CC BY
18
© В.В. Ческидов, 2015
УЛК 624.131.3:550 В.В. Ческидов
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОД ОСНОВАНИЯ ОГРАЖДАЮЩИХ ДАМБ ХВОСТОХРАНИЛИЩА СТОЙЛЕНСКОГО ГОКА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕКУЩЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПАСА УСТОЙЧИВОСТИ
Приведены сведения о проведенных инженерно-геологических исследованиях глинистого слоя в основании откосных сооружений хвостохранилиша ОАО «Стойленский ГОК». Освящены вопросы проектирования сетей опробования с целью получения достоверной и достаточной информации о состоянии породных массивов для повышения точности определения текущего коэффициента запаса устойчивости, что позволяет обеспечить промышленную и экологическую безопасность ведения работ.
Ключевые слова: горные работы, инженерно-геологические исследования, откосные сооружения, ограждающие дамбы, слабое основание, глинистые породы, коэффициент запаса устойчивости.
Анализ аварийных ситуаций на гидротехнических сооружениях в России и за рубежом показывает, что основными их причинами являются: нарушения технологического процесса, в том числе связанные с человеческим фактором, а также потеря устойчивости плотин и дамб, вызванная изменением гидрогеомеханического состояния массива пород основания и тела насыпи. Необходимо отметить, что во второй половине XX и XXI века на многих горнодобывающих предприятиях были сформированы уникальные объекты складирования отходов мокрого обогащения, многие из которых продолжают функционировать и сегодня (хвостохранилища Стой-ленского, Лебединского и др. ГОКов), аварийные ситуации на них приведут к последствиям континентального масштаба. Прогнозирование поведения такого рода техногенных массивов осложняется отсутствием опыта их сооружения в прошлом, что в конечном итоге определяет необходимость проведения постоянных наблюдением за изменением инженерно-геологи-
ческой и гидрогеологической обстановки, позволяющих оценить влияние природных и техногенных факторов на устойчивость ограждающих дамб.
Откосные сооружения хвостового хозяйства ОАО «Стойленский ГОК» являются объектом исследования кафедры геологии МГИ НИТУ МИСиС (бывший МГГУ) уже более десяти лет. В этот периоды был проведен комплекс работ по определению изменения свойств слабого глинистого слоя в основании головной плотины и дамбы защиты отвалов, а также по развертке системы удаленного контроля уровня воды в пьезометрических скважинах по слабейшим профилям.
Программа мониторинга включает комплексные исследования свойств пород основания с интервалом в четыре года, такая периодичность позволяет с высокой точность рассчитывать коэффициент запаса устойчивости откосных сооружений. Последняя серия изысканий на головной плотине была осуществлена в 2011 году. Сеть опробования для изысканий спроектирована на основе данных, полученных в процессе комплексного зондирования станцией СПК-Т в 2007 г. для слоев, сложенных суглинками и иловатыми глинами и залегающих на уровне 7-13 м от поверхности.
Как показывает анализ многолетних наблюдений за состоянием головной дамбы, наименьший коэффициент запаса устойчивости наблюдается по створу «3» и колеблется в незначительных пределах около величины 1,42 (по остальным профилям он составляет 1,6—1,7) в зависимости от режимов намыва. В связи с этим было принято решение о необходимости проведения дополнительных инженерно-геологических изысканиях основания плотины в ее нижней части между створами «2» и «4». Это позволило получить сведения о текущих свойствах слагающих пород и повысить достоверность определения коэффициента запаса устойчивости.
В процессе изысканий сезона 2011 года предполагалось исследование обоих слабых слоев в основании путем проведения комплексного зондирования и отбора проб для лабораторных испытаний. Поэтому позиционирование выработок осуществляется на основе усредненной обобщенной функции изменчивости механических свойств суглинистого и глинистого слоев[1-4].
Обобщенные функции изменчивости для суглинистого и глинистого слоев соответственно (рис. 1).
О 50 100 150 200 250 300
расстояние от скв № 1
Рис. 1. Обобщенная функция изменчивости свойств грунтов основания головной дамбы хвостохранилища СГОК: 1 - суглинистого слоя, 2 - глинистого слоя, 3 - усредненная функция, 4 - положение створа № 4
Как показали расчеты, средний шаг опробования по оси функции изменчивости при позиционировании четырех скважин составил 0,176, на основе этого было получено расположение выработок в профиле (табл. 1).Летом 2011 г. проведено комплексное зондирование, предусматривающее совместные определения сопротивления вращательному срезу (хк) и общего поро-вого давления (Рш) в основании головной плотины в точках, положение которых определено выше (рис. 2). Работы выполнялись с помощью буровой установки УГБ-100 на базе ЗИЛ [5].
Кроме того была пробурена инженерно-геологическая скважина (глубиной 14,5 м) с отбором образцов нарушенной структуры (средний шаг опробования 1,5 м) для лабораторных испытаний глинистых грунтов оснований. При проведении работ первые 7 метров (обводненные намывные техногенные отложения, образованных преимущественно песчаной фракцией) обсаживались металлической трубой d=154 мм. Далее осуществлялся отбор и упаковка проб естественного основания дамбы в соответствии с ГОСТ 12071-2000 «Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов».
Рис. 2. Схема участка ведения работ на головной дамбе хвостохра-нилиша СГОК: 1, 2 - зондировочные и инженерно-геологические скважины соответственно
Таблица 1
Расположение инженерно-геологических точек опробования между створами № 2 и № 4 при исследовании основания головной дамбы хвостохранилиша СГОК (отсчет ведется от створа № 5)
Номер выработки 4 3 2 1
Расстояние по оси параметра 0,296 0,472 0,678 0,824
Расстояние в профиле, м 170 218 245 269
Как показали результаты проведенных работ мощность погребенного в основании дамбы почвенного слоя (чернозем) составляет 0,65-0,8 м. Ниже до глубин 10,2 м залегают суглинки коричневые. Далее были вскрыты серые суглинки до глубины 14,5 м. Глубины отсчитываются от устья скважины.
Проведение комплексного зондирования показало наличие незначительных величин порового давления (Ри< 0,3 кг/см2), а сопротивление сдвигу у грунтов основание колеблется в пределах от 0,12 до 0,55 кг/см2 (рис. 3). Уменьшение порового давления по сравнению с данными 2007 г., когда в скважине № 1 наблюдался самоизлив обусловлено комплексом проведенных по увеличению отводимой воды из тела дамбы, в том числе был пробурен ряд дополнительных дренирующих скважин. На основе полученных данных были рассчитаны усредненные значения сцепления и угла внутреннего трения отложений основания (рис. 4).
Комплекс полевых исследований грунтов слабого слоя основания головной плотины хвостохранилища СГОК был дополнен лабораторными испытаниями, необходимыми для определения прочностных характеристик. Наряду с исследованием гранулярного (зернового) состава (табл. 2) и водно-физических свойств (табл. 3).
а
6
-скважина №1
--скважина №2
скважина №3 ----скважина №4
б
избыточное поровое давление, кг/см2 о 0,1 0,2 0,3 0,4
-скважина №1
--екважпна №2
■скважина №3 ----скважина №4
Рис. 3. Изменение с глубиной значений сопротивления сдвигу (т) и избыточного порового давления (Ри) слабого глинистого слоя в основании головной дамбы СГОК
Таблица 2
Гранулярный состав пород основания головной плотины СГОК
Глубина отбора, м Песок, % Пыль, % Глина, %
10,5 0,50,25 0,250,1 0,10,05 0,050,01 0,010,005 >0,005
9,2 0,1 1,1 4,3 14.0 23,4 6,5 50,6
10,4 0,3 0,7 1,6 8,6 26,6 11,0 51,2
11,4 0,1 0,1 0,8 4,2 25,8 7,1 61,9
1—' 1—' 1—' О N3 Глубина отбора, м
4^ О 4^ 40 Текучести и/т Границы
N3 1—' N3 N3 N3 Раскатываемости Ц/р
1—' 40 N3 N3 N3 СП Число пластичности
0,79 0.68 0,80 Показ, текучести
36,1 37,0 44,1 Влажность Ц/,%
2,70 2,69 2,68 Минеральная Д Плотность, г/см3
1,86 1,80 к-' "-с 4^ Естественная у
1,37 1,31 1,21 Сухого вещества ус
к-' к-' к-' о N3 Пористость п
4^ О 4^ 40 Коэффициент пористости £
N3 1—' N3 N3 N3 4^ Степень волонасышения С
3 ?
0 §
ц
1
§ г
I
н
а §
0
1
I
I
о
ч
От |
Си Оо
а
Рис.4. Обобщенные зависимости сопротивления грунтов срезу: а - в скважинах 1 и 4; б - в скважинах 2 и 3
Определение основных показателей сжимаемости слабых пород основания производилось путем их уплотнения под нагрузкой в условиях одномерной задачи. При такой схеме нагрузки, деформации могут развиваться только в одном направлении. Нагрузка на поверхность образца прикладывается ступенями, величина ее устанавливается в зависимости от естественного состояния грунта. На каждой ступени нагрузки после стабилизации замерялась осадка и строилась графическая зависимость между коэффициентом пористости и вертикальным давлением на образец (компрессионная кривая).
В ходе компрессионных испытаний фиксировалась стабилизированная осадка образцов под различными ступенями уплотняющей нагрузки (АР= 0,05 - 0,1 МПа) и через относительную осадку рассчитывались значения е,(Р) по формуле (рис. 5):
Рис. 5. Изменение коэффициента пористости при различных нагрузках для грунтов основания головной плотины хвостохранилиша СГОК
ЬЬ,Л ч 8=8- — (1 + 8).
Начальный коэффициент пористости £0(при Р=0) определялся из соотношения: 8 (1 + Ир А
ьо _ >
У
где W - влажность отложений; у и А - плотность естественная и минерального скелета грунта.
С учетом полученных данных о свойствах грунтов основания головной плотины и результатов измерения порового давления в теле головной плотины хвостохранилиша по существующей сети пьезометров были определены коэффициенты запаса устойчивости (п) обследуемого откосного сооружения по трем профилям. Расчеты осуществлялись с использованием программ, разработанных с участием автора, методами многоугольника сил и алгебраического суммирования (табл. 4, рис. 6) [16 - 18].
Таблица 4
Значения коэффициента запаса устойчивости головной плотины хвостохранилиша СГОК
№ Профиль Коэффициент запаса устойчивости, рассчитанный метолом
Алгебраического суммирования Многоугольника сил
1 2 1,7176 1,7132
2 3 1,449 1,4474
3 5 1,6635 1,66089
Название откоса: Damba Stoil GOK
Устойчивость пи МВТОДУ яш н(>[>ннчэскиго сумми|:: 'НИЧгТН
Л - 1 .ЗВВЭВ
УСТОЙЧИВОСТЬ По MOTVAY МИЭГОуПМЬНИКЗ СИГГ
ц=М<Ю0
Рис. 6. Расчет коэффициента запаса устойчивости головной плотины хвостохраннлиша СГОК по пьезометрическому профилю № 3П
Оценка устойчивости головной дамбы хвостохранилища с учетом результатов замеров порового давления по трем обследованным пьезометрическим створам показала, что коэффициенты запаса устойчивости откосов превышают нормативные значения (п>1.35) и состояние объекта не вызывает опасения.
В 2012 и 2013 гг. по аналогичной методике на основе данных, полученных ранее были позиционированы поверочные зондировочные скважины (по одной в сезон), которые подтвердили незначительные изменения физико-механических свойств глинистого слоя и тем самым обоснованность применения в расчетах полученных в 2011 г. характеристик пород. В 2015 г. запланирован очередная серия комплексных исследований основания головной плотины хвостохранилища ОАО «Стойлен-ский ГОК».
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ческидов В. В. Проектирование сетей инженерно-геологического опробования на техногенных массивах горнодобывающей промышленности// М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012, — № 12.
2. Ческидов В. В. Проектирование сетей инженерно-геологических изысканий на объектах горнодобывающей промышленности// М.: Горный журнал. - 2011, — № 12.
3. Ческидов В. В. Комплексное зондирование намывных отложений гидроотвала № 3 разреза «Кедровский» // Горная промышленность. — 2011. - № 100 (6).
4. Ческидов В.В. Перспективы использования САПР при инженерно-геологических изысканиях на открытых горных разработках // М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011, — № 11.
5. Пуневский С.А., Ческидов В.В., Егорова И.В., Астапова В.А. Совершенствование технических средств и методов оценки состояния намывных техногенных массивов. // М.: Маркшейдерия и Недропользование. —
2012. - № 1. га
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Ческидов Василий Владимирович - кандидат технических наук, доцент Горного института НИТУ «МИСиС», ud@msmu.ru
UDC 624.131.3:550
ENGINEERING-GEOLOGICAL STUDY OF ROCKS AT THE BOTTOM OF PROTECTIVE EMBANKMENTS AT STOILENSK MPIW TAILINGS POND FOR HIGHER ACCURACY ESTIMATION OF CURRENT SAFETY FACTOR
Cheskidov V.V., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology, Russia.
The article reports engineering-geological studies of clayey layer at the bottom of the embankment constructed to protect tailings pond of the Stoilensk Mining-and-Processing Integrated Works. In spotlight are the issues of planning sampling networks aimed at getting reliable and sufficient information on the state of rocks in order to improve the accuracy of estimation of current safety factor, which will enable industrially and ecologically safe operation.
Key words: mining, engineering-geological studies, structures on slopes, protection dams, weak foundation bed, clayey rocks, safety factor.
REFERENCES
1. Cheskidov V.V. Proektirovanie setej inzhenerno-geologicheskogo oprobovanija na tehnogennyh massivah gornodobyvajushhej promyshlennosti (Design of networks engineering-geological testing on technogenic massifs of the mining industry) // Moscow: Gornyj in-formacionno-analiticheskij bjulleten'. 2012, No 12.
2. Cheskidov V.V. Proektirovanie setej inzhenerno-geologicheskih izyskanij na ob#ektah gornodobyvajushhej promyshlennosti (Design of networks of engineering-geological surveys on the mining industry) // Moscow: Gornyj zhurnal. 2011, No 12.
3. Cheskidov V.V. Kompleksnoe zondirovanie namyvnyh otlozhenij gidrootvala № 3 razreza «Kedrovskij» (Complex sensing alluvial deposits of hydraulic mine dump No. 3 of the section «Kedrovskij» ) // Gornaja promyshlennost'. 2011. No 100 (6).
4. Cheskidov V.V. Perspektivy ispol'zovanija SAPR pri inzhenerno-geologicheskih izyskanijah na otkrytyh gornyh razrabotkah (The prospects of using CAD for engineering-geological surveys on open-pit mining) // Moscow: Gornyj informacionno-analiticheskij bjul-leten'. 2011, No 11.
5. Punevskij S.A., Cheskidov V.V., Egorova I.V., Astapova V.A. Sovershenstvovanie tehnicheskih sredstv i metodov ocenki sostojanija namyvnyh tehnogennyh massivov (Improvement of technical means and methods for assessing the state of man-made alluvial areas) // Moscow: Markshejderija i Nedropol'zovanie. 2012. No 1.
