УДК 502/504:532.5

Суров А.И.

ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»

Мельников И.Т.

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский Государственный технический университет им.

Г.И. Носова »

ПРОГНОЗ РЕЖИМОВ ФИЛЬТРАЦИИ В ТЕЛЕ ОГРАЖДАЮЩИХ ДАМБ НАМЫВНЫХ ХВОСТОХРАНИЛИЩ МЕТОДОМ

ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Хвостохранилища являются сложными гидротехническими сооружениями, предназначенными для складирования и накопления мокрых отходов обогащения рудного сырья (хвостов), и обеспечения оборотной водой горно-обогатительных комплексов. Образовывающийся при этом пруд-отстойник с одной стороны играет исключительную роль в её осветлении, с другой – является источником возникновения фильтрационных потоков в теле дамб, которые снижают устойчивость откосов.

В течение длительного времени многие отечественные, и зарубежные учёные проводили исследования процессов фильтрации и эффективности работы дренажей на физических моделях, подтверждая адекватность модели и натуры. В своей книге Х. Рауз пишет, что «...популярность гидравлических модельных исследований способствовала подтверждению действенности маломасштабных опытов в проектировании и изучении возможного поведения гидротехнических сооружений в условиях натуры. На моделях часто в 100 раз меньших натуральной величины можно провести опыты дешево и быстро, получить количественную и качественную картину происходящих процессов...» [5]. Я. Бэр, Д. Заславский, С. Ирмей отмечают, что «...физическая модель и прототип описываются одними и теми же уравнениями и песок в модели обычно изотропен, однако анизотропия песчаного заполнителя может быть получена путем использования слоев с различной проводимостью» [2]. Вполне закономерно возникает вопрос, каким образом спроектировать модельную установку, чтобы обеспечить адекватность процессов фильтрации, протекающих в натуре и на модели? На этот вопрос и дает ответ теория подобия и размерностей [4]. Обязательным условием реализации метода физического моделирования является соблюдение геометрического, кинематического и динамического подобия [1].

Как известно, основными числами подобия в случае движения ньютоновской жидкости являются числа: Фруда, Рейнольдса, Эйлера и Струхаля. Число Фруда выражается как мера отношения сил инерции к силе тяжести

(1)

где: V – средняя скорость фильтрации, м/с; L – характерный размер потока или

размер частиц, м; – ускорение силы тяжести, м/с².

При исследовании безнапорных потоков в грунтах и гидротехнических сооружениях, число Фруда по физическому смыслу равно отношению удвоенного гидродинамического давления к удельной силе тяжести [3]. Применение на модели хвостов той же крупности, что и в натуре, и воды одинаковой вязкости, ионно-катионного состава обусловливают одинаковую скорость протекания процесса фильтрации, что следует из общего уравнения движения грунтовых вод согласно закону Дарси.

Количественная оценка процессов протекающих в реальных объектах, по результатам моделирования, производится по формулам:

(2)

где – линейный размер, м; – скорость движения фильтрационного потока, м/с; – ускорение, м/с²; – величина расхода, л/с или м³/час; Т – время протекания процесса, с.

Для проведения экспериментов была использована установка физического моделирования, представляющая собой герметичный лоток, основные параметры которого позволяли разместить в его проточной части модель намывной дамбы в масштабе 1:100. Масштаб модели принят в результате технико-экономического сравнения целесообразности строительства более крупной модели – из-за дороговизна и проблемы размещения, более мелкой – во избежание погрешностей при инструментальных замерах серий экспериментов. Параметры лотка: длина рабочей, застекленной с одной стороны, проточной части лотка – 6500 мм, ширина –1000 мм, высота – 800 мм. Лоток изготовлен из проката: швеллер №12, стальной лист толщиной 5 мм и уголок 28÷40 мм (рис. 1).

Рисунок –1. Общий вид установки физического моделирования со встроенной моделью намывной дамбы

В процессе эксперимента были смоделированы особенности области фильтрации – наличие переходной и прудковой зон (рис. 2). В естественных условиях эксплуатации хвостохранилищ переходная зона формируется следующим образом: при наращивании порога водосбросного колодца происходит подъём уровня воды в прудке, урез воды приближается к дамбе и при этом в подводной части оседают мелкие фракции пульпы. По мере увеличения отметок сухого пляжа – урез воды вместе с тонкими фракциями удаляется от дамбы к колодцу, «подтягивая» за собой более крупные фракции. Переходная зона имеет неоднородный фракционный состав, отличающийся как от состава сухого пляжа, так и от состава донных отложений прудковой зоны. Донные отложения прудковой зоны формируются в естественных условиях эксплуатации хвостохранилища: в процессе осветления воды на дно прудка выпадают тонкодисперсные частицы хвостов. Структура переходной и прудковой зон исследована на эксплуатируемом хвостохранилище ОАО «ММК».

Рисунок – 2. Конструкция модели намывной дамбы хвостохранилища: П1÷П5 – пьезометрические трубки для наблюдения депрессионной поверхности

На установке физического моделирования были проведены эксперименты, в процессе которых исследованы экранирующие свойства донных отложений переходной и прудковой зон, а также влияние этих свойств на интенсивность фильтрации намывного хвостохранилища. По результатам исследований (табл. 1) построены графики кривых депрессии (рис. 3), которые сравнивались с результатами проведённых натурных наблюдений фильтрации тела дамбы хвостохранилища ОАО «ММК».

Анализ положения кривых депрессии показывает, что при всех прочих равных условиях кривая депрессии в теле ограждающей дамбы однородного

Таблица 1 – Уровни воды в пьезометрах на модели дамбы при отметке воды в прудке 299,620 м (условно)

Пьезометры	Отметка верха пьезометра, м	Показания пьезометров, м
		однородное	с переходной зоной	с переходной зоной и донными отложениями
П-1	299,689	299,575	299,567	299,504
П-2	299,785	299,522	299,517	299,488
П-3	299,765	299,503	299,500	299,475
П-4	299,664	299,487	299,485	299,466
П-5	299,678	299,458	299,457	299,457
Фильтрационный расход, мл/с		2,545	2,323	2,218

На рис. 3 представлены положения кривых депрессии, наблюдённые на модели, в случаях: I –однородной дамбы; II – дамбы с переходной зоной; III – дамбы с переходной зоной и донными отложениями прудковой зоны, и на действующем хвостохранилище, имеющем сформированные переходную и прудковую зоны – кривая IV.

Рисунок – 3. Высотное положение кривых депрессии на модели намывной дамбы и на дамбе хвостохранилища: I, II, III – на модели; IV – в натуре.

H – высота дамбы, h_г – превышение гребня дамбы над уровнем воды в прудке, h₀– гидростатический напор, m – заложения откосов

хвостохранилища (кривая I) проходит значительно выше, чем в неоднородном хвостохранилище как без учёта (кривая II), так и с учётом экранирующего действия донных отложений (кривая III) – дополнительного фильтрационного сопротивления в зоне питания, обусловленного наличием переходной зоны и донных отложений прудковой зоны. Кривая IV свидетельствует о достоверности и сходимости полученных результатов.

Результаты исследования удельных фильтрационных расходов приведены в табл. 2, по данным которой построен график зависимости удельных фильтрационных расходов от высоты намываемой дамбы (рис. 4). Анализ кривых, представленных на графике, показывает, что с увеличением высоты дамбы однородного строения намывного хвостохранилища удельный фильтрационный расход изменяется по параболической зависимости, в то время как для хвостохранилищ неоднородного строения с учётом экранирующего действия донных отложений величина удельного фильтрационного расхода изменяется по экспоненциальной зависимости.

Таблица 2 – Удельные фильтрационные расходы на модели при изменяющихся напорах и экранирующем влиянии донных отложений

№ пп	Отметка воды, м	Напор, мм (h0)	Фильтрационный расход на модели дамбы, (qм)мл/с
			однородное (I)	с переходной зоной (II)	с переходной зоной и донными отложениями (III)
1	299,500	100	0,632	0,524	0,452
2	299,520	120	0,874	0,736	0,644
3	299,450	140	1,050	0,937	0,821
4	299,560	160	1,207	1,042	0,953
5	299,580	180	1,504	1,103	0,987
6	299,600	200	1,767	1,695	1,627
7	299,620	220	2,533	2,323	2,218
8	299,640	240	3,283	2,337	1,683
9	299,660	260	4,083	2,947	2,009
10	299,680	280	5,017	3,615	2,457
11	299,700	300	5,953	4,26	2,847
12	300,720	320	7,163	4,84	3,208
13	300,740	340	8,454	5,264	3,417
14	300,760	360	–	5,516	3,508

Рисунок – 4. Влияние донных отложений и переходной зоны на удельный фильтрационный расход: I – без учёта экранирующего действия донных отложений; II – с учётом экранирующего действия переходной зоны; III – с учётом экранирующего действия переходной и прудковой зон.

ВЫВОДЫ

1. Наблюдения фактического материала и эксперименты на модели показывают, что теория подобия, в частности критерий Фруда, справедливы и работоспособны при исследовании фильтрации в теле намывных дамб;

2. С увеличением высоты дамбы однородного строения намывного хвостохранилища, удельный фильтрационный расход изменяется по параболической зависимости, в то время как для хвостохранилищ неоднородного строения с учётом экранирующего действия донных отложений параметры фильтрации изменяются по экспоненциальной зависимости.

3. При мощности донных отложений больше 10÷15 м происходит стабилизация фильтрационного расхода, поэтому следует обращать внимание на потоки неустановившейся фильтрации при намыве карт и определять время намыва, контролируя высотное положение кривой депрессии.

Список использованной литературы

1. Алабужев П.М., Геронимус В.Б., Минкевич Л.М. Teoрия подобия и размерностей. Моделирование. — М.: Высшая школа, 1968, — 206 с.

2. Бэр Я., Заславский Д., Ирмей С. Физико-математические основы фильтрации воды, — М.: Мир (Наука о земле), 1971. — 451 с.

3. Гейер В.Г., Дулин В.С., Боруменский А.Н., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод: Учебник для ВУЗов.- М.: Недра, 1981, 295 с.

4. Кирпичев М.В. Теория подобия. – М.: изд-во АН СССР, 1959.

5. Рауз Х. Механика жидкости для инженеров-гидротехников.— М.-Л.: Изд.Госэнерго, I958. — 367 с.

List of references

1. P. M. Alabuzhev, Geronimus v.b., Minkevič L.m.TeoRiya similarity and dimensional modelling.-m.: vysshaya Shkola, 1968, with 206.

2. Bare I. d., Zaslavsky, Irmej s. physico-mathematical foundations of water filtration,-m.: Mir (Earth Science), 1971 — with 451.

3. V. G. Geyer, Doolin, v.s., Borumenskij A.n., Dawn A. hydraulics and hydraulic drive: a textbook for high schools.-m.: Nedra, 1981, with 295.

4. the similarity Theory M.v. Kirpichev. – M.: IZD-vo an SSSR, 1959.

5. Fluid Mechanics by h. Rouse for engineers-hydraulic engineers.-m.-l.: ed. Gosènergo, (I)958-367 p.

РЕФЕРАТ

К статье «Прогноз режимов фильтрации в теле ограждающих дамб намывных хвостохранилищ методом физического моделирования»

// Сурова А.И., Мельникова И.Т.

В статье приводятся результаты исследования процессов фильтрации в теле ограждающих дамб намывных хвостохранилищ на установке физического моделирования в масштабе 1:100. Учёт особенностей строения области питания – наличие донных отложений в переходной и прудковой зонах, обусловленные технологией возведения хвостохранилищ и осветления оборотной воды, позволили установить ряд важных фактов. Высотное положение депрессионной кривой и удельный фильтрационный расход имеют более низкие величины, чем для однородных земляных плотин, что необходимо учитывать при проектировании ограждающих дамб.

Ил. 4. Табл. 2. Библиогр. 5 названий.

Ключевые слова. Намывное хвостохранилище, фильтрация, ограждающая дамба, донные отложения, переходная зона, прудковая зона, кривая депрессии, удельный фильтрационный расход.

SUMMARY

To article «Prediction filtering modes in the body of the enclosing method of tailings dam precoating physical modeling»

//Surova A.i., Melnikova I.t.

The article presents the results of a study of processes in the body of the filter protecting dams on tailings alluvial physical modeling on a scale of 1: 100. The accounting features of the food-the presence of bottom sediments in the transitional and prudkovoj areas, resulting from the construction of tailings technology and clarification of circulating water, revealed a number of important facts. Highrise is a depression of the curve and flow filtration unit have lower magnitudes than for homogeneous Earth dams that must be considered when designing the enclosing embankments.

Il. 4. table. 2. Bibliogr. 5 titles.

Keywords. Namyvnoe tailing dam, filtration, cover, bottom sediments, transition zone, prudkovaâ zone, the curve of depression specific filtration flow rate.