CC BY
63
УДК 624.131.1:622.2
А.М. Гальперин
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
Семинар № 1
У'Л тмечается целесообразность использования обратных
оползневых расчетов карьерных откосов для определения показателей сопротивления сдвигу пород в массиве, а также обратных расчетов характеристик деформируемости намывных отложений.
Отмечается целесообразность натурного определения физико-механических свойств песчано-глинистых пород бортовых и отвальных массивов с помощью мобильных установок комплексного зондирования.
Основное внимание уделено гидро-геомеханическим исследованиям намывных горнотехнических сооружений, как объектам повышенной экологической опасности.
В XX в. промышленно-технологическая революция привела к глобальному вмешательству человека в наиболее консервативную часть окружающей среды - литосферу. Геологическая деятельность человека стала сопоставимой с природными геологическими процессами. Это дало основание В.И. Вернадскому еще в 1925 г. заявить, что человек своей научной мыслью создает «новую геологическую силу». Подтверждением этому может служить тот факт, что в настоящее время при строительстве и добыче полезных ископаемых человек перемещает в год более 100 млрд. т горных пород, что примерно в 4 раза боль-
ше массы материала, переносимого всеми реками мира.
Высокий удельный вес открытого способа разработки месторождений России свидетельствует о сохранении этого генерального направления развития горнодобывающих отраслей промышленности для обеспечения топливом и минеральным сырьем потребностей энергетики, черной и цветной металлургии, химической индустрии, строительства, машиностроения, вычислительной техники, коммунально-бытового и сельского хозяйства. При этом воздействие на окружающую среду современных карьеров и техногенных массивов приобретает региональный характер, учитывая объемы водопонизительных работ, перемещаемых и вовлекаемых в деформации породных масс, земель, нарушаемых объектами горного производства.
Закономерное увеличение глубины и объемов открытых горных работ и, как правило, усложнение геологических, гидрогеологических и инженерногеологических условий разработки определяют качественно новый подход к обеспечению устойчивости бортов глубоких карьеров и высоких отвалов. Эффективность открытой разработки связана с решением таких проблем, как охрана водно-земельных ресурсов, увеличение полноты извлечения запасов полезных ископаемых из недр, сокраще-
ние затрат на вскрышные и отвальные работы, ускоренное восстановление нарушенных территорий.
По мере роста глубины горных работ инженерно-геологическая ситуация осложняется, а процессы изменения этой ситуации становятся более быстротечными и сопровождаются качественно новыми проявлениями, нарушающими безопасность горных работ и состояние окружающей среды. В связи с этим оценка инженерногеологической си-туации, прогнозирование и разработка способов управления ее развитием предусматривают решение следующих основных задач: изучение механических свойств и структурно-механических особенно-
стей массивов пород; исследование и прогнозирование механических процессов в массивах при производстве горных работ и возможных проявлений этих процессов («проявлений горного давления»); управление состоянием массивов, включая разработку способов контроля этого состояния с учетом вида и характера горных работ.
При инженерно-геологическом и геомеханическом обосновании горнотехнологических решений с целью обеспечения экономичности и безопасности открытых разработок необходимо учитывать:
- изменение прочностных и деформационных свойств пород с глубиной;
- изменение положения откосов во времени и пространстве в связи с динамикой горных работ;
- влияние геолого-структурных особенностей на перераспределение напряжений и локализацию деформаций в бортовых массивах;
- усиление роли гидродинамических факторов и, соответственно, предварительного осушения породного массива;
- возрастающие требования повышения полноты извлечения .запасов полезных ископаемых из недр, охраны водноземельных ресурсов и ускоренного восстановления нарушенных территорий.
Профессорами В.А. Мироненко и
В.М. Шестаковым (1974) создано научное направление - гидрогеомеханика, 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».
Задачи гидрогеомеханики в горном деле рассмотрены в многочисленных публикациях В.А.Мироненко, его коллег и последователей [1-5]. Выполненный В.А. Мироненко гидрогеомехани-ческий анализ охватывает три главных аспекта влияния подземных вод на устойчивость откосов карьеров и отвалов
- изменение напряженного состояния массива, процессы механического выноса и изменение прочностных свойств пород. Для оценки устойчивости обводненных откосов В.А. Мироненко предложен принцип сведения объемных гидродинамических сил к эквивалентным контурным, благодаря которому силовое воздействие подземных вод учитывается наиболее просто -через значения пьезометрической высоты по контуру оползающего блока. Этот эффективный расчетный прием широко используется также при оценке устойчивости откосных сооружений гидроотвалов и хвостохранилищ.
Объектами гидрогеомеханических исследований кафедры геологии МГИ-МГГУ являлись отвальные насыпи смешанных пород на слабых водонасыщенных основаниях (КМА, Кузбасс и др.), подвергавшиеся депрессионному уплот-
нению вследствие глу-бокого водопо-нижения надрудные толщи месторождений КМА и Запорожского железорудного узла, намывные техногенные массивы гидроотвалов и хвостохранилищ различных горнопромышленных регионов.
Обеспечение долговременной устойчивости бортов карьеров и отвальных массивов песчано-глинистых и полу-скальных пород должно базироваться на установлении взаимосвязей динамики горных работ и геомеханических процессов депрессионного уплотнения, снижения прочности и развития сдвиговых деформаций пород в карьерных откосах, уплотнения отвальных насыпей и гидроотвалов.
Для получения необходимых расчетных характеристик следует отдавать предпочтение натурным наблюдениям. Большое значение при этом имеет решение обратных задач с целью установления роли отдельных факторов, определения расчетных параметров и законов изучаемых процессов по результатам натурных экспериментов.
Таким образом, речь идет об использовании (в комплексе с другими методами) натурного моделирования, представляющего собой (по Н.В. Мельникову) специально поставленное исследование объекта познания в его естественной среде при подобных или измененных в нужном направлении условиях.
Для уточнения первичной информации при строительстве и эксплуатации карьеров необходима постановка широкого комплекса наблюдений и натурных экспериментов, обеспечивающих непрерывность проектирования и принятие оптимальных решений по управлению откосами на различных этапах освоения месторождения.
Уточнение физико-механических
свойств пород и контроль устойчивости откосных сооружений представляется
целесообразным осуществлять как с помощью стационарной наблюдательной сети так и с применением установок, позволяющих получать информацию о состоянии пород в откосах в любой момент времени и на любом участке.
Опыт выполнения обратных геоме-ханических расчетов характеристик длительной прочности и сдвиговой ползучести глинистых пород бортовых массивов карьеров КМА, а также характеристик уплотняемости тонкодисперсных намывных отложений гидроотвалов отражен в докладе представителей кафедры геологии МГГУ на симпозиуме по геотехнике и охране окружающей среды (А.М. Гальперин, А.Ю. Панфилов, 2005).
Последние 15 лет основными объектами гидрогеомеханических иссле-
дований кафедры геологии являлись намывные техногенные массивы гидроотвалов карьеров КМА и хвостохранилищ горнорудных предприятий в различных регионах (КМА, Кольский п-ов, Якутия).
Среди природно-технических систем эти объекты занимают особое место, что связано с концентрацией в них значительных объемов водонасыщенных техногенных отложений - отходов обогащения полезных ископаемых и гидровскрыши. Отрицательное воздействие гидроотвалов, хвостохранилищ, шламо-хранилищ на окружающую среду выражено в изменении природного ландшафта, загрязнении воздушного бассейна, влиянии на режим и характеристики подземных водоносных горизонтов, а также возможных изменений химического состава воды и воздуха в хвосто-хранилищах.
В целях обеспечения промышленной и экологической безопасности намывных горнотехнических сооружений в
МГИ-МГГУ проводились работы по следующим основным направлениям:
- разработка расчетных схем и инженерных решений задач уплотнения намывных массивов на различных стадиях их формирования;
- инженерно-геологическое районирование, предусматривающее оценку уп-лотняемости и несущей способности различных зон и участков намывных массивов;
- изыскание новых способов ускорения процесса консолидации тонкодисперсных намывных отложений;
- определение рациональной конструкции дамб гидросооружений;
- установление рациональной формы техногенного рельефа намывных территорий с учетом остаточных осадок;
- контроль состояния возводимых объектов, включающий стационарные и мобильные устройства, наземную и аэ-рофотограмметрическую съемку для систематической оценки устойчивости дамб, степени уплотнения и несущей способности внутренних зон намывных сооружений.
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.
Кафедрой геологии МГИ-МГГУ внедрена! в практику мониторинга намывных горнотехнических сооружений систематические замеры порового давления с помощью стационарных датчиков и штанговых пьезодинамометров конструкции Гидропроекта, а после 1974 г. -специальных комбинированных зондов.
В последние 20 лет на гидроотвалах разрезов Кузбасса крупномасштабные работы по обоснованию параметров ог-
раждающих дамб и отвальных насыпей на намывных основаниях выполнялись лабораторией гидрогеологии ВНИМИ
[4].
Натурные измерения порового давления и осадок позволили уточнить параметры нелинейной консолидации намывных грунтов с учетом реальных условий массива гидроотвала. При обратных расчетах использовались инженерные методы прогноза уплотнения намывных тонкодисперсных толщ, соответствующие различным этапам их формирования. Сочетание замеров осадок и порового давления позволяет определять по натурным данным, как коэффициент консолидации, так и приведенный коэффициент сжимаемости намывных грунтов. Полученные из обратных расчетов характеристики использовались для проверки прямых задач, позволивших установить хорошую сходимость расчетных и натурных значений порового давления и степени уплотнения слоев тонкодисперсных пород. Выявлен характер изменчивости параметров нелинейной консолидации и сопротивления сдвигу для намывных масс пляжных, промежуточных и прудковых зон.
С 1995 г. при полевых работах МГГУ используется модификация лег-кой зон-дировочной 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 ближайшей перспективе необходимо использование современных зон-дировочных установок, обеспечивающих оперативное получение информации о состоянии техногенных массивов.
Комплекс показателей, полученных при полевых и лабораторных исследованиях техногенных отложений, позво-
ляет выполнить инженерно-
геологическое районирование намывных территорий. Материалы районирования, наряду с инженерно-
геологическими картами и разрезами, включают также для различных по мощности и составу зон намывного массива таблицы значений во времени осадок и допустимых внешних нагрузок на намывное основание. Инженерно-
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.
Отсутствие надежного гидрогеоме-ханического обоснования технологии формирования гидроотвалов и хвосто-хранилищ 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, Румыния, 2000 г. и др.), которые можно было бы предупредить при наличии надежной наблюдательной сети и соответствующих технических средств.
Необходимость проведения оперативного контроля состояния намывных массивов подтверждена российскими законодательными актами и нормативными документами: Федеральными Законами «Об экологической экспертизе» (1995), «О безопасности гидротехнических сооружений» (1997), «О промыш-
ленной безопасности производственных объектов» (1997), «Правилами безопасности при эксплуатации хвостовых, шламовых и гидроотвальных хозяйств», разработанными НИИ ВИОГЕМ и Госгортехнадзором России и введенными в действие в 1997 г.
Для подготовки документов о консервации гидроотвала «Березовый Лог» как ответственного гидротехнического сооружения выполнены следующие основные работы: оценка устойчивости дамб гидроотвала; определение осадок намывного массива; зондирование
прудковой зоны комбинированными зондами для пределения сопротивления намывных отложений сдвигу и пенетра-ции, а также величины порового давления в намывном массиве.
Деформации (осадки) намывного массива мощностью до 75 м определялись с помощью инструментальных наблюдений по продольному и поперечным профилям. Установлено, что за период 1988-2005 гг. осадки стабилизировались практически на всей территории гидроотвала. Данные зондирования позволили установить несущую способность намывного массива и уточнить характеристики сжимаемости техногенных отложений. Комплекс маркшейдерских и инженерно-геологических работ обеспечил получение необходимой информации для составления проекта консервации гидроотвала и его рекультивации. В третьей секции гидроотвала, где намывной массив сложен тонкодисперсным материалом ^<0,005мм), осадки техногенной толщи общей мощностью до 30 м (10 м - пористый штамп из хвостов обогащения, 20 м - глинистомеловые намывные грунты) за этот период составили около 2,5 м.
Состояние откосных сооружений эффективно контролируется комплексным зондированием приоткосных зон и
данными стационарных датчиков-
пьезодинамометров, заложенных по расчетным профилям в теле и основании дамбы на различных этапах формирования намывного массива. Датчики позволяют измерять давление воды в раздельнозернистых и глинистых (тонкодисперсных) отложениях, тогда как традиционные пьезометры предназначены для определения высоты водяного столба лишь в раздельнозернистых породах.
Текущий коэффициент запаса устойчивости дамб определяют в зависимости от площади эпюры давления воды путем снятия с пьезодинамометров показаний, приводимых к вероятной поверхности скольжения.
В 1999-2005 гг. такая система контроля была внедрена на головной дамбе хвостохранилища Михайловского ГОКа
1. Гальперин А.М. Геомеханика открытых горных работ. - М.: Изд. МГГУ, 2003, 473 с.
2. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Основы гидрогеомеханики. - М.: Недра, 1974. 336 с.
3. Мироненко В.А., Стрельский Ф.П. Практическое применение принципов гидрогеомеханики в целях повышения промышленной и экологической безопасности горных работ // Инженерная геология, 1989, № 5, с. 3-14.
(оборудовано два измерительных профиля), на действующем гидроотвале и хвостохранилище Лебединского ГОКа и проведены подготовительные работы по ее внедрению на объектах Стойленского ГОКа.
Рассмотренные методы мониторинга позволяют оперативно получать информацию о состоянии намывного массива и откосных сооружений, на основании которой возможно с высокой степенью вероятности прогнозировать состояние гидроотвалов и хвостохранилищ, оценивать степень их воздействия на окружающую среду и принимать действенные решения по использованию намывных сооружений и снижению вредного влияния объекта на экологическую обстановку в регионе.
-------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. Техногенез намывных отложений. Геоэкология, 2003, № 5, с. 405-413.
5. Galperin A.M., Panvilov A.Yu. Back calculation for the determination of strength and de-formational characteristics of soils in open-pit slopes and hydrofilled structures. Proc. Of the Int. Workshop in Geoinvironment and Geotechnics. Milos, Greece, Sept. 2005, pp. 131-136.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------
Гальперин Анатолий Моисеевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой геологии, Московский государственный горный университет.
