CC BY
66
-------------------------------- © Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова,
С.В. Практика, В.В. Ермошкин, 2006
Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, С.В. Практика,
В.В. Ермошкин
ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРООТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД
и ш ри обосновании оптимальных параметров гидроотвалов
-М. Л. необходимо учитывать следующие особенности гидроотвалов вскрышных пород угольной отрасли:
- под накопители промышленных отходов отводятся земельные участки с неблагоприятными инженерно-геологичес-кими условиями: поймы рек, ручьев, лога, овраги, балки, заболоченные территории, поэтому естественные основания гидротехнических сооружений представлены в основном водонасыщенными глинистыми отложениями повышенной влажности и сжимаемости с низкими значениями прочностных показателей;
- приуроченность местоположения гидротехнических сооружений к расчлененным формам рельефа предполагает необходимость учета геодинамических факторов, влияющих на устойчивость плотин и дамб, главным образом, наличия тектонических нарушений, которые могут быть вовлечены в современные тектонические процессы;
- гидроотвалы расположены зачастую в пределах горных отводов угледобывающих предприятий, попадая в зоны влияния открытых горных выработок, подземных горных работ, различных горнотехнических сооружений;
- в пределах упорной призмы внешних откосов гидроотвалов формируются водонасыщенные сильносжимаемые грунты пылевато-глинистого состава, склонные к значительным вертикальным деформациям и нелинейному изменению физико-механических свойств с увеличением нагрузки, развитию избыточного порового давления в процессе консолидации, при сейсмических и динамических нагрузках;
- значительная протяженность дамб сооружений предопределяет непостоянство инженерно-геологических условий на различных участках внешних откосов, обусловленную изменчивостью строения и свойств пород основания, намывного массива и насыпного тела дамб;
- эксплуатация сооружений ведется длительное время (20-30 лет и более), в течение которого изменяются инженерногеологические условия; кроме того, в процессе эксплуатации могут изменяться состав складируемого материала и технология его размещения;
- после завершения срока эксплуатации гидроотвалы и хво-стохранилища должны быть законсервированы, рекультивированы, частично или полностью удалены; на них могут размещаться отвальные или прочие сооружения.
В настоящей работе мы учтем только некоторые из перечисленных выше особенностей гидроотвалов угольной промышленности, а именно: - наличие в теле и основании гидроотвала обводненных пород, склонных к развитию гидрогеомеханических процессов (формирование и изменение порового давления); - изменение при развитии гидрогеомеханических процессов физико-механических свойств.
Основными параметрами гидроотвалов являются общая высота, результирующий угол откоса, высота и угол откоса яруса. Их обоснование следует выполнять в тесном согласовании с инженерно-геологическими условиями гидроотвалообразования, применяемой технологией и природоохранными мероприятиями. Для их определения необходимы следующие данные:
1. Состав пород вскрыши, складируемый в гидроотвал.
2. Способ намыва сооружения, его тип, проектные объемы на момент завершения намыва и по годам.
3. Геоморфологические, геологические, инженерно-геологические и гидрогеологические условия территории основания гидроотвала.
4. Стоимость основных видов гидроотвальных работ, единицы площади сооружения и ущерба от изменения экологической обстановки в районе гидроотвала.
Оптимальные параметры гидроотвалов выбирают с учетом гидрогеомеханических, технологических и природоохранных ограничений методом сравнений экономической эффективности по ми-
нимуму затрат на гидроотвалообразование в течение установленного срока. К ограничительным условиям относятся:
• устойчивость внешних откосов;
• наличие определенного технологического оборудования;
• природоохранные требования при формировании гидроотвалов (например, к изменению гидрохимического и гидродинамического режимов подземных вод территорий размещения гидротехнических объектов).
Расчеты устойчивости гидроотвалов следует осуществлять с применением современных методов [1, 2] с учетом формирования и изменения напряженно-деформированного состояния и физикомеханических свойств. Это обстоятельство требует выполнения прогнозирования изменения гидродинамического режима подземных вод и динамики развития избыточного порового давления. При этом прогноз консолидации (порового давления) целесообразно выполнять для глинистых пород, характеризующихся коэффициентами фильтрации от 0,1 до 0,00001 м/сут (при коэффициентах консолидации в диапазоне 0,001-1 м2/сут.
Прогноз порового давления, развивающегося в массиве пород как при его нагружении, так и формировании в условиях послойного намыва, следует выполнять с применением математических методов, позволяющих в количественной фор-ме оценить изменение его величины в пространстве и времени. Достоверность прогнозных оценок зависит от того, насколько полно в расчетной схеме отражено влияние различных природных и технологических факторов на условия протекания физического процесса.
Для выполнения прогноза изменения порового давления необходимо проанализировать геологическое строение мас-сива, компрессионно-фильтрационные свойства слагающих его пород, характер нагружения и обосновать расчетную схему, наиболее полно отражающую эти природные и технологические условия отвалообразования. Любая расчетная схема предполагает наличие определенной области (математического поля), охарактеризованной детерминированными физическими свойствами, а также начальными и граничными условиями.
Можно выделить несколько схем прогноза порового давления в намывных массивах, наиболее часто встречающиеся при решении задач по устойчивости гидроотвалов. Эти расчетные схемы соответствуют имеющимся аналитическим решениям одномерных
задач теории консолидации [3], поэтому они называются типовыми. Типовые схемы сведены к анализу консолидации однородного по свойствам слоя пород под влиянием постоянной и переменной внешней нагрузки [2]. В некоторых случаях горногеологических условий формирования гидроотвалов (например, отсыпка дамб наращивания на анизотропных намывных массивах) более достоверные результаты прогнозирования избыточного порового давления получаются при использовании двухмерных задач теории консолидации [4].
Одним из важнейших вопросов при осуществлении прогноза порового давления в намывных массивах является выбор и обоснование параметров консолидации - коэффициентов консолидации. Существующие лабораторные методы их определения дают несколько заниженные параметры, что, в свою очередь, сказывается на достоверности выполненных расчетов порового давления. Наиболее приемлемые значения коэффициентов консолидации получаются на основании опытно-промышленных экспериментов [5] или обратных расчетов на основании измеренных величин порового давления. Так, при анализе результатов изучения порового давления в глинистых зонах гидроотвалов Кузбасса, характеризующихся различными технологическими параметрами, были установлены коэффициентами консолидации Су, изменяющиеся в пределах от 0,01 до 0,04 м2/сут. Данные параметры позволяют с оптимизмом смотреть на консолидацию - как процесс, сопровождающийся возрастанием эффективный напряжений в скелете породы и приводящий к улучшению физикомеханических свойств намывных пород.
Напряженное состояние намывных массивов определяет физико-механические свойств слагающих их пород. Нами получены зависимости изменения показателей влажности, плотности, проницаемости, сжимаемости и прочности с увеличением нагрузки уплотнения. Установлено, что основное изменение указанных параметров (кроме параметров сопротивления сдвигу) происходит в диапазоне эффективных напряжений 0-0,5 МПа, после чего дальнейшее нагружение не приводит к заметному изменению состояния и свойств пород. Кроме того, выполнено сравнение результатов лабораторного моделирования процесса консолидации пород с данными опробования намывных отложений в массиве. Так, на гидроотвале № 3 разреза "Кедровский"
буровыми работами была вскрыта толща намывных суглинков мощностью 45 м, представленная в верхней части разреза текучепластичными осадками, в основной части разреза - породами мягко- и тугопластичной консистенции, а в основании (на глубине 43 м) - суглинками полутвердой консистенции. Представленные результаты изучения намывных пород характеризуют состояние и свойства пород т sity при изменении их напряженного состояния по глубине массива. Эффективные напряжения в точках отбора образцов определялись с учетом замеров порового давления специальными датчикам. Сравнивая характер изменения степени консолидации пород, о которой можно судить по консистенции, следует отметить близкое совпадение лабораторных и натурных результатов. В том и другом случаях породы приобретают мягкопластичную консистенцию при эффективных напряжениях 0,1-0,15 МПа, а в полутвердое состояние переходят при напряжениях, близких к 0,5 МПа.
После завершения эксплуатации гидроотвалов слагающие их намывные породы представлены в большей части слабо уплотненными осадками от текучей до мягкопластичной консистенции, лишь нижние горизонты техногенных массивов сложены тугопластичными и полутвердыми отложениями. Опыт изучения гидроотвалов с большим сроком «отдыха» показывает, что состояние намывных пород с течением времени меняется весьма незначительно.
Формирование гидроотвалов обычно происходит стадийно с использованием многоярусных систем. В этом случае для каждого яруса производится отсыпка дамбы наращивания, которую следует рассматривать как отвалообразование на поверхности гидроотвала
- создание узкопрофильных отвальных насыпей. Изучение условий отвалообразования на площадях гидроотвалов показывает, что в процессе нагружения намывных массивов изменениям подвергаются не только породы, находящиеся непосредственно в основании отвалов (в зоне сжатия), но и в непригруженной части основания, получившей название «зона влияния отвала». Характер гидрогео-механических процессов и степень изменения намывных пород в основании отвалов как в зоне сжатия, так и в зоне влияния существенным образом зависят от технологических особенностей отвало-образования.
При отсыпке узкопрофильных сооружений (дамб обвалования) изменение напряженно-деформированного состояния пород в ос-
новании сводится к следующей схеме. В момент отсыпки отвального блока породы основания подвергаются интенсивному силовому воздействию, которое в намывных водонасыщенных грунтах полностью передается на воду, вызывая резкое повышение порового давления в породах, залегающих непосредственно под контуром нагружения. Возмущение в поровой воде, возникшее первоначально лишь в ограниченной области основания, в дальнейшем распространяется вглубь массива благодаря упругим свойствам воды, инициируя повышение порового давления (нейтральных напряжений) во все более удаленных от места нагружения частях массива. Одновременно с этим в силу создавшейся разности напоров, вызванной неравномерным увеличением гидростатического давления в массиве основания насыпи, начинается фильтрационный процесс, направленный на выравнивание поля нейтральных напряжений. Изменение порового давления в ходе этого процесса определяет фильтрационная неоднородность массива основания. В той его части, которая попадает под воздействие дополнительных сжимающих напряжений от внешней нагрузки (в зоне сжатия), отток поровой жидкости связан с пластическими деформациями скелета пород. Здесь изменение порового давления определяется интенсивностью развития процесса фильтрационной консолидации и сопровождается увеличением плотности пород, снижением влажности и повышением прочностных свойств. В другой части основания, где поровое давление образовалось как реакция на возмущение в зоне сжатия, фильтрационный процесс осуществляется без нарушения структуры и свойств пород. Следует отметить, что зона сжатия в основании узкопрофильных насыпей по размерам меньше зоны влияния; она прослеживается по ширине в пределах контура нагружения, а по глубине соизмерима с высотой отсыпанной призмы сухих пород. При высокой интенсивности отвалообразо-вания зона влияния в основании отвалов может иметь неограниченные размеры, в то время как зона консолидации всегда ограничена в пределах "луковицы" дополнительных сжимающих напряжений.
Повышение порового давления в намывных породах перед отвальным фронтом связано с проявлением гидродинамического давления, возникающего вследствие сопротивления грунта движению воды, которая отжимается из-под отвалов. Условия
фильтрации в пределах зоны сжатия неоднородны по проницаемости из-за различной степени деформируемости пород в разных частях толщи и изменяются во времени в связи с постепенным снижением фильтрационной способности пород. По мере уплотнения пород, уменьшения их пористости возможность фильтрации воды к верхней границе зоны сжатия становится все более затрудненной, что создает преимущества для разгрузки массива через ненарушенную его часть.
Кроме замеров порового давления в зоне влияния отвала выполнены натурные определения прочности пород методом вращательного среза, а также плотности и влажности с помощью радио-изотопных скважинных приборов. Прочность намывных отложений суглинистого состава в интервале глубин 2 - 20 м не превысила 0,01 МПа при чувствительности, близкой к единице; плотность пород составила 1,85-1,90 г/см3 влажность в интервале глубин от 0,5 до 7 м постепенно увеличивалась с 30 до 50 %, а затем стабилизировалась на 52-55 % до основания разреза намывных пород. Сопоставление указанных параметров свойств со значениями, полученными при инженерно-геологических исследованиях до нагружения гидроотвала породами "сухой" вскрыши, позволяет отметить увеличение влажности на 30-50 %, небольшое уменьшение плотности (5-7 %) и значительное падение прочности (до 400 %).
Преобразование намывных пород в зоне сжатия, находящейся непосредственно под отвалами, происходит в соответствии с установленными закономерностями увеличения степени их литификации с ростом уплотняющего давления. Интересные данные, характеризующие процесс консолидации намывных пород под нагрузкой, получены нами на гидроотвале "Сагарлыкский", где удалось исследовать образцы намывных пород, отобранные из-под отвалов высотой почти 50 м. Здесь в районе бывшей переходной зоны гидроотвала под насыпью был вскрыт намывной массив мощностью 16,5 м, представленный пылеватыми суглинками тугопластичной и полутвердой консистенции. До начала отвальных работ на территории гидроотвала породы переходной зоны характеризовались в основном мягкопластичной консистенцией при влажности 25-28 %. Дополнительное нагружение пород отвалами вызвало их уплотнение до состояния тугопластичной и полутвердой консистенции. Гидростатическое давление в точках отбора образцов составляло
О 5 10 15 20 25 30 35
Результирующий угол откоса, а Зависимость высот гидроотвалов Кузбасса от результирующего угла
примерно половину от величины полного давления, обусловленного весом вышележащих намывных и отвальных пород, что свидетельствует о незавершенности процесса фильтрационной консолидации.
Рассмотренные выше процессы изменения напряженно-деформированного состояния и свойств намывных пород за счет формирования и рассеивания избыточного порового давления учитывались нами при обосновании параметров гидроотвалов на этапах их строительства, эксплуатации, консервации и ликвидации. На рисунке приведены фактические параметры изученных объектов Кузбасса, многие из которых в данный момент времени эксплуатируются, а некоторые - находятся на этапе консервации. Анализ результатов позволил получить зависимость высоты гидроотвалов от результирующего угла откоса:
Н = 6392, 4 А 21085
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. СПб, Издательство ВНИМИ, 1998. -208 с.
2. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть II. Обоснование оптимальных параметров отвальных сооружений. Л.: Издательство ВНИМИ, 1990, 51 с.
3. Гальперин А.М. Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях. - М.: Недра, 1988.
4. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Подольский В.А. Изучение и прогноз гид-рогеомеханических процессов при гидроотвалообразовании. Сб. научн. трудов ВНИМИ “Вопросы гидрогеологии и гидрогеомеханики горного производства. -СПб: ВНИМИ, 1998.с.65-77.
5. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть 1. Изучение гид-рогеомеханических условий строительства и рекультивации отвальных сооружений (Кутепов Ю.И., Норватов Ю.А., Кутепова Н.А.). Л.: Издательство ВНИМИ, 1989, 55 с.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------
Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Практика С.В. - ВНИМИ, Санкт-Петербург,
Ермошкин В.В. - УК «Кузбассразрезуголь, Кемерово.
