Инженерно-геологическая и гидрогеомеханическая оценка возможностей последующего многоцелевого использования намывных территорий в регионе КМА Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

полнительно размещаемых в пределах контуров хвостохранилища. Размещение в этих сооружениях более 100 млн. м3 хвостов (с учетом рекультивационно-планировочных объемов) обеспечивает увеличение срока эксплуатации хвосто-

хранилища на 10-15 лет. Благодаря сокращению дальности гидротранспорта, достигается экономия энергоресурсов (примерно в 2 раза) по сравнению с существующей схемой.

— Коротко об авторах

Атрощенко Ф.Г. - Санкт-Петербургское отделение ИГЭ РАН, Горбатов Ю.П. - ФГУП трест «Энергогидромеханизация».

---------------------------------------- © С.Н. Жилин, 2006

УДК 622.693 С.Н. Жилин

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ И ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОСЛЕДУЮЩЕГО МНОГОЦЕЛЕВОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАМЫВНЫХ ТЕРРИТОРИЙ В РЕГИОНЕ КМА

Семинар № 1

1ТЛ оличество горнопромышленных отходов, накопленных в России, по экспертным оценкам составляет более 30 млрд т. Выход отходов в РФ в виде вскрышных и вмещающих пород, отходов обогащения полезных ископаемых, шлаков металлургического производства в последние годы превышает 4,0 млрд т в год.

ГОКи черной металлургии России в настоящее время эксплуатируют свыше 35 крупных хвостохранилищ, в которые уложено более 2,5 млрд м3 хвостов. В

гидроотвалы горных предприятий намыто свыше 1,5 млрд м3 вскрышных пород.

Площадь намывных массивов КМА свыше 5000 га. Разработка и внедрение безопасных и эффективных технологий формирования намывных сооружений Лебединского ГОКа и повышение их вместимости представляет важную научно-практическую задачу. Она решается, прежде всего, с помощью специальных способов формирования намывных массивов, управления устойчивостью

дамб при наращивании, за счет усиления откосных сооружений в сочетании с проведением дренажных мероприятий, максимального использования особенностей рельефа овражнобалочной сети.

При этом в качестве основных направлений инженерно-геологического и гидрогеомеханического обеспечения возведения и последующего использования намывных горнотехнических сооружений рассматриваются [1]:

- инженерно-геологическая схематизация, выбор методов исследования вещественного состава, прочностных и деформационных характеристик техногенных отложений, изменяющихся во времени и в пространстве;

- разработка расчетных схем уплотнения намывных массивов, учитывающих инженерно-геологические свойства техногенных отложений и грунтов оснований, этапы формирования гидросооружений и направления дальнейшего использования их территорий;

- совершенствование технических средств и методов определения механических свойств техногенных отложений в массиве;

- инженерно-геологическое районирование, предусматривающее выделение в намывном массиве однородных по гранулярному и минеральному составам участков и оценку их уплотняемости и несущей способности;

- изыскание новых способов ускорения процесса консолидации тонкодисперсных намывных отложений;

- определение рациональной конструкции дамб гидросооружений;

- установление рациональной формы техногенного рельефа намывных территорий с учетом остаточных осадок;

- контроль состояния возводимых объектов, включающий стационарные и мобильные устройства, наземную и аэ-

рофотограмметрическую съемку для систематической оценки устойчивости дамб, степени уплотнения и несущей способности внутренних зон намывных сооружений.

Формирование намывных массивов гидроотвалов и хвостохранилищ следует осуществлять с учетом возможных направлений их последующего использования:

• консервации;

• разработки как техногенных месторождений стройматериалов (песка, цементного сырья и др.) или - на перспективу - рудно-минерального сырья;

• дальнейшего наращивания как гидротехнических сооружений;

• строительства различных малоэтажных зданий, не содержащих оборудование, вызывающего дина-мические нагрузки;

• лесо- и сельскохозяйственная рекультивации;

• создания рекреационных зон;

• отсыпки «сухих» отвалов рыхлой и скальной вскрыши.

На Лебединском ГОКе решаются следующие задачи освоения намывных территорий:

1) Продолжается формирование сухого отвала рыхлой вскрыши на территории гидроотвала № 1, эксплуатация которого была прекращена после аварии в 1963 г.;

2) С 1999 г. по заданию ЛГОКа кафедрой геологии МГГУ выполняются работы по комплексным геологическим исследованиям намывных массивов на различных стадиях их формирования (включая гидрогеомеханический мониторинг и геолого-геохимическое изучение техногенных намывных отложений);

3) Развитие объединенного гидроот-вально-хвостового хозяйства для экономии водноземельных ресурсов;

4) Обоснование мероприятий по повышению вместимости заполненных к 1988 г. гидроотвалов «Березовый Лог» и «Балка Чуфичева».

По заданию Лебединского ГОКа в МГГУ проводятся инженерно-геологические исследования намывного массива заполненного к 1988 г. гидроотвала «Балка Чуфичева». Установлена принципиальная возможность наращивания этого сооружения примерно на 30 м и размещения дополнительного объема гидровскрыши (преимущественно меловых пород) в объемеоколо 60 млн. м3 с использованием для возведения ограждающих дамб скальной вскрыши.

В связи с дефицитом на КМА земельных площадей для размещения отвалов вскрышных пород и отходов ру-дообогащения (при стоимости изъятия из сельскохозяйственного оборота 1 га в Центральном Черноземье - около 1.8 млн руб.) необходимо широкое внедрение разработанной МГГУ технологии формирования намывных горнотехнических сооружений. Эта технология внедрена на гидроотвале «Березовый Лог» и хвостохранилище Лебединского ГОКа. Она предусматривает создание с применением существующей гидроме-хани-зированной технологии в намывных слабоводопроницаемых массивах системы дренажных элементов (призм, линз и подушек), ускоряющих уплотнение и отжатие воды из намывного массива. Применение данной технологии обеспечивает увеличение вместимости сооружений на 10-15 %, ускорение во-дооборота и сокращение сроков ввода территории заполненных гидроотвалов для последующего использования на десятки лет (например, для гидроотвала «Березовый Лог» стала возможна его поэтапная рекультивация, начиная с первого года после завершения его намыва). При наращивании гидроотвалов «Балка Чуфи-

чева» и «Балка Суры» («Безымянная») до отм. 230 м следует создавать в намывном массиве дренажные элементы из песка или крупных фракций отходов ру-дообогащения.

Для подготовки документов о консервации гидроотвала «Березовый Лог» как ответственного гидротехнического сооружения выполнены следующие основные работы: оценка устойчивости дамб гидроотвала; определение осадок намывного массива; зондирование

прудковой зоны комбинированными зондами МГГУ-ДИГЭС для определения сопротивления намывных отложений сдвигу и пенетрации, а также величины порового давления в намывном массиве.

Деформации (осадки) намывного массива мощностью до 75 м определялись с помощью инструментальных наблюдений по продольному и поперечным профилям. Установлено, что за период 1988-2005 гг. осадки стабилизировались практически на всей территории гидроотвала. Данные зондирования позволили установить несущую способность намывного массива и уточнить характеристики сжимаемости техногенных отложений. Комплекс маркшейдерских и инженерно-геологических работ обеспечил получение необходимой информации для составления проекта консервации гидроотвала и его рекультивации. В третьей секции гидроотвала, где намывной массив сложен наиболее тонкодисперсным материалом ^<0.005 мм), осадки техногенной толщи общей мощностью (Ья) до 30 м (7-10 м - пористый штамп из хвостов обогащения, 2023 м - глинисто-меловые намывные грунты) за этот период составили около 2,5 м.

Зондирование намывного массива 3-й секции гидроотвала «Березовый Лог» показало, что на 2005 г. избыточное поровое

давление в глинисто-меловых техногенных отложениях близко к нулю, а степень уплотнения слоя тонкодисперсных отложений - к единице.

В настоящее время рассматривается вопрос о размещении в 3-й секции гидроотвала «Березовый Лог» площадью около 200 га отвала скальной вскрыши в объеме около 50 млн. м3. Работы по обоснованию этого мероприятия выполняются кафедрой геологии МГГУ в составе проекта консервации гидроотвала.

По заданию Лебединского ГОКа в МГГУ выполняется с 2000 г. комплексная НИР по гидрогеомеханическому мониторингу намывных сооружений ЛГОКа, включающая оперативную оценку устойчивости ограждающих дамб с помощью системы стационарных датчиков порового давления, инструментальные измерения деформаций намывных массивов, комплексное зондирование внутренних зон и оценку их несущей способности, лабораторные исследования намывных грунтов.

Эффективный контроль за состоянием откосных сооружений осуществляется путем комплексного зондирования приоткосных зон и использованием стационарных датчиков-пьезо-

динамометров, заложенных по расчетным профилям в теле и основании дамбы на различных этапах формирования намывного массива.

Подобные системы контроля функционируют на Лебединском ГОКе (гидроотвалы № 1 и «Балка Суры», головная дамба хвостохранилища) и на хвостохранилище Михайловского ГОКа.

На кафедре геологии МГГУ разработана программа оперативного определения коэффициента запаса устойчивости П в зависимости от измеренного пьезодинамометрами давления воды по вероятным поверхностям скольжения. Программа позволяет после ввода даты из-

мерений и выбора файла с данными о геометрии и материале дамб и градуировочными характеристиками датчиков производить расчет положения депрес-сионной кривой и автоматически выбирать линию скольжения с наименьшим коэффициентом запаса устойчивости. Расчет устойчивости дамб производится методом алгебраического суммирования и многоугольника сил. Определение текущего коэффициента запаса устойчивости производится в зависимости от площади эпюры давления воды, определяемой путем снятия замеров величин Р„ или (высота столба воды) по веро-

ятной поверхности скольжения.

В настоящее время кафедрой геологии МГГУ совместно со специалистами ЛГОКа проводятся работы по автоматизации дистанционных замеров порового давления с накоплением информации и передачей ее на большие расстояния.

Материалы инженерно-геологического районирования позволяют установить режим рекультивационных и отвальных работ при создании новых форм техногенного ландшафта на намывных территориях.

Комплекс показателей, полученных при полевых и лабораторных исследованиях техногенных отложений, позволяет выполнить инженерно-геологичес-кое

районирование намывных территорий. Материалы районирования, наряду с инженерно-геологическими картами и разрезами, включают также для различных по мощности и составу зон намывного массива таблицы значений во времени осадок и допустимых внешних нагрузок на намывное основание. Инженерно-геологи-ческое районирование выполняется с целью решения следующих основных практических задач: повышения вместимости сооружения при гидравлической укладке складируемых материалов; формирования на территории заполненного

гидроотвала «сухих» отвалов; рекультивации намывных территорий.

Создание объединенных гидроот-вально-хвостовых хозяйств рассматривается как важное направление снижения техногенной нагрузки на окружающую среду, так как становится возможным комплексное решение вопросов гидрозащиты территорий, рекультивации, формирования ограждающих дамб для наращивания гидросооружений с использованием скальной вскрыши, размещения сухих отвалов на намывных основаниях. Формирование в объединенных контурах гидроотвалов и хво-стохранилища Лебединского ГОКа обеспечило сохранение около 2000 га плодородных земель от затопления водохранилищем и увеличение общей вместимости гидросооружений до 750 млн м3 (вместо 300 млн м3), а также поэтапную рекультивацию отдельных секций при внедрении мероприятий по гидрозащите прилегающего заповедника и пылепо-давлению [2].

1. Гальперин А.М., Зайцев В.С., Кириченко Ю.В. Инженерно-геологическое и геотехниче-

ское обеспечение возведения, консервации и

рекультивации гидроотвалов и хвостохрани-лищ (анализ 30-летнего опыта)// Геоэкология. 2000. № 4. С. 307-315.

Ускорение сроков рекультивацион-ных работ также влечет за собой позитивные эколого-экономические последствия, так как сокращается пылевыделе-ние и восстановленные территории начинают давать сельско-хозяйственную продукцию. При этом сокращение сроков рекультивации крупных гидроотвалов и хвостохранилищ, благодаря применению спецтехнологии, достигает 30 и более лет.

Выполнение эколого-геохимичес-ких исследований хвостохранилищ позволяет получать исходную информацию для оценки их как техногенных месторождений рудно-минераль-ного сырья, определения порядка разработки этих месторождений и эффективности мероприятий по рекультивации намывных массивов. Для отходов рудообогащения на рекультивированном участке хвосто-хранилища Лебединского ГОКа установлена их экологическая безопасность при эффективной работе суглинисто-меловых экранов.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Гальперин А.М., Тищенко Т.В., Жилин С.Н. Технологии экологически безопасного освоения намывных техногенных массивов на горных предприятиях)// Геоэкология. 2005. №

2. С. 99-110.

— Коротко об авторах ------------

Жилин С.Н. - ОАО «Лебединский ГОК».