CC BY
37
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / GIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2019;4:109-120
УДК 622.221.451.2 (57) DOI: 10.25018/0236-1493-2019-04-0-109-120
ОБОСНОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ВНЕШНИХ ОТВАЛОВ КУЗБАССА И МОНИТОРИНГ
ИХ СОСТОЯНИЯ
Ю.И. Кутепов1, Н.А. Кутепова1, А.Д. Васильева1
1 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия, e-mail: koutepovy@mail.ru
Аннотация: Рассмотрены проблемы, возникающие при складировании в отвалы вскрышных пород при отрытой разработке угля. Выполнен анализ факторов, влияющих на устойчивость отвальных сооружений, дана общая характеристика отвальных объектов Кузбасса. Показано, что отвалы представляют собой техногенные массивы большой площади, высоты и емкости. Проведен анализ исследований в области изучения инженерно-геологических и гидрогеологических условий отвалов, технологии их формирования и мониторинга состояния. Установлены закономерности изменения прочностных и фильтрационных свойств отвальных пород при возрастании высот отвалов, связанные с увеличением дисперсности пород за счет разрушения обломочного материала. Повышение дисперсности насыпных пород ведет к уменьшению в них объема порового пространства, водопроницаемости, и, как следствие, к формированию в техногенном массиве водоносного горизонта. Наличие техногенных водоносных горизонтов характерно для отвалов высотой более 100 м при разработке месторождений угля, приуроченных к кольчугинской серии, а также при совместном складировании покровных глинистых отложений и обломочного скального материала как кольчугинской, так и балахон-ской серий. Гидродинамические процессы в техногенных массивах оказывают значительное влияние на устойчивость откосов отвалов. Предложена методология организации мониторинга безопасности (МБ) на отвалах, включающая геодезические и гидрогеологические инструментальные наблюдения, гидрогеомеханические расчеты и численное моделирование напряженно-деформированного состояния пород. Мониторинг безопасности осуществляется по предварительно обоснованным критериям. Предложена автоматизированная система МБ, основанная на измерениях давления воды в отвальных массивах.
Ключевые слова: отвалы, техногенные породы, инженерно-геологические и гидрогеологические условия, прочностные и фильтрационные свойства пород, гидродинамический режим, мониторинг безопасности, геодезические и гидрогеологические наблюдения, гидрогеомеханические расчеты, критерии безопасности, оценка устойчивости.
Для цитирования: Кутепов Ю. И., Кутепова Н. А., Васильева А. Д. Обоснование устойчивости внешних отвалов Кузбасса и мониторинг их состояния // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2019. - № 4. - С. 109-120. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-04-0-109-120.
External dump stability substantiation and monitoring in Kuzbass
Yu. I. Kutepov1, N.A. Kutepova1, А.0. Vasil'eva1
1 Nazvanie organizatsii, Gorod, Russia, e-mail: koutepovy@mail.ru
Abstract: Dumping problems in open pit coal mining are discussed. The dump stability factors are analyzed, and Kuzbass dumps are characterized in general. It is shown that dumps are man-made
© Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, А.Д. Васильева. 2019.
bodies of large area, height and capacity. The investigations into engineering geology and hydroge-ology of dumps, dumping technologies and monitoring are reviewed. It is found that strength and filtration characteristics of dumped rocks change with increasing height of dumps due to higher dispersiveness of rocks with disintegration of debris. Higher dispersiveness results in reduced volume of pore space and lower permeability of rocks and, as a consequence, in formation of a waterbearing bed in a dump. The water-bearing beds are typically present in dumps higher than 100 m in mining coal deposits adjacent to the Kolchugino group, or when clayey overburden and hard rock debris from both Kolchugino and Balakhon groups are dumped jointly. Hydrodynamic processes have considerable effect on the slope stability of dumps. The proposed methodology of dump safety monitoring includes surveying and hydrological instrumental observations, hydro-geomechanical calculations and numerical modeling of stresses and strains in rocks. Safety monitoring is carried out based on the preliminary substantiated criteria. The automatic safety monitoring system is based on water pressure measurements in dumps.
Key words: dumps, overburden, geotechnical and hydrogeological conditions, strength and filtration properties of rocks, hydrodynamic regime, safety monitoring, surveying and hydrogeological observations, hydro-geomechanical calculation, safety criteria, stability estimation.
For citation: Kutepov Yu. I., Kutepova N. A., Vasil'eva А. D. Обоснование устойчивости внешних отвалов Кузбасса и мониторинг их состояния. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2019;4:109-120. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-04-0-109-120.
Введение
Открытая разработка угольных месторождений в Кузбассе сопровождается интенсификацией вскрышных и отвальных горных работ. Так, в 2017 г. в регионе из добытых 241 млн т угля на открытый способ приходится 156,6 млн т, при этом прирост открытой угледобычи относительно 2016 г. составил 7,9% [1]. Обеспечение годовой добычи такого количества угля потребует дополнительно извлечь из недр около 1,5 млрд т пород вскрыши, для размещения которых на земной поверхности необходимо около 1500 га территорий земельного отвода в непосредственной близости от горных выработок. Поскольку большая часть разрезов ведет угледобычу с 50—70-х годов прошлого столетия, то свободных площадей под отвалы, отвечающих данным требованиям, практически не осталось. Основным резервом, обеспечивающим технико-экономическую эффективность складирования вскрышных пород, являются поверхности существующих горнотехнических сооружений — отвалов и гидроотвалов [16], использование которых
ведет к значительному росту их высот. На большинстве разрезов Кузбасса высоты эксплуатируемых отвалов превышают 100 м, проектами реконструкции некоторых предприятий, в частности, Бачат-ского и Талдинского угольных разрезов, предусмотрено увеличить высоты отвальных сооружений до 200 и даже 300 м.
Эксплуатация высоких и сверхвысоких горнотехнических сооружений сопряжена со значительной геодинамической опасностью, аварии и аварийные ситуации могут привести к серьезным экологическим и экономическим последствиям, а иногда человеческим жертвам [11]. Подтверждением сказанному являются оползни, произошедшие на внешних отвалах разрезов «Заречный», «Ви-ноградовский», «Кыргайский Средний», а также отвале на борту разреза «Чер-ниговец». Оползни вовлекли в деформационный процесс значительные объемы пород отвального массива. Так, в первом случае оползневым процессом было охвачено 27 млн м3 пород, и ликвидация его последствий потребовала около 8 млрд руб., в случае разреза «Черниго-
вец» зафиксирована смерть трех человек. Следует также отметить, что данные горнотехнические сооружения характеризовались на момент развития негативных геодинамических процессов высотами более 100 м.
Обзор литературы
Изучению вопросов размещения на земной поверхности отходов различных производств и формирования отвалов посвящены работы многих известных отечественных и зарубежных ученых ([4, 6, 13, 14] и пр.). В них рассмотрены инженерно-геологические, геомеханические и технологические аспекты проблемы складирования вскрышных пород месторождений полезных ископаемых и техногенных образований. Особое место в решении данной проблемы занимает обеспечение безопасных условий функционирования горнотехнических отвальных сооружений, что достигается организацией и постоянным ведением мониторинга их состояния [7].
Хозяйственная деятельность человека на всех этапах своего развития в силу любознательности и для выполнения контрольных функций сопровождалась наблюдениями. В 1972 г. на Стокгольмской конференции ООН вводится понятие «мониторинг» для обозначения повторных наблюдений за одним или несколькими элементами окружающей среды в пространстве и времени с определенными целями. В последующем теория мониторинга окружающей среды получила развитие в России и за рубежом [2, 3, 8, 9, 10, 15]. Однако современные потребности горно-перерабатывающего производства, в части складирования отходов в отвальные сооружения, выдвигают новые задачи, требующие учета специфики их вещественного состава, способов и интенсивности отвалообра-зования, конструктивных особенностей сооружений и прочее.
Характеристика внешних отвалов
и гидроотвалов Кузбасса
При открытой разработке угля в Кузбассе производится интенсивная отсыпка вскрышных пород во внешние отвалы с применением «сухого» и гидравлического способов складирования. В «сухие» отвалы размещаются дезинтегрированные скальные породы углевмещающей толщи, в основном, песчаники, алевролиты и аргиллиты балахонской и кольчу-гинской серий, а также неоген-четвертичные покровные суглинки, а в гидроотвалы — только покровные суглинки.
Внешние отвалы занимают значительные площади, достигающие 1000 га и более. Их высоты изменяются в широких пределах: одноярусные, отсыпаемые под углами естественного откоса, имеют высоту от 15 до 90 м, многоярусные — от 40 до 160 м — формируются под результирующими углами откосов от 11° до 26°. В последние годы, в связи с отсутствием земель в непосредственной близости от действующих горных выработок, на ряде угледобывающих предприятий пошли по пути увеличения высот существующих отвальных сооружений. Так, на ведущих угольных разрезах выполнены проекты отвалов высотой до 300 м, и в перспективе прорабатывается вопрос дальнейшего наращивания объектов до 500 м и более.
Нашими исследованиями [13, 14] установлено, что в отвалах высотой более 100 м на месторождениях Кузбасса, отрабатывающих угли кольчугинской серии, в техногенном массиве формируется водоносный горизонт. Это объясняется тем обстоятельством, что вскрышные породы здесь представлены песчаниками, аргиллитами и алевролитами с глинистым пленочным цементом, в процессе нагружения они изменяют исходный гранулометрический состав в результате разрушения обломков и агрегатов, уменьшается объем порового простран-
ства и водопроницаемость пород. При определенных нагрузках коэффициенты фильтрации пород снижаются до таких значений, при которых обусловленное атмосферными осадками инфильтраци-онное питание обеспечивает накопление в отвальной толще воды. При формировании техногенных массивов из вскрышных пород балахонской серии, характеризующихся наличием карбонатного порово-пленочного цемента и большей прочностью кусков (табл. 1), при нагрузках до 5 МПа (сооружение высотой 300 м) в отвале не происходит образования полностью обводненных зон.
При одновременной отсыпке в отвал дезинтегрированных скальных углевме-щающих пород обеих серий в смеси с покровными суглинками также следует ожидать появление безнапорного водоносного горизонта в техногенном массиве. Степень обводнения отвала при этом возрастает пропорционально увеличению доли в отсыпаемых отвальных смесях покровных суглинков, изначально харак-
теризующихся низкой водопроницаемостью. Кроме того, при отсыпке отвальных насыпей на водонасыщенные «слабые» глинистые основания или при наращивании водонасыщенных отвалов, ранее отсыпанных из слабопроницаемых пород, в техногенных и естественных массивах природно-технической системы (ПТС) «отвал + естественное основание» происходит образование избыточного порового давления, которое существенно сказывается на напряженно-деформированном состоянии ПТС и устойчивости ее откосов.
Игнорирование гидрогеологических факторов при выполнении геомеханических расчетов отвальных сооружений может привести к необоснованному завышению параметров откосов и стать причиной развития оползней различного масштаба. Так, в 2015—16 гг. на отвалах Кузбасса произошло несколько оползней, вовлекших в деформационный процесс от 1,5 до 27 млн м3 (рис. 1). Анализ причин деформаций показал, что фактически техногенные массивы были более
Таблица 1
Сравнительная характеристика углевмещающих вскрышных пород Кузбасса Comparative characteristics of coal-bearing overburden of Kuzbass
Виды пород Породы кольчугинской серии (Центральный Кузбасс) Породы балахонской серии (предгорные районы Кузбасса)
Песчаники Р1 Цемент пород в основном глинистый, пленочный, представлен гидрослюдой. Среднее значение временного сопротивления сжатию 37 МПа. Содержание во вскрышной толще достигает 25%. Цемент пород преимущественно карбонатный, поровый и пленочный. Среднее значение временного сопротивления сжатию 87 МПа. Содержание во вскрышной толще достигает 60%.
Алевролиты Р1 Цемент преимущественно глинистый, пленочного типа. Среднее значение временного сопротивления сжатию 26,2 МПа. Содержание в отвале составляет до 70%. Характеризуются наличием карбонатного цемента. Среднее значение временного сопротивления сжатию 60,67 МПа. Составляют до 30% отвальной массы.
Аргиллиты Р1 Характеризуются ослабленными структурными связями. Среднее значение временного сопротивления сжатию 19,7 МПа. Содержание в отвальной массе незначительно — до 5%. Характеризуются ослабленными структурными связями. Среднее значение временного сопротивления сжатию 22,3 МПа. Содержание в отвальной массе незначительно — до 5%.
Рис. 1. Пример оползня, произошедшего на угольном разрезе «Заречный», Кемеровская область
Fig. 1. An example of a landslide that occurred on the Zarechny coal mine, Kemerovo region
чем на 60% обводнены, хотя на этапах обоснования параметров данные сооружения рассматривались как «сухие», и расчеты устойчивости производились без возможного влияния техногенного водоносного горизонта.
Особым видом внешних отвалов при открытой разработке угля в Кузбассе являются гидроотвалы. Данные сооружения относятся к объектам промышленной гидротехники и предназначены для складирования глинистых пород вскрыши, отрабатываемых гидромеханизаци-онным способом. За все время использования гидромеханизации в регионе было удалено более 1 млрд м3 покровных глинистых отложений с размещением в 57 гидроотвалах. Большая их часть сформирована в оврагах и балках посредством строительства ограждающих дамб из привозного материала, два гидроотвала намыты на косогоре и имеют трехстороннее обвалование, два — на
равнине при обваловании с четырех сторон, четыре — в старых горных выработках. Высоты гидроотвалов колеблются от 4 до 77 м, занимаемые площади изменяются от 50 до 765 га, а емкости — от 0,6 до 300 млн м3. Количество дамб наращивания гидроотвалов разнообразно и варьируется от 1 до 15. Намыв большей части сооружений производится сосредоточенным способом при среднегодовой интенсивности по высоте 1— 4 м/год.
При намыве, строительстве дамб наращивания и отсыпке различных технологических насыпей (например, при-грузов) на некоторых гидроотвалах наблюдались оползни, основной причиной которых являлось образование в намывных породах откосной части сооружений избыточного порового давления, превышающего критические величины.
Одним из путей решения проблемы дефицита площадей под внешние сухие
отвалы в Кузбассе является их отсыпка на поверхности законсервированных гидроотвалов. Из всех существовавших в регионе гидроотвалов в настоящее время в эксплуатации находится только 5 сооружений, остальные либо ликвидированы, либо планируются к использованию для размещения сухой вскрыши. Общая площадь данных сооружений достигает 7000 га, что позволит дополнительно разместить на них более 3 млрд м3 пород сухой вскрыши. Известно, что намывные массивы представлены «слабыми» водонасыщенными глинистыми породами, поэтому, при нагружении сухими отвальными насыпями в них развиваются процессы формоизменения и уплотнения, которые сопровождаются формированием избыточного порово-го давления в нагружаемых намывных породах. Оно оказывает существенное влияние на прочность пород и, соответственно, устойчивость откосов природно-технических систем (ПТС) «гидроотвал + + отвал + естественное основание».
Организация и выполнение
мониторинга безопасности
Рассмотренные выше случаи внешнего отвалообразования на разрезах Кузбасса показывают важнейшую роль гидрогеологических факторов при оценке устойчивости формируемых отвальных сооружений. Выполняемые на отвалах и гидроотвалах наблюдения за давлением воды в техногенных и естественных массивах сочетаются с другими видами измерений в рамках мониторинга безопасности.
Целью мониторинга безопасности (МБ) является обеспечение постоянного контроля устойчивости отвала, предотвращение опасных деформаций и создание безопасных условий работы людей и горнотранспортного оборудования при ведении отвальных горных работ [12].
Поставленная цель достигается:
1. организацией и выполнением инструментальных маркшейдерско-геоде-зических наблюдений по реперным линиям, заложенным в наиболее ответственных с точки зрения устойчивости участках отвала;
2. организацией гидрогеологических наблюдений за режимом подземных вод в откосах техногенных массивах и естественных основаниях отвалов с применением систем автоматизированных наблюдений;
3. разработкой гидрогеомеханических моделей ПТС «отвал + естественное основание» для выполнения оценок устойчивости ее откосов;
4. выполнением периодических гидрогеологических измерений уровней и напоров в естественных и техногенных массивах ПТС и оценки текущего состояния устойчивости откосов;
5. разработкой критериев безопасности для контроля состояния устойчивости откосов отвала по заложенным диагностическим профилям;
6. разработкой мероприятий по предотвращению оползневых деформаций и управлению устойчивостью откосов ПТС.
Предложенная конфигурация МБ ПТС «отвал + естественное основание» базируется на проведении наблюдений за двумя процессами — деформациями поверхности и гидродинамическим режимом в теле и основании отвала. В первом случае контролируется характер деформационного поведения откосов системы: затухающий, установившийся, прогрессирующий, разрушение [17]. Первая стадия деформационного процесса свидетельствует о стабильном состоянии системы. Переход во вторую говорит о продолжающемся ее «квазистабильном» состоянии. На третьей стадии, — прогрессирующей ползучести, — система переходит в потенциально «неустойчивое» состояние, которое, в итоге, неуклонно
приводит к разрушению системы. Отпущенный период времени перехода от прогрессирующей ползучести в стадию разрушения должен быть использован для выполнения противооползневых мероприятий, разработка которых была заранее осуществлена на втором этапе деформационного процесса.
Наблюдения за гидродинамическим режимом подземных вод в ПТС «отвал + + естественное основание» позволяют осуществлять контроль одного из основных факторов, определяющих устойчивость откосов отвалов, а также развитие деформационного процесса техногенного массива и его поверхности. Они могут быть использованы для оценки устойчивости откосов отвала. Кроме того, результаты выполненного прогноза уровней и напоров в водоносных горизонтах ПТС при изменении технологических, гидрогеологических и инженерно-геологических условий могут использоваться для обоснования гидрогеомеханических критериев безопасности — критических напоров, соответствующих обоснованному определенному коэффициенту устойчивости.
Так, нормативному коэффициенту запаса устойчивости для отвалов 1,20 соответствуют определенные напоры или уровни воды в откосе отвала, являющиеся гидрогеомеханическими критериями безопасности первого уровня. Данному состоянию устойчивости соответствует переход в деформационном поведении системы из затухающей в установившуюся ползучесть. Критерий безопасности второго уровня — напоры или уровни воды в ПТС, при которых коэффициент запаса устойчивости равен 1,10. Установлено, что при таком коэффициенте запаса наблюдается переход деформационного процесса из стадии установившейся ползучести в прогрессирующую. Третий критерий безопасности соответствует напорам или уровням воды в от-
косах ПТС с коэффициентом равным 1,00 — условие предельного равновесия, приводящее к разрушению.
Таким образом, наблюдение за деформациями поверхности отвалов, уровнями и напорами воды в ПТС с использованием обоснованных критериев трех уровней обеспечивает постоянный контроль устойчивости откосов с любой периодичностью, в зависимости от применяемой приборной и аналитической базы. Использование автоматизированных систем наблюдения за смещениями поверхности, например, радарной съемки, в сочетании с автоматизированными измерениями давления воды в породах откосов ПТС позволят заблаговременно оценить состояние устойчивости и избежать развития негативных процессов. Однако в связи в большой ценой приборов радарной съемки на объектах РФ наибольшее распространение имеют наземные маркшейдерско-геодезические измерения, периодичность измерений по которым оставляет желать лучшего. В случае выполнения мониторинга безопасности обводненных отвальных сооружений можно применить комбинированную систему наблюдений за устойчивостью объектов, в которой определение перемещений пунктов (реперов) производится с определенной периодичностью (раз в квартал, месяц, неделю и т.д.) при использовании наземных средств, а измерение уровней и напоров осуществляется с большей дискретностью (от 6 с и выше) автоматизированными системами.
Для использования в практике выполнения МБ гидрогеологических наблюдений предлагается методика, основанная на использовании оригинальной тензометрической аппаратуры: датчиков гидростатического давления и скважин-ного накопителя информации САП-1М [13]. В диагностических створах, обоснованных для данного отвального сооруже-
C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7
Рис. 2. Организация мониторинга безопасности при отсыпке отвалов на слабое водонасыщенное основание
Fig. 2. Organization of safety monitoring during dumping on a weak saturated base
ния и характеризующихся наихудшими условиями устойчивости, в скважинах на различных глубинах закладываются датчики гидростатического давления в количестве, достаточном для получения информации о гидрогеологической структуре отвала, его инженерно-геологическом строении и прочем. Установленные приборы объединяются в группы по 10 приборов для подключения к прибору САП-1М, который далее через модем по сотовой GSM связи соединяется с базовым компьютером диспетчера предприятия (рис. 2). Для каждого из датчиков заранее обосновываются критерии трех уровней и заводятся в аналитическую систему САП-1М, в которой происходит сравнение обоснованных критериев с замеренными значениями давления воды на датчиках. При достижении установленных значений критериев система немедленно оповещает об этом событии через интернет-связь на базовый компьютер или сотовый телефон диспетчера. Прибор САП-1М работает в интерактивном режиме, позволяя корректировать периодичность измерений и обоснованные критерии безопасности.
Разработанная система МБ включает в себя периодическую оценку состояния устойчивости с использованием прямых геомеханических методов расчета или математического моделирования МКЭ [13]. Для этих целей используются программные комплексы, применяемые для расчетов устойчивости методом предельного равновесия и численным моделированием геофильтрации и напряженно-деформированного состояния (НДС). С определенной периодичностью, обычно раз в полгода или год, производятся прямые расчеты устойчивости, прогнозируется гидродинамический режим и НДС, а также при необходимости, которая довольно часто возникает на первых этапах организации МБ, корректируются гидрогеологические критерии безопасности для каждого из установленных приборов.
Обсуждение результатов
исследований
Выполненный анализ проблемы устойчивости отвалов показал практическое отсутствие научно-методической базы, устанавливающей требования к изу-
чению техногенных породных массивов, формирования состава, состояния и физико-механических свойств слагающих их пород, гидрогеологической структуры отвальных природно-технических систем, к оценке устойчивости откосов горнотехнических отвальных сооружений.
Одной из основных проблем, возникающих при оценке устойчивости откосов отвалов и обосновании их оптимальных параметров, является определение расчетных параметров прочностных свойств техногенных пород — угла внутреннего трения и сцепления. В середине прошлого столетия в институте ВНИМИ О.Ю. Крячко был разработан одноплоскостной сдвиговой прибор с большой площадью среза. Для всех основных угольных бассейнов на нем было выполнено определение прочностных параметров отвальных смесей, которые приведены в «Правилах обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах» [19] и до сих пор используются специалистами для расчетов устойчивости отвалов. Следует отметить, что данный прибор конструктивно предназначен для испытания отвальных смесей при нагрузках до 0,9 МПа, поэтому приведенные в указанном нормативном документе параметры прочности соответствуют диапазону нормальных нагрузок, которые возникают в породах откосов отвалов высотой менее 80 м. Выполненные нами исследования прочностных параметров при нагрузках до 5 МПа [18], соответствующих высотам отвала 300 м, показали значительное снижение углов внутреннего трения, достигающее для отдельных разновидностей отвальных пород 100.
Необходимо также обозначить гидрогеологическую проблему, возникшую в последние годы при формировании «сухих» отвалов: образование в теле отвала техногенного водоносного горизонта. Многочисленными исследованиями отвальных массивов данный факт был за-
регистрирован для сооружений, отсыпанных их вскрышных пород кольчугинской серии. Однако большинство специалистов продолжает игнорировать обводненность техногенных массивов при обосновании параметров отвальных сооружений, не учитывая в расчетах устойчивости гидростатические и гидродинамические силы, ошибочно полагая, что имеют дело с сухими (неводонасыщен-ными) массивами.
Увеличение высот отвальных сооружений и нормальных нагрузок в теле техногенного массива, а также отсыпка в отвал определенного количества слабопроницаемых глинистых пород, приводят к снижению фильтрационных свойств породных массивов и формированию в них водоносных горизонтов. Часть отвальных сооружений формируется из пород с низкими фильтрационными свойствами при условии вывоза на отвал значительного количества воды, которая в совокупности с инфильтрационным питанием обеспечивает формирование техногенного водоносного горизонта в теле отвала. Кроме того, при интенсивной отсыпке водонасыщенных отвальных масс в насыпных массивах и естественных основаниях отвалов формируется избыточное порового давление, снижающее эффективные напряжения в скелете пород и, соответственно, их прочность. Учет гидрогеологических факторов обязателен в расчетах устойчивости и предопределяет необходимость их контроля в системе мониторинга безопасности.
В настоящее время в РФ отсутствует нормативная база, регламентирующая требования к организации и выполнению мониторинга безопасности при функционировании отвальных сооружений, за исключением случаев эксплуатации гидротехнических сооружений. Мониторинг на многих объектах не ведется, либо осуществляется с применением только геодезических измерений. Поскольку вы-
соты отвалов растут и в большинстве случаев превысили 100 м, то возникновение на них аварий может привести к серьезным экономическим и экологическим последствиям, а иногда и человеческим жертвам.
Выводы
Проанализированы условия формирования отвалов и гидроотвалов вскрышных пород на разрезах Кузбасса, осуществляющих разработку угольных месторождений открытым способом. Показано, что при возрастании высоты «сухих» отвалов в техногенных массивах происходит дробление материала, уменьшение пористости и проницаемости пород до значений, при которых происходит формирование техногенного водоносного горизонта. Для условий Кузбасса такие процессы происходят преимущественно при складировании в отвалы вскрышных скальных пород кольчу-
гинской серии. Кроме того, совместное складирование в отвалы любых вскрышных скальных пород с покровными слабопроницаемыми суглинками приводит к значительному снижению проницаемости отвальных пород и сопровождается образованием водоносного горизонта.
Рассмотренные гидрогеологические особенности отвальных сооружений позволили сделать вывод о том, что, вне зависимости от состава складируемых пород и конструкции сооружений, для обеспечения безопасности их эксплуатации необходимо выполнять мониторинг безопасности. Предложена методика организации МБ на обводненных отвальных объектах, базирующаяся на выполнении наблюдений за деформациями откосов и гидродинамическим режимом в теле отвала. Рассмотрена приборная база для организации автоматизированной системы контроля устойчивости наблюдаемого отвального объекта.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Министерство энергетики Российской Федерации, minenergo.gov.ru/node/433.
2. Бондарик Г. К., ЯргЛ.А. Природно-технические системы и их мониторинг // Инженерная геология. - 1990. - № 5. - С. 3-9.
3. Dowd R.M. Groundwater monitoring // Environ. Sei. and Technol, 1985 Vol. 19, no 6, р. 485.
4. Гальперин А. М., Ферстер В., Шеф Ю. Техногенные массивы и охрана окружающей среды. - М.: Изд-во МГГУ, 1997. - 534 с.
5. Galperin A. M., Koutepov J. J., Moseykin V. V. Engineering - Geological provision of dumping massives development at mining enterprises of the Kuznetsk Coal Basin (Russia). 8. Freiberger Geotechnik-Kolloquium, TU Freiberg, 2015, pp. 183-191.
6. Гальперин А.М., Кутепов Ю.И., Круподеров В. С. Инженерно-геологическое обеспечение формирования и последующего использования отвальных массивов на горных предприятиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 1. - С. 20-35.
7. Грин А. М., Мухина Л. И. Принципы и методы геосистемного мониторинга. - М.: Наука, 1989. - 126 с.
8. Haiepaska J.С. A manager's' monitoring model // Ground Water Monitor. Rev., 1983, Vol. 3, no 1, р. 57.
9. Израэль Ю.А. Глобальная система наблюдений. Прогноз и оценка изменения состояния окружающей среды. Основы мониторинга // Метеорология и гидрология. - 1974. -№ 7. - С. 3-8.
10. Королев В.А. Мониторинг геологической среды: Учебник / Под ред. В.Т. Трофимова. -М.: Изд-во МГУ, 1995. - 272 с.
11. Котлов Ф. В. Изменение геологической среды под влиянием деятельности человека -М.: Недра, 1978. - 263 с.
12. Певзнер М. Е., Малышев A. A., Мельков А. Д., Ушань В. П. Горное дело и охрана окружающей среды: учебник для вузов. - М.: МГТУ, 2001. -300 с.
13. Kutepov Yu. I., Kutepova N. A., Karasev M. A., Vasileva A. D., Kutepov Yu.Yu. Hydrogeome-chanical processes in development of spoil dumps and hydraulic fills // In V. Litvinenko (ed.) Eurock2018: Geomechanics and geodynamics of rock masses. Proceedings of the 2018 European rock mechanics symposium, 2018, pp. 1645—1652.
14. Кутепов Ю. И., Васильева А.Д. Инженерно-геологические условия внешнего отвало-образования на разрезах Кузбасса // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 10. — С. 122—131. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-122-131.
15. Latkovich V.J. et al. Groundwater monitoring system // Proc. and Inf. Comm. Hydrol. Res. TNO, 1983, no 31, рр. 538—545.
16. Korobanova T. N. Dangerous geodynamic processes accompanying dump's formation / Applied and Fundamental Studies: Proceedings of the 8th International Academic Conference. — St. Louis: Science and Innovation CenterPublishing House, 2015. — pp. 84—90.
17. Сергина Е.В. Принципы организации и проведения мониторинга безопасности ПТС при открытой разработке угля на разрезе «Кедровский» в Кузбассе // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2013. — № 9. — С. 409—412.
18. Koutepov J. J., Vasileva A. D. Die Untesuchungen von der technogenen verkippten Gesteine Scherparametern im Kohlenbergbauhalden / Scientific Reports on Resource Issues 2016. Vol. 1: Efficiency and Sustainabitity in the Mineral Industry — Innovations in Geology, Mining, Processing, Economics, Safety and Enviromental Management (issue 1). TU Freiberg: 2016.
19. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. — СПб.: ВНИМИ, 1998. — 208 с. ЕШ
REFERENCES
1. Ministry of Energy of the Russian Federation, available at: minenergo.gov.ru/node/433.
2. Bondarik G. K., Yarg L. A. Природно-технические системы и их мониторинг. Inzhenernaya geologiya. 1990, no 5, pp. 3—9. [In Russ].
3. Dowd R. M. Groundwater monitoring. Environ. Sei. and Technol, 1985. Vol. 19, no 6, р. 485.
4. Gal'perin A. M., Ferster V., Shef Yh. Tekhnogennye massivy i okhrana okruzhayushchey sredy [Техногенные массивы и охрана окружающей среды], Moscow, Izd-vo MGGU, 1997, 534 p.
5. Galperin A. M., Koutepov J. J., Moseykin V. V. Engineering — Geological provision of dumping massives development at mining enterprises of the Kuznetsk Coal Basin (Russia). 8. Freiberger Geotechnik-Kolloquium, TU Freiberg, 2015, pp. 183—191.
6. Gal'perin A. M., Kutepov Yu. I., Krupoderov V. S. Engineering and geological support for the formation and subsequent use of dumping massifs in mining enterprises. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 1, pp. 20—35. [In Russ].
7. Grin A. M., Mukhina L. I. Printsipy i metody geosistemnogo monitoringa [Principles and methods of geosystem monitoring], Moscow, Nauka, 1989, 126 p.
8. Haiepaska J. С. A manager's' monitoring model. Ground Water Monitor. Rev., 1983, Vol. 3, no 1, р. 57.
9. Izrael' Yu. A. Global Observing System. Forecast and assessment of the natural environment. Basics of monitoring. Meteorologiya igidrologiya. 1974, no 7, pp. 3—8.
10. Korolev V. A. Monitoring geologicheskoy sredy: Uchebnik. Pod red. V.T. Trofimova [Monitoring of the geological environment: Textbook. Trofimov V.T. (Ed.)], Moscow, Izd-vo MGU, 1995, 272 p.
11. Kotlov F. V. Izmenenie geologicheskoy sredy pod vliyaniem deyatel'nosti cheloveka [Change in the geological environment under the influence of human activity], Moscow, Nedra, 1978, 263 p.
12. Pevzner M. E., Malyshev A. A., Mel'kov A. D., Ushan' V. P. Gornoe delo i okhrana okruzhayushchey sredy: uchebnik dlya vuzov [Mining and environmental protection: Textbook for high schools], Moscow, MGTU, 2001, 300 p.
13. Kutepov Yu. I., Kutepova N. A., Karasev M. A., Vasileva A. D., Kutepov Yu.Yu. Hydrogeo-mechanical processes in development of spoil dumps and hydraulic fills. In V. Litvinenko (ed.) Eurock2018: Geomechanics and geodynamics of rock masses. Proceedings of the 2018 European rock mechanics symposium, 2018, pp. 1645—1652.
14. Kutepov Yu. I., Vasil'eva A. D. Engineering-geological conditions of external heaping on sections of Kuzbass. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017, no 10, pp. 122—131. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-122-131. [In Russ].
15. Latkovich V. J. et al. Groundwater monitoring system. Proc. and Inf. Comm. Hydrol. Res. TNO, 1983, no 31, рр. 538—545.
16. Korobanova T. N. Dangerous geodynamic processes accompanying dump's formation. Applied and Fundamental Studies: Proceedings of the 8th International Academic Conference. St. Louis: Science and Innovation Center Publishing House, 2015. pp. 84—90.
17. Sergina E. V. Principles of the organization and conduct of monitoring of the PTS safety in the opencast coal mining in the Kedrovsky section, Kuzbass. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2013, no 9, pp. 409—412. [In Russ].
18. Koutepov J. J., Vasileva A. D. Die Untesuchungen von der technogenen verkippten Gesteine Scherparametern im Kohlenbergbauhalden. Scientific Reports on Resource Issues 2016. Vol. 1: Efficiency and Sustainabitity in the Mineral Industry — Innovations in Geology, Mining, Processing, Economics, Safety and Enviromental Management (issue 1). TU Freiberg: 2016.
19. Pravila obespecheniya ustoychivosti otkosov na ugol'nykh razrezakh [Rules for ensuring the stability of slopes on coal mines], Saint-Petersburg, VNIMI, 1998, 208 p. [In Russ].
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Кутепов Юрий Иванович1 — доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией,
Кутепова Надежда Андреевна1 — доктор технических наук,
главный научный сотрудник,
Васильева Анастасия Дмитриевна — инженер,
1 Санкт-Петербургский горный университет.
Для контактов: Васильева А.Д., e-mail: koutepovy@mail.ru.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Yu.I. Kutepov1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Laboratory N.A. Kutepova1, Doctor of Technical Sciences, Chief Researcher, А.D. Vasil'eva1, Engineer,
1 Saint-Petersburg Mining University, 199106, Saint-Petersburg, Russia Corresponding author: A.D. Vasil'eva, e-mail: koutepovy@mail.ru.
A
На XII Конгрессе обогатителей стран СНГ. 26—28 февраля 2019 г.
