CC BY
43
© Ю.И. Кутепов, С.В. Практика, В.В. Ермошкин, 2004
УДК 550.8
Ю.И. Кутепов, С.В. Практика, В.В. Ермошкин
ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ЛИКВИДАЦИИ ГИДРООТВАЛОВ НА РАЗРЕЗАХ «КУЗБАСА»
(ИСТОРИЯ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ)
Семинар № 1
В работе анализируется развитие гидро-механизационного способа вскрышных работ на разрезах «Кузбасса», рассмотрены деформации гидроотвалов, приведены проблемы, возникающие при ведении гидроотвальных работ, обоснованы направления исследований намывных массивов для обеспечения безопасности гидротехнических сооружений, описаны использования гидромеханизации для частичного удаления намывного массива гидроотвала № 3 разреза «Кедровский».
Гидромеханизация при открытой разработке угольных месторождений в Кузбассе начала применяться в 1951 году на разрезе «Бачатский» с первоначальным объемом гидровскрыши 31 тыс. м3. В середине 5Q-K годов она получает дальнейшее развитие на разрезах «Краснобродский» (1954), «Кед-
ровский», «Моховский» и «Красногорский» (1955) с годовыми объемами Q,25-Q,45 млн. м3. В последующие годы данный способ внедряется на других разрезах региона: «Новосергеевском» и им. Вахрушева (195б), «Киселевском» (1958), «Прокопьевском» (1959), «Листвянском» (1 96Q), «Сартаках» (19б 1) и «Черниговском» (19бб), при этом объем гидровскрыши постепенно увеличивается и достигает в 19б8 году максимальной величины за всю историю применения гидромеханизации 27,25 млн. м. Одновременно с открытием новых участков данная технология начинает прекращать свое существование на некоторых разрезах. Так, гидромеханизацион-ный способ в разное время закрывается на разрезах «Красногорский» (19б5), «Прокопь-евский» (19б7), «Листвянский» и «Краснобродский» (197Q), «Киселевский» (1972), «им. Вахрушева» (197б). Это сказывается на сокращении объемов гидровскрыши до 15 млн. м3 в начале восьмидесятых годов. Период 1984-88 годы сопровождается незначи-
тельным ростом объемов, что было вызвано модернизацией и увеличением производительности технологического оборудования. В 1988-97 гг. отмечается уменьшение объемов гидромеханизационных работ до значения 8,8 млн. м3. Этот период связан с общим ухудшением экономической обстановки в стране, вызванной «перестройкой». Начиная с 1998 г., отмечается тенденция увеличения объемов вскрыши, разрабатываемых гидромеханизаци-онным способом. Объяснения этого явления лежит в плоскости общего оздоровления экономики России, приведшего как к увеличению производительности оборудования, так вводу в строй новых гидромеханизационных участков. Так, в 1998 г. гидромеханизация стала применяться на разрезе «Таллинский», а 2001 г. возобновлена на разрезе «Кедровский». В последнем случае она используется для частичного удаления пород гидроотвала № 3, под которым планируется производить добычу угля.
В настоящее время гидромеханизацион-ная технология в Кузбассе применяется на пяти разрезах: «Моховском», «Сартаки»,
«Ерунаковском», «Таллинском», «Кедров-
ском». В 2005 г. данный способ планируется восстановить на разрезе «Краснобродский», используя для удаления вскрышных пород на поле бывшего разреза «Новосергеевский».
За все время применения гидромеханиза-ционного способа в Кузбассе было удалено 864,5 млн. м3 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
|4«.|>жш ОКадоасаМ ■Миски! ВСлргмя ■Е^Г'ОМ*
06 ■«*«—:»« ■Пастюпсм* ■Проагмасот* ■ красисгорсо»
1Ю0 1065 1«в0 1«М 19ГО 1*75 1980 19Ю 1990 1ВЮ 2000
четырех сторон, четыре - в старых горных выработках.
Высота гидроотвалов колеблется от 4 до 73 м. Наиболее высокими среди них являются: «Бековский» (73 м), «Акташский» (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), «Сагарлык-ский» (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: «Сагарлыкский» (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 «Колмогоров-ский», «Черниговский», «Ерунаковский» и им. 50-летия Октября», где в некоторых случаях применялся рассредоточенный, безэста-кадный способ намыва. 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 переодически 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., развивался 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 перового давления в намывных породах в пределах призмы возможного оползания и снижение прочности намывных пород. Еще две аварии произошли на гидроотвале «Са-гарлыкский» в 1959 и 1961 гг. в период формирования ограждающих дамб. Первая из них сопровождалась смещением ранее отсыпанной дамбы на 1,5 м вниз по вертикали; 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 перового 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 сооружений. Она возникает на различных эксплуатируемых объектах угольной компании «Кузбассразрезу голь».
Самым высоким гидроотвалом Кузбасса является гидроотвал «Бековский», высота которого на современном этапе достигла 73 м; его наращивание в последние годы осуществлялось с интенсивностью 1,5 м в год. Такие условия эксплуатации привели к тому, что в большей части намывного массива и, в частности, в откосной его части сформировалось избыточное поровое давление, величина которого в отдельных точках достигает значений 0,125 МПа. Наличие избыточного перового давления свидетельствует о незавершенности процессов фильтрационной консолидации. Учитывая это обстоятельство, значительную высоту сооружения и две аварийные ситуации произошедшие здесь, начиная с 1988 г, оборудована система контроля состояния устойчивости, включающая измерение порового давления специальными датчиками, установленными в намывной массив, и расчеты устойчивости на ПВМ.
Гидроотвал на реке Еловка разреза «Мо-
ховский» характеризуется максимальной для условий Кузбасса площадью 765 га и достаточно большой высотой 51 м; интенсивность его намыва составляет 0,5-0,6 м/год. Сооружение характеризуется большой протяженностью дамб обвалования, и тем, что в непосредственной близости от него в горных выработках разреза производятся массовые взрывы, создавая дополнительные нагрузки в виде сейсмических сил. Это обстоятельство предопределяет необходимость организации здесь гидрогеомеханического мониторинга устойчивости по нескольким профилям основной и ограждающих плотин.
Гидроотвал на разрезе «Таллинский» имеет две плотины высотой 41 и 30 м при площади 100 га, интенсивность его намыва составляет 4 м/год. Плотина № 1 отсыпана из вскрышных пород (песчаников и алевролитов) на аллювиальных пластичных суглинках и глинах, что предопределило формирование в основании избыточного порового давления. Плотина № 2 отсыпана из обломочного материала полускальных вскрышных пород с большим содержанием суглинистого заполнителя, что обеспечило образование техногенного массива с относительно низкой проницаемостью и формирование в нем безнапорного водоносного горизонта с достаточно высокими уровнями. Кроме того в основании плотины залегают аллювиальные суглинки и галечники, наличие которых приводит при нагружении к образованию избыточного по-рового давления в слабопроницаемых глинистых отложениях, а в хорошо проницаемых -к формированию напорного водоносного горизонта. Достаточно сложные гидрогеологические условия дамб № 1 и 2 предопределили организацию на них гидрогеомеханиче-ского мониторинга устойчивости, включающего наблюдение за давлением воды в породах гидроотвала.
В 2005 г. гидроотвальные работы планируется возобновить на гидроотвале «Прямой Ускат» разреза «Краснобродский». Гидроотвал эксплуатировался с 1967 по 1996 гг. для складирования вскрышных суглинков и глин. Его максимальная высота на момент окончания намыва составила 54 м, площадь 228 га, емкость 54,8 млн. м3. Проектом развития горных работ на разрезе предусмотренно применить гидромеханизацию для удаления 50 млн. м вскрышных пород, что потребует увеличить высоту существующего гидротех-
нического сооружения до 100 м. Следует отметить, что гидроотвалов с такими параметрами в мире не эксплуатировалось. Самым крупным гидроотвалом в бывшем СССР являлся гидроотвал «Березовый Лог» на КМА, высота которого достигала 80 м.
Таким образом, все эксплуатируемые в Кузбассе гидроотвалы являются достаточно крупными гидротехническими объектами, намытыми из суглинистого и глинистого материала на четвертичных отложениях различного состава. Это предопределяет формирование техногенных массивов со специфическими гидрогеомеханическими условиями: развитие избыточного перового давления в техногенных и естественных породах, формирование водоносных горизонтов в массивах с напорным и безнапорным режимом фильтрации. Контроль состояния их устойчивости, выполняемый в рамках мониторинга безопасности, производится по наблюдениям за уровнями, напорами и поровым давлением в намывном массиве.
Системы гидрогеомеханического мониторинга состоит из датчиков, заложенных в различные точки массива, и гидрогеомеха-нической модели объекта, реализованной на ПЭВМ. Они позволяют контролировать изменение гидродинамического режима гидроотвала при выполнении различных технологических операций на объекте, выполнять расчеты устойчивости и, в конечном итоге, оперативно принимать решения по изменению параметров технологических процессов.
Гидромеханизационная технология в Кузбассе использовалась для удаления отложений неоген-четвертичного возраста. Начиная с 2001 г. на разрезе «Кедровский», она стала применяться для ведения вскрышных работ на гидроотвале № 3, под которым дополнительными геологоразведочными работами установлены запасы угля, пригодные для отработки открытым способом. Исследования ВНИМИ, выполненные в начале 90-х годов прошлого столетия, позволили обосновать технологическую схему удаления гидроотвала. Она включала: 1) строительство разделительной дамбы, обеспечивающей безопасность оставшейся части гидроотвала; 2) гидросмыв намывных пород. Реализация данного предложения обозначила некоторые проблемы, решение которых позволит обеспечить безопасность и техникоэкономическую эффективность вскрышных
работ. Одной из главных проблем является обеспечение устойчивости части гидроотвала, не предназначенной для отработки. В настоящее время на поверхности гидроотвала в районе Пихтового отвала сформирована насыпь, разделяющее сооружение на две части. Она отсыпана пионерным способом при высоте 6-8 м и ширине поверху 80-100 м. В процессе ее отсыпки произошло внедрение насыпного материала в намывной массив и уплотнение его верхней части, при этом большая часть намывной толщи (в тальвеге лога мощность намывных пород достигала 40 м) практически не изменила состояние и свойства, т.е. мы имеем дело с так называемой «плавающей» насыпью, которая при возникновении деформаций в гидроотвале будет подчиняться общей деформационной тенденции.
Вторая основная проблема применения гидромеханизационного способа при частичном удалении гидроотвала № 3 лежит в плоскости обеспечения устойчивости всего намывного массива при его постоянном деформировании на локальных участках отработки гидровскрышных уступов. Так, при интенсивном развитии гидровскрышных работ в направлении бывшего пруд - отстойника гидроотвала произошло сползание намывных пород в достаточно большом объеме в выработку, приведшее к деформациям намывного массива до разделительной дамбы и далее. Решение проблемы гидромеханизации
для удаления гидроотвалов потребует выполнения комплекса инженерно-геологических исследований состояния и свойств намывных пород и разработки специальной системы мониторинга безопасности.
Выводы
1. Гидромеханизация на разрезах Кузбасса сопровождается размещением пород в гидроотвалы, которые характеризуются значительной высотой (более 30 м) и достаточно сложными гидрогеологическими условиями (наличие безнапорного и напорных водоносных горизонтов, избыточного перового давления).
2. Обеспечение безопасности строительства и эксплуатации гидроотвалов осуществляется с помощью систем гидрогеомеханического мониторинга безопасности, включающих изменение в намывном массиве с помощью специальной тензометрической аппаратуры перового давления и выполнения расчетов устойчивости на компьютерной гидрогеомеханической модели.
3. Гидрогеомеханизационные технологии используются для частичного удаления намывных массивов гидроотвалов. Решение проблем, возникающих при этом, предопределяет выполнение специальных инженерногеологических исследований и организации мониторинга безопасности как на отрабатываемой, так и остающейся частях сооружения.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------------------------
Кутепов Ю.И. - Государственный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела - ВНИМИ, С.-Петербург.
Практика С.В. - ВНИМИ.
Ермошкин В.В. - УК «Кузбассразрезуголь», Кемерово.
