Разработка конструкции многоярусного штабеля повышенной вместимости

Конструкция штабеля повышенной вместимости должна не только обеспечивать укладку на единицу площади подушки выщелачивания увеличенного количества руды, но и сохранять его устойчивость под действием воды. Возможны два варианта увеличения вместимости штабеля:

- увеличение высоты штабеля;

- увеличение угла откоса штабеля.

Увеличение высоты штабеля необходимо рассматривать в комплексе с изменением его фильтрационных характеристик и эффективности использования потенциальных возможностей рабочих растворов. Этот вопрос будет рассмотрен на следующем этапе работы.

Увеличение угла откоса штабеля - технологически наиболее простой путь к увеличению его вместимости, тем более что расчеты, выполненные с учетом влияния жидкости на устойчивость такого штабеля, подтвердили его устойчивость с высоким коэффициентом запаса. Поэтому остановимся на этом техническом решении подробнее.

По-видимому, нет необходимости увеличивать угол откоса многоярусного штабеля до 90°, поскольку такой штабель будет представлять собой сложную строительную конструкцию, требующую сооружения мощных оградительных конструкций. Поэтому такой откос по углу наклона должен занимать промежуточное положение между 22,5° и 90°. При этом напрашивается вывод о том, что таким промежуточным углом откоса должен быть угол естественного откоса пород, а откос - формироваться без предохранительных берм в виде единой линии.

Сплошной откос многоярусного штабеля должен отвечать следующим требованиям:

- иметь высокую фильтрационную способность;

- не оплывать под воздействием атмосферных осадков;

- быть устойчивым к ветровой эрозии;

- не требовать применения новых материалов;

- не увеличивать трудоемкость работ;

- не требовать применения дополнительной техники.

Этим требованиям будет отвечать откос, сформированный по той же технологии, по которой формируются ярусы штабеля: измельченная руда после добавления воды, цемента и извести доставляется к месту укладки конвейерным транспортом, а затем порциями с помощью отвалообразователя отсыпается в ярус. Размер порции определяется шириной отсыпаемой заходки (85 м) и шагом перестановки отвалообразователя (не менее 8-10 м). Тем самым выполняются последние три требования, поскольку в этом случае не требуется применение новых материалов, не увеличивается трудоемкость работ и не требуется применение дополнительной техники.

Однако для выполнения первых трех требований необходимо изменение физико-механических характеристик приоткосной зоны, в которой материал должен иметь повышенное сцепление (рис. 3.7). Необходимость выполнения этих требований продиктована следующими соображениями.

Сплошной откос в многоярусном штабеле представляет собой наклонную плоскость значительной высоты. Поэтому попадающие на поверхность откоса атмосферные осадки (дождь, тающий снег) будут по нему стекать вниз. При этом по мере увеличения высоты откоса скорость стекающей воды будет увеличиваться. Естественно будет увеличиваться и ее способность к разрушению поверхности откоса. Для того чтобы этого не происходило, падающие на откос атмосферные осадки должны частично фильтроваться через его поверхность, а частично - стекать вниз без разрушения поверхности.

Негативное воздействие на поверхность откоса могут оказывать ветровые потоки, сдувая с нее мелкие частицы материала. При этом такие частицы переносятся вверх по откосу и могут откладываться на поверхности штабеля в зоне «ветровой тени», образующейся там, где наклонная плоскость откоса переходит в горизонтальную плоскость поверхности яруса. В результате такого процесса на поверхности яруса могут образовываться наносы из пылевидных частиц рудного материала.

Перечисленные требования к поверхности сплошного откоса будут выполнены, если при формировании приоткосной зоны в измельченный материал добавить увеличенное количество цемента. При этом фильтрационные способности приоткосной зоны будут сохранены, поскольку добавление цемента в исследованных пределах (до 15 кг/т) не окажет существенного влияния на эту характеристику.

Приоткосная зона (внешний слой штабеля) с повышенным сцеплением минеральных частиц может иметь строение «слоеного пирога», в котором количество связующих присадок будет уменьшаться от поверхности откоса вглубь приоткосной зоны, а также от нижнего яруса к верхнему.

Такое строение приоткосной зоны объясняется тем, что наибольшим воздействиям водного потока будет подвергаться именно приповерхностный слой откоса, а интенсивность воздействия будет возрастать по мере увеличения скорости стекания воды и достигнет максимального значения в нижней части штабеля. При этом приповерхностный слой откоса с наибольшим сцеплением может иметь мощность, минимальные размеры которой определяются конструктивными и технологическими возможностями отвального оборудования, а также порядком отсыпки этого слоя. В частности, отсыпка такого слоя может быть осуществлена в следующем порядке.

Сначала на расстоянии до 2 м от верхней бровки нижнего яруса отсыпается основная часть приоткосной зоны с повышенным добавлением цемента (до 10-15 кг/т). Затем на внешнюю сторону сформированного откоса укладывается слой с высоким (до 30-40 кг/т) содержанием цемента, который и будет предохранять приоткосиую зону от водной и ветровой эрозии. Мощность этого предохранительного слоя не будет превышать 2 м, но по возможности ее следует уменьшить до 1 м. Поскольку этот слой, как и приоткосная зона, составляет от объема штабеля незначительную часть, то и общее увеличение расхода цемента будет незначительным.

В то же время приоткосная зона должна выполнять еще и удерживающую функцию, например, в случае аварийного заполнения части штабеля жидкостью. Из этого предположения следует, что приоткосная зона в целом должна иметь определенную ширину, где физико-механические свойства сформированного массива отличаются от свойств массива в остальном штабеле.

Удерживающую функцию приоткосной зоны с повышенным сцеплением в массиве оценим на основе определения максимальных тангенциальных напряжений внутри массива штабеля, когда возникновение деформаций может быть связано с увеличением внутрипорового давления или перенасыщения штабеля раствором.

Геометрические параметры усиленной приоткосной зоны выбираются, исходя из следующей предпосылки: горизонтальные усилия, возникающие в откосе штабеля под действием жидкости и силы тяжести, должны быть нейтрализованы дополнительными усилиями от веса и сцепления пород в зоне. Данные параметры рассчитаны для утла внутреннего трения 35° и объемного веса пород 1.94 т/м. При этом физико-механические свойства пород зоны и основного массива принимались одинаковыми. Расчет параметров зоны производился исходя из допущения, что водонасыщение штабеля составляет по высоте не более 30% от его высоты в целом, что само по себе очень много для условий пустынного климата региона.

Результаты расчета параметров усиленной зоны представлены в табл. 3.5, а пример распределения внутренних напряжений для штабеля с усиленной приоткосной зоной, сложенного породами крупностью до 3.3 мм, на прочном основании приведен на рис. 3.8. Высота штабеля 40 м, угол естественного откоса 36,5°. Расчет выполнен с использованием демонстрационной версии программного средства GenDE32.

Анализ данных табл. 3.5 показывает, что ширина усиленной приоткосной зоны находится в прямой зависимости от высоты штабеля. Это позволяет конструктивно выполнить ее с переменным поперечным сечением, уменьшающимся по мере увеличения высоты штабеля.

Расчетами установлено, что в основании штабеля по контакту пород отвала с породами основания существуют неярко выраженные напряжения сдвига. Максимальные сжимающие напряжения (красный цвет) находятся вблизи откоса у верхней площадки и в районе нижней бровки штабеля в породах основания. Сдвигающие напряжения наиболее ярко выражены (синий цвет) в основании и у верхней площадки штабеля. Поэтому деформации усадки и трещины разрыва могут появиться на верхней площадке штабеля и будут связаны с усадкой массива. При высоте в 40 м существующее основание находится в нагруженном состоянии. Однако сдвигающие нагрузки на основание удерживаются усиленной приоткосной зоной, но в самом основании по контакту не исключены продавливание и пластичные деформации пород основания, интенсивность которых будет зависеть от влажности пород. Поэтому замачивание пород основания вблизи штабеля (до 15-20 м) может оказать крайне неблагоприятное воздействие на его устойчивость.

Таким образом, анализ конструктивных особенностей штабеля позволяет сделать следующие выводы:

1. Возможности увеличения вместимости штабеля за счет увеличения его высоты вступают в противоречие с эффективностью использования потенциальных возможностей выщелачивающих растворов, поэтому данный путь требует разработки новых нетрадиционных решений.

2. Наиболее доступным и технологически реализуемым способом увеличения вместимости штабеля является повышение угла его откоса до угла естественного откоса разрушенных пород с созданием удерживающей приоткосной зоны, в которой физико-механические характеристики сформированного массива выше характеристик массива штабеля. При этом ширина удерживающей приоткосной зоны находится в прямой зависимости от высоты штабеля. В частности, для штабеля высотой 60 м ширина приоткосной зоны составляет 16 м, высотой 80 м - 22 м и 100 м - 28 м.

3. Удерживающую приоткосную зону конструктивно целесообразно выполнить в виде «слоеного пирога», в котором внешний слой выполняет основную защитную функцию против водной и ветровой эрозии. Этот слой имеет наиболее высокие прочностные характеристики, которые достигаются добавлением в него цемента в количестве до 30-40 кг/т.

При формировании удерживающей приоткосной зоны с защитным слоем целесообразно сначала сформировать основной массив этой зоны, а затем прикрыть его со стороны внешнего откоса защитным слоем.

4. Математическое моделирование распределения нагрузок в штабеле с усиленной приоткосной зоной показало, что сдвигающие напряжения наиболее ярко выражены в основании и у верхней площадки штабеля. Поэтому на верхней площадке вероятны деформации усадки с образованием трещин разрыва, а на нижней в самом основании по контакту не исключены продавливание и пластичные деформации пород, интенсивность которых будет зависеть от влажности пород. Поэтому замачивание пород основания вблизи штабеля на расстоянии до 15-20 м может оказать неблагоприятное воздействие на его устойчивость.