CC BY
32
------------------------------------ © Ю.И. Кутспов, Н.А. Кутспова,
В.В. Ермошкин, 2007
УДК 622.271
Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, В.В. Ермошкин
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРООТВАЛОВ ПРИ ОТКРЫТОЙ ДОБЫЧЕ УГЛЯ
Семинар № 1
Применение гидромеханиза-ционного способа при разработке угольных месторождений приводит к образованию больших объемов водонасышенных отходов, которые размешают в специальные отвальные сооружения - гидроотвалы. Гидроотвалы вскрышных пород относятся к объектам промышленной гидротехники [1], представляюшим повышенную опасность для окружающей среды в случае образования на них гидродинамических аварий. Данные объекты попадают в сферу действия Федерального Закона “О безопасности гидротехнических сооружений” (№116 от 23.06.1997), который регулирует отношения, возникающие при осуществлении деятельности по обеспечению безопасности при проектировании, строительстве, вводе в эксплуатацию, реконструкции, восстановлении, консервации и ликвидации гидротехнических сооружений. В соответствии с законом для каждого гидротехнического сооружения должна быть разработана система обеспечения безопасности, которая позволит предотвратить развитие на них аварий и аварийных ситуаций.
Примеров подобных ситуаций много, и некоторые из них по масштабу приравнены к крупным катастрофам, повлекшим большие человеческие жертвы. Наиболее распространенными причинами аварий на
гидроотвалах является нарушение водного режима их эксплуатации и отклонение от допустимых технологических параметров гидроотвальных работ. Примерно в 50 % зарегистрированных случаев аварии были связаны с переливом воды и пульпы через гребень плотины, с последующим размывом ограждающих сооружений и образованием прорана, через который технические воды и верхние слои текучих намывных осадков прорывались за пределы сооружения, растекаясь по окружающим территориям. Около 40 % аварий были вызваны превышением допустимых высоты и углов заложения откосов сооружений, интенсивности намыва, технологии формирования дамб наращивания, нарушением работы дренажных устройств.
Снижение степени устойчивости внешних откосов гидроотвалов обусловлено уменьшением прочности пород или увеличением сдвигающих усилий вследствие появления гидростатических и гидродинамических сил в пределах призмы возможного оползания, в том числе, избыточного по-рового давления. Подобное изменение напряженно-деформированного состояния пород в откосах гидроотвалов ведет к образованию оползней и фильтрационных деформаций. Вертикальное смещение гребня плотины в результате оползня оставляет без подпора верхнюю часть намывного
массива, сложенную текучими осадками. Последние, устремляясь в образовавшийся проран, растекаются по плотине, частично разрушая ее своим давлением, создавая тем самым условия для выхода более глубоких слоев намывных пород. Намывные массы и технические воды растекаются за пределы сооружения, загрязняя окружающую среду.
Фильтрационные деформации на откосах гидроотвалов возникают при несоблюдении предусмотренного проектом положения депрессионной поверхности в теле плотины вследствие превышения допустимого уровня воды в сооружении, выхода из строя или проектного режима противо-фильтрационного экрана или дренажного элемента. Выходы фильтрационных вод на поверхность внешних откосов приводит к разуплотнению и оплыванию слагающих их пород. Циклический характер деформаций этого типа может привести к снижению общей устойчивости откоса на участке оплывания с последующим образованием оползня.
Снижение степени устойчивости внешних откосов гидротехнических сооружений может быть вызвано развитием эрозионных явлений, которые возникают в результате воздействия атмосферных осадков, протечек пульпопроводов и водоводов. Образование промоин глубиной в несколько метров является причиной циклического обрушения и оплывания пород на пораженном участке, возникновения локальных оползней.
Гидродинамические аварии на намывных сооружениях могут быть вызваны землетрясениями и массовыми взрывами. Сущность влияния сейсми-ки на устойчивость гидроотвалов заключается в первую очередь в дополнительном воздействии на откосы техногенных массивов инерционных
сейсмических сил, приводящих обычно к увеличению действующих на них сдвигающих усилий. В водонасыщенных слабоуплотненных намывных грунтах изменение напряженно-деформированного состояния, вызванное появлением дополнительных инерционных сил, сопровождается возрастанием порового давления, снижающего сопротивляемость пород сдвигу, и приводя тем самым к нарушению устойчивости откосов сооружения.
Аналогичное воздействие на состояние гидротехнических сооружений оказывают массовые взрывы. Кроме того, динамические нагрузки, вызванные движением автомобильного и железнодорожного транспорта вблизи сооружения или на его плотине, могут привести к возрастанию порового давления в водонасыщенных намывных грунтах, к их тиксотропному разжижению и, как следствие, к образованию оползней.
Для обеспечения безопасных условий формирования намывных сооружений на всех технологических этапах предлагается система обеспечения безопасности СОБ, включающая комплекс работ и исследований по изучению, обоснованию, управлению и контролю условиями эксплуатации гидротехнических сооружений, выполняемых в течение всего срока существования сооружения с целью обеспечения безопасности и экономической эффективности горных работ и предотвращения их негативного воздействия на окружающую среду.
Организация СОБ позволяет решать следующие задачи:
• получать необходимую информацию для оценки гидрогеомеха-нических условий гидротехнического сооружения и прогноза их изменения под воздействием горных работ;
• определять оптимальные параметры гидротехнического сооруже-
ния и технологии его возведения на любой стадии существования;
• контролировать состояние безопасности гидротехнического сооружения в течение всего срока существования.
Цели и задачи СОБ гидротехнических сооружений достигаются посредством организации и последовательного выполнения трех видов работ (рисунок):
1) исследование гидрогеомехани-ческих условий гидротехнического сооружения;
2) обоснование оптимальных параметров и критериев безопасности гидротехнического сооружения;
3) организация мониторинга состояния гидротехнического сооружения.
Система обеспечения безопасности характеризуется цикличностью и определенной последовательностью в выполнении указанных видов работ, что обусловлено поэтапным возведением гидроотвалов и длительным сроком их эксплуатации, в течение которого существенно меняются гид-рогеомеханические условия сооружения (физико-механические свойства и напряженно-деформированное состояние пород основания, намывного массива, тела насыпных дамб).
Исследования должны предварять каждый очередной этап эксплуатации сооружения, сопровождаемый изменением параметров внешних откосов (увеличение высоты, строительство дамб наращивания, изменение контура откоса) и технологии гидравлического складирования отходов в накопитель (схемы заполнения, интенсивности намыва), перевод сооружения на стадию консервации или рекультивации, а также любое технологическое мероприятие, способное повлиять на условия устойчивости внешних откосов (строительство дорог, отсып-
ка отвалов на откосах плотин и дамб или в непосредственной близости). Изучение гидрогеомеханических условий производится для оценки строения, состава, физико-механических свойств и напряженного состояния пород гидроотвалов и их оснований. При этом используются различные лабораторные и полевые методы опробования [2], а в особо ответственных случаях применяются крупномасштабные эксперименты по формированию опытной насыпи на поверхности гидроотвала с замером деформаций и напряжений в намывных породах [3]. Итогом такого изучения является разработка и уточнение гид-рогеомеханической модели объекта, позволяющей оценивать и прогнозировать состояние устойчивости гидроотвалов с учетом различных природных и технологических факторов.
На основании результатов исследований обосновывают возможность проведения запланированного технологического мероприятия, рациональную технологию его реализации, оптимальные параметры сооружения [4] и количественные показатели контролируемых параметров, обеспечивающие безопасность на данном этапе эксплуатации сооружения.
Мониторинг безопасности ведется непрерывно в течение всего срока существования гидротехнического сооружения, при этом оценка состояния безопасности сооружения на каждом этапе эксплуатации или временном интервале осуществляется, исходя из тех критериев безопасности и контролируемых параметров, которые были предварительно обоснованы для данного этапа.
Основным критерием безопасности гидротехнических сооружений на всех этапах строительства, эксплуатации, рекультивации, консервации является устойчивость их внешних откосов
Система обеспечения безопасности гидротехнических сооружений
(плотин и дамб), которую принято контролировать по коэффициенту запаса устойчивости. Его значение должно соответствовать нормативному показателю, регламентированному СНиПом [5] для сооружений данного класса капитальности и этапа существования, что гарантирует безопасность гидротехнических сооружений. Соответствие фактического коэффициента запаса и нормативного достигается при условии соответствия действительных параметров сооружения и технологических параметров гидравлического складирования пород проектным;
Значение коэффициента устойчивости откосов гидроотвалов на длительный срок эксплуатации рассчитывается на основании прогнозов изменения напряженно-деформированного состояния и физико-механических свойств пород намывного массива, основания и насыпного тела дамб во времени [4]. Следовательно, вторым критерием безопасности гидротехнических сооружений являются параметры, характеризующие гидро-геомеханические условия.
Анализ причин аварийных ситуаций, имевших место в практике гидротехнического строительства, позволяет выделить в качестве основной из них возникновение в теле или основании плотин напоров, превышающих допустимые для данных сооружений. В гидроотвалах, намываемых из пород пылевато-глинистого состава, увеличение нейтральных напряжений, снижающих степень устойчивости откосов, вызвано формированием в намывных породах порового давления [6]. Кроме того, при эксплуатации гидроотвалов поровое давление может возникать в породах естественного основания, если они представлены слаболитифицированными обводненными песчано-глинистыми отложе-
ниями. Поэтому безопасные условия эксплуатации намывных сооружений определяются критериями, базирующимися на необходимости учета основного дестабилизирующего фактора - порового давления в породах намывного массива и его основания.
В качестве критериев безопасности при определении состояния устойчивости откосов гидроотвалов предлагается использовать следующие параметры:
- максимальный коэффициент порового давления (гитах), определяемый отношением порового давления (Ри) к максимальному значению приложенного полного напряжения (Рпол
= уЬ);
- предельно допустимое поровое давление (напор), т.е. величина (Ри), соответствующая распределению порового давления в пределах призмы возможного оползания, при котором коэффициент запаса устойчивости (по наиболее напряженной поверхности скольжения) равен нормативному значению;
- критическое поровое давление (напор), т.е. величина (Ри), соответствующая распределению порового давления в призме возможного оползания, при котором коэффициент запаса устойчивости близок к единице (состояние предельного равновесия).
Третьим важнейшим критерием безопасности гидротехнического сооружения являются деформации на внешних откосах, которые также могут быть «критическими» и «предельно допустимыми». Следует различать виды деформаций, зависящие от физической природы намывных грунтов. Известно, что намывные техногенные массивы являются недостаточно уплотненными. Поэтому строительство, эксплуатация и консервация гидроотвалов происходит при постоянном развитии консолидационных процес-
сов, выражающихся в вертикальных деформациях поверхности сооружения. Величины и скорости данных деформаций зависят от геометрических размеров техногенных массивов, дренажных условий, компрессионнофильтрационных свойств пород, интенсивности их формирования и пр. Данный вид деформаций со временем приводит к уплотнению намывных пород, возрастанию эффективных напряжений и увеличению их прочности, что в конечном итоге, приводит к увеличению степени устойчивости сооружения. Наиболее опасными деформациями являются горизонтальные смещения, которые говорят о развитии в откосе сдвигов. Величина и скорость горизонтальных смещений зависит от местных факторов, поэтому критические значения в каждом конкретном случае (сооружении) выбираются исходя из результатов маркшейдерских наблюдений. При этом учитывается характер их развития. Так, деформирование с постоянной скоростью говорит о развитии процессов установившейся ползучести, а нарастание вертикальных смещений свидетельствует о развитии прогрессирующей ползучести, приводящей к разрушению откоса и образованию оползня.
К критериям безопасной эксплуатации гидроотвалов следует также отнести соответствие уровня заполнения сооружения допустимому уровню воды в гидроотвале, что исключает одну из основных причин гидродинамических аварий - перелив воды и гидроотвальных масс через гребень дамбы.
Рассмотренные выше причины гидродинамических аварий на гидротехнических сооружениях и критерии их безопасной эксплуатации позволили обосновать задачи и методику организации мониторинга безопасности
на гидроотвалах [7]. Основными задачами мониторинга безопасности на гидроотвалах являются:
1) оценка соответствия действительных параметров сооружения и технологических параметров гидравлического складирования пород проектным;
2) сравнение фактических показателей напряженно-деформированного состояния и физико-механических свойств пород намывного массива, основания и насыпного тела дамб, определенных на различных этапах формирования гидроотвалов, с проектными и внесение на этой основе изменений в проектные решения;
3) наблюдения за деформациями поверхности и внешних откосов сооружения;
4) наблюдения за уровнем воды в накопителе с целью предотвращения перелива воды через гребень дамбы;
5) оценка качества выполнения мероприятий по обеспечению устойчивости сооружения и назначения при необходимости дополнительных.
Перечисленные задачи решают методами гидрогеомеханического, маркшейдерского и технологического контроля.
За весь период применения гидромеханизации на разрезах Кузбасса было намыто 50 гидроотвалов. Из них в настоящее время на разрезах концерна "Кузбассразрезуголь" находятся в работе 5 гидроотвалов, большинство из которых эксплуатируются более 20 лет. Они представляют собой многоярусные сооружения овражно-балочного типа высотой более 30 метров и площадью более 100 га.
Впервые система обеспечения безопасности была внедрена на гидроотвале «Бековский» ПО «Кузбассразрезуголь» в 1987 году. Необхо-
димость в этом возникла в связи с повторяющимися деформациями откосов сооружения во время отсыпок дамб наращивания, что поставило под сомнение возможность дальнейшей эксплуатации гидроотвала [8]. В последующем подобные работы выполнялись на 5-ти гидроотвалах («Сагар-лыкский», «Сартаковский», «Мохов-ский», N 3 разреза «Кедровский», N3
1. Правила безопасности при эксплуатации хвостовых, шламовых и гидроотвальных хозяйств. - НИИ ВИОГЕМ Минпрома России, 1997, 98 с.
2. Указания по методам гидрогеомеха-нического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть I. Изучение гидрогеоме-ханических условий строительства, эксплуатации и рекультивации отвальных сооружений. - Л:ВНИМИ, 1989, 56 с.
3. Годлевская Г.И., Кутепов Ю.И., Нор-ватов Ю.А. Определение в натурных условиях показателей фильтрационной консолидации. - «Инженерная геология», 1985, №2, с. 109-114.
4. Указания по методам гидрогеомеха-нического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть II. Обоснование оптимальных параметров отвальных сооружений. - Ё.: ВНИМИ, 1990, 55 с.
5. СНиП 2.06.01-86 Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования. - М., 1987.
разреза «Черниговский») и 2-х хвосто-хранилищах углеобогащения («Белов-ская» ЦОФ в Кузбассе и «Белицкая» ЦОФ в Донбассе). Организация системы безопасности позволила эксплуатировать данные сооружения без серьезных осложнений, а также увеличить их емкость за счет возрастания высоты.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. Изучение порового давления в намывных отложениях при строительстве и эксплуатации гидроотвалов // Управление горным давлением и прогноз безопасных условий освоения угольных месторождений: Сб .научн. тр. ВНИМИ. - Ё.: ВНИМИ, 1990, с.110-119.
7. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Моги-лин А.В., Тютикова Г.А. Гидрогеологический мониторинг для обеспечения безопасных условий эксплуатации гидротехнических сооружений при открытом способе разработки МПИ // Вопросы гидрогеологии и гидрогеомеханики горного производства: Сб.научн. тр. С-Пб.: ВНИМИ, 1998, с.65-77.
8. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Моги-лин А.В., Тютикова Г.А. Анализ причин оползневых деформаций и организация контроля устойчивости на гидроотвале «Бе-ковский» в Кузбассе// Проблемы геодина-мической безопасности. II Международное рабочее совещание 24-27 июня 1997. - С.-Пб.:ВНИМИ,1997, с.115-121
— Коротко об авторах-------------------------------------------------------------
Кутепов Ю.И. - доктор технических наук,
Кутепова Н.А. - кандидат геолого-минералогических наук, (ВНИМИ, Санкт-Петербург), Ермошкин В.В. - кандидат технических наук, УК «Кузбассразрезуголь», Кемерово).
А
