CC BY
75
- © А.М. Гальперин, Ю.И. Кутепов,
В.С. Круподеров, А.В. Киянец, 2012
УДК 338.45:622.3
А.М. Гальперин, Ю.И. Кутепов, В.С. Круподеров, А.В. Киянец
ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ И ОСВОЕНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Проведен анализ состояния техногенных массивов на горных предприятиях. В качестве важнейших объектов рассматриваются отвальные насыпи, гидроотвалы и хвостохранилища. Реализован комплексный подход к экологически безопасному освоению намывных техногенных массивов, обосновано и осуществлено размещение на намывных основаниях отвальных насыпей. При этом отмечается ведущая роль гидрогеомеханического мониторинга при оперативной оценке состояния водонасыщенных породных масс. Ключевые слова: гидроотвалы, хвостохранилища, отвальные насыпи, инженерно-геологические исследования, гидрогеомеханический мониторинг.
основным результатам деятельности научной школы
»»горно-промышленной (рудной) геологии МГИ-МГГУ могут быть отнесены:
- разработка принципов и методов оценки промышленной угленосности важнейших угольных бассейнов (А.А. Гапеев), углепетрографические исследования для оценки качества и направления использования углей (И.В. Еремин);
- создание научных основ геологического обеспечения управления качеством руд при добыче (В.В. Ершов, В.А. Ермолов);
- создание научных основ гидрогеологического и инженерно-геологического обеспечения при подземных и открытых горно-строительных и горно-эксплуатационных работах (С.В. Троянский, П.Н. Панюков, Г.Н. Харитоненко, А.М. Гальперин);
- обеспечение промышленной и экологической безопасности техногенных массивов отходов горного производства на основе их комплексного геологического изучения (А.М. Гальперин, В.А. Ермолов, В.В. Мосейкин и др.);
- разработка технических средств и методов геомониторинга на карьерах (А.М. Гальперин, В.С. Зайцев, Ю.В. Кириченко);
- гидрогеологическое и инженерно-геологическое обоснование конструкции и технологии возведения объектов подземного строительства в мегаполисах (Г.Н. Харитоненко);
- создание музея горнопромышленной геологии, разработка и реализация принципов формирования региональных экспозиций (В.В. Ершов, В.Г. Фекличев, Т.В. Дубровская, В.Я. Герасименко).
Следует отметить, что наряду с проведением научных исследований по вышеперечисленным направлениям, коллективом кафедры геологии МГГУ подготовлен комплекс учебников по всем дисциплинам геологического цикла для студентов горнотехно-логических специальностей, а также ряд учебников по смежным дисциплинам экологической и геомеханической направленности.
В рамках данного доклада рассматриваются результаты многолетней работы сотрудников МГГУ, ВНИМИ-СПбГИ(ТУ), ВИОГЕМ, ВСЕГИНГЕО и горнодобывающих предприятий КМА и Кузбасса, посвященной освоению отвальных насыпей, гидроотвалов и хвостохранилищ на горных предприятиях.
В Российской Федерации значительные территории горнопромышленных районов, в том числе с плодородными почвами, заняты отвалами и гидроотвалами, хранилищами отходов обогащения полезных ископаемых. Эти горнотехнические сооружения занимают значительные площади, сложены отложениями с низкой прочностью и несущей способностью, что влечет за собой развитие опасных геологических процессов и сопутствующее им загрязнение окружающей среды.
В результате разработки месторождений и последующего передела полезных ископаемых образуются техногенные массивы - искусственно сформированные в природном ландшафте геологические тела из обломков горных пород, отходов обогащения, зол, шлаков, шламов и пр. Площади земельных отводов крупнейших горнодобывающих предприятий измеряются тысячами гектаров отчуждаемых и нарушаемых земель. Разработка месторождений сопряжена также с потерями ценных компонен-
тов в недрах при некомплексной переработке добываемого минерального сырья.
В отвалах российских горных предприятий размещены значительные объемы вскрышных пород, измеряющиеся десятками миллиардов кубометров. Только в гидроотвалах и хвостохрани-лищах уложено около 5 млрд м3 отходов обогащения полезных ископаемых и более 1.5 млрд м3 вскрышных пород. Эти сооружения - объекты повышенной экологической опасности, вызывающие загрязнение воздуха, подземных и поверхностных вод, почв, изменение биоценозов на обширных территориях. Выполнение комплекса инженерно-геологичес-ких, гидрогеомеханиче-ских и геолого-геохимических исследований техногенных массивов необходимо для обоснования мероприятий по обеспечению их устойчивости, экономии водных и земельных ресурсов, пополнения минерально-сырьевой базы горных предприятий.
Реализован комплексный подход к экологически безопасному освоению техногенных массивов, предусматривающий:
- получение информации об их состоянии на всех стадиях формирования и последующего использования с применением различных средств и способов интерактивного мониторинга;
- разработку (преимущественно гидромеханизированную) как обводненных техногенных месторождений;
- дальнейшее наращивание гидроотвалов и хвостохранилищ как намывных сооружений для повышения их вместимости, экономии земельных и водных ресурсов;
- использование территорий гидроотвалов и хвостохранилищ в качестве оснований отвалов «сухой» вскрыши;
- рекультивацию поверхности отвальных и гидроотвальных массивов;
- гидромеханизированную разработку гидроотвалов для подготовки перекрываемых ими угольных месторождений к разработке открытым способом;
- функционирование сложных природно-технических систем, включающих отвальную насыпь, намывной массив и борт карьера.
Гидрогеомеханика - научное направление, в рамках которого с единых методологических позиций осуществляется «совместное и взаимоувязанное рассмотрение закономерностей механики грунтов и фильтрации подземных вод ... применительно к
задачам гидрогеологии и инженерной геологии в рамках одной научной дисциплины». Это научное направление создано профессорами В.А. Мироненко и В.М. Шестаковым [1].
Отсутствие надежного гидрогеомеханического обоснования технологии формирования гидроотвалов и хвостохранилищ приводит к аварийным ситуациям, которые создают угрозу для жизни людей, приводят к заилению глинистыми или токсичными пульпами плодородных земель, загрязнению поверхностных и подземных вод. Аварии на намывных горнотехнических сооружениях могут повлечь за собой техногенные катастрофы регионального уровня (Стебниковский ГХК, 1983 г., Качканарский ГОК, 1999 г., золотоперерабатывающее предприятие Байя-Маре, Румыния, 2000 г., и др.), которые можно было бы предупредить при наличии надежной наблюдательной сети и соответствующих технических средств.
В качестве основных направлений инженерно-геологического и гидрогеомеханического обеспечения при возведении намывных горнотехнических сооружений рассматриваются [2, 3]: 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, 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 (влажность, плотность, пористость); сопротивление сдвигу; гранулярный состав и микростроение. Экспериментально обоснована применимость теории фильтрационной 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 Чуфичева», «Балка Безымянная» (комбинат «КМАРуда», Лебединский и Стойленский ГОКи, Старооскольский железорудный район КМА), «Михайловский» и «Шамаровский Лог» (Михайловский ГОК, Михайловский железорудный район КМА), «Новобачатский», «Бе-ковский», «Свободный», «Прямой Ускат» (Кузбасс); хвостохра-нилища Вяземского песчано-гравийного ГОКа, Лебединского и Михайловского ГОКов (КМА), Северного ГОКа (Кривбасс, Украина), Ангренского угольного разреза (Узбекистан) и струенаправ-ляющие 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 «Петрико-ва» - со специально созданной из твердых пород вскрыши призмы через кондукторы.
С 70-х годов прошлого века представительные работы по изучению намывных массивов гидроотвалов разрезов Кузбасса выполняются сотрудниками лаборатории гидрогеологии и экологии ВНИМИ [4]. Ныне это научное подразделение входит в состав НЦ геомеханики и проблем горного производства СПГГИ (ТУ). Исследования производились на гидроотвалах Кузбасса и Канско-Ачинского угольного бассейна, хвостохранилищах углеобогащения России и Украины, а также других намывных объектах различного назначения. В частности, произведено обоснование наращивания ограждающих дамб на гидроотвалах: «Беков-ский» (общей высотой до 75 м), «Еланный Нарык» (до 50 м), на р. Еловка (до 60 м), «Прямой Ускат» (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 горногеологических 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 до 70 млн т угля. Заслуживают внимание работы по обоснованию параметров сложнейшей природно-техногенной системы (ПТС) «борт раз-реза+гидроотвал+отвал сухих пород». Данная система включает в себя «слабое» звено - намывной массив, поведение которого, во многом, определяет безопасные условия ее функционирования. Так, при отработке запасов на центральном блоке Новосергеев-
ского поля разреза «Краснобродский» была сформирована ПТС, включающая 220-метровый борт разреза, 25-метровый гидроотвала 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 нормативно-методических документов, которые включают методики инженерно-геологических, гидрогеологических и маркшейдерских работ, гидрогео-механическое 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. Гидрогеомеханический мониторинг включает изучение строения отвального сооружения, напряженного состояния и физико-механических и водных свойств пород, которые предлагается осуществлять с привлечением буровых работ, полевых и лабораторных методов исследования, опытно-промышленных экспериментов. Маркшейдерский контроль обеспечивает наблюдения за деформациями намывных и насыпных массивов, а технологический - за соблюдением предложенного в проекте порядка развития отвала (гидроотвала) и параметров отвалообразования. По результатам выполненных инженерно-геологических и гидрогеологических работ вносятся изменения в гидрогеомеханическую модель объекта и выполняются расчеты устойчивости, а затем с привлечением результатов маркшейдерского и технологического мониторинга осуществляется корректировка параметров сооружений.
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) qi и сопротивлении вращательному срезу т. Конструкция зонда предусматривает возможность использования как струнных, так и тен-зометрических датчиков.
Трехпараметрический зонд МГГУ-ДИГЭС использовался для исследования основания струенаправляющей дамбы Шатурской ГРЭС (1993 г.), тела гидроотвалов «Лог Шамаровский» МГОКа (1995-1999 гг.), «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 зондировочной 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 условиях 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 инженерно-геологическими картами и разрезами, включают также для различных по мощности фя) и составу зон намывного массива таблицы значений во времени осадок Sh, t) и допустимых внешних нагрузок на намывное основание Р&пфя , t). Инженерно-геологическое 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 «Бачатский»), «Новобачатский» («Красно-бродский»), № 3 (разрез «Кедровский»), «Южный» (разрез «Кол-могоровский - Сартаки»); КМА - гидроотвал «Лог Шамаровский» (МГОК), гидроотвалы «Березовый Лог», «Балка Чуфичева», «Балка Суры» (ЛГОК); хвостохранилище «Балка Петрикова» (СевГОК, Кривбасс).
В последнее десятилетие (после 1999 г.) в лабораторных и полевых исследованиях техногенных отложений на объектах КМА принимал участие ФГУП ВСЕГИНГЕО [5], которым определялся комплекс водно-физических и механических показателей отходов рудообогащения, намывных грунтов гидроотвалов, пес-чано-глинистых отложений оснований хвостохранилищ ЛГОКа и СГОКа и гидроотвалов, а также основания и тела отвала меловых пород СГОКа. Пройдено около 1000 п.м. зондировочных скважин с помощью станции пенетрационного каротажа СПК-Т.
Геоэкологическое обеспечение гидромеханизированной разработки техногенных месторождений хвостохранилищ включает: геолого-технологическую диагностику отходов обогащения; геолого-технологическое картирование объектов с выделением участков со статистически однородным распределением полезных компонентов; оценку возможности применения земснарядов или гидромониторно-землесосных комплексов; оконтуривание границ хвостохранилищ, 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 хвостохранилища - 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 (Fe^ - 17.5 -г 20.5 %, магнети-тового - 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 хвостохранилища 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 водооборота. Для восполнения потерь планируется использовать естественные и промышленные стоки.
Опыт гидромеханизированной разработки аварийного хво-стохранилища 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 Удачнинско-го ГОКа АК «АЛРОСА», хвостохранилища и гидроотвала ОАО «Лебединский ГОК».
Применительно к условиям действующего хвостохранилища Оленегорского ГОКа (ОАО «ОЛКОН») МГГУ совместно с проектной конторой «Гидромехпроект» 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 хвостохранилища 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 пыле-ние пляжей, осуществлять поэтапное последующее использование намытых отложений (например, для производства стройма-
териалов) и рекультивацию отдельных участков хвостохрани-лища еще во время эксплуатации.
В 2003 г. МГГУ совместно с проектной конторой «Гидромех-проект» и ООО «Карбон» выполнены предпроектные проработки по экологически безопасной технологии дальнейшего формирования законсервированного хвостохранилища 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 хвосто-хранилищем 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 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.
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) около 60 млн. м3.
В 2008 г. Лебединским ГОКом и МГГУ разработаны мероприятия по повышению вместимости хвостохранилища и гидроотвала более чем на 350 млн м3 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 [7].
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 ВНИМИ [6] и усовершенствованное специалистами МГГУ применительно к объектам КМА [7]. Устройство обеспечивает оперативный контроль за гидростатическим давлением 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.
В Кузбассе на более чем 40 объектах в различное время велись и в настоящий момент времени ведутся отвальные работы. Так, на одном из крупнейших гидроотвалов Кузбасса («Сагарлыкский»), 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 «Тал-
динский». Его площадь рекомендуется использовать под отвалы «сухих» пород высотой до 80 м. 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 зондирования использованы 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 тупиков составляет около 3 млн м3 в год.
Реализация разработанных на основе комплексных инженерно-геологических исследований рекомендаций обеспечивает размещение около 30 млн м3 рыхлой вскрыши и более 100 млн м3 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 гидроотвально-хвостового хозяйства, создание которого обосновано исследованиями и проектными прора-
ботками институтом ВИОГЕМ, НИИКМА, Центрогипроруда, 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 гидроотваль-но-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-меловых грунтов). На рекультивированном участке хвостохранилища Лебединского ГОКа в 2000-2003 гг. МГГУ проводились эколого-геохи-мические исследования нанесенного почвенно-растительного слоя, суглинисто-меловых экранов и отходов рудообогащения.
Обеспечению устойчивости ограждающих дамб и пыле-подавлению 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. Разработаны системы геолого-маркшейдерского обеспечения формирования и функционирования намывных техногенных массивов (НТМ), включающие методики их ин-
женерно-геологического, гидрогеологического, маркшейдерского и геолого-экологического изучения, обоснования параметров намывных сооружений и технологий их дальнейшего освоения.
Геомониторинг позволяет оперативно получать информацию о состоянии намывного массива и откосных сооружений, 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.
2. 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 инженерно-геологическое районирование НТМ по составу пород, несущей способности Рдоп и осадкам S различных зон намывных горнотехнических сооружений на заданный момент времени.
3. Выполнение эколого-геохимических 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.
4. Обосновано и осуществлено размещение на намывных основаниях сухих отвалов в объеме свыше 0.5 млрд.м3 для объектов угольной (Кузбасс) и железорудной (КМА) промышленности.
5. Создание объединенных отвально-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 с использованием скальной вскрыши для наращивания гидросооружений, размещение сухих отвалов на намывных основаниях. - СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Основы гидрогеомеханики. - М.: Недра, 1974.
2. Гальперин А.М., Дьячков Ю.Н. Гидромеханизированные природоохранные технологии. - М.: Недра, 1993.
3. Гальперин А.М. Геомеханика открытых горных работ. - М.: Изд-во МГГУ, 2003.
4. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. Изучение порового давления в намывных массивах. Геоэкология, № 2, 2006.
5. Круподеров В.С., Титянин В.А. Пенетрационный каротаж при инженерно-геологических исследованиях. ГИАБ, № 1, 2007.
6. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Мильман Г.Л. Методика и технические средства гидрогеомеханического мониторинга безопасности промышленных гидротехнических сооружений. Инженерные изыскания, май, 2009.
7. Гальперин А.М., Панфилов А.Ю., Пуневский С.А., Пелагеин И.В. Гидрогеомеханический мониторинг намывных сооружений горных предприятий. Гидротехническое строительство, № 1, 2011. вгста
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Гальперин А.М. - профессор доктор технических наук, заведующий кафедрой, Московский государственный горный университет, [email protected] Кутепов Ю.И. - Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет), [email protected] Круподеров В.С. - ВСЕГИНГЕО, [email protected] mb, Киянец А.В. - ВИОГЕМ, [email protected]
