CC BY
84
------------------------------------------ © А.М. Гальперин, Ю.И. Кутепов,
В.С. Круподеров, О.Д Семенов,
2009
УДК 338.45:622.3
А.М. Гальперин, Ю.И. Кутепов, В.С. Круподеров,
О.Д. Семенов
МОНИТОРИНГ И ОСВОЕНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Проведен анализ состояния намывных техногенных массивов (НМТ), предложены основные направления развития и последующего использования НТМ, разработаны системы геолого-маркшейдеского обеспечения формирования и функционирования НТМ, установлены закономерности формирования НТМ, обосновано и осуществлено размещение на намывных основаниях сухих отвалов.
Ключевые слова: намывные техногенные массивы, хвостохранилища, инженерногеологические исследования, гидрогеомеханический мониторинг.
Семинар № 1
A.M. Galperin, Y.I. Kutepov,
V.S. Krupoderov, O.D. Semenov THE MONITORING AND EXPLORATION OF TECHNOGENIC ROCK MASSES AT MINING ENTERPRISES
The analysis of the state of washed-in technogenic rock masses (WTR) is conducted; the main directions of development and forthcoming application of WTR are proposed; the geological and surveying securing of WTR forming and functioning are developed; the regularities of WTR forming are defined; the disposition and on the washed-in dry disposals is grounded and realized.
Key words: washed-in technogenic rock
masses, tail disposals, engineering and geological studies, hydraulic and mechanical monitoring.
Wb намывных горнотехнических
сооружениях - гидроотвалах и
хвостохранилищах на территории Росс 3
сии уложено около 5 млрд. м отходов обогащения полезных ископаемых и более 1.5 млрд. м3 вскрышных пород. Эти сооружения - объекты повышенной экологической опасности, так как при их формировании и функционировании зачастую происходит загрязнение воздуха, подземных и поверхностных вод, почвенного покрова на обширных террито-
риях, а иногда возникают серьезные аварии, сопровождающиеся растеканием уложенного в сооружение материала и воды. Необходимость обоснования мероприятий по обеспечению устойчивости откосов, экономии водных и земельных ресурсов, пополнения минеральносырьевой базы горных предприятий требует выполнения комплекса геолого-геохимичес-ких, инженерно-
геологических и гидрогеомеханических исследований намывных техногенных массивов (НТМ).
Основные направления развития и последующего использования НТМ: 1) разработка (преимущественно гидромеханизированная) как обводненных техногенных месторождений; 2) последующее наращивание намывных горнотехнических сооружений; 3) рекультивация для сельско- и лесохозяйственных целей или строительства; 4) формирование сухих отвалов на намывных основаниях; 5) создание объединенных гидроотвально-хвос-товых хозяйств; 6) функционирование НТМ в
составе сложных природно-техногенных систем.
Реализация данных направлений на отвальных объектах различных отраслей горной промышленности производится с использованием мониторинга, включающего инженерно-геологическое, гидрогеомеханическое и геологогеохимическое направления. Геомониторинг является важнейшим инструментом для разработки инженерных решений по освоению техногенных массивов.
Систематические инженерно-геологические исследования намывных массивов были начаты в бассейне КМА кафедрой геологии Московского горного института (с 1993 г. - Московский государственный горный университет) в 1969 г. на крупнейшем отечественном гидроотвале «Березовый Лог» комбината «КМАРуда» и Лебединского горнообогатительного комбината (ЛГОК). Этим исследованиям предшествовало изучение инженерно-геологических свойств, устойчивости и уплотняемости техногенных массивов насыпей и оснований «сухих» отвалов в Михайловском железорудном районе КМА, Никополь-Марганцевом бассейне, Кузбассе и ряде других горнопромышленных регионов.
Проведенный анализ опыта эксплуатации и мониторинга хвостохранилищ и гидроотвалов на предприятиях различных отраслей горнодобывающей промышленности позволил выявить следующие основные тенденции возведения этих сооружений в ХХ веке: направленное изменение состояния намывного массива и условий устойчивости дамб в основном осуществлялось изменением способа и порядка намыва, обеспечивающих повышение плотности укладки материала и необходимое удаление прудка (зеркала воды) от гребня дамбы; конструкцию и способ возведения дамбы во многих случаях устанав-
ливали на основе данных инженерно-геологи-ческих изысканий, состав и объем которых были недостаточными для прогноза деформаций и оценки устойчивости дамб; не использовались технические средства и методы оперативной оценки устойчивости дамб; выполнялись лишь топогеодезические работы и пьезометрические наблюдения, не обеспечивавшие получение достоверной информации о состоянии откосных сооружений в заданный момент времени; практически не контролировалось состояние внутренних зон (50-80% общей площади), отсутствовали натурные данные о свойствах техногенных отложений и поэтому возникали серьезные затруднения при решении вопросов наращивания гидросооружений и последующего использования их территорий, а также корректировки технологии намывных работ для повышения их эффективности и безопасности.
В качестве основных направлений инженерно-геологического и гидрогео-механического обеспечения при возведении намывных горнотехнических сооружений рассматриваются: инженерногеологическая схематизация, выбор методов исследования ве-щественного 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 масс-сиве; инженерно-геологическое районирование, предусматривающее выделение в намывном массиве одно-
родных по гранулярному и минеральному составам участков и оценку их уп-лотняемости 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, аэрофотограмметрическую и космическую съемку для систематической оценки устойчивости дамб, степени уплотнения и несущей способности внутренних зон намывных сооружений.
При выборе технических средств и методов определения механических свойств техногенных отложений приоритетная роль отводилась натурным методам. Использование натурных (полевых) методов позволяет «автоматически» учитывать все изменения свойств и состояния намывных массивов, т.е. нелинейные эффекты, прогноз которых связан с серьезными затруднениями.
В натурных условиях механические свойства техногенных отложений гидроотвалов и хвостохранилищ изучались путем измерений порового давления, испытаний методами вращательного среза и прессиометрическим, инструментальных наблюдений за осадками намывных массивов и их оснований.
В лабораторных условиях определялись следующие характеристики намывных отложений и грунтов оснований гидросооружений: показатели компрессии и консолидации; показатели водно-физических свойств (влаж-ность, плотность, пористость); сопротивление сдвигу; гранулярный состав и микростроение. Экспериментально обоснована применимость теории фильтрацион-
ной консолидации для намывных отложений.
Важным достижением является внедрение в практику мониторинга намывных горнотехнических сооружений систематических замеров порового давления с помощью стационарных датчиков и штанговых пьезодинамометров конструкции Гидропроекта, а после 1974 г. -специальных комбинированных зондов. Объектами исследований МГИ-МГГУ являлись: гидроотвалы «Березовый
Лог», «Симонова Пасека», «Балка Чу-фичева», «Балка Безымянная» (комбинат «КМАРуда», Лебединский и Стойленский ГОКи, Старооскольский железорудный район КМА), «Михайловский» и «Шамаровский Лог» (Михайловский ГОК, Михайловский железорудный район КМА), «Новобачатский», «Бековский», «Свободный», «Прямой Ускат» (Кузбасс); хвостохранилища Вяземского песчано-гравий-ного ГОКа, Лебединского и Михайловского ГОКов (КМА), Северного ГОКа (Кривбасс, Украина), Ангренского угольного разреза (Узбекистан) и струенаправляющие дамбы Шатурской ГРЭС (Московская область).
Применение метода зондирования позволило изучить состояние внутренних зон гидроотвалов и хвостохранилищ и их оснований. Зондирование гидроотвалов КМА и Кузбасса осуществлялось в зимний период со льда, а зондирование внутренней зоны хвостохранилища Северного ГОКа в балке «Петрикова» -со специально созданной из твердых пород вскрыши призмы через кондукторы.
С 60-х годов прошлого века представительные работы по изучению намывных массивов гидроотвалов угольных разрезов и хвостохранилищ различного назначения выполняются сотрудниками лаборатории гидрогеологии и экологии ВНИМИ. Ныне это научное подразделе-
ние входит в состав НЦ геомеханики и проблем горного производства СПГГИ (ТУ). Исследования производились на гидроотвалах Кузбасса и Канско-Ачинского угольного бассейна, хвосто-хранилищах углеобогащения России и Украины, а также других намывных объектах различного назначения. В частности, произведено обоснование наращивания ограждающих дамб на гидроотвалах: «Бековский» (общей высотой до 75 м), «Еланный Нарык» (до 50 м.), на р. Еловка (до 60 м.), «Прямой Ус-кат» (до 80 м.), «Коровихинский» (до 70 м.) и др. Обоснование параметров отвалов «сухой» вскрыши при их размещении на гидроотвалах выполнено для 40 объектов Кузбасса, каждый из которых характеризовался различной высотой, площадью и емкостью. Данное техническое мероприятие позволило увеличить отвалоемкость территорий, занятых намывными горнотехническими сооружениями, произвести рекультивацию территории, так как без нанесения слоя из достаточно прочных насыпных пород на намывную поверхность они длительное время, исчисляемыми несколькими десятками лет, недоступны для горного и сельскохозяйственного оборудования. Кроме того, выполнено решение специфических горно-геологических задач на разрезах «Киселевский», «Красноброд-ский» и «Кедровский» в Кузбассе, где извлечение запасов угля в непосредственной близости от гидроотвалов потребовало частичной отработки намывных массивов. Так, только под гидроотвалом №3 разреза «Кедровский» установлены запасы 50 млн. тонн угля. Заслуживают внимание работы по обоснованию параметров сложнейшей природнотехногенной системы (ПТС) «борт раз-реза+гидроотвал+ отвал сухих пород». Данная система включает в себя «слабое» звено - намывной массив, поведе-
ние которого, во многом, определяет безопасные условия ее функционирования. Так, при отработке запасов на центральном блоке Новосергеевского поля разреза «Краснобродский» была сформирована ПТС, включающая 220метровый борт разреза, 25-метровый гидроотвал и 70-метровый отвал «сухих» пород. Нарушение устойчивости произошло в верхней ее части и сопровождалось выдавливанием в выработки разреза намывного материала в объеме 500 тыс. м3. На разрезе «Бачатский» функционирует самая крупная ПТС в Кузбассе высотой более 400 м., которая в дальнейшем может достигнуть 600 м.
Результаты выполненных многолетних исследований легли в основу разработанных во ВНИМИ нормативнометодических документов, которые включают методики инженерногеологических, гидрогеологических и маркшейдерских работ, гидрогеомеха-ническое обоснование параметров и технологий отвальных и гидроотвальных работ, а также мониторинг безопасности.
В рамках мониторинга состояния отвального сооружения предложено выполнять различные виды работ по различным направлениям. Гидрогеомеха-нический мониторинг включает изучение строения отвального сооружения, напряженного и физического состояния и физико-механических и водных свойств пород, которые предлагается осуществлять с привлечением буровых работ, полевых и лабораторных методов исследования, опытно-промышленных экспериментов. Маркшейдерский мониторинг обеспечивает наблюдения за деформациями намывных и насыпных массивов, а технологический - за соблюдением предложенного в проекте порядка развития отвала (гидроотвала) и параметров отвалообразования. По ре-
зультатам выполненных инженерногеологических и гидрогеологических работ вносятся изменения в гидрогеоме-ханическую модель объекта и выполняются расчеты устойчивости, а затем с привлечением результатов маркшейдерского и технологического мониторинга осуществляется корректировка параметров сооружений.
При решении вопросов обоснования параметров горнотехнических сооружений и дальнейшего использования техногенных массивов необходимо руководствоваться установленными закономерностями процессов техногенеза, в котором, как в природном геологическом процессе литогенезе, также можно выделяются этапы: 1) разрушение материнских пород; 2) перемещение разрушенного материала и 3) новое породо-образование. Его средой служат суша и водоемы, что предопределяет выделение континентального и аквального типов технолитогенеза, при этом континентальный технолитогенез может быть либо субаэральным (поверхностным) и субтерральным (подземным). Процессы технолитогенеза профилируются различными видами инженернохозяйственной деятельности человека: строительством, промышленным производством, разработкой МПИ, сельским хозяйством, военными действиями и пр.
Виды техногенных пород отвалов и гидроотвалов различаются, прежде всего, по составу, который зависит от исходного состава материнских отложений и типа производства, складирующего отходы в сооружения. Кроме того, инженерно-геологические свойства отвальных пород определяются также средой их образования, зависящей от способов формирования отвала: с применением гидромеханизации (гидроотвалы, хвостохранилища) или сухоройных механизмов («сухие» отвалы). Несмотря на
многообразие видов техногенных пород, все они формируются, подчиняясь общим законам, которые выражает составленная Ю.И. и Н.А. Кутеповыми схема технолитогенеза. Данная схема отражает последовательность формирования состава, состояния и свойств техногенных пород отвалов и гидроотвалов с учетом природных и технологических факторов.
Анализ опыта зондирования внутренних зон гидроотвалов и хвостохранилищ выявил необходимость разработки нового типа зонда - трехпараметрического, обеспечивающего одновременное получение информации об избыточном поровом давлении Ри, сопротивлении задавливанию зонда (пенетрации) qt и сопротивлении вращательному срезу т. Конструкция зонда предусматривает возможность использования как струнных, так и тензометрических датчиков.
Трехпараметрический зонд МГГУ-ДИГЭС использовался для исследования основания струенаправляющей дамбы Шатурской ГРЭС (1993 г.), тела гидроотвалов «Лог Шамаровский» МГОКа (1995-1999 г.г.), «Березовый Лог», «Балка Чуфичева» ЛГОКа (с 1999 г.) и оснований дамб хвостохранилища и сухих отвалов ЛГОКа и СГОКа.
С 1995 г. при полевых работах используется модификация легкой зонди-ровочной установки (ЛЗУ) ВНИМИ (автор конструкции Ю.И. Кутепов). С помощью ЛЗУ становится возможным опробование труднодоступных гидроотвальных участков с несущей способностью Рдоп > 0.013-0.015 МПа.
В комплект трехпараметрического зонда также входит оригинальное устройство сопряжения пенетрометра и компьютера. Для трехпараметрического зонда в МГГУ В.Н.Зуем разработана программа автоматического считывания показаний и их обработки в полевых ус-
ловиях с выводом полученных данных на дисплей портативного компьютера.
Комплекс показателей, полученных при полевых и лабораторных исследованиях техногенных отложений, позволяет выполнить инженерно-
геологическое районирование намывных территорий. Материалы районирования, наряду с инженерногеологическими картами и разрезами, включают также для различных по мощности (hя) и составу зон намывного массива таблицы значений во времени осадок Б(кя , ґ) и допустимых внешних нагрузок на намывное основание Рдоп(Ъя, ґ). 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.
Выполнено инженерно-геологическое районирование следующих основных намывных объектов: Кузбасс - гидроотвалы «Бековский» (разрез «Бачат-ский»), «Новобачатский» («Красноброд-ский»), № 3 (разрез «Кедровский»), «Южный» (разрез «Колмогоровский -Сартаки»); КМА - гидроотвал «Лог Шамаровский» (МГОК), гидроотвалы «Березовый Лог», «Балка Чуфичева», «Балка Суры» (ЛГОК); хвостохранили-ще «Балка Петрикова» (СевГОК, Крив-басс).
В последнее десятилетие (после 1999 г.) в лабораторных и полевых исследованиях техногенных отложений на объектах КМА принимал участие ФГУП ВСЕГИНГЕО, которым определялся комплекс водно-физи-ческих и механических показателей отходов рудообога-щения, намывных грунтов гидроотвалов, песчано-глинистых отложений ос-
нований хвостохранилищ ЛГОКа и СГОКа и гидроотвала, а также основания и тела отвала меловых пород СГОКа. Пройдено около 1000 п.м. зондиро-вочных скважин с помощью станции пенетрационного каротажа СПК-Т.
Современная пенетрационно-ка-ротажная станция представляет собой вдавливающее устройство на транспортной базе высокой проходимости и аппаратурный комплекс, состоящий из измерительного зонда, приемопередающего устройства и полевого вычислительного комплекса.
В результате полевых испытаний горных пород определяют: удельное сопротивление породы наконечнику зонда - R, МПа; удельное трение породы по боковой поверхности зонда - Т, МПа; объемную влажность породы нейтрон-нейтронным каротажем - (ННК) W^, в долях единицы; плотность породы гамма-гамма каротажем (ГГК) р, т/м3; естественную радиоактивность породы гамма-каротажем (ГК) - I, мкР/ч; однородность горных пород, исходя из значений R, T, I; вид пород по отношению R/T и значения I; количественную оценку механических, фильтрационных, просадочных, физических характеристик пород.
Запись информации при проведении испытаний осуществляется синхронно, по мере вдавливания зонда, с помощью датчика глубины. С помощью пенетра-ционного каротажа уточ-нены прочностные и деформационные характеристики техногенных отложений и их оснований.
Геоэкологическое обеспечение гидромеханизированной разработки техногенных месторождений хвостохранилищ включает: геолого-техно-логическую
диагностику отходов обогащения; гео-лого-технологическое картирование объектов с выделением участков со ста-
тистически однородным распределением полезных компонентов; оценку возможности применения земснарядов или гидромониторно-землесосных комплексов; оконтуривание границ хвостохра-нилищ, пригодных для отработки гидромеханизированным способом; выделение геолого-технологических зон с учетом целевой направленности переработки и экологически безопасного складирования вторичных хвостов обогащения; изучение состава и свойств хвостов с целью исключения их возможного вредного воздействия.
Аварийное хвостохранилище Оленегорского ГОКа расположено в южной губе Колозера. Его площадь - 320.4 га, в том числе площадь самого хвостохра-нилища - 253, аккумуляционого бассейна-пруда - 60.2, дамбы- 7.2 га. Анализ результатов опробования объекта показывает, что в рудной части хвостов преобладают свободные зерна гематита и магнетита крупностью, благоприятной для обогащения. Средняя плотность хвостов - 3.4, естественная плотность (при влажности 8 %) - 1.8 г/см3. Содержание общего железа в хвостах ^общ) -
17.5 г 20.5%, магнетитового - 7.0 г 7.8%, гематитового - 6.8 г 9.8%. Средняя мощность залежи 4.3 м.
Специалистами МГГУ и проектной конторы «Энергогидромеханизация» подготовлен рабочий проект разработки лежалых хвостов аварийного хвостохра-нилища ОАО «ОЛКОН» с использованием электрического земснаряда и их гидравлического транспортирования к обогатительной фабрике Оленегорского ГОКа. В качестве основного оборудования принят земснаряд 200-50 БК с производительностью по воде 1500 м3/ч и напором 73 м. Предусматривается при работе земснаряда применение водообо-рота. Для восполнения потерь планиру-
ется использовать естественные и промышленные стоки.
Опыт гидромеханизированной разработки аварийного хвостохранилища Оленегорского ГОКа и технологические решения по его эксплуатации как сильно обводненного техногенного месторождения вполне применимы к условиям ведения добычных работ в обводненной части хвостохранилища Ковдорского ГОКа и других объектов-аналогов.
Вопросы дальнейшего наращивания намывных гидротехнических сооружений рассматривались применительно к условиям хвостохранилищ ОАО «ОЛКОН», хвостохранилища Удачнинского ГОКа АК «АЛРОСА», хвостохранилища и гидроотвала ОАО «Лебединский ГОК».
Применительно к условиям действующего хвостохранилища Оленегорского ГОКа (ОАО «ОЛКОН») МГГУ совместно с проектной конторой «Гидро-мехпроект» выполнил в 2001 г. проект заполнения этого гидросооружения на период до 2015 г. Проект предусматривает использование при дальнейшем формировании хвостохранилища разработанного МГГУ способа возведения намывного основания, согласно которому в намывном массиве создаются с применением основного технологического оборудования дренажные элементы из крупнозернистых отходов (хвостов) рудообогащения. Для обоснования решений по намыву и параметров откосов дамб был проведен комплекс определений физико-механических свойств и минерального состава намывных отложений. С помощью намытой во внутренней зоне хвостохранилища дамбы проводится разделение хвостохранили-ща на три части (секции), две из которых используются для складирования хвостов, а третья - в качестве прудка-отстойника. До разработки проекта в
зимний период отмечались значительное промерзание пляжа намыва и резкое сокращение площади прудка, что приводило к серьезным затруднениям с оборотным водоснабжением.
Внедрение секционного намыва позволяет уменьшить пыление пляжей, осуществлять поэтапное последующее использование намытых отложений (например, для производства стройматериалов) и рекультивацию отдельных участков хвостохранилища еще во время эксплуатации.
В 2003 г. МГГУ совместно с проектной конторой «Гидромехпроект» и ООО НПФ «Карбон» выполнены предпроект-ные проработки по экологически безопасной технологии дальнейшего формирования законсервированного хвосто-хранилища Удачнинского ГОКа АК «АЛРОСА» на руч. Новый, предусматривающие селективную укладку и частичную вторичную переработку хвостов. Эти проработки обеспечивают экономию водно-земельных ресурсов за счет исключения нарушения земель новым хвостохранилищем и использования подлежащих утилизации стоков в технологическом процессе реконструкции хвостохранилища на руч. Новый, а также существующей на нем системы возврата оборотной воды. Установлены объемы и параметры намывных сооружений, дополнительно размещаемых в пределах контуров хвостохранилища. Размещение в этих сооружениях более 100 млн. м3 хвостов (с учетом рекульти-вационно-планиро-вочных объемов) обеспечивает увеличение срока эксплуатации хвостохранилища на 10-15 лет. Благодаря сокращению дальности гидротранспорта, достигается экономия энергоресурсов (примерно в 2 раза) по сравнению с существующей схемой.
По заданию Лебединского ГОКа в МГГУ проводятся инженерно-геоло-
гические 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) около 60 млн. м3.
В 2008 г. Лебединским ГОКом и МГГУ разработаны мероприятия по повышению вместимости хвостохранили-ща и гидроотвала более чем на 350
3
млн.м за счет изменения конструкции откосных сооружений и использования скальной вскрыши при формировании ограждающих дамб.
На кафедре геологии МГГУ разработана программа оперативного определения коэффициента запаса устойчивости в зависимости от измеренного давления воды по вероятным поверхностям скольжения. Программа позволяет после ввода даты измерений и выбора файла с данными о геометрии и материале дамб и градуировочными характеристиками датчиков производить расчет положения депрессионной кривой и автоматически выбирать линию скольжения с наименьшим коэффициентом запаса устойчивости. Расчет устойчивости дамб выполняется методами алгебраического суммирования и многоугольника сил.
В связи с развитием сотовой связи и удешевлением оборудования в настоящее время большое распространение получили устройства контроля за удаленными объектами и управления ими через сотовую связь стандарта GSM в нескольких режимах (GPRS, SMS и т.д.). Для удаленного контроля за состоянием намывных плотин предлагается устройство, разработанное сотрудниками НПФ «Карбон» и усовершенствованное специалистами МГГУ и Лебединского ГОКа. Устройство обеспечивает оперативный контроль за гидростатическим дав-
лением в теле ограждающих дамб намывных сооружений и избыточным давлением в поровой воде тонкодисперсных отложений намывных массивов. При достижении критических значений давления предусматривается передача аварийного сигнала на приемное устройство.
В связи с дефицитом земель для размещения отвалов территории некоторых намывных сооружений в Кузбассе используются под отвальные сооружения. Реализация этого мероприятия обеспечивает: - сокращение площадей земельного отвода; - сокращение, как правило, дальности транспортировки
вскрышных пород; - ускорение сроков рекультивации гидроотвала, так как без данного мероприятия его поверхность длительное время недоступна для оборудования. Осложняющим обстоятельством ведения отвальных работ на поверхности гидроотвала является развитие деформаций откосов первого отвального яруса из-за низкой несущей способности намывных пород.
Обоснованию технологических схем ведения отвальных работ на гидроотвалах предшествуют детальные инженерно-геологические исследования, которые включают: 1) изучение состава, состояния и свойств пород отвалов, гидроотвалов и их оснований; 2) прогноз развития в намывных массивах гидрогеоме-ханических процессов и явлений; 3) обоснование параметров отвалов с учетом развивающихся в массивах гидрогеомеханических процессов.
Применительно к гидроотвалам Кузбасса обоснованы три основные схемы отвалообразования, включающие работу на отвале следующего технологического оборудования: 1) автомобиль и бульдозер; 2) драглайн и железнодорожный транспорт; 3) мехлопата и железнодорожный транспорт.
При применении мехлопат на «сухих» отвалах, отсыпаемых на гидроотвалах, используются разработанные рекомендации, предотвращающие попадание экскаваторов в призму возможного оползания за счет частичной пере-экскавации отвальных масс из ранее отсыпанной заходки для создания безопасной трассы передвижения отвального механизма - мехлопаты.
В Кузбассе на более чем 40 объектов в различное время велись и в настоящий момент времени ведутся отвальные работы. Так, на одном из крупнейших гидроотвалов Кузбасса («Сагар-лыкский»), площадь которого на момент окончания намыва в 1975 году составила 600 га, начиная с 1976 года уложено более 250 млн.м3 вскрышных пород. В окончательном виде здесь рекомендовано разместить отвалы высотой 150 м. и емкостью около 600 млн. м3. В 2008 году завершен намыв гидроотвала на реке Еланный Нарык разреза «Талдин-ский». Его площадь рекомендуется использовать под отвалы «сухих» пород высотой до 80 метров. Причем их отсыпку планируется осуществить за 6-10 лет. На разрезе «Сартаки» отвалы отсыпаются на гидроотвал, сформированный в выработанном пространстве пластов №№ 1-2 при мощности намывных глинистых отложений до 90 м. Техническое предложение по использованию гидроотвалов под отвалы «сухих» пород позволяет увеличить отвалоемкость территорий с 0,1 до 0,3-1,0 млн. м3/га.
С целью получения исходных данных для обоснования размещения отвальных насыпей на территории гидроотвала «Березовый Лог» по заданию ОАО «Лебединский ГОК» в 1999-2006 гг. выполнялось комплексное зондирование намывного массива гидроотвала «Березовый Лог» на площади около 750 га. Результаты зонди-
рования использования для расчета степени уплотнения остаточных осадок и допустимых нагрузок на намывной массив различной мощности в пределах внутренних зон гидроотвала. Зондирование дополнялось инструментальными наблюдениями по продольному и поперечным профилям для определения осадок массива мощностью до 75 м. Установлена несущая способность намывного массива и уточнены характеристики сжимаемости техногенных отложений. Установлена возможность формирования двухъярусного отвала скальных пород (высота нижнего и верхнего ярусов соответственно 10 и 15 м) с устройством двух отвальных тупиков в пределах секции. Общая приемная способность
о 3
тупиков составляет около 3 млн. м в год.
Реализация разработанных рекомендаций обеспечивает размещение около 30 млн. м5 рыхлой вскрыши более 100
3
млн. м скальных пород на намывных основаниях. Отвалообразование в условиях оползневых деформаций недопустимо в связи со спецификой расположения гидроотвалов № 1 и «Березовый Лог».
Снижение техногенной нагрузки намывных массивов на окружающую среду достигается при функционировании объединенного гидроотвальнохвостового хозяйства, создание которого обосновано исследованиями и проектными проработками институтом ВИОГЕМ, НИИКМА, Центроги-проруда, Укргидропроект, проектной организации «Гидромехпроект».
Два верховых отсека на гидроотвале «Балка Чуфичева» заняты под складирование гидровскрыши карьера, остальные отведены для складирования хвостов Лебединского ГОКа и комбината «КМАруда». Объединенное гидро-отвально-хвостовое хозяйство было
создано с целью рационального складирования хвостов и снижения безвозвратных потерь воды из хвостохранилища, для чего был разработан метод посекционного заполнения хвостохранилища с объединением прудов-
осветлителей гидроотвала и хвостохранилища. На хвостохранилище создана единая система оборотного водоснабжения как для фабрик обогащения и окомкования, так и для гидровскрышных работ в карьере. Для восполнения безвозвратных потерь в этой системе для подпитки используются шахтные воды дренажного комплекса карьера ЛГОКа. Наращивание гидросооружений до отметки выше 230 м повышает роль гидрогеомеханического мониторинга и требует сгущения наблюдательной сети при обеспечении надежности и оперативности контроля.
Наряду с отмеченными выше преимуществами создания объединенного отвально-хвостового хозяйства на Лебединском ГОКе также накоплен опыт пылеподавления на хвостохранилищах путем закрытия пылящих пляжей экранами из естественных материалов (намывных глинисто-мело-вых грунтов). На рекультивированном участке хвосто-хранилища Лебединского ГОКа в 20002003 гг. МГГУ проводились экологогеохимические исследования нанесенного почвенно-растительного слоя, суглинисто-мело-вых экранов и отходов рудообогащения.
Обеспечению устойчивости ограждающих дамб и пылеподавлению в приоткосных зонах способствует также отсыпка дамб из пород скальной вскрыши. Определены оптимальные параметры скальных дамб при их отсыпке до высоты 60 м при наращивании хвостохранилища ЛГОКа.
Заключение
1. Намывные техногенные массивы (НТМ) слагают горнотехнические сооружения - гидроотвалы и хвостохра-нилища, которых на территории России уложено около 5 млрд. м3 отходов обогащения полезных ископаемых и более
1.5 млрд. м3 вскрышных пород. Основные направления развития и последующего использования НТМ: 1) разработка (преимущественно гидромеханизированная) как обводненных техногенных месторождений; 2) последующее наращивание намывных горно-технических сооружений; 3) рекультивация для сель-ско- и лесо-хозяйственных целей или строительства; 4) формирование сухих отвалов на намывных основаниях; 5) создание объединенных гидроотвальнохвостовых хозяйств; 6) функционирование НТМ в составе сложных природнотехногенных систем.
2. Изучение НТМ выполняются с 60х годов прошлого столетия сотрудниками кафедры геологии МГИ - МГГУ и лаборатории гидрогеологии и экологии ВНИМИ применительно к гидроотвалам КМА, Кузбасса и Канско-Ачинского угольного бассейна, хвостохранилищам Вяземского песчано-гравийного, Лебединского, Михайловского, Оленегорского и Удачненского ГОКов, углеобогатительных фабрик России и Украины и других намывных объектов различного назначения.
3. Разработаны системы геолого-маркшейдеского обеспечения формирования и функционирования НТМ, включающие методики их инженерногеологического, гидрогеологического, маркшейдерского и геологоэкологического изучения, обоснования параметров намывных сооружений и технологий их дальнейшего освоения. Геомониторинг позволяет оперативно получать информацию о состоянии намывного массива и откосных соору-
жений, на основании которой осуществляется выбор способа повышения устойчивости ограждающих дамб, увеличения вместимости сооружения, ускорения водооборота и принимаются решения по дальнейшему использованию намывных сооружений и снижению их негативного влияния на экологическую обстановку в регионе.
4. Установлены закономерности формирования НТМ, позволяющие решать различные горно-технические задачи по их освоению. Предложена схема технолитогенеза, отражающая влияние различных видов инженерной деятельности на формирование состава, состояния и свойств пород отвалов и гидроотвалов. Выполнено инженерногеологическое районирование НТМ по составу пород, несущей способности Рдоп и осадкам 5 различных зон намывных горнотехнических сооружений на заданный момент времени.
5. Выполнение эколого-геохими-ческих 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.
6. Обосновано и осуществлено размещение на намывных основаниях сухих отвалов в объеме свыше 0.5 млрд.м3 для объектов угольной (Кузбасс) и железорудной (КМА) промышленности. Техническое предложение по использованию гидроотвалов под отвалы «сухих» пород позволяет увеличить отвало-емкость территорий с 0,1 до 0,3-1,0 млн. м3/га.
7. Создание объединенных отвальнохвостовых хозяйств рассматривается как важное направление снижения техногенной нагрузки на окружающую среду,
так как становится возможным комплексное решение вопросов гидрозащиты территорий, рекультивации, формирования ограждающих дамб с использо-
ванием скальной вскрыши для наращивания гидросооружений, размещение сухих отвалов на намывных основаниях. ЕПЗ
— Коротко об авторах
Гальперин А.М. - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет, Moscow state mining university, Russia, ud@msmu.ru Кутепов Ю.И. - профессор, доктор технических наук, Спб ГИ (ТУ), Санкт-Петербург, Email: spmi@mail.wplus.net
Круподеров B.C. - профессор, доктор геолого-минералогических наук, ФГУП ВСЕГИН-ГЕО, Моск. обл., E-mail: vseginge@rol.ru mb,
Семенов О.Д. - инженер, ОАО «Лебединский ГОК», E-mail: gok@lebgok.ru
А
------------------------------------------------------- МАРТЫШКА К СТАРОСТИ
СЛАБА ГЛАЗАМИ СТАЛА...
И.А. Крылов
Многие думают, что история с неумением обращаться с очками — иносказание. Но у нее может быть и буквальное прочтение. В литературе, живописи, мемуарах фигурирует множество крестьян XIX века, но сложно найти среди них очкарика. Пьер Безухов, да и другие дворяне носили очки, а крестьяне, мелкие обыватели и ремесленники первой половины XIX века не имели такой возможности. Возможно, низшие классы были повально неграмотны и очки им были ни к чему. Возможно, они не доживали до возраста потери зрения. Возможно, очки им были не по карману. Не исключаю, что помещики просто запрещали своим крепостным надевать очки, чтобы те знали свое место.
Из книги Л.Х. Гитиса «Верхом на тигре». М.: Горная книга, 2009. С.181
І42
