Инженерно-геологическая оценка и обоснование параметров гидроотвалов на различных этапах существования: На примере гидроотвалов Кузбасса

Актуальность работы. Открытая разработка угля в Кузбассе осуществляется с использованием гидромеханизированных технологий, сопровождающихся размещением вскрышных пород в специальные гидротехнические сооружения — гидроотвалы. Их количество за все время применения гидромеханизации составляет более 50 объектов, суммарная емкость — более 850 млн. м3, общая площадь — более 7000 га. В настоящее время эксплуатируются 5 гидроотвалов, остальные находятся либо в законсервированном состоянии, либо используются в качестве оснований отвалов «сухой» вскрыши.

Намывные массивы гидроотвалов являются, сложными инженерно-геологическими системами, состоящими из водонасыщенных пород, характеризующихся переменными в пространстве и времени составом, состоянием и свойствами. Это обстоятельство предопределяет необходимость их периодического изучения применительно к различным этапам существования-с целью получения необходимой информации для обоснования рекомендаций по оптимальным параметрам сооружений, обеспечивающих производственную и экологическую безопасность и технико-экономическую эффективность горных работ.

В 1997 году были приняты Федеральные Законы «О безопасности гидротехнических сооружений» (№ 117-ФЗ) и «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (№ 116-ФЗ), которые регулируют отношения, возникающие при осуществлении деятельности по обеспечению безопасности при проектировании, строительстве, вводе в эксплуатацию, реконструкции, восстановлении, консервации и ликвидации гидротехнических сооружений, а также других опасных объектов горного производства.

Таким образом, актуальность работы, направленной на исследования закономерностей формирования намывных массивов на различных этапах существования гидроотвалов, методики инженерно-геологических исследований и обоснования оптимальных параметров отвальных сооружений, обусловлена настоятельной необходимостью обеспечения эффективности горных работ на гидроотвалах.

В качестве основных этапов существования гидроотвалов выделяются их строительство, эксплуатация, консервация, рекультивация и ликвидация.

Цельюработы является оценка и установление закономерностей изменения инженерно-геологических условий гидроотвалов на различных этапах их существования с учетом целевого использования намывных территорий для повышения их отвалоемкости, обеспечения промышленной и экологической безопасности.

Идея работы. Основой для обоснованияоптимальных параметров отвальных и гидроотвальных сооружений является изучение инженерно-геологических условий намывных массивов с использованием комплекса полевых и лабораторных методов применительно к каждому этапу существования объекта с учетом технологии формирования сооружений.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Инженерно-геологические условия намывных массивов определяются строением, составом, состоянием и свойствами пород, размерами и формой массивов, а также закономерностями гидрогеомеханических процессов и предполагают наличие взаимосвязей между основными составляющими применительно к используемой технологии формирования и целевому назначению сооруженияэти закономерности необходимы для обоснования оптимальных параметров сооружений на каждом этапе существования объекта.

2. Изучение инженерно-геологических условий техногенных массивов гидроотвалов следует осуществлять с использованием комплекса полевых и лабораторных методов определения напряженного состояния и физико-механических свойств пород, при этом среди полевых методов основными должны быть методы непосредственного измерения порового давления с применением стационарных наблюдательных сетей или периодического зондирования, а в лабораторных условиях наибольшее внимание необходимо уделять определению прочностных параметров пород с учетом изменения напряженного состояния намывного массиваитогом изучения намывного массива является его районирование, для выполнения которого обоснованы критерии применительно к решаемым научно-техническим задачам.

3. Параметры и скорость возведения сооружения должны определяться исходя из гидрогеомеханической модели объектов, позволяющей прогнозировать поровое давление в намывном массиве и физико-механических: свойств техногенных отложений, а также дать оценку устойчивости откосов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

— теоретическим анализом технолитогенеза и гидрогеомеханических процессов в намывных массивах гидроотвалов;

— данными экспериментальных исследований в полевых и лабораторных условиях состава, состояния и свойств намывных пород;

— положительной апробацией полученных результатов при обосновании параметров гидроотвалов Кузбасса.

Методы исследований. В работе использованы: комплексный подход к решению поставленных задач на, основе анализа научной и патентной литературылабораторные и? натурные методы изученияинженерно-геологических условий массивов горных породметоды механики сплошной средыпромышленные испытания разработанных рекомендаций.

Научное значение работы состоит в выявлении факторов, определяющих инженерно-геологические условия намывных техногенных массивов гидроотвалов на различных этапах их существования, и установлении закономерности изменения размеров, формы и строения намывных массивов, их состояния и свойств пород в зависимости от гидрогеомеханических факторов и применяемой технологии.

Практическая ценность работы заключается в установлении расчетных показателей водно-физических и механических свойств намывных отложений Кузбасса, разработке рекомендаций по параметрам гидроотвалов и отвалов «сухих» пород, отсыпаемых на гидроотвалах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзном научно-техническом совещании «Научно-технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны» (Свердловск, 1984), Первой международной конференции «Ресурсовос-производящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Москва, РУДН, 2002), на научных симпозиумах «Неделя горняка» (1990, 1999;2004).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 91 наименования, содержит 37 рисунков, 22 таблицы.

ВЫВОДЫ.

1. Гидроотвалы вскрышных пород проходят обычно следующие этапы существования: 1) строительство- 2) эксплуатацию- 3) рекультивацию- 4) использование в качестве отвалов «сухих» пород- 5) разработку как техногенных месторождений полезных ископаемых- 6) частичное или полное удаление. Каждый из рассмотренных этапов предусматривает обоснование определенных технологических параметров для чего требуется значение инженерно-геологических условий.

2. При строительстве и эксплуатации гидроотвалов их параметры выбирают с учетом технологических возможностей предприятия и природоохранных требований. Оптимальными считают параметры, обеспечивающие максимальную емкость сооружения, наибольшую экономическую эффективность гидроотвальных работ, долговременную устойчивость внешних откосов, максимальное нарушение естественной экологической обстановки. Параметры обосновываются расчетами устойчивости на основе разработанной гидрогеомеханической модели объекта, отражающей определенные инженерно-геологические условия. Основной характеристикой является поровое давление, которое обычно изменяется в процессе формирования сооружения. Оценка и прогноз его значений выполняется с использованием решений одномерной схемы теории фильтрационной консолидации. Обоснованная методика использовалась на конкретных гидро-отвлах ХК «Кузбассразрезуголь».

3. При обосновании оптимальных параметров отвалов «сухой» вскрыши, отсыпаемых на гидроотвлах, необходимо руководствоваться определенными принципами, главным среди которых является принцип о необходимости обеспечения устойчивости откосов отвалов. Он гласит: «Отвальные работы на гидроотвале первым ярусом допускается осуществлять при контролируемых деформациях откосов, отвалообразование в краевых частях сооружений, а также вторым и последующими ярусами необходимо вести при обеспечении устойчивости откосов.» Высота первого яруса выбирается, исходя из технологических и гидрогеомеханических условий. Для гидроотвалов вскрышных пород обоснована высота первого яруса от 10 до 50 метров. При выборе параметров новых отвальных сооружений (система от-вал+гидроотвал) необходимо производить прогнозирование избыточного порового давления, для чего в работе обосновано применение одномерных схем фильтрационной консолидации. Разработанная методика использована при обосновании оптимальных параметров отвалов «сухой» вскрыши на гидроотвалах Кузбасса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дано решение актуальной научной задачи оценки инженерно-геологических условий формирования намывных массивов гидроотвалов на различных этапах их существования и установления закономерностей изменения размеров, формы и строения намывных массивов, их состояния и свойств пород в зависимости от гидрогеомеханических процессов и применяемой технологии, что способствует эффективности горных работ, их промышленной и экологической безопасности.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Намывные массивы гидроотвалов являются сложными инженерно-геологическими системами, сформированными на земной поверхности в специально отведенных местах из естественных песчано-глинистых пород с применением гидромеханизированных технологий путем планомерного намыва. Они имеют определенную форму и размерысложены породами, характеризующимися специфическими и изменяющимися строением, составом, состоянием и свойствамитребуют постоянного технического контроляподвергаются техногенному воздействию согласно целевому назначению и направлениям использования в народном хозяйстве.

2. Состав, состояние и свойства намывных массивов определяются процессами фракционирования и уплотнения. Процесс фракционирования зависит от исходного состава гидровскрыши, размеров гидроотвалов и технологии отвалообразования, приводит к созданию неоднородного по составу и строению техногенного тела с образованием зон песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых отложений. Уплотнение намывных пород определяется мощностью массива, условиями его нагружения, намывом и оценивается поровым давлением, возникающим в массиве при намыве и дополнительном нагружении. Величина и характер развития порового давления в гидроотвалах зависят от формы и размеров намывного массива, интенсивности его формирования, фильтрационных свойств пород тела и основания гидроотвала, времени «отдыха», величины и характера.