Расчет параметров гидроотвалообразования

Фракционирование пород. Ширина и уклон пляжа намыва (табл. 7.59), а также физико-механические свойства пород, слагающих пляж, принимаются по гидроотвалам-аналогам с одинаковыми способами намыва и складируемыми породами.
Раскладка фракций пород при намыве гидроотвала определяется приближенным методом (рис. 7.65) (по В.Н. Маслову). Гранулометрический состав пород гидроотвалов определяется на внешней грани наружной удерживающей призмы и на границе ее с прудком.
Суть приближенного метода заключается в следующем. На график гранулометрического состава в полулогарифмическом масштабе наносят усредненную кривую породы и переносят ее на кальку. Задаваясь максимальным диаметром отмываемых частиц (минимальный диаметр частиц в отмытой породе dmin), соответствующим точке В, кривую, нанесенную на кальку, вращают около точки А до пересечения кривой с горизонтальной осью в точке В.


Полученная кривая AB приближенно будет характеризовать породу после отмыва. С кальки ее переносят на основной график. На кривую AB наносится точка С, соответствующая запроектированному содержанию фракций в прудковой части гидроотвала. Через точку С проводится вертикаль до пересечения с линией 100 %-ного содержания фракций и с нулевой линией в точке В. При повороте кривой AB вокруг точки А до точки В получим кривую гранулометрического состава породы наружной удерживающей призмы. При повороте кривой AB вокруг точки В до точки А получим кривую гранулометрического состава прудковой части гидроотвала.
Средний уклон откоса пляжа определяется по формулам:
- для песчаных и песчано-гравийных пород при суммарном содержании пылеватых и глинистых фракций не более 15 %

- для мелкозернистых пород с содержанием пылеватых и глинистых фракций более 15 %

где qт, и qв — удельный расход соответственно твердого и воды на 1 м фронта намыва, м3/с; V0 — неразмывающая скорость, м/с; d50 — крупность фракций, соответствующая 50 %-ному содержанию их в породе, мм; W — гидравлическая крупность частиц, м/с; g — ускорение свободного падения, м/с2.

При растекании пульпы по длине откоса пляжа удельный расход твердого и воды определяется по формулам:

где L — длина участка пляжного откоса от места выпуска пульпы до уреза прудка (формулы справедливы при L < 200), м; Qn и Qd — расход соответственно по твердому (породе) и воде, м3/с. Основной задачей расчета является определение пути осаждения частиц, т. е. расстояния, на котором выпадут частицы породы данной массы и размера, а также количества и размера частиц, которые будут вынесены с отработанной водой.
При выпуске пульпы в прудок отвала частица наряду с сохранением движения в направлении потока начинает падать.
Из подобия треугольников составляющих скоростей и расстояний следует, что

где V — скорость движения частиц в направлении потока, м/с; hп.о — глубина прудка-отстойника, м; V0 — вертикальная скорость падения частиц, м/с; L — длина пути осаждения частиц, м. Из выражения (7.161) получим

Вертикальную скорость падения частиц в потоке некоторые авторы рекомендуют выражать через гидравлическую крупность. Для расчетов проф. Д.Я. Соколов рекомендует следующие формулы:


где Lmax — длина пути осаждения наиболее мелких фракций, м; Wmax — максимальная гидравлическая крупность фракций, м/с; Lmin — длина пути осаждения наиболее крупных фракций, м; Wmin — минимальная гидравлическая крупность фракций, м/с.
Вертикальная скорость падения частиц, м/с, определяется по формуле

где Qз — подача грунтового насоса, м3/ч; bп — средняя ширина потока гидросмеси, м,

Lо.н — длина откоса намыва, м; hг.п — глубина потока гидросмеси на откосе намыва, м.
В результате фракционирования породы длина намыва от дамбы к пруду-отстойнику состоит как бы из следующих трех зон (рис. 7.66):
I зона — 0—45 м (грансостав: 2 мм — 95 %; 1 мм — 85 %; 0,5 мм — 75 %; 0,25 мм — 45 %; 0,1 мм — 12 %; 0,05 мм — 5 %);
II зона — 45—100 м (грансостав: 0,25 мм — 90 %; 0,1 мм — 80 %; 0,05 мм — 70 %; 0,01 мм — 50 %; 0,005 мм — 25 %);
III зона — 100—130 м и более (грансостав: 0,25 мм — 100 %; 0,1 мм — 90 %; 0,05 мм — 80 %; 0,01 мм — 50 %; 0,005 мм — 30 %).
Имеющиеся расчетные физико-механические характеристики грунта при наращивании гидроотвалов высотой до 30 м приведены в табл. 7.60 (при укладке глинистых пород).

Отвод осветленной воды. Хотя гидромеханизация является одним из прогрессивных направлений комплексной механизации вскрышных работ на карьерах, она может стать причиной недопустимого загрязнения окружающей среды, если горные работы не будут сопровождаться водоохранными мероприятиями.
Кроме того, при загрязнении воды твердыми, особенно кварцевыми взвешенными частицами, быстро изнашиваются детали скольжения и рабочие органы водяных насосов. Так, например, при оборотном водоснабжении для нормальной работы центробежных насосов содержание взвешенных веществ в оборотной воде не должно превышать 500 мг/л.
Наблюдениями на различных гидрокомплексах установлено, что концентрация грунтовых частиц в оборотной воде изменяется от 0 до 5 г/л, при очень неблагоприятных условиях — до 20 и совсем редко до 30 г/л. Многолетняя практика применения оборотного водоснабжения и его организации показала:
• концентрация иловых фракций в воде, поступающей в насосные установки в количестве 30—40 г/л приводит к некоторому снижению КПД насосных установок;
• концентрация твердых частиц в воде, поступающей в насосные установки, в количестве 30—40 г/л вызывает непроизводительный расход электроэнергии за 1 ч работы;
• эффективность осветления сточных вод в отстойниках зависит от концентрации илисто-глинистых фракций в гидросмеси: для осветления технологической воды до концентрации твердого 0,5—1 г/л при содержании в гидросмеси (хвостах) 80 % илисто-глинистых фракций объем воды в пруду-отстойнике должен быть не менее 12—19-суточной производительности гидромониторно-землесосных комплексов; при содержании в гидросмеси 60 % илисто-глинистых фракций этот объем должен быть равен не менее 8,5—14,5-суточной производительности; при содержании 40 % — 5,5—9,5-суточной производительности и при 20 % — 3—5-суточной производительности гидравлических установок.
Пруд-отстойник предназначается для осветления пульпы за счет осаждения частиц породы и рассчитывается как отстойник непрерывного действия. Размеры пруда-отстойника, обеспечивающие осаждение частиц заданной крупности, а также расположение сооружений и устройств для забора осветленной воды определяются расчетом.
При расчете пруда-отстойника необходимо учитывать:
• при исходной пульпе, содержащей 60 % и более частиц крупностью менее 0,1 мм, расчетная глубина зоны осветления принимается не более 2 м (в этом случае средняя глубина пруда должна быть не менее 4 м). При пульпе, содержащей 25 % и меньше частиц размером более 0,1 мм, расчетную глубину зоны осветления можно принимать до 3 м при глубине пруда 5 м;
• ширину потока пульпы при его изливе в пруд-отстойник следует определять из условия растекания пульпы по пляжу под углом 90°;
• растекание пульпы в пруду следует принимать под углом 13° на расстояние, равное 2/31, где L — расстояние между местом поступления пульпы в пруд и водоприемником осветленной воды. Принимается, что на остальной трети пути поток пульпы сужается до размеров, определяемых водосливным фронтом водоприемника;
• поток принимается одноразмерным со средними скоростями, м/с, по живым сечениям

где Q — расход пульпы при изливе в пруд, м3/с; F1 — площадь живого сечения, переменная по длине растекания потока, м2.
Расстояние между местом излива пульпы в пруд и водоприемником осветленной воды следует делить на несколько расчетных участков:

На каждом участке движение потока следует полагать равномерным, принимая за счетную площадь живого сечения среднюю из граничных площадей участков.
Глубина опускания расчетной частицы, см, на длине участка вычисляется по формуле

где ΔLm — длина расчетного участка, см; W — гидравлическая крупность расчетной частицы грунта, см/с; Vm — скорость движения потока на т-м участке, см/с; Δhm — глубина опускания частицы на расчетном участке, см.
Полная глубина опускания h частицы в пруду гидроотвала h = "ΣΔhm. Если по указанному расчету глубина опускания частицы данной крупности оказывается большей или равна глубине живого сечения потока, то можно полагать, что она не будет вынесена потоком осветленной воды.
Режим рабочих горизонтов воды в пруду-отстойнике, количество оборотной воды, которое можно получить из пруда для производственного водоснабжения, а также расходы, на которые должны рассчитываться водосбросные сооружения, следует определять гидрологическими и водохозяйственными расчетами.
Осветленная в пруду-отстойнике вода отводится за пределы гидроотвала самотеком через водосбросные колодцы либо откачивается плавучей насосной станцией. Способ отвода осветленной воды в каждом конкретном случае принимается в соответствии с проектом производственного водоснабжения. Количество воды, м3, поступающей из пруда-отстойника, определяется по формуле

где Qп — количество воды, поступающей в гидроотвал вместе с производственными отходами (принимается по заданию на проектирование гидроотвала), м3; Qc — количество воды поверхностного стока с водосборной площади гидроотвала (определяется гидрологическими расчетами для года обеспеченностью 90 %), м3; Qи — потери при испарении с поверхности пруда-отстойника, м3; Qф — потери воды при фильтрации, м3; Qот — потери воды при заполнении пор в отвале, м3,

где kпор — коэффициент, учитывающий пористость пород в отвале; Vс — объем пород, складируемых в течение сезона, м3.
Высота слоя воды, испаряемой в течение месяца, определяется по формуле

где dмес — среднемесячный дефицит влажности воздуха, мм.
Потери воды при фильтрации характеризуются следующими данными.

Для отвода осветленной воды наибольшее применение получили два типа шандорных колодцев: деревянный колодец высотой 6 м и колодец с вертикальной трубой высотой до 30 м. Водоотводные трубы колодцев высотой до 6 м можно собирать из асбестоцементных труб. Водоотводные трубы высоких колодцев собираются из стальных труб, соединенных электросваркой. Диаметр труб выбирается по графику (рис. 7.67).
Водосбросные шандорные колодцы бывают трех типов:
• односекционные, имеющие размер в свету 1х1 м и приемную способность 0,45 м3/с при высоте переливающегося слоя до 0,15 м;
• двухсекционные, имеющие размер в свету 1х2 м и приемную способность 1 м3/с;
• трехсекционные, имеющие размер в свету 1х3 м и приемную способность 1,5 м3/с.
Типоразмер водосбросных колодцев выбирается по графику, приведенному на рис. 7.68.
Конструкция водосбросного колодца изображена на рис. 7.69.
Пропускная способность водосбросных колодцев в зависимости от условий применения следующая: односекционного колодца — до 0,5 м3/с; двухсекционного — от 0,6 до 1,1 м3/с; трехсекционного — от 1,1 до 1,5 м3/с.

При наличии плотных пород колодцы могут устанавливаться без забивки свай в породу, но с обязательной пригрузкой породой или специальным закреплением против всплывания. В других грунтах устраивается свайное основание с глубиной забивки свай не менее 2 м. На коренных породах основание колодцев имеет ряжевую конструкцию.
Число одновременно работающих на площадке намыва колодцев определяется по формуле

где kп — коэффициент, учитывающий потери воды (kп = 0,8 + -5- 0,85); Qк — расход воды, подаваемой на карте намыва (принимается с запасом, равным общему расходу потока гидросмеси), м3/с; Qв.к — расход воды, пропускаемой водосливом колодца, м3/с.
Число резервных колодцев принимается в зависимости от класса ответственности гидроотвала и количества поступающей на гидроотвал пульпы (табл. 7.61).


Расход воды, м3/с, сбрасываемой шандорным колодцем,

где m — коэффициент расхода (m = 0,3+0,55); b — ширина водосливной части колодца, м; Hc — высота слоя сливающейся воды над стенкой шандора (Hc = 0,1+0,15 м).
Расход воды, м3/с, пропускаемой водосбросной трубой колодца,

где μ — коэффициент расхода при истечении в атмосферу,

здесь lт — длина водосбросной трубы из колодца, м; dт — диаметр трубы, м; λ — коэффициент гидравлического сопротивления, принимается по табл. 7.64; ω — площадь поперечного сечения водосбросной трубы, м2; Н — напор воды над осью трубы в колодце, м.
Уклон водосбросной трубы, доли ед.

где C1 — коэффициент Шези, зависящий от шероховатости n трубы (русла) (табл. 7.62, 7.63);

R1 — гидравлический радиус трубы, м,


Водосбросные колодцы должны находиться от места выпуска пульпы на расстоянии, м,

где lо.п — длина участка, на котором происходит полное осаждение частиц из пульпы, м,

где h — высота намыва относительно уровня воды в пруду-отстойнике, м; ji — уклон намыва i-й минимальной фракции грунта, доли ед.; bп — ширина рабочей зоны пруда, м.
Минимальное расстояние между водосбросными колодцами принимается равным lк. Расстояние от водосбросного колодца до основания водоудерживающей призмы должно быть не менее 5—10 м. При расположении водосбросных колодцев учитывают также направление господствующих ветров с тем, чтобы направление движения воды к колодцу было бы по возможности противоположным их направлению. Это необходимо для сброса наиболее осветленной воды.
В зависимости от рельефа местности водоотводные трубы водосбросных колодцев могут быть уложены без опор и на опорах. В первом случае трубы укладывают звеньями длиной 6—12 м непосредственно по поверхности отвала или же в специальной траншее. Для предупреждения всплывания труб в первоначальный период ведения намывных работ засыпку труб рекомендуется производить в соответствии со следующими рекомендациями Гипромехпроекта.

Плавучие насосные станции целесообразно применять в тех случаях, когда для установок гидромеханизации требуется средне- и высоконапорная вода. Плавучая насосная станция подключается в береговому водоводу посредством шарнирного плавучего трубопровода, что позволяет осуществлять забор воды из зоны чистой воды пруда-отстойника. При четырехстороннем обваловании гидроотвала насосную станцию располагают в центре пруда-отстойника.
Наименование исходных данных, условные обозначения, размерность и возможные значения показателей, необходимых для расчета параметров гидроотвалообразования, приведены в табл. 7.65.

Фильтрация и устойчивость гидроотвалов. Для расчетов гидроотвалов на фильтрацию необходимо использовать формулы из СНиПа П-И 4—62. Для определения положения депрессионной кривой, фильтрационного расхода и критической фильтрационной устойчивости гидроотвала в период намыва и по окончании намываемых работ, а также при решении вопросов целесообразности применения дренажа следует производить расчет отвалов на фильтрацию.
Расчет на фильтрацию производят для отдельных, наиболее характерных поперечных сечений тела. Эти расчеты могут быть выполнены, если во всех зонах поперечного профиля гидроотвала будут известны гранулометрический состав намытого грунта, объемная масса скелета грунта, коэффициент фильтрации.
Фильтрационный поток в теле гидроотвала подпитывается в основном за счет воды из свеженамытого слоя в пределах упорной призмы. Расчеты отвалов на фильтрацию производят для различных отметок уровня воды в пруду-отстойнике, из которых наиболее неблагоприятной является отметка, когда отмыв гидроотвала завершается и пруд-отстойник занимает наивысшее положение. Наиболее высокое положение кривой депрессии будет иметь место при непроницаемом основании.
Положение депрессионной кривой во время намыва определяется местоположением пруда-отстойника. Минимально допустимое расстояние от уреза пруда-отстойника до бровки наружного откоса, при котором не происходит высачивание фильтрационного потока на откос, рекомендуется определять по формуле В.А. Мелентьева (рис. 7.70).

где Hо — высота основания гидроотвала до поверхности рассматриваемого яруса гидроотвала, м; m — отношение горизонтальной проекции с кривой депрессии к превышению уровня воды в пруду над основанием гидроотвала k;

mo — отношение горизонтальной проекции х наружного откоса гидроотвала к его высоте;


где Iкр — критический градиент фильтрационного потока в массиве гидроотвала (табл. 7.66).

Расчет устойчивости внешнего откоса гидроотвала состоит в определении минимального коэффициента устойчивости при принятой высоте, заложении откосов, положений кривой депрессии и геотехнических характеристик намываемых грунтов.

Устойчивость следует рассчитывать для наибольших по высоте поперечных сечений упорной призмы при наивысшем уровне воды в пруду-отстойнике.
Минимальный коэффициент запаса устойчивости в зависимости от класса гидроотвала не должен быть ниже указанных в СНиПе П-И 4—62.
Полученные расчетные значения коэффициента запаса не должны превышать больше чем на 15 % указанных в табл. 7.67.

Устойчивость откосов зависит от высоты и заложения внешних откосов гидроотвалов, размеров зон фракционирования, геотехнических свойств грансоставов отдельных зон гидроотвала и его основания, а также от положения депрессионной кривой.
При проектировании уклоны внешних откосов гидроотвала можно принимать по табл. 7.68 и затем производят поверочные расчеты устойчивости откоса. Расчеты устойчивости откоса рекомендуется проводить по методу круглоцилиндрических поверхностей сдвига способом весового давления P.P. Чугаева. В случае большого объема текучих грунтов в центральной части отвала производят поверочный расчет устойчивости откоса с применением метода ломаных поверхностей скольжения.
Коэффициент запаса устойчивости гидроотвала следует определять для наиболее опасной поверхности скольжения, при которой он имеет минимальное значение.
Анализ аварий на гидроотвалах показывает, что они происходят в основном вследствие усиления фильтрации воды через массив ограждающей дамбы, оползневых явлений в гидроотвале, неисправной работы колодцев, нарушений схем намыва, перелива потока воды через гребень дамбы.
Варианты схем намыва гидроотвалов и отсыпки дамб наращивания для конкретных условий показаны соответственно на рис. 7.71—7.73.