Разработка методики геолого-маркшейдерского обеспечения безопасности гидроотвалов вскрышных пород: На примере гидроотвалов Кузбасса

Актуальность работы. Использование поточных технологий в Кузбассе, в частности для формирования техногенных намывных массивовгидроотвалов и хвостохранилищ сдерживается рядом негативных последствий, основным из которых следует признать повышенную землеемкость намывных объектов и связанную с этим проблему изъятия из сельскохозяйственного оборота земельных плошадей. Применение средств гидромеханизации на разрезах Холдинговой компании (ХК) «Кузбассразрезуголь» предполагает увеличение емкости и высоты действующих гидроотвалов, что существенно скажется на промышленной и экологической безопасности, так как потеря устойчивости ограждающих дамб может привести к затоплению прилегающих сельскохозяйственных угодий и населенных пунктов, а также загрязнению поверхностных и подземных вод.

Актуальность данной проблемы подтверждается Федеральным Законом «О безопасности гидротехнических сооружений» (№ 117-Ф-3), принятым 23 июня 1997 года.

Устойчивость бортов карьеров и отвалов в горной практике принято контролировать маркшейдерскими методами, сутью которых является наблюдения за деформациями поверхности. При строительстве и эксплуатации гидроотвалов в силу специфических условий формирования техногенных массивов необходимо также контролировать состояние и свойства намывных пород. Поэтому оценка, прогноз и контроль устойчивости намывных сооружений должны базироваться на комплексной методике, включающей маркшейдерские наблюдения и инженерно-геологические исследования.

Таким образом, разработка методики геолого-маркшейдерского обоснования безопасности гидроотвалов вскрышных пород является актуальной научно-практической задачей. ч.

Целью работы является разработка методики геолого-маркшейдерского обеспечения промышленной и экологической безопасности гидроотвапов при разработке угольных месторождений.

Идея работы заключается в том, что обеспечение безопасности гидроотвалов усматривает вероятностную и экономическую оценку степени риска аварий, выбор и обоснование критериев безопасности намывного объекта, организацию мониторинга безопасности гидроотвалов.

Научные положения, разработанные лично соискателем и их новизна:

1. Анализ безопасности гидротехнических сооружений предусматривает вероятностную и экономическую оценку степени риска гидродинамической аварии и установление уровня надежности сооружения, осуш-ествляемые по результатам изучения причин аварий и статистике аварийных ситуаций с привлечением методов статистического моделирования, учитываюш-их изменение напряженного состояния намывного массива и физико-механических свойств пород.

2. В качестве критериев безопасности гидроотвалов приняты:

— коэффициент запаса устойчивости;

— показатели напряженно-деформированного состояния массива (коэффициент норового давления, критическое и предельное значения норового давления);

— величины деформаций сдвига и уплотнения техногенного массива.

3. Безопасность гидроотвалов обеспечивает реализация мониторинга, включаюшего комплекс инженерно-геологических работ и исследований и маркшейдерских наблюденийоценка состояния сооружения по данным мониторинга осуществляется посредством сравнения получаемых результатов с критериями безопасности, обоснованными для различных этапов формирования сооружений.

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

— результатами статистического моделирования устойчивости откосов действующих гидроотвалов;

— положительной апробацией разработанных рекомендаций на гидроотвалах вскрышных пород Кузбасса.

Методы исследований. В работе использован комплексный подход, включающий системный анализ горно-геологических условий гидроотвалообразования, маркшейдерские методы наблюдений на объектах, экспериментальные методы инженерно-геологического изучения условий формирования гидроотвалов вскрышных пород, решение теоретических задач методами механики сплошной среды, статистическое моделирование, промышленные испытания разработанных мероприятий на гидроотвалах Кузбасса.

Научное значение работы:

Выполнена инженерно-геологическая оценка условий разработки неоген-четвертичных отложений Кузбасса средствами гидромеханизации;

Разработан сценарий возникновения аварийных ситуаций на гидроотвалах вскрышных пород;

Составлена оценка надежности гидроотвалов и степень риска возникновения них аварийных ситуаций на намывных сооружениях угольных разрезов Кузбасса;

Обоснованы критерии безопасности строительства и эксплуатации гидроотвалов;

Обоснована методика инженерно-геологической оценки и прогноза устойчивости гидроотвалов и маркшейдерских наблюдений при формировании намывных сооружений.

Практическая ценность работы заключается в установлении расчетных показателей физико-механических свойств намывных отложений Кузбасса, использование для контроля устойчивости комплекса маркшейдерских и инженерно-геологических методов оценки устойчивости гидроотвалов, разработке рекомендаций по организации мониторинга безопасности гидроотвалов.

Объектами исследований являются гидроотвалы вскрышных пород Кузбасса, методы маркшейдерского и гидрогеомеханического обоснования безопасности гидроотвальных работ.

Разработанная методика использовалась на разрезах ХК.

Кузбассразрезуголь" при составлении декларации безопасности гидроотвалов, а также организации мониторинга безопасности.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на II Международном рабочем совещании «Проблемы геодинамической безопасности» (Санкт-Петербург, 1997), Всесоюзной конференции «Социально-экономические и научно-технические проблемы интенсификации на открытой добыче Кузбасса» (Кемерово, 1984), научно-практических семинарах «Гидрогеологические и инженерно-геологические проблемы при разработке угольных месторовдений (Ялта, 1992, 1993, 1994, Санкт-Петербург, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, изложенных на 162 страницах машинописного текста, содержит 13 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 80 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

т-ч и о.

В диссертации дано новое решение актуальной научной задачи) азработки методических основ геолого-маркшейдерсокго обеспечения идроотвалов вскрышных пород, что способствует технико-экономической)ффективности гидроотвальных работ, их промышленной и экологической Зезопасности.

Основные научные и практические результаты заключаются в шедующем:

1. Вскрышная толш-а разрезов Кузбасса включает неоген-четвертршные линистые породы аллювиального, делювиально-пролювиального, эолового енезисанаиболее пригодными для гидромеханизационного удаления шляются породы еловской, бачатской, кедровской и сергеевской свит, так как имеют наибольший коэффициент пористости являются недоуплотненными, юрошо размокают.

2. Инженерно-геологические условия гидроотвалОв определяются эракционированием частиц и агрегатов при намыве, влияющим на состав иамывных осадков, и процессами гравитационного уплотнения, определяющими напряженное состояние и свойства пород гидроотваловизменение напряженного состояния намывных отложений контролируется щнамикой порового давления в процессе намыва пород и дополнительном иагружении при строительстве дамб наращиванияэти процессы обусловливают формирование неоднородных техногенных массивов с 5акономерным изменением состава осадков в плане и напряженного и физического их состояния по глубине.

3. Анализ аварийных ситуаций при эксплуатации гидроотвалов показал, ито большая их часть происходит при неблагоприятном гидрологическом и идрогеологическом режимах, превышении параметров гидроотвалов, нарушении технологии формирования дамб нарашивания, сейсмическом воздействииуказанные причины легли в основу обоснованных сценариев зазвития на гидроотвалах гидродинамических аварийвероятностную оценку зиска аварий на гидроотвалах и установление на этой основе уровня надежности сооружений рекомендуется производить комплексно с использованием различных методик, включаюш-их статистическую обработку фактических аварий в отрасли и регионе, а также статистическое моделирование устойчивости гидроотвалов.

4. Основными критериями безопасности строительства и эксплуатации идроотвалов являются:

1) коэффициент запаса устойчивости, определяемый расчетными методами, значение которого должно соответствовать нормативной величине, зегламентированной для различных этапов существования сооружения;

2) критерии, учитывающие напряженное состояние пород намывных массивов и основания (коэффициент норового давленияпредельное и фитическое норовое давление);

3) деформации на гидроотвалах, среди которых следует различать зезопасные вертикальные смещения, вызванные развитием процессов консолидации, и недопустимые горизонтальные смещения, обусловленные сдвиговой ползучестью, приводящие к образованию оползней.

5. Определены основные задачи маркшейдерских наблюдений на :'идроотвалах, обоснованы требования к точности их решенияв зависимости от имеющегося на предприятиях оборудования рекомендованы различные маркшейдерские методы: полевые геодезические измеренияподземная фотограмметрическая и аэрофотограмметрическая съемки.

6. Оценку устойчивости гидротехнических сооружений реко-мендуется производить с использованием методов алгебраического суммирования сил и метода весового давления, которые позволяют учесть: неоднородность строения, состава, состояния и свойств породизменчивость во времени идрогеологических и инженерно-геологических условийсейсмическое юздействие.

7. Разработано геолого-маркшейдерское обеспечение безопасности Лидроотвальных работ — комплекс работ и исследований, включающий изучение шженерно-геологических условий гидроотвалов и маркшейдерские наблюдения за деформациями, направленный на оценку, прогноз и контроль устойчивости сооружений.

8. Разработана методика организации на гидроотвалах мониторинга зезопасности, включающая наблюдения за устойчивостью откосов, Гидрогеологическим и гидрологическим режимами сооружения, технологическими параметрами гидроотвалообразования и экологической збстановкой на гидроотвале и территории, прилегающей к нему. Контроль за устойчивостью гидроотвалов рекомендуется осуществлять комплексно с нрименением инженерно-геологических и маркшейдерских методов, при этом шженерно-геологические исследования позволяют оценивать состояние устойчивости по основному определяющему фактору — норовому давлению в намывных породах, а маркшейдерские наблюдения дают реальную картину деформационных процессов на откосах. Система мониторинга безопасности зборудована на всех эксплуатируемых гидроотвалах ХК «Кузбассразрезуголь» .