Современные метопы и способы контроля геомеханических процессов в намывных горнотехнических сооружениях Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА • 98»

МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98 СЕМИНАР 2 «ОТКРЫТЫЕ ГОРНЫЕ РАБОТЫ В СЛОЖНЫХ ГОРНО- ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ»

Ю.В.Кириченко,

М.В.Щекина

Московский государственный горный университет

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОПЫ И СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В НАМЫВНЫХ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЯХ

При возведении намывных горнотехнических сооружений (гидроотвалов, хвостохранилищ, шламохранилищ и т.п.) большое значение имеет информация о состоянии грунтов как во время их укладки, так и после окончания формирования массива. Оперативное получение надежной инженерно-геологической и геомеханиче-ской информации необходимо для обоснования экономически эффективного и экологически безопасного формирования техногенных массивов и последующего использования их территорий. Опыт, накопленный рядом ведущих научно-исследовательских организаций стран СНГ (МГГУ, ВНИМИ, ВИОГЕМ и т.п.), позволяет прогнозировать состояние техногенного массива на всех стадиях его формирования. В то же время необходимо отметить, что комплексный контроль за состоянием техногенных массивов, включающий определение состояния внутренних зон, ограждающих дамб, прилегающих земель на всех этапах существования объекта практически не производится. Наиболее ценным с этой точки зрения является опыт, накопленный кафедрой геологии МГГУ в области разработки и применения технических средств и методов натурного определения прочностных и деформационных свойств техногенных отложений в различных горнопромышленных районах (КМА, Кузбасс, Кривбасс, Ангрен-ское угольное месторождение, песчаногравийные карьеры центра России и др.). Преимущественное использование натур-

ных исследований состояния техногенных

(•

массивов позволяет исключить или существенно снизить влияние масштабного фактора, моделировать процессы консолидации в проектируемых и действующих намывных сооружениях на основании данных, полученных при исследовании массивов со сходными геоморфологическими свойствами.

ВНИМИ накоплен значительный опыт контроля состояния откосных сооружений гидроотвалов разрезов Кузбасса, однако исследование состояния внутренних зон намывных массивов производится в недостаточной степени. Необходимо отметить исследования ВИОГЕМ в области геодезического контроля за состоянием бортов карьеров, откосов отвалов и откосных сооружений намывных массивов, лабораторных испытаний грунтов.

Для определения важных механических характеристик намывных грунтов - коэффициентов сжимаемости и консолидации, наиболее приемлемым представляется ис-‘ пользование стационарной системы датчиков общего и порового давления в основании и теле отвальных массивов в сочетании с инструментальными замерами их осадок. Систематические замеры порового давления и осадок техногенных массивов обеспечивают получение по натурным данным, расчетных показателей, необходимых для прогнозов уплотнения песчано-глинистых грунтов и последующей оценки их несущей способности.

Для отвальных насыпей по методике МГИ-МГТУ приведенные коэффициенты сжимаемости и параметры компрессионной ползучести определяются из обратных расчетов с использованием зависимостей линейной наследственной ползучести [1].

При многих преимуществах (минимум буровых работ, возможность получения информации в течение длительного времени с одного и того же места, низкие эксплуатационные расходы и т.п.), система стационарных датчиков имеет ряд недостатков, основными из которых являются:

• высокие капитальные затраты - датчики заложенные в тело намывного массива и кабель практически неизвлекаемы для повторного использования;

• скважины должны быть специально оборудованы ( в верхней части обсажены и снабжены оголовками);

• датчики во внутренних зонах намывных массивов недоступны с апреля по ноябрь (в средней полосе России) из-за низкой несущей способности намывных грунтов и, следовательно, не могут быть использованы;

• необходимость большого количества датчиков (20 и более) для получения информации о состоянии намывного массива в целом;

• необходимость переоборудования скважин по мере намыва гидроотвалов и хвостохранилищ.

В связи с этим кафедрой геологии МГТУ совместно с АО "ДИГЭС" разработан технологический регламент по организации системы автоматического контроля устойчивости ограждающих сооружений, уплот-няемости и несущей способности намывных массивов хвостохранилищ и гидроотвалов с помощью стационарных наблюдательных станций и комплексного зондирования. При использовании стационарных наблюдательных станций оценкой текущего состояния дамб и намывного массива являются соответственно коэффициент запаса

устойчивости откоса г| и степень уплотнения массива II под действием собственного веса и внешней нагрузки. Оценкой несущей способности массива является величина предельно допустимой нагрузки на грунт Рдоп, определяемая через степень уплотнения по формуле Прандтля-Рейслера из соотношений Рдоп=^С(и)Ди)], где С и ф -соответственно, сцепление и угол внутреннего трения грунта. Указанные параметры оценки выводятся на дисплей ПЭВМ и в базу данных.

С целью определения механических свойств тонкодисперсных водонасыщенных грунтов кафедрой геологии МГТУ разработаны и используются три модификации комбинированного зонда, предназначенного для одновременного получения сопротивления грунта срезу т, удельного сцепления с, показателя структурной прочности грунта при срезе Пс и характера пространственной изменчивости сопротивления грунта срезу, сопротивление пенетрации при вдавливании зонда и величину порово-го давления Ри.

Последняя модификация комбинированного зонда МГТУ-ДИГЭС передает информацию, полно характеризующую состояние и свойства грунта в условиях естественного залегания, а также техногенных отложений, от трех струнных измерительных преобразователей (СИП) об усилии задавливания, крутящем моменте при вращательном срезе и поровом давлении [2].

Использование в качестве вторичного прибора для СИП традиционных периодо-меров типа ПЦП-1 в полевых условиях в сочетании с этим зондом оказалось нецелесообразным в связи с неодновременностью измерений СИП и большим объемом измерительной информации, подлежащей ручной регистрации. Поэтому для оперативной обработки результатов полевых измерений, представления их в удобной для оператора форме и сохранения для дальнейшего анализа и сравнения с предыдущими данными

разработана программа, включающая в себя портативный компьютер типа "Ноутбук" с автономным питанием и внешнее устройство сопряжения пенетрометра (УСП) с компьютером. УСП возбуждает сигнал СИП и измеряет значения его информативного параметра (периода переменной ЭДС сигнала) по заданной программе.

УСП выполняет следующие функции:

- принимает по последовательной связи сигнал запуска с компьютера; - обеспечивает одновременное измерение периода сигнала трех СИП и передает в компьютер код, соответствующий периодам сигнала СИП.

Все указанные действия УСП производит под управлением программы, расположенной в памяти компьютера. После ввода показаний в компьютер появляется возможность их дальнейшей обработки, а именно:

• перевода периода сигнала СИП по индивидуальным градуировочным характеристикам каждого СИП в значение измеряемого параметра;

• статистической обработки показаний;

• представления результатов в табличном и графическом виде;

• накопления и сохранения результатов зондирования для дальнейшего анализа и использования.

Апробация УСП в комплексе с комбинированным зондом МГТУ была произведена на гидроотвале "Лог Шамаровский" Михайловского ГОКа в 1995-96 гг. Всего при зондировании намывного массива было пройдено 40 скважин общей глубиной 372,3 м, из них:

• 3 стационарных, в которых на различных уровнях было заложено 6 датчиков порово-го давления ПДС-Зп;

• 25 зондировочных с применением как традиционных зондов в комплексе с ПЦП, так и комбинированного зонда в комплексе с УСП;

• 12 инженерно-геологических с отбором , проб грунтов для лабораторного анализа. | Зондирование производилось как само- I ходной буровой машиной со льда, так и с ; применением модифицированной в МГТУ ; мобильной буровой установки конструкции > ВНИМИ, позволяющей проводить натур- : ные исследования в летний период на грунтах с низкой несущей способностью (Рдоп. > 0,13кг/см2).

Результаты зондирования позволили выделить на территории гидроотвала "Лог Шамаровский" 6 инженерно-геологических 1 зон: пляжную, пляжно-промежуточную, |

промежуточную, прудково-промежуточную I прудковую и зеркало воды, отличающихся степенью уплотнения, несущей способно- ) стью и коэффициентом консолидации.

На основании полученных данных было ? проведено инженерно-геологическое рай- ! онирование территории гидроотвала и вы- \ бран способ рекультивации объекта, приня- \ тый к исполнению АО "Михайловский Ц ГОК". В настоящее время рекультивирова- ( но 13 га пляжной зоны. \

Применение комбинированного зонда ! позволяет получать исчерпывающую ин- | формацию о состоянии намывного массива ; при незначительном количестве буровых Е работ, причем, один и тот же зонд может [ использоваться неоднократно и на различ- ; ных объектах.

Для дистанционного контроля техноген- I ных массивов, процесс уплотнения которых ! не завершен, МГИ совместно с ВИОГЕМ ; использовались также аэрометоды, которые ; позволяют выполнять инженерно-геологи- ; ческое районирование территорий по фотосхемам, оценивать состояние откосных со- : оружений и определять осадки массивов с ; использованием метода аналитической фототриангуляции.

Эта методика используется в способе дистанционного контроля намывных массивов [3], согласно которому через определяемые посредством аэрофотограмметриче-

Рис. 1 Карта инженерно-геологического районирования территории гидроотвала «Бековский» при отдыхе намывного массива 0,5 лет: 1 - изомощности намывных масс; 2 - границы инженерно-геологических зон; 3 - граница земельного отвода; ф пляжная (приоткосная) зона;(П)- промежуточная зона;(^П)~ прудковая зона;(1У% водная поверхность.

РиС'2 Карта зональной территории гидроотвала «Лог Шамаровский» по несущей способности намывного массива (по состоянию на 09.1996г.). / - границы инженерно-геологических зон; 2 - границы участков с различной несущей способностью намывных грунтов; 3 - рекультивированный участок гидроотвала.

ской съемки осадки намывных массивов оценивается их несущая способность, эффективность мероприятий по форсированию консолидации тонкодисперсных намывных грунтов и устанавливается безопасный порядок рекультивационных работ на намывных территориях [1].

На основании данных, полученных при зондировании гидроотвала "Бековский" разреза "Бачатский" концерна "Кузбассразрезуголь" в период 70-80-х гг., и гидроотвала "Лог Шамаровский" МГОКа, имеющими близкие по характеристикам свойства намывных грунтов, было произведено ин-женерно-геологическое районирование территории этих сооружений. Результаты районирования представлены на рис. 1,2.

Для условий гидроотвала «Бековский» была разработана технология повышения его емкости и ускоренной рекультивации путем создания во внутренних зонах намывных дренажных элементов (призм) из отходов углеобогащения на ОУ КНС (обогатительных установках крутонаклонных сепараторов). Количество дренажных элементов и порядок их формирования оп-

ределялись на основании материалов инженерно-геологического районирования территории намывного массива.

На основании анализа современных способов и методов контроля можно сделать вывод о необходимости комплексного контроля состояния намывных техногенных массивов, их откосных сооружений, прилегающих земель с применением вышеперечисленных способов геотехнического контроля для повышения емкости и ускоренной подготовки их территорий для дальнейшего использования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.М.Гальперин. Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях. М., Недра, 1988

2. Устройство для комплексного зондирования грунтов. Патент РФ N 2025559. Авт.: Гальперин А.М., Зайцев B.C., Хейфиц В.З., Зиновьев Р.К., Кириченко Ю.В.

3. Способ контроля состояния намывных массивов. А.С. 1188322. Б.И. N 40, 1985. Авт.: Гальперин А.М., Зайцев B.C., Марченко С.М., Стрельцов В.И., Стрельников А.В., Шибанов В.И.