Инженерно-геологическое обоснование формирования разделительной дамбы при частичной ликвидации гидроотвала в Кузбассе Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, В.В. Ермошкин, АИ. Федосеев,

2011

УДК 550.8

Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, В.В. Ермошкин, А.И. Федосеев

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ ДАМБЫ ПРИ ЧА СТИЧНОЙ ЛИКВИДАЦИИ ГИДРООТВАЛА В КУЗБАССЕ

Проведены анализ данных исследований и гидрогеомеханическе обоснование формирования новой конструкции разделительной насыпи.

Ключевые слова: гидроотвал, экскаватор, скважина, бурение, геодинамические процессы, дамба.

ТТ од гидроотвалом № 3 разреза -*-*■ «Кедровский» доразведкой установлены дополнительные запасы угля в объеме 50 млн м3, пригодные к открытому способу добычи. Их разработка возможна только при выполнении вскрышных работ, связанных с частичным удалением намывных пород. Однако данные отложения имеют небольшую прочность и несущую способностью, поэтому их отработка затруднена, а иногда и практически невозможна, с применением распространенной на данном предприятии технологии. Так, при использовании для этих целей экскаваторов в сочетании с автомобильным транспортом переформирование намывного массива потребует обеспечения проходимости горно-

транспортного оборудования по «слабому» водонасыщенному основанию. Кроме того, возникнут проблемы при экскавации и транспортировке таких пород. Поэтому на разрезе «Кедров-ский» при выборе технологии удаления гидроотвала № 3 было обосновано применение гидромеханизации, которая на предприятии в свое время эффективно работала, а также существо-

вали горные выработки с отработанными запасами угля, которые могли бы использоваться для повторного складирования намывных осадков.

Решение вопроса частичной отработки гидроотвала включает разработку рекомендаций по созданию новой дамбы, разделяющей гидроотвал на участки, подлежащий и неподлежащий удалению, и собственно ведению вскрышных работ в намывном массиве. Эти обстоятельства, в свою очередь, предопределяют проведение специальных инженерно-геологических и гидрогеологических исследований, направленных на изучение состояния и свойств намывных отложений при их отработке.

Настоящая статья посвящена анализу данных исследований и гидрогеомеха-ническому обоснованию формирования новой конструкции разделительной насыпи.

Инженерно-геологическое изучение намывного массива

Инженерно-геологические исследования на гидроотвале №3 выполнялись на различных этапах его существования, начиная с момента прекращения его эксплуатации в 1989 году. Они включали

Рис. 1. Инженерно-геологический разрез гидроотвала:

1 — песчано-супесчаные породы; 2 — вода пруда-отстойника; 3 — породы дамб; 4 — суглинистые породы; 5 — глинистые породы; 6 — границы зон; 7 — границы подзон; I, II, III — соответственно зоны песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых пород; а, б, в, г — соответственно подзоны пород текучей, мягкопластичной, тугопластичной и полутвердой консистенции

бурение скважин с отбором монолитов, установку в пробуренные скважины датчиков порового давления, комплекс лабораторных определений физикомеханических показателей, расчеты устойчивости откосов и порового давления в намывном массиве.

Выполненные на первых порах исследования позволили установить закономерности формирования неоднородного техногенного массива с изменчивостью физического состояния и физико-механических свойств в плане и по глубине. Установленные закономерности состава в пределах намывного сооружения позволяют разделить намывной массив на зоны песчаносупесчаных, суглинистых и глинистых пород (рис. 1). Суглинистая и глинистая зоны характеризовались на момент проведения исследований наличием избыточного порового давления, поэтому породы в разрезе имели различное физическое состояние: от текучего до полутвердого.

Изучение порового давления на гидроотвале производилось с целью оценки напряженно-деформированного состояния намывного массива. Для этого в 1989 году выполнено бурение скважин

по всей площади сооружения с последующей установкой в них датчиков по-рового давления. Выполненные работы позволили выявить наличие значительного по величине избыточного порового давления только в глинистой зоне, где оно достигало 0,15 МПа в центре сорокаметрового намывного массива.

Физико-механические свойства намывных пород для выделенных зон и подзон приведены в табл. 1.

Исследования порового давления последующих лет (2004 и 2007 годов) включали наблюдения за поровым давлением только пород глинистой зоны. В 2004 году было осуществлено бурение трех инженерно-геологических скважин на участке гидроотвала (рис. 2), не подлежащему гидромониторному смыву. Целью этих исследований являлось изучение устойчивости массива намывных пород при ведении рядом с ним вскрышных (ликвидационных) горных работ. Следует отметить, что каждая из скважин располагалась на участках сооружения, приуроченных к развитию различных гид-рогеомеханических и геодинамических процессов.

Таблица 1

Физико-механические свойства намывных пород

Физико- Песчано- Суглинистая зона Глинистая зона

механические супесча- Подзоны пород Подзоны пород

свойства ная зона по консистенции по консистенции

текучих мягко- туго- текучих мягко- туго-

пластич пластич пластич пластич

Влажность, % 14—30 27—40 24,5— 22,1— 37—100 31—38 28—31

31,4 26,3

Плотность, 1,7—2,1 1,8—1,92 1,9—2.0 2,0—2.02 1,61— 1,88— 1,96—

т/ м3 1,88 1,96 2.01

Пористость, 33,7— 44 52,5 38,5— 40—41,6 50—71 0 5 —5 ,5 4, 4 41—44

% 43,7 46,6

Угол внутрен- 25—32 14—23 19—25 22 0—6 8—16 8—16

него

трения, град

Сцепление, 0,013— 0,015— 0,023— 0,04— 0,005— 0,015— 0,04—

МПа 0,055 0,026 0,043 0,063 0,015 0,035 0,06

Коэффициент

сжимаемости, 0,06— 0,14— 0,08— 0,02— 0,1— 0,03—

см/кг2 0,008 0,04 0,02 0,009 0,03 0,01

Коэффициент

фильтрации, 10-4—10-8 10-8—10-9 10-10—10-11

м/сек

Первая скважина (№ 1-04, рис. 2) глубиной 47 м была пройдена на разделительной дамбе. Она вскрыла насыпные и намывные породы, а также отложения естественного основания гидроотвала, представленные суглинками, выветрелыми и невыветрелыми прочными аргиллитами четвертичного и пермского возрастов. Мощность насыпных и намывных пород составила соответственно 11 и 29 м. Датчики устанавливались в намывные породы на глубинах 17,0; 25,0; 33,0 м. Замеры порового давления (рис. 3, а), выполненные после выхода датчиков на рабочий режим, свидетельствовали о наличии в намывном массиве избыточного давления, связанного, по всей видимости, как с намывом гидроотвала, так и отсыпкой пород насыпи. Характер его распределения по глубине свидетельствует о наличии фильтрации только вверх к поверхности

гидроотвала, пригруженного отвальной насыпью.

Вторая скважина пробурена с поверхности гидроотвала в районе отвала «Пихтовый» (№ 2-04, рис. 2). В интервале глубин 0—21,0 м ею вскрыты щебенисто-дресвяные отложения «сухих» отвалов, что свидетельствует о развитии при отвалообразовании на гидроотвалах оползневых деформаций подподошвен-ного типа, когда деформирование сопровождается выдавливанием пород основания отвала - намывных пород и замещением их насыпными отложениями.

Мощность пород намывного массива при этом уменьшилась до 20 м. В скважину было установлено 3 датчика на глубинах 10,5; 20.5; 30,5 м. Измерения порового давления по ним показали наличие избыточного давления в массиве по характеру, отвечающему схеме развития процесса

Рис. 2. План гидроотвала №3

фильтрационной консолидации в слое пород, расположенном на водоупоре (рис. 3, б).

Третья скважина глубиной 40 м расположена на расстоянии 354 м (№ 3-04, рис. 2) от скважины № 2 вниз по логу, замытому гидроотвалом, находится на значительном расстоянии от отвальных

сооружений. Последнее обстоятельство определяет характер распределения порового давления по глубине массива и его величины. Они ответствуют только условиями намыва гидроотвала и его «отдыха» после завершения эксплуатационного периода. а

О о £■ О О

О

201

б

С- о

О

О с' о8590

О

" о о

о 503 л

266 '

Рис. 3. Избыточное поровое давление в намывном массиве гидроотвала № 3 разреза «Кедровский» на различные периоды ликвидационных работ:

1 — 2004 год; 2 — 2007 год; а — скв. № 1, б — скв. № 2; в — скв. № 3; 201 — место расположения датчика и его номер

В скважину установлено 3 датчика на глубинах 11, 21, 33 м. Измеренные значения давления по ним свидетельствуют о развитии процесса фильтрационной консолидации, соответствующего одномерной схеме при наличии дренажа к поверхности и основанию, так как избыточное поровое давление имеет максимум в центре слоя.

Анализ результатов наблюдений за поровым давлением с 2004 по 2007 годы показывает закономерное его рассеивание практически по всем скважинам, при этом наибольшая величина уменьшения давления 0,05 МПа соответствует условиям нижней части массива района скважины №1 (глубина 33 м), пробуренной через разделительную насыпь. В двух других скважинах на этих глубинах поровое давление рассеялось на 0,03-0,035 МПа. Минимальные величины рассеивания порового давления приурочены к породам, вскрытым скважиной № 3 до глубин 21 м. Здесь величины порового давления на глубинах 10 и 21 м. соответственно составляли 0,155 и 0,275 МПа при значениях избыточного порового давления 0,075 и 0,095 МПа. Эффективные напряжения в намывных породах на данных глубинах равнялись соответственно 0,045 и 0,125 МПа. В других местах изучаемого массива эффективные напряжения изменялись в диапазоне глубин 10—33 м от 0,15 до 0,3 МПа, причем максимальное эффективное напряжение соответствует породам на глубине 33 м в скважине № 3, где наблю-

в

Рис. 4. Изменение влажности намывных пород в зависимости от эффективных напряжений

дается дренирование воды в основание отвала.

Инженерно-геологическое изучение глинистых намывных пород гидроотвала № 3 показало наличие хорошо выраженных зависимостей основных показателей физико-механических свойств: влажности (рис. 3), плотности, сцепления (рис. 4), коэффициентов сжимаемости, фильтрации и консолидации — от эффективных напряжений.

В соответствии с данными, представленными рис. 3 и 4, а также табл. 2, большая часть изучаемого массива была сложена породами мягкопластичной и тугопластичной консистенции. Лишь верхняя и средняя части разреза района скважины №3 оказалась сложена породами текучей консистенции.

Подтверждением тому являются инженерно-геологические исследования, выполненные в 2007 году в районе разделительной насыпи. Они включали бу-

рение 2 скважин (одну на намывной поверхности гидроотвала, а вторую - на разделительной насыпи). В процессе выполненных исследований установлено, что намывные породы здесь имеют в верхней части разреза мягкопластичную консистенцию, а в нижней - тугопластичную консистенцию. Первые при этом характеризуются влажностью — 26,7-28,6 %; плотностью - 1,94 т/м3; уг-

1 С.О

лами внутреннего трения - 16 , сцеплением - 0,02 МПа, а вторые — влажностью 18—23 % и плотностью 1,94—1,96 т/м3, углом внутреннего трения 17О и сцеплением 0,025 МПа.

Подводя итог выполненным исследованиям, необходимо отметить, что намывной массив между разделительной насыпью и гидромониторными забоями характеризуется наличием двух зон отличных по инженерно-геологи-ческим условиям: первой зоны — ближайшей к забоям гидромеханизации и

Физико-механические свойства намывных пород гидроотвала вскрышных пород разреза «Кедровский»

Консистенция пород ^эф в месте отбора образцов, МПа Влажность, % Плотность, г/см3 Угол внутреннего трения,град Сцепление, МПа

Текучая 0,1—0,15 35—40,5 1,85 13 0,05—0,15

Мягкопластичная 0,25—0,3 25—31 1,95 16—18 0,2

Тугопластичная 0,45 24 1,99 17 0,3

Полутвердая 0,5 21,5 2,0 15—18 0,3—0,65

второй, расположенной рядом с отвалом «Пихтовский» отвалом и разделительной насыпью. Первая зона в верхней и средней частях разреза отмечена распространением слабо уплотненных намывных пород (степень уплотнения составляет 0,4—0,63). В связи с этим, данные породы характеризуются текучей консистенцией и относительно низкими значениями прочностных показателей:

1 о0

углом внутреннего трения 13 и сцеплением 0,01—0,015 МПа. Породы второй зоны имеют мягко- и тугопластичную консистенцию, высокий показатель сте-

пени уплотнения 0,7—1 и относительно высокие показатели прочности: угол внутреннего трения 16-170 и сцепление

0,02—0,025 МПа. Различие в степени уплотнения и в свойствах намывных пород обусловлены, по нашему мнению, влиянием частичной отработки гидроотвала, так как при выполнении горных работ по переформированию намывного массива образуется откосное сооружение в сторону гидромониторной отработки. Это привело к формированию нового напряженно-деформированного состояния массива, характеризующе-

Рис. 5. Изменение сцепления намывных пород в зависимости от эффективных напряжений 172

гося развитием касательных напряжений. Такие напряжения в породах могут препятствовать рассеиванию в них избыточного порового давления, сформированного ранее, а, иногда, способствовать его увеличению [1—3].

Обоснование новой конструкции дамбы гидроотвала

Основное требование функционирования оставшейся части гидроотвала является обеспечение ее устойчивости при ведении вскрышных работ в намывном массиве и горных выработках разреза, в том числе, буровзрывных. Данное обстоятельство предопределяет особые требования к конструкции и материалу откосной части сооружения. Инженерно-гео-логические исследования показывают, что намывные породы представлены водонасыщенными глинистыми разностями с низкой прочностью и несущей способностью. Кроме того, они сложены, в основном, пылевато-глинистым материалом, склонным при динамическом воздействии на него к тиксотропному разжижению. Поэтому при выборе устойчивой конструкции откоса необходимо предусмотреть размещение в призму упора достаточно прочного материала, не реагирующего на динамическое воздействие развитием процессов тиксотропии со снижением прочности.

Наиболее предпочтительным вариантом формирования упорной призмы остающейся части гидроотвала является отсыпка пород «сухой» вскрыши, характеризующихся достаточно высокими углами внутреннего трения (более 30°). Отсыпку отвальных пород в упорные призмы при наличии намывного массива можно осуществлять, используя механизм выдавливания намывных пород из-под отвала и замещение их насыпными массами.

Отсыпать разделительную насыпь целесообразно по отметкам отвала

«Пихтовский», расположенного рядом с гидроотвалом, при этом ее высота должна достигать 40 м. При таких параметрах и условиях ее формирования в режиме развития оползневых деформаций на откосах подподошвенного типа [3,4] может произойти выдавливание «слабых» намывных пород и замещение их более прочными - породами «сухих» отвалов на глубину до 40 м, т.е. практически до основания гидроотвала. Однако по факту разделительная насыпь была отсыпана высотой около 10 м. При таких параметрах отвала и инженерно-геоло-гических условиях ее основания насыпь сформировалась в режиме частичного «отжима» намывных пород (до 10 м), а на некоторых участках — без этого явления. Такая разделительная насыпь не может служить устойчивой конструкцией остающейся части гидроотвала, так как она выполнена по типу «плавающей насыпи». На первых этапах ликвидационных работ она могла служить дамбой, за которую складировались удаленные с гидроотвала гидроме-ханизационным способом породы.

В настоящий момент времени, когда отрабатываются верхние слои намывного массива, дамба сохраняет свои подпорные свойства. При углублении горных работ на гидроотвале может возникнуть ситуация, когда устойчивость массива между забоем и разделительной дамбой не будет обеспечена, и начнется смещение намывного материала с возникновением черезвычайной ситуации. Для предотвращения данного события необходимо разработать и выполнить мероприятия по обеспечению устойчивости намывного массива.

Выполненные инженерно-геологические исследования намывного массива позволили обосновать гидрогеомехани-ческую модель объекта, отражающую структуру массива, инженерно-

геологические и гидрогеологические условия, напряженно-деформированное состояние пород. Она включает следующие основные структурные элементы:

1. Часть намывного породного массива в районе существующей разделительной насыпи. Она ограничена с верху и низу поверхностью гидроотвала и его основанием, а на участке разделительной насыпи - ее нижней границей. Под проектируемой насыпью намывной массив выдавлен и замещен насыпными породами.

2. Массив существующей разделительной насыпи.

3. Проектируемый массив двух элементов новой разделительной насыпи: опережающей и основной дамб, включая зону замещения намывных пород.

Намывной массив характеризуется определенным инженерно-геологическим строением, физико-механические свойства пород выделенных элементов рассмотрены выше. Насыпные породы представлены дресвянощебенистыми отложениями, характеризующиеся углом внутреннего трения — 30°, сцеплением — 0,01 МПа; плотностью — 1,8 т/м3.

Намывной и частично насыпной массивы (зона замещения) полностью обводнены; к ним приурочен техногенный водоносный горизонт, имеющий напорно-безнапорный режим фильтрации. В верхней части разреза питание водоносного горизонта осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков; разгрузка происходит в приоткосных частях намывного массива (у дамб гидроотвала и откосов гидромониторных уступов) в сторону откосов. В намывных породах существует избыточное поровое давление, образовавшееся в массиве на различных этапах его формирования — при намыве гидроот-

вала, при отсыпке на его поверхности различных отвальных насыпей. Рассеивание порового давление идет нормально напластованию к границе дренажа — поверхности гидроотвала.

Опыт ведения отвальных работ на гидроотвалах в Кузбассе [3, 4] позволяет рекомендовать для формирования разделительной насыпи использовать способ отсыпки с замещением намывных пород насыпными породными массами отвалов «сухой» вскрыши. Для обеспечения устойчивости откоса новой насыпи предлагается схема ее отсыпки из двух ярусов параллельно существующей насыпи: опережающего и основного. Решение проблемы обеспечения устойчивости новой конструкции разделительной насыпи предопределяет постановку и решение следующих вопросов:

•определения глубины внедрения пород отвалов в намывной массив при определенных высотах насыпей — выбор параметров насыпей;

•обоснование параметров системы «старая насыпь + опережающая насыпь + основная насыпь» при обеспечении устойчивости ее откосов.

Определение глубины внедрения насыпных пород в намывной массив выполнено на основании изучения данного явления при формировании отвалов на поверхности гидроотвалов. Опыт подобных наблюдений на гидроотвалах Кузбасса свидетельствует, что глубина внедрения насыпных пород в намывной массив зависит от прочности пород основания и составляет:

а) для относительно прочных супесчаных и суглинистых пород величину

0,5—0,6Н (где Н —высота отвала);

70м

70м

14° \

+240,0 м 2

°

+275,0 м

30°

Разрез

30

3

Рис. 6. Конструкция новой разделительной насыпи

б) для более слабых глинистых разновидностей до 1#. Кроме того, проверка данных закономерностей осуществлена на основании расчетов устойчивости с использованием разработанной гидрогеомеханической модели объекта и программного комплекса «Galena» (компания ВНР En-geneering, Австралия). Расчеты выполнялись для различных ситуаций внедрения и показали, что откос насыпи находится в устойчивом состоянии (коэффициент запаса больше 1 или близок к нему) только при полном замещении намывных пород (рис.

6). Поэтому следует предположить, что при отсыпке разделительной насыпи с рекомендованными параметрами произойдет полное выдавливание породами насыпи намывных отложений и внедрение отвальных масс до естественных четвертичных суглинков.

Параметры откоса новой конструкции разделительной насыпи, обеспечивающие устойчивое состояния при коэффициенте запаса выше нормативного, обосновывались также расчетами устойчивости с использованием гидро-геомеханической модели объекта. При этом выбрано трехъярусная система насыпи в сторону горных выработок разреза (см. рис. 2):

• первый ярус — существующая разделительная насыпь;

• второй ярус — опережающая насыпь, отсыпанная по отметкам +240,0 м частично на существующую разделительную насыпь, частично — на намывную поверхность, шириной по верху 70 м;

• третий ярус — основная насыпь, отсыпанная по отметкам +275,0 м частично на опережающей насыпи, частично - на намывной поверхности шириной по верху 70 м.

Расчеты устойчивости откосов предложенной конструкции свидетельствуют, что устойчивость данной системы обеспечивается с коэффициентом запаса выше нормативного при результирующем угле наклона 14О (рис. 6).

Таким образом, выполненные инженерно-геологические исследования пород намывного массива гидроотвала №3 позволили построить гидрогеоме-ханическую модель, учитывающую не только его строение, но и различные процессы, возникающие при взаимодействии элементов отвальных и гидроотвальных сооружений. Данные знания необходимы для обоснования параметров новой природнотехногенной системы «естественное основание + намывной массив + отвалы «сухих» пород», разработки безопасной технологии ее формирования, а также организации и выполнения мониторинга безопасности.

1. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Могилин А.В., Тютикова Г.А. Анализ причин оползневых деформаций и организация контроля устойчивости на гидроотвале «Бековский» в Кузбассе. Проблемы геодинамической безопасности. II Международное рабочее совещание. 24—27 июня 1997. — СПб: ВНИМИ, 1997.

2. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. Изучение порового давления в намывных массивах. — Геоэкология, 2006. — № 2. — М.: Наука. — С. 156—166.

3. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. Основные закономерности деформирования «сухих» отвалов при их размещении на гидроотвалах. Тр. ВНИМИ, Сб. «Совершенствование методов расчета сдвижения и деформаций горных пород, сооружений, бортов разрезов при разработке угольных пластов в сложных горногеологических условиях», 1985.

4. Рекомендации по инженерно-геологическому обоснованию параметров отвалов сухих пород, отсыпаемых на гидроотвалах. — Л.: ВНИМИ, 1985. — 82 с. ЕШ

— Коротко об авторах --------------------------------------

Кутепов Ю.И. — профессор, доктор технических наук, Кутепова Н.А., кандидат геолого-минералогических наук, СпбГИ (ТУ), Санкт-Петербург, institut@spbgi.ru

Ермошкин В.В. — кандидат технических наук,

Федосеев А.И. — кандидат технических наук,

ОАО УК «Кузбассразрезуголь», г. Кемерово, office@kru.ru

А

------------------------------------------------------------------------ РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Мельник В.В., д.т.н., профессор кафедры ПРПМ,

Сяитов Р.И., аспирант кафедры ПРПМ,

Бондаренко А.М., аспирант кафедры ПРПМ,

Московский государственный горный университет

Результаты шахтных и стендовых исследовательских испытаний экспериментального образца гидравлической выемочной машины (792/03-11 от 10.11.2010) 11 с.

Описаны результаты проведенных экспериментов и испытаний гидравлической выемочной машины. Установлены рациональные параметры разрушения угольного массива и их зависимости от внешних факторов.

Ключевые слова: Гидравлическая выемочная машина, рациональные параметры разрушения, зависимости.

Melnik V.V, Sjaitov RI, Bondarenko A.M. RESULTS OF MINE AND BENCH RESEARCH TESTS OF THE EXPERIMENTAL SAMPLE OF THE HYDRAULIC CAR FOR EXTRACTION

In article results of the spent experiments and tests hydraulic cars for extraction are described. Rational paramétrés of destruction ofa coal file and their dependence on external factors are established.

Key words: Hydraulic выемочная the car, rationalparametres of destruction, dependence.