи дальнейших исследований.....................................................................18

2. Исследование механизма гравитационной сегрегации горной

массы при отсыпке отвалов..........................................................................20

2.1. Анализ энергетических переходов при движении обломков по откосу.......................20

2.2. Динамика движения обломков по откосу............................................................27

2.3. Определение линейного коэффициента трения качения по гранулометрическому составу горной массы, слагающей откос................................30

Выводы по главе................................................................................................36

3. Исследование процесса сегрегации обломочных грунтов

в процессе их отсыпки на эквивалентных материалах.......................................37

3.1. Методика и программа лабораторных экспериментов............................................37

3.2. Обработка результатов моделирования..............................................................52

3.3. Обоснование методики расчета среднего размера обломков при отсыпке в отвал с учетом эффекта сегрегации

(на основе данных моделирования)...................................................................62

Выводы по главе................................................................................................66

4. Исследование процесса сегрегации в натурных условиях...................................68

4.1. Исследование закономерности распределения горной массы

в отвальном ярусе по крупности обломков...........................................................68

4.2. Исследование взаимосвязи крупности и формы обломков на откосе яруса..................81

4.3. Исследование динамики движения обломков горной массы по

откосам отвальных ярусов и расчет линейного коэффициента трения качения.............84

Выводы по главе................................................................................................89

5. Опыт использования эффекта сегрегации для решения

эколого-технических задач горного производства.............................................91

5.1. Использование эффекта сегрегации для сортировки горной

массы по крупности и прочности обломков при отвалообразовании.........................91

5.2. Использование эффекта сегрегации для пропуска через

тело отвала и высокие насыпи вод ручьев и мелких рек..........................................98

5.3. Использование эффекта сегрегации для снижения интенсивности

загрязнения подземных вод тяжелыми металлами...............................................102

Выводы по главе..............................................................................................104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................106

Список использованных источников.....................................................................108

Актуальность работы. Гигантские объемы техногенных образований, накопленных в горнодобывающих провинциях являются неисчерпаемым источником строительных грунтовых материалов. Вместе с тем механические и деформационные свойства этих образований остаются практически не изученными, хотя они существенно отличаются от свойств грунтов естественного происхождения. Эти различия обусловлены разнообразием технологий переработки и складирования вскрышных пород, не имеющих аналогов среди пород природного генезиса. Применительно к несвязным грунтам различие в свойствах техногенных образований проявляется, прежде всего в зональности их сложения. При этом различия в показателях этих образований определяются, прежде всего, степенью сортировки слагающих грунт обломков по крупности и прочности, т.е. так называемой сегрегацией. Хотя понятие сегрегации для горной массы, отсыпаемой в отвалы и насыпи описано в технической литературе более 30 лет назад, описание механизма этого явления отсутствует. Вместе с тем знание закономерностей изменения таких показателей как гранулометрический состав, пористость и коэффициент фильтрации техногенных образований по всей толще отвальных ярусов, упорных насыпей ограждающих дамб и т.п. крайне необходимо для решения большинства технологических и природоохранных задач, связанных с их использованием в народном хозяйстве. Определение вышеперечисленных показателей в натурных условиях, как правило невозможно или требует уникального оборудования. Таким образом теоретическое обоснование механизма сегрегации горной массы, отсыпаемой в отвалы, базирующегося на учете ее исходного гранулометрического состава и технологии складирования и обеспечивающем возможность расчета крупности и неоднородности обломков в любой зоне дамб и насыпей следует считать актуальной задачей исследований.

Цель исследований. Разработка метода расчета параметров сегрегации горной массы, отсыпаемой в отвалы, насыпи и дамбы, обеспечивающего получение надежных данных по ее гранулометрическому составу и пористости с учетом технологии и режима складирования.

Основная идея работы заключается в том, что сегрегация горной массы реализуется только при перемещении обломков по откосу за счет качения, при их скольжении сегрегация невозможна.

Научные положения:

1. Предлагаемый алгоритм расчета позволяет определить крупность и неоднородность обломков слагающих любую зону отвала, по заданной технологии отсыпки и исходному гранулометрическому составу горной массы.

2. Использование разработанных формул для определения крупности, однородности обломков и линейного коэффициента трения качения обеспечивает повышение надежности расчета конструктивных элементов камнеулавливающих сооружений, каменно-набросных плотин и насыпей специального назначения.

3. Управление процессом сегрегации позволяет разработать рекомендации по снижению негативного воздействия техногенных образований на качество подземных и поверхностных вод и подтопление территорий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается

сопоставлением результатов теоретических расчетов с данными экспериментальных

исследований по скоростям движения обломков по откосам отвальных ярусов,

распределению обломков по крупности на откосах и данными физического моделирования.

Научная новизна работы заключается в том, что по ходу ее выполнения:

1. Обоснован механизм гравитационной сегрегации горной массы как результат проявления более высоких скоростей качения крупных изометричных обломков по сравнению с более мелкими и неизометричными, перемещающимися за счет скольжения по откосу.

2. Дано физическое обоснование коэффициента формы обломков как второго по важности фактора, определяющего эффект сегрегации.

3. Установлены корреляционные зависимости между средним размером (с^-о) коэффициентами неоднородности (Кн) и изометричности (Ки) обломков, слагающих рассматриваемую зону отвала с исходным гранулометрическим составом горной массы и технологией ее складирования.

Практическая значимость работы:

1. Разработанная методика расчета с^о и Кн горной массы по высоте отвала обеспечивает возможность определения ее пористости (п) и угла сопротивления сдвигу (ср).

2. Предложены формулы для расчета скорости качения обломков позволяющие определить силу удара о преграду с учетом их формы и размера и повысить точность расчета конструктивных элементов камнеулавливающих сооружений.

3. Обеспечен надежный прогноз изменения крупности, пористости и показателей сопротивления сдвигу горной массы по высоте отвала, что гарантирует выбор оптимальной технологии отсыпки насыпей и ограждающих дамб на склонах и участках, где основание сложено грунтами с низкой несущей способностью.

4. Знание закономерностей изменения гранулометрического состава исходных материалов при использовании различных технологий их складирования позволяет формировать переходные слои и противофильтрационные экраны с заданными характеристиками.

5. Разработаны принципиальные схемы складирования техногенных отходов и горной массы, позволяющие отсыпать их в высокие отвалы независимо от несущей способности

грунтов основания, обеспечивать свободный пропуск малых рек и ручьев через тело отвалов и свести к минимуму вынос токсикантов из законсервированных техногенных объектов.

Личный вклад автора состоит в уточнении математического описания процесса качения обломков по склону, проектировании и изготовлении лабораторного стенда, выполнении исследований процесса сегрегации на физических моделях и натурных объектах, статистической обработке результатов исследований, выводе уравнений множественной корреляции и разработке принципиальных схем складирования техногенных отходов и отсыпки дамб специального назначения с учетом природоохранных требований.

Методы исследований включают: анализ материалов предыдущих исследований, теоретические расчеты, исследования на физических и статистических моделях и натурные эксперименты, а так же метод множественной корреляции.

Объектом исследований являются отвалы крупнейших ГОКов России (Ковдорский, Костомукшинский), а так же завода "Магнезит" и ОАО "Бор", на которых горная масса была представлена породами различного литологического состава и крупности, а высота отвальных ярусов изменялась в пределах от 30 до 300 м.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований использовались при разработке рекомендаций по стабилизации отвала № 8 ОАО "Бор" и технологии его дальнейшей отсыпки единым ярусом высотой до 170 м.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция «Проблемы инженерной геологии», Санкт-Петербург 1997г.

2. Семинар «Вопросы инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий в Уральском регионе», Екатеринбург 1997г.

3. Областной конкурс научно-исследовательских работ студентов вузов, Екатеринбург 1997г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 112 страницах машинописного текста, включая 24 таблицы, 32 рисунка и списка использованных источников из 58 наименований.

1. Изученность вопроса и задачи дальнейших исследований

1.1. Теоретические предпосылки сортировки горной массы в отвалах и рудных складах

При отсыпке вскрышных пород в отвалы, а так же при отсыпке каменно-набросных плотин и высоких насыпей исходный гранулометрический состав горной массы претерпевает существенное изменение - в нижней части насыпи сосредотачиваются наиболее крупные и изометричные обломки, а в верхней части - наиболее мелкие фракции. Несмотря на то, что это явление было общеизвестно, впервые как специфический гравитационный процесс, названный сегрегацией, оно было описано Г.А.Радченко [1]. В этой же работе [1] на основе данных наблюдений за сортировкой каменной наброски при отсыпке опорных призм Асуанской плотины было показано, что эффект сегрегации проявляется при высоте насыпи более 5 м. Кроме того Г.А.Радченко была проведена серия натурных наблюдений за характером распределения обломков по высоте откоса насыпи (выделялось 3 фракции) и выполнены исследования на физической модели. Результаты исследований представлены в виде графиков

где Р(Н - процентное содержание фракций со средним размером обломков (й) на глубине отсчитываемой от верхнего гребня насыпи.

Каких-либо попыток обосновать физическую суть процесса сегрегации Г.А.Радченко не предпринимал.

Довольно детальные наблюдения за распределением обломков горной массы по крупности по высоте отвального яруса были выполнены на угольных карьерах Кузбасса П.И.Токмаковым и И.С.Поповым [2]. Однако и в этом случае приведены лишь графики, описываемые условием (1.1), о механизме же этого явления сведения отсутствуют.

В механике горных пород [3, 4] считалось, что угол откоса (а) свежеотсыпанной скальной горной массы в отвальных ярусах и насыпях равен ее углу внутреннего трения (ср). Так как несвязная горная масса лишена сцепления, то условие равновесия обломков на сдвиг по откосу определяется уравнением

(1.1)

(1.2)

(1.3)

ш - масса обломка; £ - ускорение силы тяжести.

После подстановки (1.3) и (1.4) в (1.2) оно примет вид:

Бта = созой§ф

или

(1.5)

Поскольку в уравнение (1.5) не входит масса обломка и следовательно, и его размер, то объяснить эффект сегрегации горной массы за счет скольжения обломков по откосу невозможно. Несмотря на то, что факт зависимости скорости движения обломков по склону от их крупности общеизвестен, практически до настоящего времени [5,6] ее величины расчитываются по формуле

где Ь - высота скатывания обломка;

К - коэффициент трения обломка со склоном. Анализ формулы (1.6) показывает, что условию равновесия обломка (У=0) соответствует уравнение

т.е. при К= tgф оно соответствует уравнению (1.5)

Впервые реальный механизм движения крупных глыб по откосу отвала (качение) был использован в работе [7], где на основе закона сохранения энергии при переходе ее потенциальной формы в кинетическую было доказано, что силы трения отдельного обломка о поверхность откоса при качении для крупных глыб существенно ниже, чем при их скольжении. Критерием, определяющим движение обломков по склону за счет качения, как следует из анализа работы [7] является неравенство:

У = Л/2ё11(1-Кс1ёа),

(1.6)

= К,

(1.7)

А(1-К"с1§а) > (1-К с1£а), где А - коэффициент, зависящий от формы обломка;

К" - приведенный коэффициент трения качения обломка:

(1.8)

(1.9)

К - коэффициент трения скольжения (К= tgф); а - угол наклона склона (откоса);

К'- линейный коэффициент трения качения склона (определяется его

шероховатостью);

К - радиус обломка.

Эта идея в дальнейшем была использована в работе [8] для объяснения процесса сегрегации горной массы при отсыпке одноярусных отвалов на ряде горных предприятий [8,9,10,11,12], однако более детальных исследований по учету формы обломков и способу определения радиуса их качения не проводилось (значения коэффициента А принимались равным 0,82 [7,8] или 0,76 [9,10,11,15,16,17].

П.П. Бастан и др. [13] не давая обоснования предлагает использовать для определения толщины слоя в теле отвального яруса, сложенного обломками с размером более с1, формулу:

hd=H

i-JlP,

(1.10)

d

0

где hd - толщина искомого слоя (от основания отвала до его верхней границы); d

- накопленная частость (содержание в исходной массе фракций обломков

о

меньше d);

Н - высота яруса.

В.М.Сухаревский [14] предлагает определять мощность слоя штабеля (т), представленного той или иной фракцией, по формуле:

m = H(l-5j, (1.11)

где Sm - доля мелких фракций в гранулометрическом составе горной массы. Из сравнения формул (1.10) и (1.11) следует, что как в той, так и в другой не учитываются ни форма обломков, ни технология отсыпки отвала, т.е. обоснованность возможности их использования представляется сомнительной.

1.2. Экспериментальные исследования сортировки горной массы в отвалах, рудных

складах и на физических моделях

Если теоретические исследования по обоснованию механизма сегрегации горной массы в процессе ее отсыпки практически отсутствуют, то экспериментальные исследования по ее проявлению проводились многими исследователями [1,2,8,9,10,15,16,17,18,19,20].

В статье Г.А.Радченко детально описана методика документации гранулометрического состава скальной наброски как в ее исходном состоянии, так и по поверхности откоса. Однако конечные результаты на приведенных в статье [1] графиках отражают лишь изменение содержания трех фракций по высоте откоса (Рис. 1.1) или только двух фракций (Рис. 1.2).

Однако автор не приводит ни теоретических ни корреляционных формул, описывающих взаимосвязь между содержанием этих фракций на откосе (по его высоте) и исходным гранулометрическим составом грунта. Вследствие малого числа интервалов (фракций) приведенных на рис. 1.1 и 1.2 их использование для вывода корреляционных уравнений изменения гранулометрического состава в процессе отсыпки представляется не целесообразным из-за низкой точности таких расчетов.

Существенно более ценными являются результаты изучения изменения гра�