Проектирование отвала вскрышных пород: геометрия, ёмкость и проверки

Каждая тонна руды сопровождается пустой породой: вскрышей, снятой, чтобы добраться до рудного тела, и породой, вынутой вместе с ним. Отвал вскрышных (пустых) пород — место, куда этот материал укладывается окончательно, а отвалообразование — сам процесс его размещения.

Проект должен выполнить четыре условия сразу. Отвал обязан вместить всю вскрышу, которую карьер даст за срок службы. Он должен располагаться близко к выезду из карьера, потому что каждый лишний метр откатки оплачивается в каждом рейсе. Он должен стоять на основании, способном нести его без сползания и без перекрытия стока. И в итоге он должен получить форму, которую можно закрыть и рекультивировать.

Внешний отвал размещают за контуром карьера на естественной поверхности. Внутренний отвал заполняет отработанную часть карьера: откатка короче, но это возможно лишь тогда, когда эта часть отработана и ниже не осталось ничего ценного.

Отсыпанная порода не держит нарисованный угол: она ложится под углом естественного откоса. Для сухой, крупнокусковой, угловатой карьерной породы это обычно 35–40°, и до тех пор, пока на объекте не измерен собственный материал, в планировании часто принимают 37°. Мелкая или влажная порода ложится положе.

Ярус высотой h с откосом под углом α занимает по горизонтали h / tan α. При 37° ярус в 10 м даёт заложение 13,3 м. Если уложить n ярусов и оставить между соседними берму шириной b, горизонтальное расстояние от подошвы до верхней бровки равно n·h / tan α + (n − 1)·b. Общий (результирующий) угол откоса β получается из отношения полной высоты к этому расстоянию: tan β = n·h / (n·h / tan α + (n − 1)·b).

Угол откоса яруса задаёт материал, поэтому берма — единственный рычаг проектировщика, влияющий на общий угол. Четыре яруса по 10 м при 37° с бермами 10 м дают общий угол 25,7°. Расширьте бермы до 20 м — и он снизится до 19,5°.

Это важно при закрытии. Откос под углом естественного откоса слишком крут, чтобы удержать плодородный слой или зарасти, и планы закрытия обычно требуют итоговых откосов в пределах от 1:2 (26,6°) до 1:3 (18,4°); величину задают надзорный орган и проект рекультивации, а не порода. Отвал, отсыпанный ярусами с бермами под итоговый угол, можно выположить в основном в пределах собственного контура, сталкивая каждую бровку на нижележащую берму.

Возьмём контур подошвы 400 × 300 м на горизонтальной площадке, четыре яруса по 10 м, угол откоса 37° и бермы 10 м. С этими числами открывается калькулятор выше.

Расстояние от подошвы до верхней бровки с каждой стороны — 83,1 м, поэтому остаётся верхняя площадка 233,8 × 133,8 м, а общий угол откоса равен 25,7°. Отвал вмещает 2,86 млн м³: 1,11 млн в нижнем ярусе и 0,82, 0,57 и 0,36 млн в трёх следующих. Один только нижний ярус даёт 39 % ёмкости.

Расширьте бермы до 20 м ради более пологого итогового откоса — и тот же контур вместит 2,37 млн м³, на 17 % меньше, при верхней площадке 173,8 × 73,8 м. За пологий откос платят либо ёмкостью, либо площадью; третьего варианта нет.

Эти 2,86 млн м³ — пространство, а не порода в массиве. Порода разрыхляется при взрывании и погрузке и в отвале к объёму в целике не возвращается. Если уложенный материал на 25 % рыхлее, чем в массиве, то 2,86 млн м³ отвала принимают 2,29 млн м³ вскрыши в целике. Разрыхление — свойство вашей породы и способа укладки; его измеряют, а не принимают на веру.

На горизонтальной площадке отвал — это стопка усечённых пирамид, и объём считается по замкнутой формуле. Но ни один реальный отвал не стоит на горизонтальной площадке. Его ёмкость — объём между двумя поверхностями: проектной поверхностью отвала сверху и снятым рельефом снизу.

Разница велика. Один и тот же контур с той же отметкой верха вмещает в логу намного больше, чем на гребне, потому что рельеф под телом понижается. Поэтому ёмкость считают по DEM и выдают по ярусам — таблицей с интервалом отметок, объёмом и нарастающим итогом. Рядом с календарным планом горных работ эта таблица прямо отвечает на вопрос планирования: на какой отметке отвал заполнится запланированной к этому сроку вскрышей и когда его перестанет хватать.

Каждый следующий ярус к тому же удлиняет откатку. Ёмкость наверху отвала обходится дороже на тонну, чем внизу, так что кривая нарастающего объёма — это в той же мере кривая затрат.

Многие обрушения отвалов начинаются в основании под отвалом, а не в отсыпанной породе. Три свойства основания должны войти в проект с первого эскиза.

Уклон. Тело, уложенное на крутой склон, стремится сползти по контакту. Чем круче основание, тем меньше высота, которую можно безопасно отсыпать, и участки круче предела, установленного для площадки, лучше исключить из контура, чем считать ёмкостью.

Грунты. Плодородный слой, органические прослои и слабые или обводнённые грунты дают слабое основание. Плодородный слой в любом случае снимают до отсыпки: именно он понадобится на поверхности закрытого отвала.

Вода. Отвал, перекрывший тальвег без запроектированного дренажа из крупной породы или водоотводного канала, накапливает воду с верховой стороны и водонасыщает собственную подошву. Поверхностный сток отводят вокруг контура, а верх отвала планируют так, чтобы дождевая вода не уходила через бровку.

Опубликованные руководства рассматривают это в совокупности. В Guidelines for Mine Waste Dump and Stockpile Design приведена система оценки устойчивости и классификации опасности, которая взвешивает такие факторы, как условия основания, качество материала, геометрия и способ отсыпки, и связывает объём изысканий и расчётов с полученным классом опасности.

Верхняя площадка — рабочее место. Она должна быть достаточно широкой, чтобы самый большой самосвал мог развернуться и сдать назад, а бульдозер — работать у бровки; у отвала, откосы которого сходятся в узкий гребень, есть ёмкость на бумаге, до которой не доедет ни один самосвал.

Травмы случаются у бровки. Порода у края отвала рыхлая и может не выдержать гружёный самосвал. Нормы США требуют устраивать предохранительные валы, упоры, страховочные крюки или аналогичные ограничивающие устройства в местах разгрузки, где есть опасность переезда через бровку или опрокидывания (30 CFR 56.9301). Руководство MSHA для инспекторов добавляет рабочие приёмы: придавать площадке разгрузки уклон, чтобы самосвал сдавал назад на подъём; разгружаться не доезжая до бровки и сталкивать породу там, где край растрескался, просел или подрезан; закрывать доступ наверх, когда породу отгружают от подошвы.

У площадки, поднимающейся к бровке, есть и вторая задача: дождевая вода стекает по площадке назад, к организованному выпуску, а не через откос, где она размывает промоины.

Трещина или просевшая полоса у бровки — предупреждающий признак, а не косметический дефект. Засыпать её — не значит сделать откос устойчивым.

Проект отвала готов к реализации, когда против короткого списка вопросов стоят числа.

Укладывается ли общий угол откоса в предел, заданный для отвала и для итоговой формы после закрытия? Не уже ли каждая берма, чем нужно технике, которая будет на ней работать? Достаточно ли широка верхняя площадка на конечной отметке, чтобы самосвал развернулся?

Какая часть контура лежит на основании круче предельного уклона и вычтена ли эта площадь из ёмкости? Сколько плодородного слоя нужно снять и где он будет храниться?

Покрывает ли ёмкость, пересчитанная в объём в целике по измеренному разрыхлению, вскрышу из плана горных работ с запасом? Выдержаны ли требуемые расстояния от подошвы до верхней бровки карьера, границы лицензии (отвода), водотоков и инфраструктуры?

Ничто из этого не является расчётом устойчивости. Коэффициенты запаса для отвала и его основания даёт геотехническое исследование с прочностными характеристиками и гидрогеологическими условиями конкретной площадки. Геометрические проверки показывают, тот ли проект вы собираетесь рассчитывать, который хотели начертить.

В модуле планировки STREAM есть режим отвала. Нарисуйте контур подошвы на снятом рельефе и выберите направление «Вверх + внутрь»: тело поднимается от существующей поверхности внутрь, а вкладки панели переходят на отвальную терминологию — «Шаблон отвала», «Площадка», «Ёмкость» и «Проверки».

Шаблон принимает высоту яруса, ширину бермы и угол откоса; вы выбираете, какая из трёх величин выводится из двух других. На вкладке «Площадка» задаются Отметка верха, на которой тело срезается, и Лимит уклона основания: программа сообщает долю площадки круче этого лимита, потому что там тело не удержится.

Ёмкость читается относительно рельефа: рыхлый объём тела, выемка в целике, которая заполнит его при заданном вами уплотнении, тоннаж, наибольшая высота насыпи, площадь поверхности тела и периметр подошвы. Список ярусов сверху вниз даёт для каждого интервал отметок, объём и нарастающий итог.

Вкладка «Проверки» отмечает общий угол откоса относительно вашего предела, берму уже вашего минимума, верхнюю площадку, слишком узкую для разворота самосвала, и долю площадки сверх лимита уклона основания — каждое со значением и пределом; она же сообщает объём плодородного слоя, который нужно снять под телом. Затем проект можно записать в рабочий рельеф, чертежи вывести в DXF, таблицы объёмов — в Excel, отчёт — в PDF.

Проверяется геометрия, а не устойчивость: коэффициент запаса не вычисляется, а пределы, которые вы вводите, берутся из вашего геотехнического исследования. Всё выполняется на вашем компьютере; съёмка никуда не загружается.