Анализ инженерно-геологических условий для проектирования наращивания дамб хвостохранилища на предприятии по обогащению железной руды (Республика Карелия)
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАЙОНЕ РАБОТ 11
1.1. Физико-географический и экономический очерк района
ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗНЫХ РУД 38
2.1. Краткая характеристика месторождений продуктов обогащения 38
2.2. Общие сведения о месторождениях железных руд 41
2.2.1. Общие сведения о Костомукшском месторождении 41
2.2.2. Общие сведения о Корпангском месторождении 45
2.3. Технология обогащения железных руд 49
2.4. Изучение отходов производства окатышей из различных железных руд 51
2.5. Выводы по главе 2 54
ГЛАВА 3. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ХВОСТОХРАНИЛИЩА АО «КАРЕЛЬСКИЙ ОКАТЫШ» 57
3.1. Инженерно-геологические исследования 57
3.2. Характеристика техногенных сооружений 65
3.3. Изучение формирования состава, строения, состояния и свойств техногенных массивов 74
3.4. Изучение физико-механических свойств пород 82
3.5. Гидрогеологические условия 99
3.6. Геологические и инженерно-геологические процессы 102
3.7. Выводы по главе 3 104
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ ПРИ
СКЛАДИРОВАНИИ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД 107
4.1. Оценка устойчивости отвалов 107
4.1.1. Общие принципы выполнения расчетов устойчивости горнотехнических сооружений
114
4.1.2. Обоснование расчетных геомеханических схем (гидрогеомеханических моделей) для
техногенных массивов 130
4.1.3. Методика выполнения расчетов устойчивости 140
4.1.4. Результаты расчетов устойчивости и рекомендации по оптимальным параметрам
отвалов 152
4.2. Выводы по главе 4 154
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 157
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 161
ПРИЛОЖЕНИЯ 167
В настоящее время во всем мире особенно остро стоит проблема обеспечения безопасности хвостохранилищ и удерживающих их дамб на горнодобывающих и горно-обогатительных предприятиях.
Хвостохранилище — это комплекс сооружений, предназначенный для хранения отходов (хвостов) производства, остающихся при добыче и обогащении полезных ископаемых. Хвосты выглядят как измельченная горная масса, которая по гранулометрическому составу близка к мелкозернистым или пылеватым пескам, зачастую токсична.
При изменении различных инженерно-геологических условий существует риск разрушения дамб и загрязнения природной среды (поверхностных и подземных вод, почв, биоты) токсичными веществами, опасности нанесения вреда животному миру.
В мире практически каждый год происходят аварии на хвостохранилищах, последствия которых свидетельствуют о серьезной опасности подобных объектов для людей, имущества и окружающей среды (рис. 1) [59].
Серьезные аварии на хвостохранилищах чаще всего происходят из-за прорыва или полного разрушения удерживающих их дамб с поступлением огромного количества токсичных отходов в окружающую среду.
АО «Карельский окатыш» - ведущий комбинат по добыче и переработке железной руды в России. Предприятие расположено в Республике Карелия и производит 20% всех российских железорудных окатышей, с содержанием железа 65-66,5%, являющиеся продукцией с высокой добавленной стоимостью. Входит в горнодобывающий дивизион крупнейшей в мире сталелитейной и горнодобывающей компании ПАО «Северсталь».
Комбинат производит 11,1 млн тонн окатышей в год. Объемы вывезенной горной массы составляет 47,8 млн куб. м, а годовые объемы концентрата - 11,97 млн тонн. Горные работы ведутся с 1982 г. на базе Костомукшского месторождения, которое включает железистые кварциты, кристаллические сланцы различного состава и геллефлинты. В 2007 г. начата добыча и переработка железной руды Корпангского месторождения.
Основной потребитель продукции «Карельского окатыша» - Череповецкий металлургический комбинат. Именно для того, чтобы обеспечивать этот комбинат сырьем, и был построен Костомукшский ГОК. Кроме того, крупные объемы продукции поставляются в «ЕВРАЗ», на Челябинский и Магнитогорский металлургические комбинаты. Среди зарубежных потребителей - LKBI (Финляндия-Швеция), Tata Steel UK Ltd, (Великобритания, Нидерланды), ArcelorMittal Sourcing (Германия), а также индийские и китайские компании [53].
На предприятии планируется развитие сооружений хвостового хозяйства в связи с увеличением объемов сброса пульпы через пульпопроводы. Для этого требуется изучение существующих дамб хвостохранилища с целью рассчитать их устойчивость при изменении различных инженерно-геологических условий, т.к. любое изменение физико-механических свойств грунта при тех или иных изменений условий может привести к различным авариям, например, обрушение дамбы, и вследствие этого, сильное загрязнение окружающей среды. Серьезные аварии на хвостохранилищах чаще всего происходят из-за прорыва или полного разрушения удерживающих их дамб с поступлением огромного количества токсичных отходов в окружающую среду.
Вследствие этого, обоснование расчетных прочностных характеристик грунтов и прогноз устойчивости с учетом их изменчивости является актуальной научной и важной практической задачей в части обеспечения безопасности накопителей жидких отходов и снижения риска негативного воздействия их на окружающую среду.
Целью работы является обеспечение безопасной эксплуатации хвостового хозяйства Костомукшского горно-обогатительного комбината (АО «Карельский окатыш») ПАО «Северсталь», включающее прогноз устойчивости плотины «Пионерная» хвостохранилища при изменении различных инженерно-геологических факторов, оказывающих влияние на устойчивость техногенного массива.
Задачами работы являются:
• анализ текущей эксплуатации хвостового хозяйства;
• изучение инженерно-геологических условий складирования техногенных грунтов, и их физико-механических свойств;
• изучение технологии транспортировки и складирования техногенных грунтов;
• рекогносцировка и оценка потенциальных опасных геологических и инженерно-геологических процессов;
• изучение факторов, оказывающих влияние на устойчивость техногенного массива;
• обоснование методики выполнения и расчет устойчивости горнотехнических сооружений (плотины Пионерная);
• обоснование расчетной геомеханической схемы для техногенных массивов (плотины Пионерная).
В результате проведения работ была достигнута цель и выполнены все поставленные задачи.
Выполненный в магистерской диссертации обзор показал, что эксплуатация хвостохранилища, и входящих в него сооружений, осуществляется согласно правилам безопасности, в соответствии с проектом эксплуатации и рабочим проектом сооружения.
Техническое состояние гидротехнических сооружений хвостового хозяйства АО «Карельский окатыш» соответствует требованиям действующих нормативных и законодательных актов в области промышленной безопасности Российской Федерации, обеспечивают безаварийную работу и защиту эксплуатационного персонала от чрезвычайных ситуаций.
Технология складирования хвостов по результатам проведенного анализа соответствует рабочему проекту и проекту эксплуатации хвостового хозяйства. Для складирования хвостов используется гидротранспортная система доставки в пульпонасосную станцию, откуда часть хвостов перекачивается в хвостохранилище, где пульпа осаждается, а другая часть подается на сгущение и затем перекачивается в хвостохранилище. Твердая фаза уплотняется под собственным весом и консолидируется, а осветленная вода сгустителей подается обратно в технологический процесс.
На основании проведенного обзора и дополнительного изучения проектной документации, эксплуатационно-техническое состояние хвостохранилища АО «Карельский окатыш» в целом оценивается как работоспособное.
В геологическом строении района изысканий («Пионерная плотина») пределах вскрытых скважинами глубин принимают участие биогенные (bQiv), техногенные (tQiv), верхневалдайские ледниковые (gQiiivd) отложения четвертичного возраста и коренные архейские отложения (AR) [44].
Всего в процессе полевых и камеральных работ был выделено 22 инженерно-геологических элемента (ИГЭ), условия залегания и развития которых отражено на инженерно-геологических разрезах и показаны в колонках геологических выработок (см. Приложение Б).
По результатам статистической обработки физико-механических свойств составлена сводная таблица расчетных физико-механических характеристик грунтов дамбы, значения которых использованы для выполнения расчета устойчивости дамбы.
По результатам визуальной оценки местности и результатам бурения признаки опасных инженерно-геологических процессов (карст, оползни) выявлены не были.
Из неблагоприятных инженерно-геологических процессов можно отметить подтопление и процессы морозного пучения грунтов.
В ходе выполнения работы изучены факторы, оказывающие влияние на устойчивость массива, которыми являются напряжения от собственного веса грунта, вес постоянного оборудования, гидростатическое давление, взвешивающий эффект, нагрузки от транспортных средств, климатические нагрузки, сейсмические и буровзрывные воздействия, а также посчитаны величины их влияния на плотину:
• величина вертикальных напряжений от собственного веса грунта увеличивается пропорционально увеличению величины высоты дамбы (максимальное напряжение = 1391,3 кН/м3 при глубине скважины 62,34 м. (створ 3, абс. выс. 184,43 м), минимальное = 327,76 кН/м3 при глубине скважины 14,63 м. (створ 4, абс. выс. 171,56 м);
• вес постоянного оборудования, местоположение которого не меняется в процессе эксплуатации сооружения (ЛЭП, прожекторные вышки) - 53 кН;
• гидростатическое давление - 1701 кН/м;
• взвешивающий эффект уменьшает величину вертикального напряжения от собственного веса грунта (максимальное уменьшение напряжений от взвешивающего эффекта = 423,78 кН/м3 при глубине скважины 62,34 м. (створ 3, абс. выс. 184,43 м), минимальное = 117,15 кН/м3 при глубине скважины 14,63 м. (створ 4, абс. выс. 171,56 м);
• нагрузка от веса людей - 7,2 кН;
• при расчете устойчивости плотины влияние транспортной нагрузки учитывалось понижающим коэффициентом;
• по весу снегового покрова участок изысканий согласно СП 20.13330.2011 [19] принадлежит к IV району. Расчетное значение давления снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли: 8д=2.4кПа (240 кгс/м2);
• по ветровому давлению участок изысканий согласно СП 20.13330.2011 [19]
принадлежит к I району. Нормативное значение ветрового давления: Wo=0,23 кПа (23 кгс/м2). Число зимних дней с силой ветра более 4-х баллов по шкале Бофорта - 6,97%;
• разница значений вертикальных напряжений с учетом взвешенного эффекта между фактическим и прогнозируемым уровнями подземных вод (0,7 м) составляет: 5,38 кПа при максимальной глубине залегания уровня подземных вод; 5,91 кПа - при минимальном;
• по гололедным нагрузкам участок изысканий согласно СП 20.13330.2011 [19] принадлежит ко II району. Расчетная толщина стенки гололеда на элементах кругового сечения диаметром 10 мм, расположенных на высоте 10 м над поверхностью земли, возможная 1 раз в 5 лет, составляет 20 мм;
• глубина промерзания грунтов с учетом среднемесячных отрицательных температур по ГМС «Калевала» принимается равной: для насыпного грунта - 1,96 м; для супесей, песков мелких и пылеватых - 1,86 м; для песков средней крупности и крупных - 1,94 м; для песков гравелистых - 2,10 м; для крупнообломочных грунтов - 2,30 м;
• в соответствие с СП 20.13330.2011 [19] грунтовые условия исследуемого района по сейсмическим свойствам относятся к III категории. Интенсивность сейсмического воздействия (сейсмичность района) согласно СП 14.13330.2014 [18]: территория не сейсмична по карте ОСР-2015-А; территория не сейсмична по карте ОСР-2015-В; 6 баллов по карте ОСР-2015-С;
• плотина находится находится на расстоянии около 9500 м от ближайшего карьера «Центральный», где ведутся буровзрывные работы, что дальше радиуса сейсмической зоны влияния буровзрывных работ (861,6 м), это означает, что буровзрывные работы не оказывают влияния на устойчивость ее сооружения.
В работе проведен анализ существующих методов для выполнения расчета устойчивости. Для расчета устойчивости плотины наиболее приемлемыми являются методы Бишопа, Янбу и Спенсера. Для определения коэффициента устойчивости склона применена круглоцилиндрическая поверхность скольжения, т.к. данный метод очень часто используется для проведения расчетов такого характера и является наиболее простым и быстрым методом.
Для выполнения расчета устойчивости плотины была использована демонстрационная версия программы «RocScience Slide2» — это программная система конечно-элементного анализа, используемая для решения задач инженерной геотехники и проектирования.
Расчет устойчивости плотины проводился по линии разреза створов №1 и 4 (см. Приложение А), т.к. это наиболее опасные места с точки зрения надежности сооружения, для двух условий - по фактическим данным и при проектном наращивании на 10 м.
Участок изысканий характеризуется 22 инженерно-геологическими элементами, физико-механические характеристики которых, необходимые для расчета устойчивости, приведены в таблице 37 (см. гл. 3.4.).
Расчеты устойчивости, выполненные с использованием программного комплекса «RocScience Slide2», показали, что плотина хвостохранилища, на данный момент возведенная до средней отметки 182,3 м - устойчива.
Расчеты устойчивости подтвердили, что при проектном наращивании на 10 м (до средней отметки 192,3 м) в расчетных створах (№1 и 4) позволит сохранить устойчивость сооружения при условии сохранения физико-механических характеристик техногенных грунтов в теле дамбы, а также технологии ее возведения и эксплуатации.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
