CC BY
48
УДК 624.131.1 В.В. Ермошкин
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАМЫВНЫХ И НАСЫПНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ, ЭКСПЛУАТАЦИИ, КОНСЕРВАЦИИ И ЛИКВИДАЦИИ ГИДРООТВАЛОВ НА РАЗРЕЗАХ КУЗБАССА
Семинар № 1
ТЪ ассмотрены проблемы, возни-
■МГ кающие в Кузбассе при ведении гидроотвальных и отвальных работ на различных этапах существования намывных массивов, приводит-ся история развития гидромеханизации на разрезах региона, дана характеристика гидроотвалов, анализируются аварии и аварийные ситуации, произошедшие на объектах компании, рассмотрены особенности инженерно-геологических условий намывных массивов и даны рекомендации по обоснованию их оптимальных параметров, отмечается важность рассмотрения горно-технических объектов, включающих в качестве слабых гидро-геомеханических элементов намывные тела.
В последние годы повышен интерес к работам в области обоснования оптимальных параметров намывных сооружений промышленной гидротехники, находящихся на различных этапах существования. Это связано в первую очередь с их особой ответственностью, поскольку аварии на гидротехнических сооружениях сопровождаются негативными экологическими последствиями, значительными экономическими издержками, связанными как с ликвидацией последствий аварий, так и с нарушением технологического цикла горного или обогатительного производства, а иногда
и с человеческими жертвами. Актуальность вопросов изучения гидроотвалов обусловлена необходимостью рекультивации законсервированных сооружений и ликвидации (полной или частичной) объектов, находящихся в зоне влияния открытых и подземных горных работ. Кроме того, на некоторых разрезах в Кузбассе формируются техногенные системы значительной высоты (до 500 м в районе западного борта разреза «Ба-чатский»), состоящие из различных породных массивов. Например, приборто-вого массива скальных и полускальных пород, прибортового массива неоген-четвертичных отложений, намывного и насыпного техногенных массивов отвалов «сухих» пород и гидроотвалов. Решение перечисленных проблем осложнено из-за наличия слабого инженерногеологического элемента - массива намывных отложений, представленного водонасыщенными породами пылеватоглинистого состава с низкой прочностью и несущей способностью. Правомерность постановки исследований таких объектов подтверждается Федеральными Законами № 116 и 117, принятыми в 1997 г.
Гидромеханизация при открытой разработке угольных месторождений в Кузбассе начала применяться в 1951 году на разрезе «Бачатский» с первона-
чальным объемом гидровскрыши 31 тыс. м3. В середине 50-х годов она получает дальнейшее развитие на разрезах «Краснобродский» (1954), «Кедров-
ский», «Моховский» и «Красногорский» (1955) с годовыми объемами 0,25-0,45 млн м3. В последующие годы данный способ внедрялся на других разрезах региона: «Новосергеевском» и им. Вахрушева (1956), «Киселевском» (1958),
«Прокопьевском» (1959), «Листвян-
ском» (1960), «Колмогоровском» (новое название «Сартаки») (1961) и «Черниговском» (1966), при этом объем гидровскрыши постепенно увеличивается и достигает в 1968 году максимальной величины за всю историю применения гидромеханизации 27,25 млн м3. Одновременно с открытием новых участков данная технология прекращает на разрезах «Красногорский» (1965), «Прокопь-евский» (1967), «Листвянский» и «Крас-нобродский» (1970), «Киселевский»
(1972), «им. Вахрушева» (1976). Это сказывается на сокращении объемов гидровскрыши в начале восьмидесятых годов до 15 млн м3. В 1988-97 годах отмечается дальнейшее уменьшение объемов гидромеханизационных работ до 8,8 млн м3, а начиная с 1998 года, отмечается тенденция увеличения объемов вскрыши, разрабатываемых гидромеха-низационным способом, за счет ее применения на разрезе «Талдинский» и возобновления на разрезах «Кедровский» и «Краснобродский». В случае разреза «Кедровский» она используется для частичного удаления пород гидроотвала №3 и неоген-четвертичных отложений основания намывного сооружения, под которым планируется производить добычу угля.
В настоящее время гидромеханиза-ционная технология в Кузбассе применяется на шести разрезах: «Моховский», «Сартаки», «Ерунаковский», «Талдин-
ский», «Кедровский» и «Краснобродский».
За все время применения гидромеха-низационного способа в Кузбассе было удалено около 900 млн м3 (Рисунок) вскрышных пород, которые разместились в специальные отвальные сооружения - гидроотвалы. Общее их количество достигает значений 50 объектов. Большая часть сооружений сформирована в оврагах и балках строительством ограждающих дамб из привозного материала, два намыты на косогоре и имеют трехстороннее обвалование, два - на равнине при обваловании с четырех сторон, четыре - в старых горных выработках.
Высота гидроотвалов колеблется от 4 до 73 м. Наиболее высокими среди них являются: «Бековский» (73 м), «Акташ-ский» (61 м), «Кедровский №3» (53 м), «Моховский» (51 м) и «Прямой Ускат» (54 м). Площадь гидроотвалов варьирует от 6 до 765 га. Самые крупные сооружения: «Моховский» (765 га), «Черниговский №1» (640 га), «Сагарлыкский» (600 га), «Кедровский №5» (545 га), «Черновой Уроп» (460 га). Емкость гидроотвалов изменяется в широких пределах от
0,6 до 100 млн м3. По емкости наибольшими сооружениями являются: «Сагар-лыкский» (100 млн м3), «Бековский» (80 млн. м3), «Черниговский» №1 (60 млн м3) и №2 (52 млн м3) и «Прямой Ускат» (57,5 млн м3). Количество дамб гидроотвалов разнообразно от 1 до 15. Наибольшее количество дамб 15 имеет гидроотвал «Бековский».
Намыв на большей части сооружений производится сосредоточенным способом, кроме гидроотвалов разрезов «Колмогоровский» (новое название
«Сартаки), «Черниговский», «Ерунаковский» и им. 50-летия Октября», где в некоторых случаях применялся рассредоточенный, безэстакадный способ намы-
О Черниговский □ Кедровский □ Моховский И Сартаки ■ Бачатский □ Краснобродский □ Новосергеевский
□ Киселевский В им. Вахрушева В Талдинский □ Байдаевский В Листвянский В Прокопьевский В Красногорский
5000
2500
0
1950
Диаграмма изменения объемов гидровскрыши по годам
ва. Среднегодовая интенсивность намыва гидроотвалов невысока и составляет 1-4 м/год, при этом максимальная скорость (до 10 м/год) намыва приходится на первые годы эксплуатации, а при окончании она обычно составляет 0,5— 1,0 м/год.
При применении гидромеханизации в Кузбассе на гидроотвалах периодически возникали аварии и аварийные ситуации. Так, до нашего времени дошли сведения о пяти случаях. Две аварийные ситуации произошли на гидроотвале «Бековский» в 1987 и 1989 гг., развиваясь примерно по одинаковому сценарию: формирование дамб велось в зимний период на замороженное основание отсыпкой двух слоев по 2,5-3 м, во время отсыпки второго слоя в направлении от боков дамбы к ее центру произошло оползневое смещение на участке протяженностью 200 м с захватом нескольких дамб наращивания. Причиной их явилось повышение избыточного порового
давления в намывных породах в пределах призмы возможного оползания и снижение прочности намывных пород. Еще две аварии произошли на гидроотвале «Сагарлыкский» в 1959 и 1961 годах в период формирования ограждающих дамб. Первая из них сопровождалась смещением ранее отсыпанной дамбы на 1,5 м вниз по вер-тикали; во время второй - произошел сдвиг части дамбы вниз по логу на 9 м. На гидроотвале №3 разреза «Кедровский» в результате нарушения устойчивости верхней части откоса при формировании дамбы наращивания в зимнее время произошел оползень, причиной которому явилось возрастание порового давления в нагружаемом массиве и снижении прочности пород.
Одной из важнейших проблем при ведении гидроотвальных работ в Кузбассе является обеспечение устойчивости гидроотвалов и обоснование оптимальных параметров намывных соору-
27500
25000
22500
20000
Э 17500
5 15000
£
■= 12500
10000
7500
1955
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
жений. Оценка устойчивости откосов гидроотвалов выполняется с применением методов механики грунтов, которые позволяют учитывать специфику намывных сооружений:
- неоднородность строения массива по составу, состоянию и свойствам;
- обводненность откосов основания с наличием водоносных горизонтов напорного характера;
- возможность формирования в породах намывного массива или основании избыточного порового давления;
- изменчивость состояния и свойств во времени
- сейсмические воздействия на устойчивость откосов землетрясений.
Среди существующих методов расчета устойчивости наиболее полно отмеченные особенности позволяет учитывать методы алгебраического суммирования по плавной криволинейной поверхности и многоугольника сил [1, 2]. Прогноз распределения порового давления в намывном массиве рекомендуется выполнять с использованием типовых расчетных схем, соответствующих имеющимся аналитическим решениям одномерной задачи фильтрационной консолидации. Исключение составляет случай прогноза порового давления в намывных породах при отсыпке дамб наращивания и фронтальная отсыпка отвала, так как механизм развития давления не укладывается в рамки одномерной схемы. В этом случае целесообразно использовать двухмерные схемы, реализованные с помощью МКЭ и МКР.
Рекультивация поверхности гидроотвалов и хвостохранилищ практически не возможна без выполнения специальных мероприятий из-за низкой несущей способности намывных пород. Одним из таких мероприятий является нанесение на поверхность слоя более прочных, хорошо проницаемых пород. В некоторых
случаях это могут быть отвалы «сухой» вскрыши. Данное мероприятие дает положительный эффект, поскольку не только ускоряет сроки рекультивации намывной поверхности, но позволяет разместить значительные объемы пустых пород. Только на разрезах ХК «Кузбассразрезуголь» площадь гидроотвалов достигает 7000 га.
При отсыпке отвалов «сухой» вскрыши на гидроотвалах наблюдаются деформации откосов первого яруса. Избежать их практически не возможно из-за низкой несущей способности намывных пород. Поэтому технологические схемы ведения отвальных работ на намывных территориях предполагают при отсыпке первого яруса применять режим управляемого деформирования отвалов [3, 4], что предопределяет изучение мор-фологии и механизма деформаций откосов отвалов. Отсыпка второго и последующих ярусов производится в условиях обязательного обеспечения устойчивости откосов, что требует выполнение специальных гидрогеомеханиче-ских расчетов, в частности, напряженно-деформированного состояния (НДС). Оценку и прогноз НДС следует осуществлять с применением одномерных схем консолидации, используя решении об уплотнении слоя при мгновенном (отсыпка одного яруса) и постепенном (отсыпка многоярусного отвала) приложении нагрузки. Расчеты устойчивости рекомендуется производить, используя методы, рассмотренные выше, учитывая при этом определенное для конкретных условий поровое давление.
Частичное удаление гидроотвалов открытыми горными работами предполагает на первом этапе создание устойчивой конструкции новой дамбы, а на последующих - выполнение собственно ликвидационных (вскрыш-ных) работ. Ведение горных работ в масси-
вах, сложенных слабыми породами затруднено. В качестве мероприятия по подготовке намывных пород к переэкс-кавации сухоройными механизмами в некоторых случаях используется предварительное их уплотнение слоем хорошо проницаемых пород (гидроотвалы «Киселевский №1 и «Бахтыхта»). На разрезе «Кедровский» для частичного удаления гидроотвала №3 обосновано использование гидромеханизация.
Во всех перечисленных случаях (предварительное уплотнение или без него) требуется выполнять расчеты устойчивости откосов гидровскрышных уступов и оставшихся частей намывного сооружения, при этом необходимо учитывать временной фактор. Так, при смыве намывного массива откосы существуют не значительный период времени, исчисляемый месяцами, а иногда и днями. Кроме того, гидровскрышные уступы в силу технологических особенностей гидромониторного размыва постоянно подвергаются развитию оползневых деформаций, после чего создаются новые уступы, которые должны быть устойчивыми в промежуток времени от обрушения до нового гидромониторного воздействия. При развитии гидромеханизации по удалению гидроотвала несколькими уступами следует производить обоснование параметров рабочего борта, состоящего из нескольких уступов, сложенных намывными отложениями.
Второй важнейшей задачей при удалении гидроотвалов является обоснование параметров оставшихся частей намывных сооружений. Возможно несколько вариантов развития событий. Первый, предполагающий погашение рабочего борта при параметрах, обеспечивающих долговременную устойчивость откосов прибортовых массивов. Второй, когда осуществляются опреде-
ленные технологические мероприятия и задействуются относительно прочные породы, например, породы сухих отвалов [5]. Во всех перечисленных случаях выполняются расчеты устойчивости по известной методике [1, 2]. Отличия ее для случая ликвидации гидроотвала заключается лишь в прогнозе порового давления в размываемом намывном массиве. В настоящее время отсутствует достаточно обоснованная и апробированная методика оценки и прогноза НДС в разрабатываемых водонасыщенных глинистых массивах. Для этих целей можно использовать имеющееся решение теории фильтрационной консолидации [1, 6], изменив только мощность намывного слоя на величину отработки.
Одной из важнейших проблем функционирования гидроотвалов в Кузбассе является их влияние на горногеологические условия формирования прибортовых массивов разрезов и расположенных на них отвалов «сухой» вскрыши. Такие комбинации образовались в Кузбассе на многих разрезах. В частности, на разрезе «Бачатский» западный борт имеет высоту 250 м (из них: верхние уступы до 50м сложены глинистыми неоген-четвертичными отложениями, а нижние - скальными и по-лускальными углевмещающими породами). В непос-редственной близости от него намыт гидроотвал «Сагарлыкский» высотой 45 метров и площадью 600 га, на нем отсыпан отвал высотой до 100 м при проектной высоте 150 м. Таким образом, в настоящий момент времени здесь сформирована техногенная система из пород различного генезиса высотой около 400 м., а при планируемой отработке разреза до отметки - 150 м ее высота возрастет до 650-700 м.
Обоснование параметров таких природно-техногенных систем требует
оценки и прогноза влияния гидроотвала, как элемента данной системы, на инженерно-геологические и гидрогеологические условия прибортового массива и «сухого» отвала. Этот вопрос в настоящее время находится в стадии разработки, как в плане изучения, так и методики обоснования оптимальных параметров.
Решение рассмотренных выше проблем предопределяет необходимость
1. Указания по методам гидрогеомеханиче-
ского обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть II. Обоснование оптимальных параметров отвальных сооружений. - Л.: Издательство
ВНИМИ, 1990, 51 с.
2. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. СПб, Издательство ВНИМИ, 1998. - 208 с.
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 горно-геологических условиях», 1985.
4. Рекомендации по инженерногеологическому обоснованию параметров от-
разработки системы геологического обеспечения промышленной и экологической безопасности гид-роотвалов -комплекса работ и исследований по изучению, обоснованию, управлению и контролю их состоянием, взаимодействию с другими горнотехническими объектами и окружающей средой, выполняемых в течение всего срока существования объекта.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
валов сухих пород, отсыпаемых на гидроотвалах. Л.: ВНИМИ, 1985, 82 с.
5. Кутепов Ю.И. Научно-методические основы инженерно-геологического обеспечения отвалообразования при разработке угольных месторождений. Авт. дис. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук. - М.: МГГУ, 1999.
6. Указания по методам гидрогеомеханиче-ского обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть 1. Изучение гидрогеомеханических условий строительства и рекультивации отвальных сооружений (Кутепов Ю.И., Норватов Ю.А., Кутепова Н.А.). Л.: Издательство ВНИМИ, 1989, 55 с.
7.Гальперин А.М. Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях. -М.: Недра, 1988.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------
Ермошкин В.В. - кандидат технических наук, ОАО «УК»Кузбассразрезуголь», Кемерово.
