Эффективное размещение и использование скальной вскрыши на Лебединском ГОКе

С.В. Локтионов, технический директор ООО «Дорстройщебень»
М.А. Дергилёв, к.т.н., доцент Губкинского филиала Московского государственного открытого университета

Проблема эффективного размещения и использования скальной вскрыши является весьма актуальной для Лебединского ГОКа и Старооскольского железорудного района в целом.

Необходимость ее решения обусловлена:

- увеличением дальности транспортирования и изъятием дополнительных земельных отводов;

- более эффективным ее использованием для повышения устойчивости и отметок заполнения действующих и перспективных намывных горно-технических сооружений;

- возможностью использования площади ранее намытого гидроотвала для размещения скальной вскрыши при значительном сокращении дальности транспортирования;

- расширением объемов ее использования для получения строительного и дорожного щебня, а также изыскания оптимального и экологически приемлемого варианта размещения отходов переработки.

Решение указанной проблемы требует объективной оценки прочностных свойств пород скальной вскрыши с учетом их состава и влияния водной среды. Нередко применяемый метод аналогий при оценке прочностных свойств скальной вскрыши неприемлем в связи с разнообразием геологических условий и их особенностей по регионам.

Для более объективной оценки прочностных свойств скальной вскрыши в последнее время начали применяться приборы с увеличенной площадью сечения в плоскости сдвига. Однако известные конструкции сдвиговых приборов [1-3] с увеличенной площадью зазора в плоскости среза не позволяют сохранить заданное вертикальное давление постоянным в процессе сдвига.

Происходит это в связи с тем, что грунт, заключенный в две жесткие обоймы одинаковой площади, сдвигается по фиксированной площадке скольжения, величина которой в течение всего опыта постоянно уменьшается. Вследствие этого, удельная нагрузка, нормально распределенная в плоскости переменного сечения, увеличивается пропорционально изменению площади горизонтального сечения.

Для получения достоверных результатов сопротивления сдвигу различных пород (в том числе скальных нарушенного сложения) сконструирована и изготовлена широкоплоскостная сдвиговая установка ШСУ-10000/2500/600 (рис. 1) [4], и позволяющая в плоскости среза поддерживать постоянную удельную вертикальную нагрузку, неизменную в процессе сдвига.
Это достигается тем, что нижняя подвижная грунтопри-емная обойма превышает длину верхней обоймы (вдоль приложения сдвигающей нагрузки) не менее чем на половину величины плоскости среза образца грунта при одинаковой ширине обоих обойм, а внутри нижней обоймы смонтиро-
вана вертикальная противодеформационная стенка 9.

Установка работает следующим образом: нижнюю подвижную обойму 2 со стороны гидравлического домкрата 3 совмещают с верхней неподвижной обоймой 1. Затем подготовленные к работе обоймы заполняют испытуемым грунтом 11, грунт уплотняют до заданной плотности вертикальным гидравлическим домкратом 5 через штамп 6 после чего производят перемещение нижней подвижной обоймы 2 горизонтальным гидравлическим домкратом 3 по направляющим с вмонтированными в неё снизу и сверху роликами. Нормальная нагрузка и усилие сдвига регистрируются динамометрами, установленными на домкратах. Так как верхняя неподвижная обойма 1 при перемещении нижней обоймы 2 не выходит за пределы площади опоры последней, удельное вертикальное давление на грунт в процессе опыта остается постоянным. Прибор позволяет производить испытания с регулируемой площадью сдвига равной 10000, 2500 и 600 см2.

С использованием указанной широкоплоскостной сдвиговой установки произведены определения прочностных свойств пород скальной вскрыши Лебединского ГОКа различного состава (табл.1), а также прочностных свойств окисленных кварцитов [5, 6]. Статистически обоснованные расчетные показатели прочностных свойств указанных пород приведены в табл. 1.
Из приведенных данных видно, что окисленные кварциты и породные смеси кристаллических и выветрелых сланцев при естественной влажности имеют высокие значения угла внутреннего трения (у = 32-27°).

В процессе исследований установлено также отрицательное влияние содержания в породах скальной вскрыши наиболее слабой разности - филлитовид-ных сланцев. Установлено, что при содержании филлитовидных сланцев в скальной вскрыше до 15% они не оказывают существенного влияния на снижение угла внутреннего трения. Работами других институтов [7, 8] установлено, что существенное снижение прочностных свойств скальных, обломочных, гравийных и песчаных пород происходит при содержании наиболее слабых глинистых разностей в смеси (или в качестве заполнителя пор) от 15 до 30%. Следует отметить, что по данным визуальных наблюдений на отвале скальной вскрыши ЛГОКа содержание филлитовидных (глинистых) сланцев является незначительным и в связи с этим в отвал скальной вскрыши частично транспортируется рыхлая вскрыша в объеме не превышающем 15% годового объема скальной вскрыши.

На основе полученных результатов исследований прочностных свойств пород скальной вскрыши и пород основания отвала [6] установлены безопасные параметры отсыпки отвальных ярусов смешанного отвала (нижний ярус - 20 м, все последующие 30 м) и отвала окисленных кварцитов (нижний ярус - 30 м, все последующие 50 м), а также допустимые результирующие углы откосов отвалов, более высокие по сравнению с фактическими. Изменение высоты отвальных ярусов скальной вскрыши позволяет сократить объем путепереукладочных работ, увеличить удельную емкость отвалов путем реализации приведенных параметров при суммарном содержании включений филлитовидных сланцев и рыхлой вскрыши до 15-17%.

На специальной стендовой установке также выполнены исследования коэффициента фильтрации пород скальной вскрыши и окисленных кварцитов с различной крупностью кусков породы после их предварительного измельчения от 120 до 20 мм. В результате исследований установлено, что в зависимости от крупности кусков скальной вскрыши и окисленных кварцитов значения коэффициента фильтрации изменяются в пределах от 82 до 185 м/сутки, что исключает формирование зон водонасыщения в отвалах скальной вскрыши и окисленных кварцитах за счет атмосферных осадков при некачественном выполнении планировочных работ в процессе их отсыпки.

Вторым и более эффективным направлением размещения скальной вскрыши является использование ее для опережающей отсыпки ограждающих дамб на северо-западном участке и вторичных ограждающих дамб хвостохранилища с отм. 211 м (рис. 2).
Существующая технологическая схема сооружения внешних ограждающих дамб хвостохранилища (рис. 3А) предусматривает применение одностороннего намыва с поэтапной переэкскавацией намытых хвостов для формирования вторичных дамб. Односторонним способом намыва песка формируется также упорная призма гидроотвала при намыве рыхлой вскрыши в седьмой секции хвостохранилища. Проектом предусматривается намыв упорных призм хвостохра-нилища до отм. 232 м, что обеспечивает ее приемную способность до 2016 года [10].
В зарубежной практике [9] более широко применяется опережающий намыв ограждающих дамб двусторонним способом с применением гидроклассификации хвостов, а также путем опережающей отсыпки прочных разностей пород (рис. 3Б). Указанные способы опережающего формирования ограждающих дамб исключают примыкание слабых пылевато-глинистых разностей хвостов к призме активного давления и обеспечивают более высокие результирующие углы откосов ограждающих дамб и отметки заполнения хвостохранилищ.

На основе полученных результатов исследований прочностных свойств рядовой скальной вскрыши и учитывая значительный объем ее складирования в отвал скальных вскрышных пород (6888 тыс. м3 в 2007 году) более эффективное по сравнению с существующим ее размещение и использование рекомендуется производить в следующей последовательности. Первоначально (после корректировки проекта) производится формирование ограждающей дамбы из рядовой смеси выветрелых и кристаллических сланцев до отм. 211 м (рис. 2 и 3В) с организацией транспортного заезда со станции «Сланцевая». Дальнейшее ее формирование производится одновременно с отсыпкой вторичных дамб на хвостохранилище (рис. 3В) и производством скальной пригрузки низового откоса действующего гидроотвала для повышения его устойчивости в условиях дефицита песка. При наличии остаточных объемов скальной вскрыши одновременно может производиться отсыпка отвального яруса высотой 10 м на третьей секции гидроотвала «Берёзовый Лог» на основании использования результатов исследований консолидации намывных пород, полученных МГГУ [13,14]. Вышеуказанные этапы размещения скальной вскрыши позволят значительно снизить транспортные затраты по сравнению с проектным вариантом ее размещения в отвале скальной вскрыши (рис. 2).

При этом допустимые результирующие углы ограждающих дамб на северо-западном участке с учетом влияния гидродинамического фактора и в зависимости от высоты изменяются от 24° до 18° (максимальное значение высоты 60 м в расчетном профиле I-I - рис. 2, 3В). Кроме того, рекомендуемая технологическая схема формирования ограждающих дамб хвостохранилища позволяет исключить необходимость дальнейшего строительства трубчатого дренажа, а также снизить пыление откосных зон, т. е. при этом не потребуется незамедлительная рекультивация согласно нормативным требованиям [11].

Пригрузка низового откоса гидроотвала породами скальной вскрыши позволит обеспечить устойчивость его ограждающей дамбы в условиях дефицита песка.

Заключительным этапом является размещение скальной вскрыши в ограждающие дамбы перспективного намыва гидроотвала с применением кольцевого железнодорожного заезда. При этом высота ограждающих дамб гидроотвала перспективного намыва в зависимости от абсолютных отметок основания колеблется в пределах от 10 до 60 м (при намыве гидроотвала до отм. 230 м). Общая протяженность ограждающих дамб 7.4 км, а необходимый объем скальной вскрыши, рассчитанный на основе имеющихся данных инженерно-геологических изысканий составит около 15 млн. м3.

Использование скальной вскрыши для создания ограждающих дамб перспективного намыва гидроотвала при организации двустороннего (кольцевого) заезда обеспечит размещение скальной вскрыши при средневзвешенных расстояниях не превышающих ее размещение в остаточном контуре земельного отвода под отвал скальной вскрыши (рис. 2).

На всех вышеуказанных этапах размещения скальной вскрыши одновременно должна производиться ее переработка для получения щебня, используемого для дорожного строительства, недостаток которого испытывает Белгородская и другие регионы.

Наиболее приемлемыми типами пород для получения щебня являются кварцитопесчаники и кристаллические сланцы. Технология производства щебня заключается в трехста-дийном (крупное, среднее и мелкое) дроблении исходных пород на дробилках инерционного действия с последующей сортировкой (классификацией на грохотах) и получением готовых фракций. Готовая продукция, получаемая из квар-цитопесчаников представлена фракциями 5-20 мм и 20-40 мм, а также щебеночно-песчаной смесью ЩПС (0-10 мм). Щебень из кварцитопесчаников используется без ограничений в разных отраслях строительства, а также при изготовлении бетона разных марок ввиду своих высоких прочностных характеристик и минимальной степени активности естественных радионуклидов. Весь строительный щебень отвечает требованиям ГОСТ 8267-93. Щебень из кристалличес-
ких сланцев представлен фракциями 5-20 мм, 5-40 мм, 20-40 мм и 20-80 мм и используется в дорожном строительстве при неизменном соответствии требованиям ГОСТ 826793 - «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ» и ГОСТ 25607-94 - «Смеси щебеночно-гра-вийно-песчаные для покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия». В связи с этим указанные породы не подлежат размещению в отвале скальной вскрыши, что имеет место в настоящее время.

В настоящее время переработка скальной вскрыши производится в объеме 4391 тыс. т, получаемая готовая продукция составляет 3529 тыс. т., а отходы переработки при этом составляют 862 тыс. т (или 491.8 тыс. м3). В перспективе намечается увеличение годовых объемов переработки скальной вскрыши до 7000 тыс. тонн, получение объемов готовой продукции до 5600 тыс. тонн и отходов переработки 1400 тыс. т (800 тыс. м3).

В этой связи весьма актуальным является вопрос утилизации отходов или обоснование способа их размещения, исключающего отрицательное влияние на окружающую среду.

Для этой цели произведена статистическая обработка гран-состава исходных хвостов обогащения, строительного песка и двух типов отходов переработки (из кристаллических сланцев и кварцитопесчаников), на основе которой построены суммарные кривые грансостава (рис. 4). Сравнительная оценка грансостава отходов переработки скальной вскрыши с исходными хвостами обогащения и песком, используемыми при намыве ограждающих дамб хвостохранилища и гидроотвала, позволяет дать предварительную оценку возможности использования отходов для намыва ограждающих дамб.
Результаты сопоставительной оценки основных показателей суммарных кривых грансостава (содержание глинистой, пылеватой, песчаной фракций, действующего диаметра частиц dio и «диаметра шестидесяти» d6o, коэффициента неоднородности d60/ d10 и коэффициента фильтрации, полученного по эмпирической формуле с использованием данных грансостава) приведены в табл. 2.
Из приведенных в табл. 2 данных видно, что отходы переработки скальной вскрыши содержат меньше пыле-ватой и глинистой фракций в сравнении с хвостами обогащения, в отличие от песков и хвостов они содержат значительное количество гравелистой фракции (22 и 54%), отличаются высокими значениями коэффициента неоднородности и имеют коэффициенты фильтрации, превышающие коэффициент фильтрации хвостов. Указанные значения коэффициента фильтрации позволяют сделать предварительный вывод о том, что при намыве процесс уплотнения (консолидации) отходов будет протекать более интенсивно, а значительное содержание гравелистой фракции позволяет формировать большую часть пляжной зоны с более высокими прочностными свойствами по сравнению с хвостами обогащения.
Окончательный вывод о возможности использования отходов переработки вскрыши для намыва ограждающих дамб будет сделан после получения результатов исследований их прочностных свойств при естественной влажности и в условиях полного водонасыщения. Предметом дальнейших исследований является также технико-экономическая оценка эффективности указанных направлений размещения и использования скальной вскрыши по сравнению с существующими.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Ерячко О.Ю. Управление отвалами открытых горных работ. -М.: Стройиздат, 1988.

2. Методика оценки прочности и сжимаемости крупнообломочных грунтов с пыле-ватым и глинистым заполнителем и пылеватых и глинистых грунтов с крупнообломочными включениями. -М.: ДальНИИС Госстроя СССР, 1888.

3. Ершов Н.П., Зотеев В.Г., Фролов А.В. Сжимаемость и сопротивление сдвигу скальной горной породы. Труды ИГДМинчермета СССР. - Свердловск, 1881.- №67.

4. А. с. 55240 Еоротаев Г.В., Жариков В.С., Иванченко А.М. Устройство для определения сдвиговых характеристик грунта. Опубл. Бюллетень изобретений №12,1877.

5. Разработка методического руководства по проектированию отвалов на горнорудных предприятиях ЕМ А (2-я редакция), том 2. Отчет по НИР - НИИЕМА, 1887.

6. Обоснование рационального размещения остаточных объемов рыхлой и скальной вскрыши с учетом увеличения высоты железнодорожных отвалов и использования площади гидроотвала. Отчет по НИР. - НИИЕМА, 1888.

7. Ермаков И.И., Гурин А.Н. Прогнозирование прочностных свойств отвальных смесей различного литологического состава/ Совершенствование методов расчета сдвижений и деформаций горных работ, сооружений и бортов разрезов при разработке угольных пластов в сложных горно-геологических условиях, Сб. науч. тр. ВНИМИ. - Л.: 1885.

8. Методика оценки прочности и сжимаемости крупнообломочных грунтов с пыле-ватыми и глинистым заполнителем и пылеватых и глинистых грунтов с крупнообломочными включениями. - М.: ДальНИИС Госстроя СССР, 1888.

8. Мелентьев В.А. Проектирование и возведение хвостохранилищ за рубежом,/ Обо-гащениеруд - 1881- №2.

10. Реконструкция хвостового хозяйства Лебединского ГОЕа с целью поддержания его мощности и увеличения емкости хвостохранилища. - ОАО «Укргидропроект», 2002.

11. Совершенствование технологии формирования хвостохранилища Лебединского ГОЕа при превышении естественных отметок местности, обеспечивающей минимальный экологический ущерб территории и биосферному заповеднику «Ямская степь», НИР 021068, НИИЕМА, 2003.

12. Инструкция по проектированию и строительству ограждающих дамб хвостох-ранилищ с использованием вскрышных пород /РСН 318-81, Госстрой УССР.

13. Геомониторинг намывных массивов гидроотвально-хвостового хозяйства ОАО «Лебединский ГОЕ» для обеспечения промышленной безопасности. ГЕО 318, МГГУ, 2004.

14. Дергилёв МА., Жилин С.Н., Локтионов С.В. Инженерно-геологическое обоснование эффективности использования нарушенных земель Лебединского ГОЕа для по-следующегоразмещения вскрышных пород. Материалы международного симпозиума ч. II «Вопросы геомеханики и промышленной гидротехники, геоинформатика и охрана природных ресурсов. Белгород, 2005.

Журнал "Горная Промышленность" №3 2007