CC BY
10
© А.П. Чсрсмхина, 2013
УДК 624.131 А.П. Черемхина
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ С ЦЕЛЬЮ ОБОСНОВАНИЯ БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ РАСКОНСЕРВАЦИИ ГИДРООТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД
Рассмотрены особенности инженерно-геологических условий гидроотвалов Кузбасса с длительным сроком эксплуатации и консервации, которые следует учитывать при разработке программы исследований для обоснования проектов расконсервации сооружений. Представлены результаты инженерно-геологических исследований гидроотвала на р. Прямой Ускат разреза Красноброд-ский в Кузбассе.
Ключевые слова: гидроотвал, расконсервация, инженерно-геологические исследования.
В настоящее время сдерживающим фактором применения гидромеханизационного способа на разрезах Кузбасса является отсутствие участков земли, пригодных для возведения гидроотвалов. Решение данной проблемы на ряде предприятий осуществляется за счет возобновления эксплуатации (расконсервации) намывных сооружений, находящихся на стадии длительного отдыха. Для обеспечения безопасных условий расконсервации гидроотвалов и последующего их намыва до высоты 75 и более метров требуется надежное расчетное обоснование устойчивости откосов намывного сооружения, информационной основой которого являются результаты инженерно-геологических исследований на момент расконсервации гидроотвала.
При постановке инженерно-геологических исследований необходимо опираться на практический опыт изучения гидроотвалов Кузбасса, который показывает, что все намывные массивы имеют общие за-
кономерности в строении, характере изменчивости свойств пород в плане и по глубине. Известно, что состав и свойства намывных пород изменяются по площади гидроотвала вследствие фракционирования намываемого материала: обычно на пляже намыва формируются более грубые осадки - супесчано-суглинистые, а в прудковой зоне -более тонкодисперсные отложения -глины [1—5]. Состав намывных пород и закономерности его изменения в пределах массива во многом определяются особенностями намываемого материала. В гидроотвалы Кузбасса складируют разрабатываемые средствами гидромеханизации грунты неоген-четвертичного возраста, представленные пылевато-глинистыми разновидностями. Исходный материал попадает в сооружение в деструктурированном и сильно гидратированном виде, с соотношением твердого и жидкого вещества примерно 1:10. Специфика состава складируемого материала
предопределяет формирование в намывном массиве, даже в пределах пляжной зоны, отложений суглинистого и супесчаного состава с низкими фильтрационными и прочностными свойствами. По мере увеличения высоты сооружения в ходе его эксплуатации происходит постепенное уплотнение намывных пород, что предопределяет неоднородность намывных массивов по глубине. Все гидроотвалы с большой мощностью намывного массива (более 30м) имеют неоднородное строение, характеризующееся постепенным увеличением степени ли-тификации и прочности пород по глубине.
Выраженность процессов уплотнения намывных пород во времени зависит от скорости рассеивания порового давления, которое в свою очередь зависит от интенсивности намыва, мощности намывного массива и условий его дренирования, а также фильтрационно-компрессион-ных свойств уплотняемых отложений. Обычно намыв гидроотвалов ведется с большой интенсивностью, что способствует постепенному росту избыточного порового давления не только во внутренних частях гидроотвала, но и во внешних — в пределах призмы возможного оползания откосов. Последнее обстоятельство весьма существенно влияет на условия устойчивости высоких гидроотвалов, определяя повышенный риск их эксплуатации [4].
После завершения эксплуатации гидроотвала источники возмущения порового давления, связанные с технологиями гидроотвальных работ и строительством дамб наращивания, прекращают функционировать, наступает период, так называемого
«отдыха», характеризующийся рассеиванием давления в поровой воде, дегидратацией и уплотнением намывного массива, нарастанием прочности намывных пород. Все эти процессы, способствуя повышению несущей способности намывных пород, положительным образом изменяют инженерно-геологические условия гидроотвалов для дальнейшего проведения рекультивационных или иных работ. Изучение нескольких гидроотвалов, различающихся между собой по площади, мощности и технологии формирования намывного массива, позволило среди всех факторов, влияющих на величину и характер распределения избыточного порового давления в массиве, выделить главные для стадии консервации — срок отдыха, т.е. промежуток времени, прошедший после окончания эксплуатации сооружения, и дренажные условия в основании намывного массива [4, 5].
Учитывая отмеченные специфические особенности гидроотвалов вскрышных пород, программа инженерно-геологических исследований, выполняемых на стадии проектирования расконсервации гидроотвалов должна обеспечивать получение информации для районирования намывного массива вдоль границ существующего сооружения в пределах ширины упорной призмы проектируемого намывного массива, а также для обоснования расчетных параметров физико-механических свойств пород, используемых в расчетах устойчивости гидроотвала и прогнозе изменения напряженно-деформируемого состояния пород.
Данная программа предусматривает комплексное использование полевых и лабораторных методов,
включая: специальное инженерно-геологическое зондирование и геофизические исследования, направленные на установление зональности намывного массива и неоднородности его по глубине; бурение в различных зонах; лабораторное определение физико-механических свойств пород; измерение порового давления [6]. Особое значение среди полевых методов имеют измерения порового давления в гидроотвалах, результаты которых дают достоверную информацию о напряженном состоянии пород в массиве, что существенно повышает эффективность расчетов устойчивости откосов техногенных массивов. Лабораторные методы направлены на определение показателей физико-механических свойств пород, характеризующих начальное состояние массивов, и установление закономерностей их изменения при последующем нагруже-нии. Приборная база и методика испытаний механических свойств соответствует принятым стандартам, но исследования прочности намывных пород должны обязательно учитывать поровое давление ввиду незавершенности процессов фильтрационной консолидации, что наиболее полно обеспечивает метод трехосного сжатия.
В качестве примера рассмотрим результаты инженерно-геологических исследований гидроотвала разреза «Краснобродский» УК «Кузбас-сразрезуголь», которые выполнялись организациями «Запсибгеология» (г. Новосибирск) и НПФ «Карбон» (г. Санкт-Петербург) с целью получить информацию для разработки технических решений по возобновлению его намыва после длительного срока консервации (8 лет).
Гидроотвал расположен на реке Прямой Ускат, относится к сооружениям овражно-балочного типа с трехсторонним обвалованием (рис. 1). Его емкость 54,8 млн. м3 обеспечена несколькими дамбами наращивания общей высотой 54,3 м (в тальвеге лога), протяженностью 4975 м. площадь — 228 га. Гидроотвал эксплуатировался с использованием безэстакадного торцевого намыва из выпусков, расположенных на восточном участке дамбы. При данном способе намыва сформировался техногенный массив с закономерным увеличением степени дисперсности состава осадков в направлении от восточной дамбы к западной границе сооружения.
Бурение скважин и электромагнитное обследование подтверждают предположение о неоднородности намывного массива вдоль ограждающих дамб, как по глубине, так и в плане (рис. 2). По глубине наблюдается повышение степени консолидации намывных грунтов и уменьшение их влажности. Исключение составляет участок техногенного массива вдоль юго-западного контура ограждающей дамбы, где слабоуплотненные грунты прослеживаются почти по всей глубине разреза гидроотвала до естественного основания. Рассматривая изменчивость условий по периметру гидроотвала вдоль дамб, можно отметить постепенное уменьшение степени консолидации намывных пород в направлении от поперечной (восточной) дамбы к юго-западу — с одной стороны сооружения и с северо-запада к юго-западу - с другой стороны.
Намывные породы гидроотвала представлены частым чередованием суглинков и глин различной кон-
-1 инженерно-геологический профиль
• скв. 11 скважины опробования (2004 г.)
Рис. 1. Схема гидроотвала на р. Прямой Ускат
систенции, изредка встречаются слои, содержащие дресвяный и щебенистый материал (мелкую и среднюю фракции). По гранулометрическому составу все отложения относятся к пылеватым разновидностям, содержание пыли в пробах грунта иногда достигает 86 % при среднем значении около 65 % как для суглинков, так и для глин.
Среди суглинков в зависимости от содержания глинистой фракции (от 11 до 25 %) встречаются легкие, средние и в меньшей степени тяжелые разновидности. Глины весьма однородны, содержание глинистой фракции в них не более 30-38 %. Для суглинков постепенный переход от текучепластичного до полутвердого и твердого состояния характеризуется снижением влажности (от
33 до 22 %), пористости (от 46 до 38 %) и повышением плотности (от 1,97 до 2,07 г/см3), что говорит об увеличении степени их уплотнения (табл. 1).
В соответствии с этим наблюдается и рост сцепления пород (от 0,075 до 0,35 кг/см2); угол внутреннего трения практически не изменяется и составляет для суглинков в среднем 210. Аналогичная тенденция наблюдается и для глин: снижение влажности (от 38 до 30 %), пористости (от 48 до 45 %), повышение плотности (от 1,91 до 1,95 г/см3), сцепления (от 0,23 до 0,4 кг/см2) при постоянном угле внутреннего трения (в среднем 120).
По результатам исследований обоснованы параметры свойств пород существующего намывного мас-
Скважина 3 (юго-западный участок -зона глинистых отложений)
Глубина Инженер но-строение На> 1 Характеристика порол Инжснерно-
Насыпные породы дамбы щебень, дресва с суглинистым V
Суглинок легкий, текучепласт Пг
21.2 Глина пылеватаа. Шв
10 0 м 3.3 м ( в конце СЛОЯ - ""." :ГГТ гнтт. . 1116
1Утопластнчнын По
Па
20 0 я Глина пылсватая. тугеплаетнчная Шо
л 121. Суглинок средний пылеванин. Па
полутвердый
25.0 м Суглинок средний пылеватый. [1в
' д,.к, ; мягкопластнчныи
30.0 м Коренные породы
четвертичные глины, твердые
Скважина 4 (восточный участок зона суглинистых отложений
Рис. 2. Инженерно-геологические разрезы по скважинам с указанием мест установки датчиков порового давления и значений напоров, замеренных на начало расконсервации
Таблица
Расчетные параметры свойств намывных пород гидроотвала на р. Прямой Ускат
Участок гидроотвала Инженерно-геологический элемент р , т/м3 С, т/м2 Ф, 0
Восточный ИГЭ 1 - суглинки мягко- и туго- 2,00 2,0 21
пластичные
ИГЭ 2 - суглинки полутвердые и 2,05 3,5 21
твердые
Западный ИГЭ 3 - глины тугопластичные и 1,92 3,5 12
твердые
Юго-западный ИГЭ 4 - суглинки и глины текуче- 1,95 1,5 17
и мягкопластичные
ИГЭ 5 — суглинки и глины полу- 2,00 3,75 17
твердые
В таблице: р — плотность; С - сцепление; ф — угол внутреннего трения пород.
сива для выполнения расчетов устойчивости гидроотвала. На восточном участке выделено два инженерно-геологических элемента: ИГЭ 1 -верхняя часть намывного массива мощностью 20 м, представленная суглинками мягко- и тугопластичной
консистенции; ИГЭ 2 - нижняя часть намывного массива, сложенная суглинками полутвердой и твердой консистенции. На западном участке намывной массив в верхней части представлен тугопластичными глинами, а в нижней - полутвердыми.
Поскольку прочностные свойства этих грунтов близки между собой намывной массив здесь не разделяется на слои, а представлен одним элементом (ИГЭ 3), который охарактеризован наименьшими параметрами прочностных свойств, соответствующими изученным глинам. На юго-западном участке намывной массив разделен на два слоя: верхние 7 метров намывных пород выделены в «слабый» слой (ИГЭ 4) и охарактеризованы средними прочностными параметрами между суглинками и глинами текуче-пластичной и мягкопластичной консистенции; нижняя часть намывного массива (ИГЭ 5) представлен суглинками и глинами полутвердой консистенции. Расчетные параметры ИГЭ приведены в таблице.
Для того чтобы определить сохраняется на сегодняшний день избыточное поровое давление и какова степень обводнения откосов в гидроотвале на р. Прямой Ускат были проведены непосредственные натурные замеры порового давления с помощью специальной тензомет-рической аппаратуры. Для этих целей скважины на восточном и юго-западном участках были оборудованы как стационарные наблюдательные пункты. В них на различные глубины в намывные породы и отложения естественного основания установлены датчики, по которым в течение нескольких месяцев производились регулярные наблюдения. В качестве КИА для замеров порового давления использованы датчики струнного типа (ПДС-3 и ПДС-10).
В результате исследований установлено, что избыточное поровое давление в намывных грунтах отсутствует, т.е. процессы фильтрационной консолидации за срок 8 лет пол-
ностью реализованы. Откосы гидроотвала обводнены фильтрационным потоком не полностью, уровень воды в скважинах находится ниже насыпных пород дамб наращивания. Давление по датчикам колеблется во времени, четких тенденций в изменениях не прослеживается. По характеру колебаний гидростатических давлений можно сказать, что гидравлическая связь между отдельными слоями толщи затруднена. Если замеренные величины порового давления представить в виде напоров (рис.2), то прослеживается тенденция снижения величины напоров с глубиной массива. Это свидетельствует о том, что разгрузка фильтрационного потока осуществляется за счет его дренирования через поверхность откоса и в основание. На юго-западном участке эта тенденция искажена за счет повышенного напора в нижней части откоса, что обусловлено подтоплением откоса расположенным здесь водоемом.
Выводы
1. При постановке инженерно-геологических исследований с целью обоснования безопасных условий расконсервации гидроотвалов необходимо учитывать общие для всех гидроотвалов Кузбасса закономерности формирования неоднородных в плане и по глубине намывных массивов, а также тенденции изменения порового давления во времени в процессе фильтрационной консолидации.
2. Программа инженерно-геологических исследований на гидроотвалах должна предусматривать комплексное использование полевых и лабораторных методов. При этом полевые методы (специальное инженерно-геологическое зондирование и геофизические исследования) позволяют установить зональность намывного массива и его неоднородность по глубине; а
лабораторные методы - определить расчетные параметры физико-механических свойств намывных пород выделенных инженерно-геологических элементов.
3. Изучение порового давления -один из наиболее важных и необхо-
димых видов инженерно-геологических исследований на гидроотвалах, позволяющий получать достоверную информацию о напряженно- деформированном состоянии и свойствах намывных пород для решения различных инженерных задач.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гальперин A.M., Зайцев B.C., Кириченко Ю.В. Инженерно-геологическое и геотехническое обеспечение возведения, консервации и рекультивации гидроотвалов и хвостохра-нилищ (анализ 30-летнего опыта). // Геоэкология, 2000, №4.
2. Гальперин A.M., Фёрстер В., Шеф Х.-Ю. Техногенные массивы и охрана природных ресурсов. Том I. Насыпные и намывные массивы. - М.: Изд. МГГУ, 2006.
3. Кутепов Ю.И., Кутепова H.A. Техногенез намывных пород // Геоэкология, 2003, №5. М.: Наука. — С.405-413.
4. Кутепов Ю.И., Кутепова H.A. Изучение порового давления в намывных массивах // Геоэкология, 2006, №2. — С. 156-166.
5. Кутепов Ю.И., Кутепова H.A.., Саркисян А.Х. Изучение инженерно-геологических условий гидроотвалов Кузбасса на различных этапах существования // ГИАБ, 2004. №5 -М.: Изд-во МГГУ. — С. 145 — 149. ЕИЭ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Черемхина Анастасия Петровна — аспирант, Cheremhina_1@mail.ru,
Научный центр геомеханики и проблем горного производства, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
ГОРНАЯ КНИГА
Методы определения параметров отвалов и технологии отвалообразования на склонах
A.M. Гальперин, Ю.И. Кутепов, Г.М. Еремин 2012 г. 104 с.
ISBN: 978-5-98672-333-4 UDK: 622.693.26
Приведены основные научно-методические и технологические положения по определению параметров отвалов и технологии отвалообразования в различных зонах и условиях от отвалов небольшой высоты до высоких (до 200—300 м и больше). Показаны особенности возникновения деформаций отвалов на склонах, объяснены их причины и предложены эффективные мероприятия по снижению деформаций отвалов при влиянии трещинных и паводковых вод, выходящих на склоны, а также при ливневом насыщении пород водой регулированием интенсивностью отсыпки пород в отвалы и отводом воды за счет создания водоотводящих каналов. Приведены примеры реализации методов посредством создания высоких отвалов большой вместимости в различных условиях.
