Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование технологических параметров формирования и эксплуатации намывных техногенных месторождений

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

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологических параметров формирования и эксплуатации намывных техногенных месторождений"

005057542

На правах рукописи /¿¿¿¿¿¿¿У

АКОПОВ АРАМ ПЕТРОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФОРМИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ НАМЫВНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ (В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ)

Специальность 25.00.22.«Геотехнология»(подземная, открытая и

строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 АПР 2013

Владикавказ 2013

005057542

Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) на кафедре «Технология разработки месторождений» им. М. И. Агошкова

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор ЛОЛАЕВ АЛАН БАТРАЗОВИЧ

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор кафедры «Горное дело» ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) ИГНАТОВ ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ

Кандидат технических наук, профессор кафедры «Начертательной геометрии и черчения» ФГБОУ ВПОСКГМИ (ГТУ) ДЖАНАЕВ МАХАРБЕК ИВАНОВИЧ

Ведущая организация: ФБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

Защита состоится 15 марта 2013 г. в 13:00 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 СевероКавказского горно-металлургического института (Государственного технологического университета).

Ученый секретарь Диссертационного совета,

Доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Проблема формирования и безопасной эксплуатации техногенных месторождений является весьма актуальной особенно для районов распространения вечномерзлых грунтов. Объясняется это следующим: эффективность эксплуатации техногенного месторождения определяется минимальной площадью накопителя, максимальной высотой и оптимальной емкостью; опыт эксплуатации техногенных месторождений, расположенных в криолитозоне, весьма невелик; влияние горнотехнических сооружений на вечномерзлые грунты основания практически не изучено; регламентированная технология формирования и эксплуатации техногенных месторождений в летний и зимний периоды, что требует интенсивного строительства ограждающих сооружений в летний период, для создания емкости прудка, обеспечивающего объем, необходимый для зимнего подледного складирования и обеспечения оборотного водоснабжения; техногенные месторождения Норильского промышленного района не имеют аналогов гидротехнического строительства, причем имеющиеся сооружения резко различаются как но состоянию грунтов оснований, так и по технологии эксплуатации.

Вопросы эксплуатации горнотехнических сооружений, являются тем более острыми потому, что проектная технология, как правило, постоянно находится в состоянии совершенствования, поисков и эксперимента, что обуславливается , изменяющимися, в процессе эксплуатации геокриологическими условиями, как оснований сооружений, так и тела подпорных сооружений.

В связи с этим, поиск научных, методических и технических решений технологии возведения намывных техногенных месторождений, отвечающих требованиям безопасности и экономической эффективности является актуальным, особенно в условиях дальнейшего интенсивного развития горно-обогатительного производства в России.

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 №16.515.1 1.5027, «Разработка оптимальной технологии намыва хвостохранилища «Лебяжье» с ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель», №88-3041/08 от 19. 12.2008 г.

Цель работы -обоснование и разработка методики расчета технологических параметров формирования и эксплуатации намывных техногенных месторождений в условиях криолитозоны.

Задачи исследований:

- анализ и обобщение теории и практики возведения намывных техногенных месторождений;

- разработка методики оптимизации расчета технологических параметров возведения намывных техногенных месторождений;

- разработка программы оптимизации расчета технологических параметров процесса намыва;

-физико-математическое моделирование технологии намыва;

- оптимизация технологических параметров намыва (на примере хвостохранилища «Лебяжье» ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель»).

Идея работы: повышение точности определения технологических параметров намыва техногенных месторождений за счет использования логистического подхода при физико-математическом моделировании процессов.

Методы исследования: обобщение и анализ теории и практики, лабораторные и натурные исследования, физико-математическое моделирование с использованием теории вероятности и математической статистики.

Научные положения, защищаемые в работе:

1. Метод обоснования технологических параметров возведения техногенных месторождений, учитывающий геометрические характеристики месторождения, климатических условий, технологические ограничения максимальной высоты намывного слоя, основанный на логистическом описании процесса возведения как сложной системы.

2. Математическое описание зависимости технологических параметров возведения техногенного месторождения (времени заполнения участка намыва, высоты годового намыва, времени заполнения яруса участка намыва) от скорости подачи минерального сырья, геометрических характеристик объекта и участка складирования, климатических условий с адекватностью 90-95%.

3. Зависимости между характеристиками намывного пляжа техногенного месторождения и расстоянием от оси пульпопровода до расчетного створа находятся в строгой корреляции.

Научная новизна работы заключается в следующем:

I. Впервые доказана возможность оптимизации технологических параметров возведения техногенного месторождения с использованием

математической модели, основанной на логистическом описании технологии месторождения.

2. Впервые выполнено математическое описание зависимости технологических параметров возведения техногенного месторождения (времени заполнения участка намыва, высоты годового намыва, времени заполнения яруса участка намыва) от скорости подачи минерального сырья, геометрических характеристик объекта и участка складирования, климатических условий с адекватностью 90-95%.

3. Установлены новые корреляционные зависимости между высотой намывного слоя минерального сырья, средневзвешенным диаметром частиц намывного массива и расстоянием от расчетного створа до оси пульпопровода.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается обобщением и использованием большого объема исходных фактических данных, применением современных методов исследований, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с результатами опытно-промышленных работ и положительной практической реализацией разработок на предприятии.

Научная значение работы:

Разработанный метод расчета технологических параметров намыва повышает точность определения технологических параметров возведения техногенных месторождений за счет использования логистического подхода при физико-математическом моделировании процессов.

Практическая значение работы заключается в том, что применение разработанного метода определения и оптимизации технологических параметров возведения техногенного месторождения с учетом требований промышленной н экологической безопасности, технологичности и экономичности позволяет прогнозировать высоту годового намыва техногенного месторождения (в том числе каскадного), оперативно управлять и осуществлять корректировку параметров возведения без остановки технологического процесса, оперативно осуществлять вариантное сравнение технологических схем возведения месторождения с учетом изменений исходных данных, давать прогнозную оценку сроков возведения месторождения и составлять календарные графики производства работ.

Методика может быть использована горно-рудными предприятиями, научно-исследовательскими и проектными организациями.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований использованы при составлении проекта эксплуатации хвостохранилища «Лебяжье» Норильской обогатительной фабрики Заполярного филиала ОАО ГМК «Норильский Никель» с

5

ожидаемым экономическим эффектом более 187 млн. руб. за первые три года эксплуатации. Результаты теоретических исследований использованы в учебном процессе СКГМИ (ГТУ) при подготовке специалистов в области открытой геотехнологии.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на: Международная научная конференция «Информационные технологии и системы. Наука и практика». Владикавказ 2009; 5-ая Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса», Тамбов 2009; 5-ой Международной научно-практической конференции «Глобальный научный потенциал». Тамбов 2009; 1-ой Региональной междисциплинарной конференции молодых ученых «Наука обществу». Владикавказ 2010; VII Международной научной конференции «Устойчивое развитие горных территорий», Владикавказ 2010; 7-th Europian Conference on numerical methods in Geotechnical Engineering «NUMGE 2010», Trondheim, Norway, 2010; Sixth International Congresson Environmental Geotechnics. New Delhi, India, 2010; 11-th Congress of the International Associati on for Geology and the Environment. New Zeeland, 2010; 9-ой Международной конференции «Ресурсовоспроизводящие,

малоотходные и природоохранные технологии освоения недр». Котону, Бенин, 2010; 14-th Asian Regional Congresson Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Hong Kong, China, 2011; Строительно-промышленном форуме «Гостеприимная Осетия», Владикавказ 2011 ; Конкурсе на премию главы РСО-Алания для молодых ученых - Владикавказ, 2012 г., на расширенном заседании кафедры «Горное дело» в ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) г. Новочеркасск, 2012 г.; на 25-ом Международном научном симпозиуме «Неделя горняка 2013», Москва, 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 18 работ, в том числе 7 в изданиях, рекомендованных ВАК и приравненных к ним.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 153 страницах машинописного текста; содержит 61 рисунков, 13 таблиц. Список использованных источников включает 153 наименования отечественных и зарубежных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Технологии возведения горно-технических сооружений посвящены труды академика РАН К. Н. Трубецкого, члена-корреспондента РАН Д. Р. Каплунова, профессоров И. И. Айнбиндера, С. Г. Аксенова, Е. Б. Близняка, Г.К. Бондарика, В. В. Бутюгина, А. М. Гальперина, В. Т. Глазитского, A. JT. Гольдина, M. М. Гришина, Ю. Н. Дьячкова, В. Г. Зотеева, В. Н. Игнатова, А. М. Ильина, Д. М. Казикаева, Г. И. Кузнецова, В. Н. Калмыкова, А. Б.

6

Лолаева, Г. Г. Ломоносова, В. П. Недриги, A.A. Петросова, С. И. Попова, Ю. И. Разоренова, Л. Н. Рассказова, Н. Н. Розанова, М. В. Рыльниковой, И. Н. Савича,Л. А. Ярга и др.

В результате анализа существующих технологий выявлены недостаточная изученность вопросов определения и оптимизации технологических параметров процесса намыва техногенного месторождения и показана логистическая природа процесса намыва.

Защищаемое положение ЛЬ /. Метод оптимизации технологических параметров возведения техногенных месторождений, учитывающий геометрические характеристики месторождения, климатических условий, технологические ограничения максимальной высоты намывного слоя, основанный на логистическом описании процесса возведения как сложной системы.

Увеличение затрат на складирование отходов горно-добывающей промышленности требует научного обоснования оптимизации схем их транспортировки и складирования.

Концепция логистики базируется на рациональном управлении различными видами потоков: материальными, сервисными, финансовыми, информационными. Применительно к крупнейшим горнодобывающим предприятиям и вопросам транспортировки и складирования их отходов принципиальная логистическая схема потоков может быть представлена следующим образом (рисунок 1).

Поставка сырья Производство Передача Распределение Сбыт

(Горнодобыва- (Обогатитель - —» (Система —► (Распредели; -» (Накошгге-

ющие пред- *■ - ноепрош - - -* гидро- - -* тельный пуль - - » лн отходов)

приятия) водство) транспорта) попровод)

Рисунок 1 - Логистическая схема потоков транспортировки и складирования отходов горнодобывающей промышленности

В результате анализа деятельности одного из крупнейших в России металлургических предприятий, ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель», с применением логистического подхода (рис. 1)разработана оптимизированная транспортная схема производственного комплекса (рис.2).

Произведенная разбивка на блоки транспортной схемы производственного комплекса ОАО ЗФ «ГМК «Норильский никель» (рис. 2) позволило выявить достаточно близкое сходство с классической логистической схемой, приведенной на рис. 1 (схема, приведенная на рис. 1 и 2 однотипные блоки и связи между ними). Из чего можно сделать вывод о целесообразности применения логистического подхода.

Горно-і еологнческое управление

|Горно-добывающие подразделений

§ «

а <

и

о

а

Рудник | 'Октябрьский"!

Рудник 'Таймырским"

О

а

§ ш

о в. С

я

3

е.

о

с

г о Ч о

о. с

и я й.

н

о

и

Рудоуп равтение Рул отправление

"Таї нахское" "Норильск-!"

у

V Г

Система пілротракспорта ТОФ

Система

і іідрогранспор? а хвосте* ранил ища \в 1

гидротранспорта НОФ;

^ Магпстратьнын пульпоп|ювод | | Ра с п р с д с л и т с л ь и ы ґі пул ыю про но,

Гилромеханизированное складирование

Первое поле хвост охра нилиша "Лебяжье"

Второе поле хвосюхранилкща "Лебяжье"

¿ИИ [¿ПЕТЬ сЬ (Ь й

Участки складирования

Рисунок 2 - Транспортная схема производственного комплекса ОАО ЗФ «ГМК «Норильский никель» Таким образом, установлено, что применение логистического подхода целесообразно для решения задач определения технологических параметров намыва.

Защищаемое положение № 2. Математическое описание зависимости технологических параметров возведения техногенного месторождения (времени заполнения участка намыва, высоты годового намыва, времени заполнения яруса участка намыва) от скорости подачи минерального сырья, геометрических характеристик объекта и участка складирования, климатических условий с адекватностью 9095%.

С целью определения технологических параметров возведения накопителя отходов предприятия, для полученной схемы осуществлена постановка транспортной задачи в виде систем уравнении (1), (2):

Г Л-,/ +.V/2 + ... + х, 15= а,;

■I х2, + х22 + ...+х215 = а2; (1)

L-v„ + х32 +... +x3ls=a3.

Хц + х22 + *„,(= bt; ^ х,2 + х22+хт2=Ь2; (2)

>■ X/ 15 + х2 15 + Л") 15= Ь¡5 .

где а— «поставщики» отходов; ¿—«потребители» (участки складирования) отходов.

Учитывая требования экологической безопасности,

подразумевающие складирование в накопитель всего объема

вырабатываемых отходов (хвостов) 2f=i = ty , транспортная

задача является закрытой или обычной моделью.

Целевая функция задачи представлена в виде:

т = yS2k-h2

t, Я tx ч

где i - количество секторов первого поля; к -количество секторов второго поля; 5/,—площадь i-ro сектора 1поля накопителя отходов; ; площадь k-го сектора Пполя накопителя отходов;Ь|—высота намыва на 1поле; 112-высота намыва на Иполе; q-дневной объем поступающих на складирование отходов; 180 - продолжительность намыва на пляж хвостохранилища в днях, определяемая из климатических условий региона, т.к. в соответствии с нормативными документами намыв может осуществляться при температуре не ниже -5С°.

Алгоритм решения поставленной задачи состоит из следующих

блоков:

Блок!: Исходная информация, включающая в себя: Общие сведения о накопителе; Геометрические параметры намыва: Граничные условия намыва: Технологические параметры процесса намыва: Блок 2: Определение технологических параметров намыва.

Определение требующейся высоты намыва объема хвостов на пляж одного из полей;

Определение технологических параметров намыва при складировании всего годового объема на пляж одного из полей.

Определение технологических параметров намыва при складировании в два поля накопителя отходов: Для предложенной методики разработана блок-схема и составлена программа расчета технологических параметров намыва с использованием стандартного пакета Microsoft Office Excel и приведены указания для ее использования.

Для апробации разработанной методики были проведены тестовые расчеты, результаты которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты определения параметров процесса

намыва по разработанной математической модели

№ участка складирования Площадь участка, м2. Высота намыва, м. Объем участка, Объем пульпы, м\ Время намыва сектора, мин. Высота яруса намыва, м. Количество ярусов намыва Количество полных ярусов Время намыва полного яруса, мин.

1 0,85 0,005 0,0425 0,002 2,12 0,005 1 1 2,12

2 0,833 0,0416 2,08 2,08

3 0,816 0,0408 2,04 2,04

4 0,799 0,04 2 2

5 0,782 0,0391 1,95 1,95

Среднее значение: 2,04

Установлено, что по результатам проведения модельных экспериментов адекватность расчетных параметров горно-технических сооружений, определенных по предлагаемой математической модели,

параметрам модельных испытаний находится в пределах 5-10%: время намыва-до 5%; высота намыва - 5-10% (табл. 1, 3).

Таким образом, разработана математическая модель процесса намыва каскадного накопителя отходов, составлен алгоритм и программа с использованием стандартного пакета Microsoft Office Excel для определения технологических параметров намыва. Адекватность модели находится в пределах 90-95%.

Защищаемое положении М>3. Зависимости между характеристиками намывного пляжа техногенного месторождения и расстоянием от оси пульпопровода до расчетного створа находятся в строгой корреляции.

Технологические параметры намыва и складирования хвостов исследованы с помощью физико-математического моделирования. Комплекс модельных исследований включил в себя: изготовление физической модели для исследования технологических параметров намыва; физическое моделирование способов намыва хвостохранилища; исследование физико-механических свойств хвостов в режиме намыва и последующей консолидации.

В соответствии с выявленными критериями подобия разработан и изготовлен лабораторный стенд (рисунок 3).

Рисунок 3 - Конструкция лабораторной установки для моделирования намыва ограждающей дамбы хвостохранилища.

Таблица 2 -Условия проведения модельных испытаний процесса намыва

Количество циклов намыва Геометр характе ические эистики Характеристики пульпы Температурные условия намыва, °С.

Угол откоса, град. Длина пляжа, мм Уклон пляжа, град. Ширина фронта намыва, мм Объем пульпы за цикл намыва, м3 Процентное содержание хвостов в пульпе, % Скорость движения пульпы в пульпопроводе, л/сек

1 45 1000 1,8 750 0,2 25 0,16 18

2 980

3 960

4 940

5 920

Таблица 3 - Результаты модельных испытаний по определению характеристик процесса намыва

Количество циклов намыва Геометрические характеристики Временные характеристики Скорость движения пульпы по пляжу, мм/сек

Высота намыва за цикл, мм Средняя толщина слоя, мм Время намыва, мин Процесс консоли- дациина мы-тых хвостов на пляже, мин

1 5 5 2,1 120 100

2 10,5 5,5 1,9 127 95

3 15 4,5 2,0 130 97

4 19,7 4,7 2,1 131 92

5 25,2 5,5 2,0 135 90

Среднее значение 5,04 2

Таблица 4 -Результаты модельных испытаний по определению характеристик формирования намывного пляжа

Количество циклов намыва Мощность намывных хвостов, мм, на расстоянии от пульповыпусков Средневзвешенный диаметр хвостов, мм, на расстоянии от пульповыпусков

10 м 50 м 100 м 10 м 50 м 100 м

1 6,2 4,8 3,8 0,5 0,42 0,347

2 5,9 5,4 3,7 0,49 0,44 0,345

3 5,8 5,2 3,5 0,48 0,43 0,35

4 5,6 4,8 4,0 0,51 0,45 0,354

5 6,0 5,0 . 3,9 0,47 0,445 0,349

Изменение мощности намывных хвостов, а также средневзвешенного диаметра хвостов в зависимости от расстояния до пульповыпусков представлено на рисунках 4 и 5.

І1. мм 6

5

4

о,9 мм

• 5,04 мм

■3.78 мм

Ю 50 100 см

Рисунок 4 - График изменения высоты намывного слоя в зависимости от расстояния до пульпопровода

Высота намывного слоя находится в зависимости от расстояния до распределительного пульпопровода (4):

/(Ь) = 6,094 -0,019-Ьг, (4) где Ь, - расстояние от расчетного створа до пульповыпусков.

СІср, ММ

0.5

0 45

04

X о Ъ р э а 0.35 0.3

0.25

її ъ 0.2

ч 2 Я 0 15

О 0 1

0.05

0

В ЛЕТНИИ ПЕРИОД 0,437

0,349

• после 1-го слоя намыва ■ после П-го слоя намыва .ж. после ГП-го слоя намыва ф после ТУ-го слоя намыва

# после У-го слоя намыва

♦ 1

20

30

40

50

60

70

80

90

100 Цсм

Рисунок 5 - График распределения средневзвешенного диаметра намытых хвостов на отдалении от оси пульпопровода

Изменение средневзвешенного диаметра намытых хвостов по

отдалении от оси пульпопровода составляет: /(Ь) = 0,501 - 1,048 • 103 • и

(5)

где Ь, - расстояние от расчетного створа до оси пульпопровода.

Таким образом, по результатам модельных испытаний выявлены эмпирические зависимости средневзвешенного диаметра и высоты слоя намытых хвостов от расстояния до оси распределительного пульпопровода.

Для проверки адекватности математической модели с использованием логистического подхода для определения и оптимизации технологических параметров намыва накопителей отходов проведены натурные испытания на хвостохранилище «Лебяжье» ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» на участке намыва ПК-5 - ПК -14 (табл.5,6).

Таблица 5-Условия проведения натурных испытаний процесса намыва

Количество циклов намыва Геометрические характеристики Характеристики пульпы Температурные условия намыва, °С.

Угол откоса, град. Длина пляжа, м Уклон пляжа, град. Ширина фронта намыва, м Объем пульпы за цикл намыва, м1 Процентное содержание хвостов в пульпе, % Скорость движения пульпы в пульпопроводе, л/сек

2 45 145 1,8-2 900 299935 25 48,31 1214

Таблица 6 - Результаты натурных испытаний по определению

характеристик процесса намыва

Количество циклов намыва Геометрические характеристики Временные характеристики

Высота намыва за цикл, м Средняя толщина слоя, м Время намыва, сутки Процесс консолидации намытых хвостов на пляже, сутки

1 5 0,5 12,8 13-15

2 1 0,5 12,3 15

В таблице 7 приведены расчеты, выполненные с использованием предлагаемой математической модели, для проверки ее адекватности. Натурные испытания проводились для первого сектора складирования (табл. 7.).

Таблица 7 -Результаты определения параметров процесса намыва по разработанной математической модели

А В С О ЕГЙ Н І і К I

і Шоииь уистив, м2. Высота Н1МЫ0», и. Обьем участков,м 3. Дневной 001»! попуилев НЯ ІП.ІМІМ, м 1 Время И1ЧЫЕ1 сеїлора, дин. Высота яруся намыва, 41. Количество ярусов пачыоа Количество полных мругок Время намиві панюго яругя, ДНИ. Висоті неполного «руса, м. Время намиві неполного яруса, ;інн

2 Первое поле шетохрапплпща "Лебяжье" (1-ий - 8-ой сектора).

3 1 277501.69 1.05054 2999353014 12.5119 0.5 2.161652652 5,785035 0,0808413 0.9358255

4 2 130114,43 1.05054 140633,0496 23972 5,86655 0.5 2,161682682 у 2,7135534 0,0505413 0,43575794

5 3 104967,77 1,08084 113453,5026 23972 4,73275 0.5 2,161652682 -> 2,1593528 0,0805413 0,35398525

6 4 70408.458 1,08084 76100,37161 23972 3.17455 0.5 2,161682682 2 1,4685562 0,0808413 0.2374401

7 5 135834,7$ 1,08084 146815,8485 23972 6.12447 0,5 2,161682682 2 2,8331967 0,0808413 0,45807884

8 6 110991.15 1.0Ш1 152ІШ906 23972 6.35697 0,5 2.161682682 2 2.9107528 0.0ШИ 0.4751688

9 7 149920.95 1.05054 162040.7639 23972 6,75958 0.5 2.161652682 2 3,1270014 0.0505413 0.50555197

10 8 356934.76 1.05054 355759.8419 23972 16.0934 0.5 2.161652652 2 7,4448264 0.0808413 1.2036995

И Итого по первому псаю: 1477158,07 61,6201 28,505638 4Ш56793

Анализ данных натурных испытаний и расчетов выполненных по предложенной математической модели показал, что адекватность расчетных параметров горно-технических сооружений, определенных по предлагаемой математической модели, параметрам в натуре находится в пределах: время намыва 3-5 %, высота намыва - 5-10%.

Хвостохранилище «Лебяжье» расположено на территории Норильского промышленного района и представлено двумя полями. Первое поле эксплуатируется с 1983 г. и имеет абсолютные отметки гребня ~ 70 м. Второе поле находится в стадии строительства, абсолютные отметки гребня ограждающей дамбы ~ 50 м. На конец эксплуатации хвостохранилище должно представлять собой единый накопитель с отметкой гребня 90 м. Хвостохранилище «Лебяжье» представляет собой один из наиболее неблагоприятных видов накопителей - каскадный, с перепадом уровней воды в прудках первого и второго поля более 20 м (рисунок 6).

В соответствии с существующим проектом эксплуатации намыв дамбы осуществляется равномерно, чередуясь на первом и втором полях. При такой технологии первое поле достигает проектной отметки раньше второго, при этом перепад высот сохраняется, а устойчивость всего комплекса снижается. Разделительная дамба находится в неудовлетворительном состоянии (деформации), а при подъеме уровня воды во втором поле она будет уходить под воду. На основе технологических параметров, установленных по результатам физико-математического моделирования, разработаны и проанализированы альтернативные варианты возведения хвостохранилища.

В качестве основных рассмотрены:

1. Эксплуатация двух полей по очереди, достижение проектной отметки первым полем, с отставанием роста гребня дамбы второго поля и эксплуатацией двух прудков (вариант 1).

2. Эксплуатация двух полей по очереди с опережающим намывом ограждающей дамбы второго поля и эксплуатацией двух прудков (варианты 2, 3).

3. Опережающий намыв второго поля до достижения гребня ограждающей дамбы первого поля и дальнейшая эксплуатация объединенного хвостохранилища с одним прудком (варианты 4, 5)

Рассмотренные варианты намыва учитывают высоту намыва дамбы за один цикл и в целом за год, ширину фронта намыва, количество намываемых хвостов, календарный график работ и т.д. На первом этапе была выполнена разбивка пляжа на секторы для определения объема намываемых хвостов. На втором определялся объем намываемых хвостов за цикл. Намыв пляжа из хвостов производится постепенным перемещением участка намыва шириной 900-1200 м по ходу движения пульпы.

Определялась продолжительность намыва участков и составлялся календарный график работ на год. Это, в свою очередь, позволило прогнозировать сроки эксплуатации хвостохранилища до проектной отметки.

Критериями оптимизации технологических параметров намыва являлись: 1) количество технологических операций; 2) устойчивость ограждающих конструкций; 3) экологическая безопасность; 4) экономическая эффективность.

При исследовании вариантов принимались во внимание: технология устройства дамб вторичного обвалования, их периодичность, высота и объемы отсыпки и соответственно демонтаж-монтаж распределительного пульпопровода, интенсивность намыва, длина пляжей, конструкции дренажных призм и т.д.

Чем меньше количество перекладок распределительного пульпопровода на очередной ярус намыва без увеличения объема отсыпки дамб вторичного обвалования и потери емкости хвостохранилища, тем выше эффективность выбранного варианта эксплуатации.

Промышленная и экологическая безопасность хвостохранилища "Лебяжье" оценивалась про критерию устойчивости ограждающей дамбы, показателем которого является коэффициент устойчивости. Расчеты устойчивости проведены применительно к каждому разработанному технологическому варианту эксплуатации гидротехнического сооружения (рисунке 7). Технологические параметры намыва представлены в таблице 8.

сводная диаграмма

V 2009 2014 2019 2024 2029

—1 вариант 1,553 1,23 1,213 1,1 2,133

Н»- 2 вариант 1,553 1,743 1,8 2,1

—*—3 вариант 1,553 1,6 1,84 2,23

— 4 -5 варианты 1553 ■.......................... 1,67 1,83 2,3

Рисунок 7 - Значения коэффициента устойчивости по годам в процессе намыва хвостохранилища

Таблица 8 - Периодичность технологических операций по вариантам

намыва

Отсыпка дамбы Отсыпка дренажной призмы Демонтаж/мо нтаж пульпопровод а

Вариант № 1 1 поле Ежегодно Ежегодно Ежегодно

2 поле Ежегодно Ежегодно Ежегодно

Вариант №2 1 поле Раз в 4 года Раз в 4 года Раз в 4 года

2 поле Ежегодно Ежегодно Ежегодно

Вариант №3 1 поле Раз в 2 года Раз в 2 года Раз в 2 года

2 поле Ежегодно Ежегодно Ежегодно

Вариант №4 1 поле До 2019-не производится с 2019г. ежегодно До 2019 - не производится с 2019г. ежегодно До 2019 - не производится с 2019г. ежегодно

2 поле Ежегодно До 2019г. ежегодно с 2019 -не производится По контуру ежегодно. По фронту -раз в 3 года до 2019г.

Вариант №5 1 поле До 2019-не производится с 2019г. ежегодно До 2019-не производится с 2019г. ежегодно До 2019-не производится с 2019г. ежегодно

2 поле Ежегодно До 2016г. ежегодно с 2016 - не производится Ежегодно

Анализ результатов исследований позволил определить оптимальный вариант технологии намыва, удовлетворяющий всем

критериям и предусматривающий эксплуатацию двух полей по очереди, с опережающим намывом ограждающей дамбы второго поля и эксплуатацией двух прудков. Интенсивность намыва дамбы I поля - 1 м/год, II поля - 2 м/год. Указанный вариант эксплуатации, предусматривающий переукладку распределительного пульпопровода и отсыпку дренажной призмы на I поле и разделительной дамбе 1 раз в 2 года, на втором поле - I раз в год.

Для проверки эффективности применения выбранного варианта осуществлен комплекс натурных исследований на объекте.

Исследования включали наблюдения за распределением намываемого материала на поверхности пляжа, интенсивностью намыва и консолидацией хвостов во время отдыха пляжа. Для оценки качества укладки хвостов в тело дамбы производился отбор проб из пляжной зоны образцов как нарушенного, так и ненарушенного сложения. Одновременно производилась геодезическая съемка поверхности пляжа по мерным рейкам, установленным до начала намыва и визуально фиксировалось состояние пляжа.

Приведен расчет экономического эффекта от принятых технологических решений, определяемый по формуле (6):

Эцощ ^т.р. .ст. Э альт. )

где: Экр - экономический эффект от технологических решений; Эс ст - экономический эффект от сокращения срока строительства; Эальт - экономический эффект от сокращения альтернативных издержек.

Эобщ =Экр + Эш.+ Э„т= 144 009 801,04 + 43 202 940,31 = 187 212 832, 6

руб.

Экономический эффект от технологических решений определялся как разница между затратами на возведение объекта по существующей технологии и по разработанной технологии намыва. Размер экономического эффекта от составил ~ 187 млн. руб. на ближайшие три года эксплуатации.

Комплекс выполненных исследований позволил теоретически и практически обосновать направления эффективной и безопасной эксплуатации хвостохранилища.

Заключение.

В диссертационной работе на основе комплексной оценки технологии складирования отходов предприятий горно-добывающего комплекса решена актуальная научно-техническая задача научного обоснования и разработки методики расчета параметров намывных накопителей отходов горно-добывающей промышленности в условиях криолитозоны.

Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации:

1. Использование математической модели на основе логистического подхода дает возможность обоснования технологических параметров формирования и эксплуатации техногенного месторождения.

2. Выполнено математическое описание зависимости технологических параметров возведения техногенного месторождения (времени заполнения участка намыва, высоты годового намыва, времени заполнения яруса участка намыва) от скорости подачи минерального сырья, геометрических характеристик объекта и участка складирования, климатических условии с адекватностью 90-95%.

3. Зависимости между характеристиками намывного пляжа техногенного месторождения и расстоянием от оси пульпопровода до расчетного створа находятся в строгой корреляции.

4. Предлагаемый метод расчета технологических параметров намыва повышает точность определения технологических параметров формирования техногенных месторождений, что является основой уменьшения затрат на возведение и эксплуатацию данных объектов.

5. Методика обоснования технологических параметров формирования и эксплуатации техногенных месторождений может быть использована горно-рудными предприятиями, научно-исследовательскими и проектными организациями, а также в ВУЗах.

6. Определенные по результатам исследований в лабораторных условиях технологические параметры намыва ограждающей дамбы хвостохранилища «Лебяжье» ОАО ЗФ «ГМК «Норильский никель» приняты к практической реализации.

7. Экономический эффект от принятых решений в результате оптимизации технологии намыва ограждающей дамбы хвостохранилища «Лебяжье» ОАО ЗФ «ГМК «Норильский никель» составил ~ 187 млн. руб. на ближайшие три года эксплуатации.

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. // Оптимизация технологии намыва ограждающей дамбы каскадного хвостохранилища. Сборник материалов 5-ой международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса», Тамбов, 2009, стр. 148-150.

2. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А. X., Сумин М. Н. // Технология намыва накопителен каскадного типа для отходов горнодобывающей промышленности. Устойчивое развитие горных территорий № 1 (7), 2011, Владикавказ, -с 77-83.

3. 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.

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

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

2421569.2011.

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

2451131.2012.

7. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А.. X., Сумин М. Н. Пульпопровод для намыва ограждающей дамбы. Патент РФ, № 118321, 2012.

В других изданиях:

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Оганесян А. X., Сумин М. Н. // Моделирование процесса намывных гидротехнических сооружений. Труды молодых ученых. ВНЦ РАН и Правительство РСО-Алания, № 3, Владикавказ 2011., с. 87-92.

12. Лолаев А. Б., Акопов А. П., Лапинский Г. С. // Определение и оптимизация технологических параметров намыва накопителей отходов горно-добывающей промышленности.Сборник материалов республиканской научно-технической конференции «Пути совершенствования качества

строительства промышленных и гражданских зданий и сооружений», Владикавказ 2012, с. 343-347,

13. 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 7"' European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering. «Numge- 2010», Trondheim, Norway 2010, p.p. 563-567.

14. 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.

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. Proceedings of 11th International Association for Geology and the Environment, New Zeeland, 2010, (CD edition), p.p. 4287-4292.

16. 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.

17. 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 11"1 Asian Regional Congress, Hong Kong, China, 2011, p.p. 1051-1055.

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. Proceeding of 11th Asian Regional Congress, Hong Kong, China, 2011, (CD edition).

е^ 1

Подписано в печать 08.02.2013. Печать офсетная. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Учетно-издательских листов 1 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 24

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.