Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров эффективной отработки техногенного месторождения из лежалых хвостов обогащения в криолитозоне

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров эффективной отработки техногенного месторождения из лежалых хвостов обогащения в криолитозоне"

На правах рукописи

і / і

/

мґ ■

005057548 (

СУМИН МАКСИМ НИКОЛАЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭФФЕКТИВНОЙ ОТРАБОТКИ ТЕХНОГЕННОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ИЗ ЛЕЖАЛЫХ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ В КРИОЛИТОЗОНЕ. (НА ПРИМЕРЕ НОРИЛЬСКОГО ПРОМЫШЛЕННОГО РАЙОНА)

Специальность 25.00.22. «Геотехнология подземпая, открытая и строительная»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1В АГіР 2

513

Владикавказ 2013

005057548

Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственном технологическом университете) на кафедре «Технология разработки месторождений» им.

М.И. Агошкова.

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор ЛОЛАЕВ АЛАН БАТРАЗОВИЧ

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды» ФГБОУ ВПО ЮРГТУ

(НПИ)

ВЕРСИЛОВ СЕРГЕЙ ОЛЕГОВИЧ

Кандидат технических наук, профессор кафедры «Начертательной геометрии и черчения», ДЖАНАЕВ МАХАРБЕК ИВАНОВИЧ

Ведущая Организация: ФГБОУВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

Защита состоится 15 марта 2013 г. в 15-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.246.02 на базе Северо-Кавказского горнометаллургического института (государственного технологического университета) по адресу:362021, РСО-Алания г. Владикавказ, ул. Николаева, 44,факс 8(8672) 40-72-03, E-mail: info@skgmi-gtu.ru.

Автореферат разослан 11 февраля 2013 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор техн. наук. проф.

М.В. Гегелашвили

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Анализ современного состояния минерально-сырьевой базы Российской

высокорентабельной части большинства эксплуатируемых месторождений привела к истощению сырьевой базы горно-металлургических предприятий. Первоочередная отработка богатых руд заставляет вовлекать в промышленное эксплуатацию все более бедные участки месторождений. В сложившейся ситуации назрела необходимость вовлечения в отработку отходов горно-металлургических предприятий, которые всегда рассматривались как «законсервированное» сырье - техногенные месторождения. Особо остро проблема использования отходов стоит в Норильском промышленном районе, где на поверхности горного отвода в хвостохранилтцах накоплено значительное количество техногенного сырья. Месторождения техногенного сырья характеризуются высокой степенью нарушенности, сложностью строения, технологическими трудностями вовлечения в разработку, однако качество и объем техногенного минерального сырья позволяют рассматривать их как перспективные для выемки. При этом отсутствие эффективных технологических схем отработки создает проблему полной отработки запасов техногенных месторождений так, как при разработке месторождений техногенного сырья обычно остаются нетронутые запасы в охранных зонах необходимых для поддержания бортов выработанного пространства в устойчивом состоянии, рассматриваемые как проектные потери.

Вопросы вовлечения в отработку запасов минерального сырья различного функционального назначения, формируемых на границах техногенных месторождений являются актуальными, а разработка и обоснование технологических параметров их отработки, обеспечивающие высокие показатели полноты извлечения полезного ископаемого и безопасность ведения горных работ при открытой разработке, представляют практический и научный интерес.

Диссертация является частью завершенных научно-исследовательских работ по темам «Исследования и разработка инновационных технологий комбинированной переработки и утилизации отходов предприятий цветной металлургии» в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработка по приоритетным направления научно-технического комплекса России на 2007-2013 года», ГК №16.515.11.5027, «Разработка эффективной технологии выработки лежалых хвостов и пирротинового концентрата» с ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель», №88-44/09 от 22.01.2009г.

Цель работы — обоснование технологических параметров эффективной отработки участков техногенных месторождений из лежалых хвостов обогащения в условиях криолитозоны, обеспечивающих высокие показатели

Федерации свидетельствует,

что

интенсивная

отработка

полноты извлечения полезного ископаемого и безопасность ведения горных работ при открытой разработке.

Идея работы - повышение показателей полноты извлечения полезного ископаемого из недр и безопасность ведения горных работ при открытой разработке участков техногенных месторождений из лежалых хвостов обогащения достигается обоснованием рациональных параметров выемки техногенного массива с учетом влияния криолитозоны в процессе его разработки.

Методы исследования: в работе использован комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение ранее выполненных исследований, теоретические и экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях. Обработка и анализ экспериментальных данных производилась методами математической статистики с реализацией на ЭВМ.

Научные положения защищаемые в работе:

1. Экспериментально получены прочностные характеристики техногенного массива отличающиеся от их табличного значения по ГОСТ в диапазоне 0,5-2 раз. Применение экспериментально полученных данных при расчете коэффициента устойчивости техногенного массива позволяет соблюсти проектные контуры и обеспечить требуемую полноту извлечения.

2. В условиях криолитозоны коэффициент устойчивости техногенного массива закономерно изменяет свою величину от 0,72 до 1,24 в зависимости от влажности техногенного минерального сырья, что адекватно описывается расчетной моделью техногенного месторождения.

3. Повышение устойчивости ограждающей дамбы и бортов очистного пространства и показателей полноты извлечения техногенного сырья при отработке месторождения из лежалых хвостов обогащения гидромеханизированным способом обеспечивается заполнением выработанного пространства переработанными хвостами обогащения на ширину 25-50 метров в зависимости от геометрических и прочностных параметров ограждающих конструкций, при производстве работ при температурах ниже -5 С

Научная новизна работы:

1. Выявлены физико-механические характеристики материалов слагающих техногенные массивы (сцепление, угол внутреннего трения, модуль общей деформации), отличающиеся от табличных значений по ГОСТ в 0,5-2 раза.

2. В условиях криолитозоны коэффициент устойчивости техногенного массива закономерно изменяет свою величину от 0,72 до 1,24 в зависимости от влажности техногенного минерального сырья, что адекватно описывается расчетной моделью техногенного месторождения.

3. Выполнено научное обоснование параметров отработки техногенного месторождения из лежалых хвостов обогащения гидромеханизированным способом, обеспечивающие нормативную устойчивость массива и показателей полноты извлечения минерального сырья при заполнении выработанного пространства переработанными хвостами обогащения с созданием охранной зоны и производстве выемочных работ при температурах ниже - 5°С

Обоснованность п достоверность научных положении, выводов и рекомендаций подтверждается обобщением и использованием большого объема статистических данных по разработке рудных и техногенных месторождений, применением современных методов исследований, достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с результатами опытно-промышленных работ при надежности не менее 90% внедрением технологии в производстве при отработке пиротино-хранилища Норильской обогатительной фабрики. Заполярного филиала ОАО ГМК «Норильский Никель»

Научное значение работы состоит в теоретическом обосновании точности расчета устойчивости техногенных массивов на стадии разработки с учетом влияния криолитозоны.

Практическое значение работы:

Состоит в разработке рациональных параметров технологии отработки техногенных месторождений из лежалых хвостов обогащения гидромеханизированным способом, обеспечивающих ресурсосбережение и безопасность ведения горных работ открытым способом. Результаты исследований могут быть использованы действующими горно-рудными предприятиями, научно-исследовательскими и проектными организациями.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований использованы при составлении проекта на отработку запасов руд пирротпно-хранилища Норильской обогатительной фабрики Заполярного филиала ОАО ГМК «Норильский Никель» с ожидаемым экономическим эффектом более 4 млн. р./г. Результаты теоретических исследований использованы в учебном процессе СКГМИ (ГТУ) при подготовке специалистов в области открытой геотехнологии.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на: Международной научной конференции «Информационные технологии и системы. Наука и практика» (Владикавказ, 2009); 5-ой Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса»(Тамбов 2009); 5-ой Международной научно-практической конференции «Глобальный научный потенциал» (Тамбов 2009); 7-th European Conference on numerical methods in Geotechnical Engineering «Numage 2010» (Trondheim,

Norway, 2010); 1-ой Региональной междисциплинарной конференции молодых ученых «Наука обществу» (Владикавказ 2010); 11 -th Congress of the International Association for Geology and the Environment. (New Zeeland 2010); Sixth International Congress on Environmental Geotechnics. (New Delhi, India, 2010); VII Международной научной конференции «Устойчивое развитие горных территорий». (Владикавказ 2010); Международной Научно-Практической Конференции «Опасные Природные Техногенные Процессы на Горных и Предгорных Территориях Северного Кавказа» (Владикавказ 2010); 9-ой Международной конференции «Ресурсовоспроизводные малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Котону, Бенин, 2010); « 14-th Asian Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering» (Hong Kong, 2011); на ежегодных НТК СКГМИ (ГТУ) (Владикавказ, 2008-2012);НА расширенном заседании кафедры «горное дело» ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) Новочеркасск 17.04.2012; на 25 Международном научном симпозиуме «Неделя горняка 2013» (МГГУ Москва)

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 19 опубликованных работах, из них 3 в изданиях рекомендованных ВАК, 5 авторских свидетельствах и патентах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Основное содержание изложено на 154 страницах машинописного текста, включая 62 рисунка, 26 таблиц и библиографию из 121 наименований отечественных и зарубежных авторов

Основное содержание работы

При разработке месторождений техногенного сырья формируются охранные зоны, выполняющие роль упоров-целиков для ограждающих конструкций и являющиеся частью приконтурных запасов. Несмотря на нарушенность, сложные горнотехнические условия, по своим объемам, содержанию полезных компонентов они могут быть объектом освоения.

Выбору и обоснованию параметров технологических схем отработки техногенных месторождений посвящены труды академика РАН К.Н. Трубецкого, члена - корреспондента РАН Д.Р. Каплунова, профессоров И.И. Айнбиндера, Ю.В. Волкова. А.Е. Воробьева. В.К. Вороненко, О.З. Габараева, Ю.В. Демидова, A.B. Зубкова, П.Э. Зуркова, Д.М. Казикаева, В.Н. Калмыкова, В.В. Куликова, А.Б. Лолаева, О.С. Версилова, Т.М. Мухтарова, С.И. Попова, Ю.И. Разоренова, М.В. Рыльниковой, И.Н. Савича, М.Н. Цыгалова, А.Д. Черных, М.Ф. Шнайдера, В.А. Щелканова и многих других ученых и инженеров.

В результате анализа достаточно большого опыта отработки приконтурных запасов, в состав которых входят целики, оставленные в процессе отработки техногенного месторождения, установлено, что на

технологию выемки оказывает влияние большое число факторов -геологических, технологических, геомеханических, климатических.

Имеются и специфические, такие как: предельное состояние подрабатываемых массивов бортов, высокая нарушенность и возможность их обрушения, образование климатических связей с прочностными свойствами техногенных массивов. Однако, технологические схемы отработки охранных зон - целиков, как правило, не рассматриваются, предполагается, что отработка будет производиться по локальным проектам.

В качестве объекта исследований приняты целики различного функционального назначения, оставленные на границе карьеров при разработке техногенных месторождений, характеризующиеся широким диапазоном изменения физико-механических и химических характеристик техногенных массивов, объемов запасов, степенью нарушенное™, вследствие воздействия открытых горных работ, а также значительной изменчивостью пространственных параметров.

На выбор технологических схем отработки рассматриваемых целиков большое влияние оказывает нарушенность массива, форма, размеры, месторасположение целиков, климатические особенности региона, на момент проведения открытых выемочных работ.

Защищаемое положение I. Экспериментально получены прочностные характеристики техногенного массива, отличающиеся от их табличного значения по ГОСТ в диапазоне 0,5-2 раз. Применение экспериментально полученных данных при расчете коэффициента устойчивости техногенного массива позволяет соблюсти проектные контуры и обеспечить требуемую полноту извлечения.

Отсутствие единого методологического подхода к проведению экспериментов и описанию их результатов не позволяет дать адекватную оценку получаемым значениям физико-механических свойств техногенного минерального сырья. В связи с этим проведены комплексные исследования состава, структуры и физико-механических свойств лежалого техногенного сырья с единой позиции. Многие авторы указывают на недостаточность способов оценки состояния грунтовых массивов, и предлагают различные методики определения свойств грунтов. Также существует расчетный метод определения физико-механических свойств техногенных массивов. План комплексных исследований включал в себя:

- изучение гранулометрического состава техногенных массивов с получением основных параметров их структуры и выявлением типа структурной модели;

- определение химического состава и содержания компонентов, формирующих структурные связи (анализ водной, солянокислой и

щелочной вытяжек, фазовый рентгенометрический анализ глинистой фракции);

изучение физических и физико-механических свойств (плотность минеральной части, седиментационный объем, углы естественного откоса на воздухе и под водой, пластичность, емкость катионного обмена, рН; на образцах- пастах определялись относительное набухание и объемная усадка; по специальной методике рассчитывалась критическая пористость);

- экспериментальные исследования прочностных свойств образцов-паст в стандартных условиях (метод быстрого сдвига) и в процессе реологических испытаний при разных значениях влажности; получение прочностных характеристик двухслойной модели техногенной толщи с различными значениями влажности;

- выявление «критической» влажности, соответствующей минимальной прочности техногенных массивов; определение максимального значения коэффициента сжимаемости образцов-паст (компрессионные испытания).

В качестве объектов исследования использовались воздушно-сухие образцы минерального техногенного грунта нарушенного сложения, отобранные в пределах дамбы вторичного обвалования хвостохранилища «Лебяжье» и с верхового откоса хвостохранилища НМЗ. Отобранные образцы объединены в разновидности:

1 1 - алеврит красновато-коричневого (кирпичного) цвета (необычайно легкие кусочки и пылеватая однородная масса), на изломе кусочков видны тонкая слоистость и очень мелкие макропоры.

2 4 - (хвостохранилище НМЗ) - однородная пылеватая масса красновато- коричневого цвета с редкими легкими кусочками, на изломе которых видны единичные «рытвины» диаметром до 0,3 мм и мелкие макропоры неправильной формы.

3 ПК-48 (хвостохранилище «Лебяжье») - однородная песчано-пылеватая масса темно-серого цвета (кусочков нет), сыпучая.

4 ПК-76 (хвостохранилище «Лебяжье») - пылевато-песчаная масса серого цвета с примесью дресвы (3-4 мм) и крупных (1-2 мм) песчаных зерен, сыпучая. ПК-80 (хвостохранилище «Лебяжье») - однородная песчано-пылеватая масса серого (дымчатого) цвета, сыпучая; встречаются единичные мелкие кусочки, которые легко ломаются, на ровном изломе видны песчаные зерна.

По результатам испытаний получены следующие данные: 1. Техногенные грунты представляют собой специфический продукт,

основная масса которого состоит из первичных частиц и агрегатов, являющихся оксидами или сульфидами железа (этим определяется кирпичный цвет алевритов или темно-серый - супесей). Структурные связи между частицами и агрегатами относятся к коагуляционному или

переходному типу. Внутри агрегатные связи обусловлены присутствием водо-растворимых солей и глинистых минералов.

2. Алевриты и супеси техногенного происхождения имеют очень высокую плотность минеральной части (в среднем 3,38 г/смЗ). Другой их особенностью является слабая пластичность (0,1-2,8 %) или ее отсутствие (обр. ПК-76). Алевриты оказываются более гидрофильными, по сравнению с супесями (пределы текучести соответственно 31,8-44,3 и 19,5-20,5 %), что учитывалось при выборе значений влажности образцов-паст. Техногенные материалы обладают средней физико-химической активностью (емкость катионного обмена 11-23 мг-экв); алевриты имеют слабощелочную и щелочную реакцию среды (рН=7,1-8,4), супеси - слабокислую (6,7-6,9). 3. Установлено, что при влажности 10,1-27,8 % пористость паст в среднем составляет 50,2 % , критическая пористость - 54,3 %. Следовательно, среднее значение коэффициента устойчивости равно 0,92. Неустойчивым оказывается массив из серой пылевато-песчаной супеси (обр. ПК-76) при влажности 10,6-15,8 % (Кусх =0,97-1,00). При увеличении влажности паст почти не происходит изменений коэффициента. Пористость техногенных материалов при влажности менее предела пластичности незначительно отличается от ее критической величины, массив находится на пределе устойчивости.

Таким образом, техногенные грунты представляют собой специфический продукт, основная масса которого состоит из первичных частиц и агрегатов, являющихся оксидами или сульфидами железа (этим определяется кирпичный цвет алевритов или темно-серый - супесей). Структурные связи между частицами и агрегатами относятся к коагуляционному или переходному типу. Внутри агрегатные связи могут быть обусловлены присутствием водорастворимых солей и глинистых минералов. Последние составляют очень небольшую долю в общей техногенной массе. Можно предположить, что при высыхании пульпы формировалась толща с дальними (высокая влажность), затем ближними (влажность уменьшалась) коагуляционными контактами; сезонное промерзание толщи приводило к созданию переходных контактов, которые при оттаивании снова становились коагуляционными

Проведен предварительный сравнительный анализ результатов оценки физико-механических свойств техногенного массива с исходными данными полученными по результатам экспериментов и данными полученными по рекомендациям ГОСТ 25.100-95

Характеристики используемые для определения К,1(„, полученные по ГОСТ 25.100-95 имеют завышенные значения по сравнению, с полученными по результатам исследований, что может привести к аварийной ситуации (табл.1).

Таблица 1

Сравнение прочностных характеристик техногенных грунтов полученного по табличным данным ГОСТ 25.100-95 и экспериментам

Физические Прочностные характеристики

характеристики г рунта грунта

3 га О. к о о. -0 н £ £ 0) л н о Полученные по таблицам Гост Полученные по результатам экспериментов

О С1 н о

С 1 Я Ю >. о о. о, и с § -I Н н о с; с о й га с; аэ о 5. о с с МПа э- Е МПа с МПа э- Е МПа

4 1,74 21 1,25 2 26 11 6,5 22 19

2,07 27,8 1 2 26 11 8,0 17 17

ПК- 2,11 10,3 0,98 9 18 14 8,0 14 17

48 2,24 17,0 0,98 13 24 22 8,0 17 17

ПК- 1,98 10,6 0,94 2 32 28 6,5 30 19

76 2,15 15,8 0,87 4 30 18 6,5 29 19

ПК - 1,94 10,1 1,07 13 24 21 8,0 19 17

80 2,10 16,0 1,01 9 18 14 8,0 17 17

Из таблицы 1 видно, что значения прочностных характеристик техногенных грунтов полученного по табличным данным ГОСТ и экспериментам различаются в приделах от 0,5 до 2 раз, следовательно использование данных таблиц ГОСТ ведет к неточности расчета и может служить причиной аварии.

Защищаемое положение 2. В условиях криолитозоны коэффициент устойчивости техногенного массива закономерно изменяет свою величину от 0,72 до 1,24 в зависимости от влажности техногенных грунтов, что адекватно описывается расчетной моделью техногенного месторождения.

Для оценки устойчивости техногенных массивов с учетом влияние криолитозоны были разработаны модели, различающиеся толщиной. Исходными данными при составлении расчетных моделей были приняты экспериментальные исследования техногенных намывных грунтов (табл.2)

Таблица 2

Данные принятые для дальнейшего расчета, полученные по результатам эксперементов

№№ проб XV Р п е Р 1 Р" п1 п2 Пк-р

4 21,0 27,8 1,74 2,07 55,6 50,0 1,25 1,00 1Д6 1,40 64,2 56,8 60,5

ПК-48 10,3 17,0 2,11 2,24 49,5 49,5 0,98 0,98 1,6 0 1,83 57,7 51,6 54,6

ПК-76 10,6 15,8 1,98 2,15 48,6 46,6 0,94 0,87 1,7 2 1,88 50,5 46,0 48,2

ПК-80 10,1 16,0 1,94 2,10 51,6 50,2 1,07 1,01 1,5 2 1,82 58,2 50,0 54,1

Примечание: влажность (\У, %), плотность (р, г/смЗ), пористость (п, %), коэффициент пористости (е) пасты; р] - плотность воздушно-сухого грунта рыхлого сложения (г/смЗ), р2 - то же плотного сложения; п1 - пористость воздушно-сухого грунта рыхлого сложения (%), п2 - то же плотного сложения; пкр -критическая пористость (%),

При определении параметров прочности грунтов и оценке устойчивости намывных массивов рассматривались следующие модели техногенных грунтовых толщ:

Модель № 1 - однослойная толща массива техногенных намывных грунтов;

Модель № 2 - двухслойная толща массива техногенных намывных грунтов: приповерхностная (более влажная) и нижняя (менее влажная);

Модель № 3 - толща массива техногенных намывных грунтов в водонасыщенном состоянии.

В качестве базовых были выбраны две основные расчетные схемы: расчетная схема №1 - высота сооружения 50 м, уклон низового откоса - 1:3; расчетная схема №2 - высота сооружения 50 м, уклон низового откоса - 1:2. Состояние массива принималось одно- двухслойным. Анализировалось влияние на устойчивость однородности и изменчивости свойств, а также состояния намывных грунтов.

Однослойная модель подразумевает однородное по составу, строение массива, изменчивость характеризуется консистенцией грунтов. С учетом вышеперечисленных положений для оценки устойчивости намывных дамб хвостохранилища исследованы 40 моделей.

Намывной массив однослойный, представлен пылевато-песчаными грунтами, консистенция грунта массива: текучая, твердая ( табл. 3).

Таблица 3

Результаты определения Куст по I модели

Наименование грунтов намывного массива Состояние намывного массива и соответствующий коэффициент устойчивости Куст

При условии мгновенной прочности Куст При длительной прочности Куст

Пылевато-песчаная супесь (заложение низового откоса 1:3) консистенция влажность

текучая 0,88 \¥= 17,0% 1,08

твердая 1,18 \¥=10,3% 1,18

Пылевато-песчаная супесь(заложение низового откоса 1:2) консистенция влажность

текучая 0,72 XV= 17,0% 0,99

твердая 1,08 \¥=10,3% 1,09

Алевриты (заложение низового откоса 1:3) консистенция влажность

текучая 0,98 \№=36,7% 1,38

полутвердая 1,16 \¥=27,8% 1,10

твердая 1,37 \У=21,0% 1,23

Алевриты (заложение низового откоса 1:2) консистенция влажность

текучая 0,79 \У=36,7% 1,30

полутвердая 1,01 \У=27,8% 1,01

твердая 1,24 \¥=21,0% 1,11

Для двухслойной модели коэффициент устойчивости Кусг намывного массива определялся также при различных состояниях намывных слоев, как и в случае однослойной модели (табл. 4).

Таблица 4

Результаты определения Куст по II модели

Слой намывно го массива Заложение низового откоса Наименова ние грунта Состояние грунта Коэффициент устойчивости Куст

Условно-мгновенная прочность

Нижний слой 1:3 Техногенн ые грунты (супеси пылевато- песчаные) модель № 21,22,23 Консистенция текучая —

Верхний слой Техногенн ые грунты (алевриты) модель № 24,25,26 Консистенция Текучая Полутвердая Твердая 0,93 0,98 1,00

Нижний слой 1:3 Техногенн ые грунты (супеси пылевато- песчаные) модель № 27,28,29 Консистенция текучая —

Верхний слой Техногенн ые грунты (алевриты) модель № 30,31,32 Консистенция Текучая Полутвердая Твердая 1,16 1,23 1,25

Нижний слой 1:2 Техногенн ые грунты (супеси пылевато- песчаные) модель № 33,34 Консистенция текучая —

Верхний слой Техногенн ые грунты (алевриты) модель № 35,36 Консистенция Текучая Полутвердая Твердая 0,79 0,84 0,87

Нижний слой 1:2 Техногенн ые грунты (супеси пылевато- песчаные) модель № 37,38 Консистенция текучая —

Верхний слой Техногенн ые грунты (алевриты) модель № 39,40 Консистенция Текучая Полутвердая Твердая 1,04 1,12 1,14

Длительная прочность

Нижний слой 1:2 Техногенн ые грунты (супеси пылевато-песчаные) Влажность W=10,3% —

Верхний слой Техногенн ые грунты (алевриты) Влажность W=36,7% W=21,0% 1,21 1,14

Нижний слой 1:2 Техногенн ые грунты (супеси пылевато-песчаньте) Влажность W=10,3% —

Верхний слой Техногенн ые грунты (алевриты) Влажность W=36,7% W=21,0% 1,46 1,38

Проведенное моделирование наглядно показало, что гидротехнические сооружения одинаковых геометрических параметров, при изменении консистенции грунтов, их слагающих, характеризуются и как неустойчивые и устойчивые в зависимости от влажности и температуры.

Поверхность скольжения не затрагивает нижний слой, т.е. разрушение происходит по границе мерзлотного слоя.

Таким образом, детальное изучение объекта исследования, а также анализ региона его нахождения в совокупности с комплексным исследованием состава и структуры техногенных грунтов с данными физико-математического моделирования позволяют создать расчетную модель техногенного месторождения, адекватно описывающую все параметры влияющие на Kvcm.

Защищаемое положение 3.Повышение устойчивости ограждающей дамбы и бортов очистного пространства и показателей полноты извлечения техногенного сырья при отработке месторождения из лежалых хвостов обогащения гидромехапизированным способом обеспечивается заполнением выработанного пространства переработанными хвостами обогащения на ширину 25-50 метров в зависимости от геометрических и прочностных параметров ограждающих конструкций, при производстве работ при температурах ниже -5 С

В качестве объектов исследования было выбрано хвостохранилище№1 Норильского Промышленного района, которое с 1948 г. по 1975 г использовалось для складирования отвальных хвостов НОФ, а в данный

момент разрабатывается с целью получения пирротинового концентрата. Климат района субарктический, характеризуется отрицательной среднегодовой температурой воздуха равной, в среднем - 9.8 °С. Зима длительная и суровая, продолжительность периода с отрицательными температурами составляет 240-250 дней, с положительной - 120 дней. Самый холодный месяц - январь (- 56 °С), теплый - июль (до +36 °С)

ч

Рисунок. 1. план хвостохранилища №1 и пирротинохранилища №2.

Накопитель относится к неблагоприятному каскадному типу. Каскад возник вследствие подъема хвостов с участка, примыкающего к разделительной дамбе. Так как на накопителе периодически ведется сброс пульпы и забор воды для работы средств гидромеханизации разрабатывающих целики приопорной зоны.

Для обоснования устойчивости дамбы в процессе разработки целиков был выполнен базовый расчет для участка ограждающей дамбы, в основании которой производилась отработка концентрата в охранной зоне (сектор №36). На первом этапе выполнены расчеты температурного режима массива ограждающей дамбы № 5 и пирротинохранилища № 2 в зимний и летний период (рис.2). Расчеты выполнены по программе Р08-\\^ау.

а) в зимний период

б) в летний период

Рис. 2. Распределение температуры в массиве ограждающей дамбы № 5 и пирротино-хранилища №2: а) в зимний период; б) в летний период

В целях повышения надежности оценки устойчивости массива расчеты коэффициента устойчивости выполнены альтернативными методами: по методам Терцаги, Чугаева, Маслова-Берера, Крея-Флорина и Шахунянца. Рассмотрены условия изменения напряженно-деформированного состояния массива в процессе выработки концентрата:

- расчет коэффициента устойчивости в зимний период без выемки пирротина («зима» без выемки пирротина);

- расчет коэффициента устойчивости в зимний период после выемки пирротина («зима» с выемкой пирротина);

- расчет коэффициента устойчивости в летний период после выемки пирротина и заполнением пруда водой («лето» + вода);

- расчет коэффициента устойчивости в летний период после выемки пирротина и незаполнением пруда водой («лето»+ вода).

Результаты расчетов для рассматриваемых вариантов представлены в табл. 5.

Таблица 5

Коэффициенты запаса устойчивости для различных условий

Вариа нт Описание варианта Метод Терцаги Метод Чугаева Метод Маслов а -Берера Метод Крея -Флорина Метод Шаху нянца

1 «зима» без выемки 2.596 2.838 2.399 2.766 1.55

2 «зима» с выемкой 1.203 1.278 1.182 1.200 1.150

3 «лето» + вода 0.969 1.044 0.969 0.969 0.975

4 «лето» -вода 0.701 0.771 0.837 0.727 0.925

Анализ данных таблицы 5 обнаруживает хорошую корреляцию расчетов коэффициента устойчивости. В зимний период при отрицательных температурах устойчивость бортов обеспечивается мерзлым состоянием массива поддерживаемая криолитозоной. извлечение прибортовых целиков в условиях криолитозоны следует проводить открытыми горными работами в зимний период в режиме интенсивной выемки запасов за счет резерва устойчивости.

В то же время результаты расчетов показывают, что в летний период при полной выемке пирротинового концентрата устойчивость дамбы не обеспечивается, следовательно необходимо решить проблему сохранения функционала ограждающих конструкций. Для обеспечения дальнейшей устойчивости борта карьера и сохранение их функционального назначения необходимо создать эффективный пригруз на месте выработанного пространства.

Как отмечалось выше объект исследований представляет собой накопитель на котором функционирует прудок оборотной воды которая используется в процессе разработки целиков и доставки техногенного сырья на фабрику. В связи с этим возникла необходимость обеспечения безопасности борта гидротехнического сооружения.

Ширина отрабатываемого массива составляла 150-200м при мощности отрабатываемого массива до 24м. следовательно для создания аналогичного пригруза потребуется значительное количество геоматериала. Для сокращения объемов работ по созданию упорного массива был проведен анализ влияния ширины пригруза на устойчивость ограждающих конструкций.

Исходя из свойств лежалых хвостов, высоты отрабатываемого слоя и сокращения объемов работ, была установлена зависимость оптимальной ширины создаваемого пригруза. Исходя из выше изложенного для объекта исследования было получено значение ширины создаваемой охранной зоны 1=50 м

На следующим этапе с помощью моделирования было проведено обоснование минимальных размеров охранной зоны. Рассмотрены варианты создания охранной зоны различной ширины (20, 50, 75, 100 м).

В качестве исходных данных принимались геометрические размеры объекта исследования и результаты эксперементов по определению физико-механических характеристик. Результаты расчетов коэффициента устойчивости для различных размеров ширины охранной зоны представлены на рис. 2-5, из которых можно сделать вывод, что оптимальной шириной охранной зоны является 50 м.

Рис. 3. Величина коэффициента устойчивости при размере целика 100 м Куст=2.131

Рис. 4. Величина коэффициента устойчивости при размере целика 75 м Куст= 1,427

Рис. 5. Величина коэффициента устойчивости при размере целика 50 м

Устойчивость массива при размере охранной зоны 20 м не обеспечивается (Куст<1), а с учетом результатов, представленных на рис. 6, можно считать оптимальной ширину охранной зоны 50 м. Данный вывод положен в основу выбора способов отработки техногенного массива.

Вывод: Разработку концентрата из техногенного месторождения рекомендовано проводить стадийно:

1 очередь: выемка сырья по всей площади хранилища № 2 до границы охранной зоны в 50 м;

2 очередь: выемка сырья в пределах охранной зоны в зимний период гидро-механизированным способом;

3 очередь: провести заполнение объема выемки сырья в пределах охранной зоны материалом ограждающей дамбы № 5 за счет ее уполаживания.

При этом гребень дамбы срезается на 2 метра, т.е. до отметки 121,0 м из условия сохранения минимально допустимого превышения уровня гребня дамбы над уровнем зеркала пруда (отм. 1 17,2м). Срезанный слой по объему занимает около 35 м выработанной охранной зоны. Заложение откоса снижается до 1:4, что повышает устойчивость дамбы. Коэффициент устойчивости вырастает до значения 3,0 что свидетельствует об устойчивом состоянии ограждающей дамбы № 5.

Рис. 6. Величина коэффициента устойчивости ограждающей дамбы после окончания работ К,1,„=3,01

19

Г

Предложенная технология обеспечивает безопасную эксплуатацию техногенного местрождения в криолитозоне.

Заключение

В диссертации, являющиеся законченной квалификационной работой, дано решение актуальной научно-технической задачи обоснования рациональных параметров эффективной отработки техногенного месторождения, из лежалых хвостов обогащения, имеющей важное научное и практическое значение для экономики горнорудной промышленности страны.

1. Впервые с позиций комплексного подхода и системного анализа установлены закономерности формирования и закономерности изменения состава и физико-механических свойств намывных грунтов техногенных месторождений. Использованные методы позволили установить ранее неизвестные типы микроструктур и структурных моделей грунтов, которые определяют их специфические свойства - пластичность, набухание и т.д.

2. Установлены специфические особенности строения намывных массивов техногенных месторождений: грунты агрегированы, степень агрегатизации высокая, выделены крупно-пылеватые, мелкопесчаные и мелко-пылеватые агрегаты, структурные связи между частицами и агрегатами относятся к коагуляционному или переходному типу. Внутри агрегатные связи обусловлены присутствием водорастворимых солей и глинистых минералов.

3. Установлено, что техногенный массив минерального сырья в пределах техногенного месторождения представляет собой неоднородную среду сложенную лежалыми хвостами обогащения с резко изменяющимися физико-механическими свойствами при оттаивании, обуславливающими их прочностные характеристики.

4. Получены новые данные о диапазоне изменения прочностных характеристик техногенного массива в условиях криолитозоны в зависимости от его влажности, позволяющие оптимизировать показатели разработки.

5. Установлены основные закономерности влияния на безопасность сооружения конструктивных параметров ограждающих конструкций, технологических процессов эксплуатации, состава и свойств намывных массивов.

6. Установлена корреляция между коэффициентом устойчивости техногенного массива влажностью и консистенцией техногенных грунтов в условиях криолитозоны, позволяющая управлять устойчивостью техногенного массива.

7. Внедрение предложенных технологических этапов подъема при разработке пирратинового концентрата из пирротино-хранилища №2 ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» показало высокую достоверность полученных теоретических результатов фактическим состоянием ограждающих конструкций техногенного месторождения и объемом извлеченного минерального сырья.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

В изданиях, рекомендованных ВАК, и приравненных к ним:

1. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А. X., Сумин М. Н. Прогноз устойчивости ограждающей дамбы хвостохранилища в криолитозоне // 5-ая Международная научно-практическая конференция «Глобальный научный потенциал», Тамбов 2009 г. - с. 83-86.

2. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А. X., Сумин М. Н. Эколого-технологические аспекты разработки техногенного месторождения в криолитозоне. // Устойчивое развитие горных территорий 2011г., №1 с. 7783

3. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А. X., Сумин М. Н. // Технология намыва накопителей каскадного типа для отходов горнодобывающей промышленности. Устойчивое развитие горных территорий №2 2011г„ Владикавказ, - с 31-34.

4. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А. X., Сумин М. Н. // Исследование и расчет устойчивости ограждающей дамбы при разработке техногенного месторождения. // Устойчивое развитие горных территорий № 4 (10), 2011, Владикавказ, - с 25-31.

5. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А. X., Сумин М. Н. Способ возведения намывной ограждающей дамбы. Патент РФ, № 2421568, 2011.

6. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А. X., Сумин М. Н. Способ возведения намывной ограждающей дамбы. Патент РФ, № 2421569, 2011.

7. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А. X., Сумин М. Н. Способ возведения намывной ограждающей дамбы. Патент РФ, № 2451131, 2012г.

8. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А. X., Сумин М. Н. Пульпопровод для намыва ограждающей дамбы. Патент РФ, № 1 18321, 2012г.

В других изданиях:

9. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А. X.. Сумин М. Н. // Использование геоинформационных систем при разработке технологии намыва дамбы хвостохранилища. // Сборник материалов Международной научной конференции «Информационные технологии и системы». Владикавказ, 2009.с.274-277

10. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А, X., Сумин М. Н. // Оптимизация технологии намыва ограждающей дамбы каскадного хвостохранилища. Сборник материалов 5-ой международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса», Тамбов, 2009, стр. 148-150.

11. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А. X., Сумин М. Н. // Прогноз устойчивости ограждающей дамбы хвостохранилища в криолитозоне. Сборник материалов 5-ой международной научно-практической конференции «Глобальный научный потенциал», Тамбов, 2009, стр. 83-86.

12. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А. X., Сумин М. Н. // Моделирование процессов возведения намывных гидротехнических сооружений. Сборник трудов Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета), вып. 17, Владикавказ 2010. с. 24-29

13. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А. X., Сумин М. Н. // Моделирование процесса намывных гидротехнических сооружений. Труды молодых ученых ВНЦ РАН и Правительства РСО-Алания, № 3, Владикавказ 201 I.e. 87-92

14. Lolaev А. В., Butiugin V. V., Akopov А. P., Oganesian A. Kh., Sumin М. N. Forecasting of the stability of the tailing dam in permafrost region on the basis numerical methods. Proceedings of 7th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering. «Numge - 2010», Trondheim. Norway 2010. c. 563-567

15. Lolaev А. В., Butiugin V. V., Akopov A. P., Oganesian A. Kh., Sumin M. N. Geoecological problems and technological ways of the tailing dump capacity increasing in permafrost region. Extended abstracts of 11th International Association for Geology and the Environment, New Zeeland, 2010, - p. 533.

16. Lolaev А. В., Butiugin V. V., Akopov A. P., Oganesian A. Kh., Sumin M. N. Geoecological problems and technological ways of the tailing dump capacity increasing in permafrost region. Proceedings of 11th International Association for Geology and the Environment, New Zeeland, 2010, (CD edition), pp. 4287-4292

17. Lolaev А. В., Butiugin V. V., Akopov A. P., Oganesian A. Kh., Sumin M. N. Optimization of the inwash technology of the cascade tailing dump levee in permafrost region. Proceedings of 7th International Congress on Environmental Geotechnics. New Delhi, India, 2010, - pp. 517-520.

18. Lolaev А. В., Butiugin V. V., Akopov A. P., Oganesian A. Kh., Sumin M. N. The tailing dump capacity increasing in a mode of operation in permafrost region. Extended abstracts of lllh Asian Regional Congress, Hong Kong, China, 2011. pp. 1051 -1055

19. Lolaev A. B., Butiugin V. V., Akopov A. P., Oganesian A. Kh., Sumin M. N. The tailing dump capacity increasing in a mode of operation in permafrost region. Proceeding of 11th Asian Regional Congress, Hong Kong, China, 2011, (CD edition).

Подписано в печать 08.02.2013. Печать офсетная. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Учетно-издательских листов 1 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 25

ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)». Издательство «Терек». Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ) 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Сумин, Максим Николаевич, Владикавказ

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) .

На права с рукописи

(О 00

^ со Ю £

СО °

СУМИН МАКСИМ НИКОЛАЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭФФЕКТИВНОЙ ОТРАБОТКИ ТЕХНОГЕННОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ИЗ ЛЕЖАЛЫХ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ В КРИОЛИТОЗОНЕ. (НА ПРИМЕРЕ НОРИЛЬСКОГО ПРОМЫШЛЕННОГО

РАЙОНА)

Специальности 25.00.22. «Геотехнология подземная, открытая и

строительная»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени

СМ

^ кандидата технических наук

О

СМ ЧГ

^ см

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Лолаев А.Б.

Оглавление

Введение.................................................................................................................3

ГЛАВА 1. КОМПЛЕКСНАЯ ПРОБЛЕМА БЕЗОПАСНОЙ РАЗРАБОТКИ И ФОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ........................14

1.1. Особенности проектирования, строительства, эксплуатации и разработки техногенных месторождений.........................................................14

1.2. Безопасная эксплуатация техногенных месторождений.........................18

1.3. Методы определения устойчивости..........................................................27

1.4. Характеристика региона нахождения объектов исследования...............35

1.5. Выводы по главе..........................................................................................42

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ...........................................................43

2.1 Оценка устойчивости сооружения.............................................................43

2.2 Методы определения коэффициента запаса устойчивости....................47

2.3 Факторы, влияющие на коэффициент устойчивости..............................55

2.4 Выводы по главе..........................................................................................59

ГЛАВА 3. КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ДАМБЫ...............................60

3.1. Комплексное исследование состава, структуры и свойств техногенных грунтов..................................................................................................................60

3.1.1. Гранулометрический и минеральный состав грунтов........................64

3.1.2. Физические и физико-химические свойства намывных грунтов......75

3.1.3. Определение прочностных свойств намывных грунтов.....................77

3.2. Оценка устойчивости намывных массивов..............................................90

3.3. Выводы по главе........................................................................................120

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ К ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.....123

4.1. Объекты исследований.............................................................................123

4.2. Оценка устойчивости каскадного типа..................................................129

4.3. Заключение.................................................................................................137

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................................139

Введение

Минерально-сырьевая база - важнейшая составляющая развития общества и одновременно источник экологических проблем, поскольку только малая часть добываемого сырья превращается в полезную продукцию, а остальная складируется в виде отходов. Неиспользуемые отходы - это не только огромный ущерб, наносимый природной среде, но и безвозвратно теряемое в результате ветровой и водной эрозии минеральное сырье.[1, 2]

Анализ современного состояния минерально-сырьевой базы Российской Федерации свидетельствует, что интенсивная отработка высокорентабельной приповерхностной части большинства

эксплуатируемых месторождений привела к истощению сырьевой базы горно-обогатительных предприятий [3]

Выработка богатых месторождений заставляет вовлекать в промышленное производство все более бедные природные материалы.

В сложившейся ситуации назрела необходимость поиска и оценки новых перспективных видов минерального сырья, а также вовлечение в переработку отходов металлургических предприятий, лежалые хвосты обогащения всегда рассматривались как «законсервированное» сырье, переработка которого будет осуществляться в недалеком будущем на более высоком уровне развития техники и технологии.

В целом каждый накопитель с развитием технологий переработки минерального сырья становиться техногенным месторождением, нередко изменение статуса из накопителя в месторождение происходит в процессе эксплуатации.[1] в связи с чем проблем обеспечения устойчивости бортов накопителя с точки зрения безопасности приобретает также значение сохранения минерального сырья для более комплексной переработки.

Мировая практика свидетельствуют о возможности организации производства металлов из отходов, качество которых имеет тенденцию сближения с качеством природного сырья. Потенциальные возможности

техногенных ресурсов характеризуются значительным содержанием в них черных и цветных металлов, компонентов для стройиндустрии, существенная часть которых в современном понимании относится к поликомпонентным техногенным рудам.

В нашей стране и за рубежом возведено, и вводиться в эксплуатацию большое количество накопителей предназначенных для складирования отходов металлургической промышленности, при этом значительное число таких накопителей по окончанию срока эксплуатации получает статус законсервированных. Объемы отвалов хвостов и шлаков расположенных в пределах металлургических заводы достигают миллионов кубических метров фактически формируя площадки запаса

Также отвалы активно участвуют в формировании микроклимата таких городов, как Норильск, Магнитогорск, Усть-Каменогорск, Владикавказ и др., но они не могут быть утилизированы без разработки технологий извлечения ряда компонентов.

Нередко во время этапа подъема лежалых хвостов накопитель приобретает негативный фактор каскада. Потенциальная опасность накопителя заключается в наличии текучих шламов и расположения их на некоторой высоте над окружающей территорией. [4]

В случае гидродинамической аварии произойдет вытекание отстойного пруда объемом несколько млн. мЗ и неконсолидированных хвостов в значительном объеме.

Гидродинамическая авария — полное разрушение или местный прорыв напорного фронта ограждающих сооружений с вытеканием технических вод и жидких отходов за пределы хранилища, вызванные техногенными и/или природными факторами.

В условиях хвостового хозяйства аварийные ситуации могут возникнуть в результате выработки ресурсов сооружений и их элементов, недостаточного контроля за сооружениями, изменением состава хвостов укладываемых в накопитель, неправильной технологии подъема

техногенного материала, в результате ошибок эксплуатационного персонала, действий стихии или теракта.

Существование проблемы безопасной и эффективной отработки техногенных месторождений обусловлены: отсутствием достаточных знаний о процессах, происходящих в основаниях и телах сооружений, оторванностью технологических приемов эксплуатации от комплекса, динамично изменяющихся инженерно-геологических характеристик объекта и природной среды. [5]

Основные вопросы, определяющие промышленную безопасность техногенных месторождений, связаны с технологическими особенностями эксплуатации и разработки, методами контроля безопасности сооружения, обеспечением статической и фильтрационной устойчивости, методами исследований, наблюдений и представлением получаемых результатов.

В процессе написания диссертации автор исходил из следующих положений:

• эффективность эксплуатации техногенного месторождения определяется его конструктивными особенностями а также технологиями складирования и подъема техногенного материала, а устойчивость -взаимным влиянием техногенных и природных факторов, которые должны рассматриваться в рамках единой инженерной системы;

• исследования, проводимые на сооружениях не должны ограничиваться пред проектными инженерно-геологическими изысканиями, а проводиться постоянно на всех стадиях эксплуатации и вторичного использования уложенного материала, в неразрывной связи с технологическими процессами, т.е. должно осуществляться постоянное научно-техническое сопровождение сооружения в виде мониторинга устойчивости и экологической безопасности.

• Проблема обеспечения устойчивости бортов техногенного месторождения является весьма актуальной особенно для районов распространения многолетнемерзлых пород [6]

Вследствие исторического развития промышленности и геолого-географического распространения минерального сырья в России, основное промышленное производство сосредоточено в областях Сибири и Крайнего Севера. Одним из наиболее крупных районов является Норильский промышленный район (НПР). [7] Однако ввиду интенсивной разработки природных источников сырья возникает необходимость поиска новых или альтернативных источников.

При этом большое значение имеет исследование и разработка новых рациональных конструкций накопителей, совершенствование технологии подъема лежалых хвостов и обеспечение надежности эксплуатации техногенных месторождений. Разработка технологических схем подъема хвостов, определяющих устойчивость сооружений, является одним из основных ответственных моментов.

Актуальность этой проблемы объясняется общенациональным, экономическим, эксплуатационным и природоохранным факторами и подтверждается требованиями изложенными в ряде нормативных документов, законодательных актов и инструкциях в области безопасности ГТС [8-20]

Мы считаем, что каждое техногенное месторождение, и в частности хвостохранилище, по существу, является уникальным, если не с точки зрения проектирования, то строительства и эксплуатации. Поэтому его безопасность должна обеспечиваться не стандартными наблюдениями, а исследованиями, включающими и научные разработки, и оригинальные методические приемы наблюдений, и поиски новых решений в технологических процессах строительства и повторной переработки материалов слагающих сооружения.

Актуальность диссертации

Анализ современного состояния минерально-сырьевой базы Российской Федерации свидетельствует, что интенсивная отработка высокорентабельной части большинства эксплуатируемых месторождений привела к истощению сырьевой базы горно-металлургических предприятий. Первоочередная отработка богатых руд заставляет вовлекать в промышленное эксплуатацию все более бедные участки месторождений. В сложившейся ситуации назрела необходимость вовлечения в отработку отходов горно-металлургических предприятий, которые всегда рассматривались как «законсервированное» сырье - техногенные месторождения.

Особо остро проблема использования отходов стоит в Норильском промышленном районе, где на поверхности горного отвода в хвостохранилищах накоплено значительное количество техногенного сырья. Месторождения техногенного сырья характеризуются высокой степенью нарушенности, сложностью строения, технологическими трудностями вовлечения в разработку, однако качество и объем техногенного минерального сырья позволяют рассматривать их как перспективные для выемки. При этом отсутствие эффективных технологических схем отработки создает проблему полной отработки запасов техногенных месторождений так, как при разработке месторождений техногенного сырья обычно остаются нетронутые запасы в охранных зонах необходимых для поддержания бортов выработанного пространства в устойчивом состоянии, рассматриваемые как проектные потери.

■ ' Техногенные месторождения, представленные законсервированными накопителями отходов - хвостохранилищами, как опасные производственные объекты и источники воздействий на окружающую среду, являются предметом исследований и наблюдений научных, проектных, изыскательских и природоохранных организаций. Что связано с неуменьшающимся количеством аварий. Которые влекут за собой

I

значительный экономический ущерб в виде потерянного техногенного сырья, вывода из строя производственных мощностей, загрязнение прилегающих территорий и нередко становятся причинами человеческих жертв. [21]

В связи с этим, поиск научных, методических и технических решений, отвечающих требованиям промышленной безопасности техногенных месторождений, не теряют актуальности, особенно в условиях интенсивного развития горно-обогатительного производства в северных Регинах России.

Проблемам, связанным с оценкой состояния хвостохранилищ как объектов ГТС на современном уровне, как это диктуют действующие нормативные и законодательные документы в области надежности и безопасности ГТС, а также требования к проведению натурных наблюдений на сооружении и технической диагностике сооружения в целом, посвящены работы: A.C. Бугрова, В.Н. Бухарцев, А.Г. Василевского, И.М. Васильева,

B.Б. Глаковского, A.JI. Гольдина, В.Н. Жиленкова, П.Л. Иванова, Н.И. Иващенко, Г.М. Каганова, Н.Ф. Кривоноговой, B.C. Кузнецова, С.А. Кузьмина, Т.Ф. Липовецкой, В.В. Малаханова, А.Л.Можевитинова, М.П. Павчина, Д.А. Радкевича, Л.Н. Рассказова, Г.А. Чугаевой, В.И. Щербины,

C.Г. Щульмана и др. [22-28]

Действующие нормативно-методические документы не учитывают специфики таких гидротехнических сооружений, как хвостохранилища, для которых этапы проектирования, строительства, разработки и текущей эксплуатации, как правило, совпадают. Проектная технология, как правило, постоянно находится в состоянии совершенствования, поиска и экспериментов. Что обуславливается изменяющимися, в процессе эксплуатации составом и свойствами хвостов, геокриологическими условиями, как оснований, так и тела подпорных сооружений, нагрузки и воздействия носят меняющийся характер, и зачастую имеют место сложные инженерно-геологические условия площадки отвала с минимальной площадью отчуждения под сооружения. В настоящие время отсутствует единая методика оценки состояния техногенных массивов основанная на

комплексном подходе к оценке состояния сооружения не только как к накопителю в настоящее время, но и как источнику минерального сырья в будущем.

Диссертация является частью завершенных научно-исследовательских работ по темам «Исследования и разработка инновационных технологий комбинированной переработки и утилизации отходов предприятий цветной металлургии» в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработка по приоритетным направления научно-технического комплекса России на 2007-2013 года», ГК №16.515.11.5027, «Разработка эффективной технологии выработки лежалых хвостов и пирротинового концентрата» с ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель», №88-44/09 от 22.01.2009г.

Цель работы — Основной целью диссертационной работы являлось: обоснование технологических параметров эффективной отработки участков техногенных месторождений из лежалых хвостов обогащения в условиях криолитозоны, обеспечивающих высокие показатели полноты извлечения полезного ископаемого и безопасность ведения горных работ при открытой разработке.

Для достижения поставленной задачи выполнены следующие этапы:

• анализ особенностей хвостохранилищ на стадии проектирования, строительства, формирования и разработки.

• анализ причин аварий на хвостохранилищах в России за рубежом.

• определение горно-технических параметров, определяющих устойчивость ограждающей дамбы техногенных месторождений.

• комплексно исследовать состав, структуры и физико-механические свойства техногенных намывных грунтов с единой позиции.

• Оценка устойчивости намывных массивов по результатам комплексных исследований.

• Исследование горно-технических параметров и оценка устойчивости в процессе разработки и формирования на примере хвостохранилища №1 и Лебяжье ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

В работе использован комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение ранее выполненных исследований, теоретические и экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях. Обработка и анализ экспериментальных данных производилась методами математической статистики с реализацией на ЭВМ. Объекты исследования — техногенные массивы в виде законсервированных и действующих накопителей отходов, сложенные вскрышными скальными породами и мягкими связными грунтами в процессе разработки.

Идея работы — повышение показателей полноты извлечения полезного ископаемого из недр и безопасность ведения горных работ при открытой разработке участков техногенных месторождений из лежалых хвостов обогащения достигается обоснованием рациональных параметров выемки техногенного массива с учетом влияния криолитозоны в процессе его разработки.

Методы исследования — в работе использован комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение ранее выполненных исследований, теоретические и экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях. Обработка и анализ экспериментальных данных производилась методами математической статистики с реализацией на ЭВМ.

Научные положения защищаемые в работе:

1. Экспериментально получены прочностные харак�