Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование точности маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий

ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Обоснование точности маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий"

На правах рукописи

005537668

Михайлова Татьяна Викторовна

ОБОСНОВАНИЕ ТОЧНОСТИ МАРКШЕЙДЕРСКОГО МОНИТОРИНГА ГРУНТОВЫХ ДАМБ НАКОПИТЕЛЕЙ ЖИДКИХ ОТХОДОВ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность: 25.00.16 - «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 НОЯ ¿013

Екатеринбург - 2013

005537668

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева» и ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель — доктор технических наук, доцент

Бахаева Светлана Петровна

Официальные оппоненты: Сашурин Анатолий Дмитриевич,

доктор технических наук, профессор, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, заведующий отделом геомеханики

Кольцов Павел Викторович, кандидат технических наук, ОАО «Научно-исследовательский и проектный институт обогащения и механической обработки полезных ископаемых» (ОАО «Уралмеханобр»), заведующий лабораторией устойчивости бортов карьеров и сдвижения горных пород

Ведущая организация - ОАО «Научно-исследовательский институт

горной геомеханики и маркшейдерского дела -Межотраслевой научный центр ВНИМИ»

Защита состоится 12 декабря 2013 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева 30,2-й учебный корпус, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет».

Автореферат диссертации разослан « 7 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ^

доктор технических наук, профессор Багазеев В. К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Гидротехнические сооружения (ГТС) накопителей жидких отходов являются объектами, непосредственно обеспечивающими технологический процесс большинства горнопромышленных предприятий. На территории Кузбасса эксплуатируют около 170 комплексов накопителей жидких отходов, более половины из них потенциально опасны и в соответствии с требованиями Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» №117-ФЗ подлежат декларированию безопасности.

По данным мировой статистики, самое большое число аварий ГТС связано с разрушением грунтовых дамб. В большинстве случаев отсутствие эффективной системы наблюдений за сооружениями не позволяет своевременно фиксировать деструктивные процессы, вследствие чего происходят деформации сооружений, вызывающие нарушение технологического режима работы предприятия, а также возникновение гидродинамических аварий, приводящих к чрезвычайным ситуациям от локального до федерального характера.

Разработанные и реализованные в настоящее время в практике горнопромышленных предприятий методы мониторинга безопасности ГТС, включающие визуальные и инструментальные наблюдения с использованием контрольно-измерительной аппаратуры, в целом позволяют контролировать состояние грунтовых дамб, свойства слагающих их грунтов, интенсивность протекающих в теле и основании сооружений фильтрационных и деформационных процессов. Вместе с тем, отсутствуют четко установленные взаимосвязи между конструктивными особенностями грунтовых сооружений, подверженных воздействию на них нагрузок природного и техногенного характера, и объектами мониторинга, количественными и качественными критериями безопасности этих соорулсений, видами и методами натурных наблюдений, а также требования к их точности.

Комплекс инструментальных наблюдений, включающий маркшейдерский контроль положения контрольно-измерительной аппаратуры, уровня заполнения накопителя, высотных отметок гребня, осадок и горизонтальных смещений дамб, фильтрационного режима и порового давления в их теле и основании, обеспечивается геодезическими методами определения местоположения в пространстве конструктивных элементов грунтовой дамбы либо установленной на этом сооружении контрольно-измерительной аппаратуры. При этом отсутствие научно обоснованных требований к допустимым погрешностям маркшейдерского мониторинга ГТС зачастую приводит как к завышенной точности наблюдений и, следовательно, значительным материальным затратам, так и использованию инструментов, точность которых не позволяет обнаруживать деформации на ранней стадии, когда их предупреждение можно обеспечивать незначительными затратами. В этой связи необходимы исследования по обоснованию требований к точности определения пространственно-временного местоположения конкретных элементов (объектов мониторинга) грунтовых дамб и установленной на них контрольно-измерительной аппаратуры.

Основные нерешенные задачи в части обеспечения безопасности фунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий связаны с анализом риска гидродинамических аварий, моделированием системы мониторинга безопасности, дифференцированием объектов мониторинга и их контролируемых показателей, оптимизацией требований к критериям мониторинга напряженно-деформированного состояния, а также увязкой конструктивных параметров грунтовых дамб, нагрузок и воздействий на них с составом и точностью маркшейдерских методов контроля.

Вышеизложенное предопределяет актуальность обоснования критериев мониторинга напряженно-деформированного состояния и создания системы маркшейдерского мониторинга, адекватной конструктивным особенностям грунтовых дамб, находящихся под влиянием нагрузок и воздействий природного и техногенного характера, прогноза их устойчивости для обеспечения безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений.

Объект исследований — грунтовые дамбы накопителей жидких отходов горно1 фомышленных предприятий.

Предмет исследований - маркшейдерский мониторинг напряженно-деформированного состояния грунтовых дамб.

Основная идея работы заключается в установлении точности маркшейдерских наблюдений на грунтовых дамбах по отклонению коэффициента запаса устойчивости от нормативного значения.

Цель работы — обоснование точности маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий, сочетающего надежность с рациональными затратами и обеспечивающего безопасность их эксплуатации.

Исследования выполнялись в рамках реализации Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» (№ 117 - ФЗ от 21.07.1997) совместно с Новационной фирмой «КУЗБАСС-НИИОГР», являющейся аналитическим центром по мониторингу безопасности ITC предприятий угольной промышленности России. Ежегодно с участием диссертанта составляются аналитические отчеты о состоянии и уровне риска аварий на гидротехнических сооружениях Кузбасса и других регионов страны с целью выработки рекомендаций для Ростехнадзора по обеспечению их безопасной эксплуатации.

Основные задачи исследований:

- разработка принципов построения системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий;

-обоснование критериев мониторинга напряженно-деформированного состояния фунтовых дамб;

- обоснование методики маркшейдерского мониторинга фунтовых дамб.

Методы исследований

Ретроспективный анализ и обобщение литературных источников в области мониторинга безопасности фунтовых дамб гидротехнических сооружений; метод системного анализа при разработке системы мониторинга безопасности ГТС; метод экспертных оценок при определении степени влияния нафузок и воздействий на напряженно-деформированное состояние фунтовых дамб и установление относительной значимости объектов мониторинга; метод «HAZOP»

при идентификации опасностей риска аварий грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий; методы математической статистики при обработке результатов лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов; метод моментов сил при оценке устойчивости грунтовых дамб.

Научные положения, выносимые на защиту:

- безопасность накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий обеспечивается созданием системы мониторинга безопасности грунтовых дамб, выраженной идеально-знаковой моделью различного уровня сложности, структурируемой по типам дамб и их конструктивным особенностям на объекты мониторинга, контролируемые показатели, критерии безопасности, виды натурных наблюдений и методику маркшейдерского мониторинга;

- при повышении гидростатического давления на 0,2 высоты грунтовой дамбы коэффициент запаса ее устойчивости снижается на 5 %, что вызывает переход сооружения в состояние предельного равновесия и повышает риск возникновения оползания низового откоса;

- необходимая точность контроля смещений грунтовых дамб и минимальная трудоемкость полевых работ обеспечиваются в вертикальной плоскости тригонометрическим нивелированием с использованием электронного тахеометра, нивелированием IV и ИТ классов при максимальной удаленности поверхностных марок от опорного пункта соответственно до 0,75, 1 и 3 км; в горизонтальной - геодезическими методами точными приборами {тр — 5°; т, = 5+3 мм/км) и приборами технической точности (m/t= 10°; т,= 10+5 мм/км) при удаленности соответственно до 0,8 и 0,2 км;

- точность контроля высотных отметок гребня дамбы, отметки «нуля» водомерной рейки и устьев пьезометров, соответствующая критериям безопасности, обеспечивается приборами технической точности в зависимости от протяженности дамбы тригонометрическим, с использованием оптического теодолита, (до 1,5 км) либо техническим (до 5 км) нивелированием.

Научная новизна работы заключается:

- в обосновании алгоритма разработки системы мониторинга безопасности фунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий, обеспечивающей дифференцирование объектов мониторинга и контролируемых показателей в увязке с их типом и конструкцией;

- в установлении степени влияния нагрузок и воздействий на напряженно-деформированное состояние грунтовых дамб, вызывающих переход сооружения в состояние предельного равновесия;

- в обосновании методики маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- применением апробированных научных методов системного анализа, экспертных оценок, анализа опасности и работоспособности «HAZOP»;

- использованием методов математической статистики для обработки экспериментальных данных;

— положительным опытом реализации системы маркшейдерского мониторинга на большинстве грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий Кузбасса в течение 10 лет.

Личный вклад автора заключается:

— в обосновании критериев и состава мониторинга безопасности гидротехнических сооружений в зависимости от конструктивных особенностей грунтовых дамб, нагрузок и воздействий на них и опасности риска гидродинамических аварий;

— в анализе результатов натурных наблюдений, проводимых на гидротехнических сооружениях накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий Кузбасса, оценке устойчивости грунтовых дамб и разработке рекомендаций по обеспечению безопасных условий их эксплуатации;

— в разработке и организации внедрения системы маркшейдерского мониторинга на грунтовых дамбах накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий Кузбасса.

Научная ценность работы состоит в разработке идеально-знаковой модели системы мониторинга безопасности грунтовых дамб, обосновании критериев мониторинга напряженно-деформированного состояния и требований к точности маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий.

Отличие от ранее выполненных работ заключается в применении метода идентификации опасностей риска аварий («Анализ опасности и работоспособности») для дифференцирования объектов мониторинга, контролируемых показателей и обоснования состава наблюдений в увязке с конструктивными особенностями различных типов грунтовых дамб. Впервые обоснованы требования к точности маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб.

Практическая ценность работы состоит:

— в обосновании алгоритма оценки риска аварий методом «НА20Р», типового перечня объектов, контролируемых показателей и критериев для моделирования системы мониторинга безопасности грунтовых дамб на основе классификационных признаков их типов и конструктивных особенностей;

— в составлении графиков зависимости средней квадратической погрешности маркшейдерских измерений от удаленности контролируемого объекта относительно опорных пунктов, упрощающих составление программы маркшейдерского мониторинга для грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий;

— в установлении условий выполнения маркшейдерских работ для обеспечения необходимой точности определения контролируемых показателей грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий.

Реализация работы

Теоретические и методические положения, разработанные в ходе диссертационных исследований, изложены в Методическом руководстве по разработке системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов промышленных предприятий (Новационная фирма «КУЗБАСС-НИИОГР»; КузГТУ. - Кемерово, 2013. - 57 е.), согласованном с ведущими

компаниями региона (ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», ОАО «ОУК «Южкуз-бассуголь», ОАО «СДС-Уголь») и применяемом на предприятиях Кузбасса.

Основные результаты исследований использованы при назначении критериев безопасности и разработке проектов мониторинга безопасности для более 50 гидротехнических сооружений горнопромышленных предприятий Кузбасса и России, а также при оценке состояния ГТС и разработке рекомендаций по обеспечению безопасных условий их эксплуатации.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы рассмотрены на Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (Кемерово, 1998, 2000 гг.), конференции «Геомеханика и технологическое развитие угледобычи» (Кемерово, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы» (Магнитогорск, 2001 г.), Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2002, 2009, 2011-2013 гг.), Международном научном симпозиуме «Неделя горняка-2012» (Москва, 2012 г.).

Ряд работ, выполненных с участием автора и включающих основные результаты диссертации, удостоены дипломов международной выставки-ярмарки «ЭКСПО-УГОЛЬ»: III степени за комплекс работ по проектам мониторинга безопасности ГТС (2003 г.); I степени за комплекс работ по обеспеченшо устойчивости откосов (2005 г.); I степени за лучший экспонат «Методическое руководство по разработке системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов промышленных предприятий» (2013 г.), а также получены дипломы на лучшие доклады (2009 и 2012 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 6 статей в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК.

Объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, изложена на 184 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 24 таблицы, список использованных источников из 129 наименований, 6 приложений.

Автор выражает глубокую признательность за помощь в организации исследований при работе над диссертацией директору Новационной фирмы «КУЗБАСС-НИИОГР», кандидату технических наук С. И. Протасову.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ состояния проблемы мониторинга безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий.

В России эксплуатируют более 30 тыс. напорных гидротехнических сооружений и комплексов. За последние пять лет в мире произошло свыше 300 аварий, при этом аварийность в России в 2,5 раза превысила средний мировой

показатель. По статистическим данным, из 1150 случаев разрушений напорных гидротехнических сооружений, зафиксированных в 35 странах мира, 36 % - это повреждения грунтовых плотин (дамб) и их оснований.

Согласно результатам инвентаризации, проведенной Новационной фирмой «КУЗБАСС-НИИОГР», на территории Кузбасса эксплуатируют около 170 комплексов накопителей жидких отходов промышленных предприятий, при этом около половины всех ГТС - это сооружения, повреждения которых могут привести к возникновению чрезвычайной си туации.

Только 13 % гидротехнических сооружений Кузбасса относят к I и II классам, имеющих, как правило, высоту водоподпорных (водонапорных) сооружений более 50 м и объем накопителя более 10 млн. м3. Порядка 70% гидротехнических сооружений Кузбасса относятся к IV классу и характеризуются высотой напора от 5 до 15 м, однако в силу конструктивных особенностей под воздействием природных и техногенных факторов риск возникновения опасных повреждений и аварий на таких сооружениях чрезвычайно высок. В отличие от сооружений I, II и III классов, гидротехнические сооружения IV класса в большинстве своем не оснащены контрольно-измерительной аппаратурой (имеют только водомерные рейки). Около 31 % таких гидротехнических сооружений имеют протяженность грунтовых дамб более 1 км, что осложняет проведение на них визуального контроля.

Анализ аварий и аварийных ситуаций на гидротехнических сооружениях Кузбасса, а также мировой опыт их эксплуатации показывают, что основными деструктивными процессами, приводящими к деформациям и разрушению грунтовых дамб, являются: сосредоточенная фильтрация с признаками суффозии, перелив воды через гребень дамбы и рост избыточного порового давления в водо-насыщенном грунтовом массиве. Кроме того, в условиях Кузбасса около 36 % от общего числа зафиксированных инцидентов и аварийных ситуаций произошли на дамбах накопителей, расположенных на подработанной подземными горными работами территории. Большая часть аварийных ситуаций могла быть предотвращена, а риск возникновения гидродинамических аварий существенно снижен за счет создания системы мониторинга безопасности гидротехнических сооружений, реализуемой через визуальный и инструментальный контроль.

Вопросам оценки напряженно-деформированного состояния техногенных массивов и мониторинга безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий посвящены исследования Т. С. Абашкиной, С. Г. Аксенова, С. П. Бахаевой, А. Г. Бондаренко, В. Я. Бондаренко, В. А. Волосухина, А. М. Гальперина, В. И. Головишникова, В. В. Ермошкина, В. Г. Зотеева, О. В. Зотеева, И. Н. Иващенко, В. И. Истомина, Ю. В. Кириченко, Р. Г. Клейменова, JI. И. Кондратьева, Е. В. Костюкова, Ю. И. Кутепова, Н. А. Кутеповой, В. В. Малаханова, М. Г. Морозова, В. П. Попова, Т.Н. Поповой, С. М. Простова, С. И. Протасова, В. И. Пушкарева, В. Г. Рад-ченко, Д. Б. Радксвича, Н. Н. Розанова, М. П. Саинова, В. Т. Сапожникова, А. Д. Сашурина, Д. В. Стефанишина, Е. Б. Тарасова, Е. А. Филипповой, С. П. Фино-

генова, В. Н. Яковлева и др.

Весь комплекс инструментальных наблюдений, включающих определение положения контрольно-измерительной аппаратуры, уровня заполнения на-

копителя, высотных отметок гребня, осадок и горизонтальных смещений дамб, фильтрационного режима и порового давления в их теле и основании, обеспечивается геодезическими методами установления местоположения контролируемого объекта в пространстве.

Разработанные и реализованные в настоящее время в практике горнопромышленных предприятий методики мониторинга безопасности гидротехнических сооружений, включающие визуальные и инструментальные наблюдения с использованием контрольно-измерительной аппаратуры, в целом позволяют контролировать состояние грунтовых дамб, свойств слагающих их грунтов, интенсивность протекающих в геле и основании сооружений фильтрационных и деформационных процессов.

Существенный вклад в развитие методов маркшейдерско-геодезичес-кого контроля деформаций грунтовых сооружений внесли Б. Ф. Азаров, В. В. Веселов, В. А. Гордеев, Б. Н. Жуков, Г. П. Жуков, А. К. Зайцев, Ю. В. Калугин, А. А. Карлсон, В. А. Киселев, П. В. Кольцов, Е. М. Пискунов, А. Д. Шерстюков, Г. А. Шеховцов, Р. П. Шеховцова, В. Н. Яковлев, Трехо Сото Мануэль, М. Ьиссю и др.

Отсутствие научно обоснованных требований к точности маркшейдерского мониторинга гидротехнических сооружений зачастую приводит как к завышенной точности наблюдений и, следовательно, значительным материальным затратам, так и использованию инструментов, не позволяющих обнаруживать деформации на ранней стадии, когда их предупреждение обеспечивается незначительными затратами.

Основные нерешенные задачи в части обеспечения безопасности гидротехнических сооружений связаны с моделированием системы мониторинга безопасности I ГС, адекватной конструктивным особенностям грунтовых дамб, находящихся под влиянием нагрузок и воздействий природного и техногенного характера, а также установлением требований к точности измерения пространственно-временного местоположения объектов мониторинга и выбором методик маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб.

В результате комплексного анализа состояния вопроса сформулированы цель и задачи исследований, приведенные в общей характеристике работы.

Во второй главе изложены принципы построения системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий.

Анализ совокупности накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий, разделяемых в зависимости от вида отходов и назначения емкостей, рельефа участка местности, способа устройства и технологии заполнения, а также опыта их эксплуатации при ведении горных работ и работ но обогащению полезных ископаемых, показал, что наиболее уязвимыми являются накопители, огражденные дамбами.

Многообразие типов грунтовых дамб (земляные насыпные, земляные намывные, каменио-земляные и каменно-набросные), классифицируемых по конструктивным особенностям на однородные и неоднородные, последние из которых разделяются на сооружения с противофильтрационными устройствами в

теле (экран из негрунтовых материалов, грунтовое ядро, негрунтовая диафрагма, грунтовый экран и др.) и основании (зуб, инъекционная завеса, стенка, шпунт, понур и др.) сооружения, а также дренажными устройствами (дренажный банкет, наслонный дренаж, трубчатый дренаж, горизонтальный дренаж и др.), предопределило необходимость проведения системной структуризации мониторинга безопасности грунтовых гидротехнических сооружений методом системного анализа.

Идея этого метода заключается в расчленении сложной проблемы на подпроблемы (этапы) до определенного уровня, т. е. построение иерархической схемы, отражающей модель системы мониторинга безопасности гидротехнических сооружений.

Учитывая, что главной целью мониторинга является обеспечение безопасности гидротехнических сооружений, построена идеально-знаковая модель системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий, в которой в качестве иерархических уровней приняты следующие (рис. 1):

• первый уровень - тип дамбы (конструкция);

• второй уровень — объекты мониторинга безопасности, т. е. элементы грунтовой дамбы (гребень и берма, верховой и низовой откос, дренажные и проти-вофильтрационные элементы, тело, подошва);

ПРИЗНАКИ СТРУКТУРИЗАЦИИ

о УРОВНИ /МониторннА / безопасности \ / ГТС \ КОЛИЧЕСТВО ЭЛЕМЕНТОВ

1 е X к о. / Конструкция грунтовой дамбы 4

2 X о г Элементы дамбы -объекты мониторинг а \ 6

3 о 2 о гт? Г) / Контролируемые показатели и \ / критерии безопасности \ 35-40

4 программа шиторинга | / Виды натурных наблюдений \ / (способ контроля) \

/ Методика наблюдений \

5 / Метод / контроля Средства контроля (КИЛ, КИП) Точность \ контроля \

Рис. 1. Схема структуризации сисгемы мониторинга безопасности ГТС

• третий уровень — количественные и качественные контролируемые показатели, которые могут быть измерены на данном сооружении с помощью технических средств или вычислены на основе измерений; из общего перечня контролируемых показателей выделяют наиболее значимые для диагностики и оценки состояния сооружения в целом и отдельных ее конструктивных элементов (критериями безопасности);

• четвертый уровень - виды натурных наблюдений (метод контроля);

• пятый уровень — методика маркшейдерского мониторинга, включающая метод наблюдений, средства измерений, назначаемые исходя из надежности получаемой информации и рациональных затрат на их реализацию, и требования к точности наблюдений.

Элементы модели системы мониторинга безопасности грунтовых дамб (рис. 2) определены методом экспертных оценок на основе анализа риска аварий с учетом конструктивных особенностей и условий их эксплуатации, а также оценки влияния деструктивных процессов, которые могут привести к гидродинамической аварии.

В качестве наиболее подходящего для решения поставленных задач на этапе идентификации опасностей выбран метод «Анализ опасности и работоспособности» («Hazard and Operability Study» - «HAZOP»), который основан на предположении, подтверждаемом обширным опытом эксплуатации ГТС, и согласно которому развивающиеся или уже имеющиеся повреждения и неполадки проявляются в той или иной мере через отклонения значений показателей состояния сооружения от обычно наблюдаемого или предельно допустимого.

Первый этап идентификации опасностей для гидротехнических сооружений методом «HAZOP» начинается с исследования компоновки и структуры элементов анализируемого сооружения, воздействий и нагрузок на него, а также особенностей жизненного цикла сооружения, включая уже имевшие место повреждения, аварии и неполадки, т.е. выделяются объекты мониторинга. На втором этапе изучается весь перечень контролируемых показателей состояния ГТС и анализируются возможные отклонения их от критериальных значений. На третьем этапе выявляются возможные причины и следствия этих отклонений. На четвертом (завершающем) этапе идентификации опасностей определяется состав наблюдений, позволяющий своевременно фиксировать деформационные процессы и выявить опасные отклонения контролируемых показателей состояния ГТС от предельно допустимых (критериальных) значений.

В результате идентификации опасностей риска аварий методом «HAZOP» для различных типов грунтовых дамб обоснован дифференцированный состав натурных наблюдений (например, для земляной насыпной - фильтрационный режим; для земляной намывной - поровое давление; для каменно-земляной -наличие и ширина противофильтрационного элемента и т. д.), направленных на фиксирование наиболее значимых для данной конструкции дамбы контролируемых показателей от критериев безопасности (табл. 1).

I ПП1ШИ £ пютуришии

Ооьек ! ы мониторинга: I - гревень (йс/ша); 2 - верховий откос; 3 - низовой откос; 4 - дренажные устрийстыг; 5,6- противофилътрационные устройства; 1 - тело; 8 - подошва

Контролируемые показатели (обозначены кодом, состоящим из двух цифр: первая - номер объекта мониторинга, вторая - контролируемый показатель):

I - высотная отметка; 2 - геометрические параметры (ширина, заложение и др.); 3 - вертикальные перемещения (осадки); 4 - горизонтальные смещения; 5 - гидродинамическое давление (уровень воды со стороны откоса);

6 - давление оппожившихся наносов; 7 - положение (отметки) депрессионной поверхности фильтрационного потока; 8 - фильтрационный расход воды; 9 - пьезометрические напоры и их градиенты; 10 - напряжение грунта;

II - параметры сейсмически.* казейаний; 12 - параметры намывного пляжи;

13 - характеристики материала (грунтов упорной пригчы); 14 - норовое давление и интенсивность его рассеивания

Рис. 2. Идеально-знаковая модель системы мониторинга безопасности грунтовых дамб

Таблица 1

Определение состава наблюдений на грунтовых дамбах на основе анализа опасностей риска аварий

Элемент соору-ору-жения Показатель состояния Ключевое слово HAZOP Нагрузки и воздействия Последствия изменения показателя состояния ГТС Состав наблюдений для предотвращения опасных отклонений показателя состоя ГТС от ПДЗ

Гребень Осадки Больше Собственный вес сооружения Потеря устойчивости (оползание низового откоса), перелив воды через гребень Маркшейдерский контроль: отметки поверхностных марок на гребне. Визуальный контроль: наличие трещин и просадок

Вес горнотранспортного оборудования

Силовое воздействие фильтрации Нарушение фильтрационной прочности, образование прорана Визуальный контроль: наличие выходов фильтрационных вод на низовой откос (вне дренажных устройств) с признаками суффозии

Меньше Опасности не представляет и далее не рассматривается

Тело дамбы Положение поверхности депрессии Больше Силовое воздействие фильтрации (старение грунтов; снижение пропускной способности и пр.) Нарушение фильтрационной прочности и потеря устойчивости откоса; обрушение участка, образование прорана; излив воды Маркшейдерский контроль: отметки уровня воды в пьезометрах. Геофизический контроль: уровень воды в теле дамбы

Меньше Опасности не представляет и далее не рассматривается

В третьей главе обоснованы критерии мониторинга напряженно-деформированного состояния грунтовых дамб, которое оценивается коэффициентом запаса устойчивости

В общем виде напряженно-деформированное состояние грунтовых сооружений определяется влиянием на них нагрузок и воздействий природного и техногенного характера, что приводит к формированию в откосной части дамбы потенциальной поверхности скольжения, расчетный коэффициент запаса устойчивости kf которой представляет в общем виде функцию истинных значений аргументов:

кг = Р (С, <р, у, 5, 5, а, I, Нв, Лв), (1)

где С, <р, у - соответственно сцепление (МПа), угол внутреннего трения (град.) и плотность (т/м3) грунта; 8 - угол откоса дамбы (град.); 51 и / - соответственно площадь (м2) и длина поверхности скольжения (м) элементарного блока; а. _ угол наклона (град.) касательной к поверхности скольжения в средине блока; - высота (м) подтопления откоса (вертикальное расстояние от подошвы дамбы до уровня воды со стороны откоса); И - высота (м) обводненной части в блоке (вертикальное расстояние от поверхности скольжения до уровня поверхности депрессии).

Алгоритм расчета коэффициента запаса устойчивости грунтовой дамбы показан на рис. 3.

Рис. 3. Алгоритм расчета коэффициента запаса устойчивости грунтовой дамбы

Минимальное изменение нормативного коэффициента запаса устойчивости устанавливаемого по СП 58.13330.2012, при повышении на один класс ответственности сооружения, либо перехода этого сооружения в состояние предельного равновесия, составляет 5 %, в этой связи в качестве основного критерия безопасности грунтовой дамбы принято предельное отклонение коэффициента запаса устойчивости от нормативного значения Ак = 0,05.

Влияние погрешностей измеренных аргументов на погрешность функции Ь' установлено следующим образом. Число измерений каждого аргумента у в формуле (7) принято одинаковым. Составлен ряд частных значений функций; в них подставлены непосредственно измеренные значения аргументов; полученные функции разложены в ряд Тейлора. Ввиду малости истинных погрешностей аргументов, ограничиваясь первыми членами ряда, получена следующая система уравнений:

Из системы уравнений (2) следует, что истинная погрешность функций (Д', А", ... Аи) для ряда измеренных аргументов определяется суммой произведений частных производных по этим аргументам на истинную случайную погрешность измерения этого аргумента. Изменения частных производных в пределах изменения аргументов не окажет существенного влияния на погрешность функции кг (7), поэтому для практических расчетов в формулу (2) вместо истинных значений аргументов могут быть подставлены их измеренные значения.

Приняв в качестве истинной случайной погрешности функции кт (7) основной критерий безопасности грунтовой дамбы - предельное отклонение коэффициента запаса устойчивости от нормативного значения Ак = 0,05, определили максимально допустимые отклонения (истинные случайные погрешности) измеренных аргументов, при которых не будет допущен переход грунтовой дамбы в состояние предельного равновесия.

Влияние групп аргументов (физико-механические свойства грунтов -С, ср, у, параметры призмы возможного обрушения - 5, ос, I я параметры гидростатического давления - /Д Лв) на значение функции кт (коэффициент запаса устойчивости) проанализировано на примере идеальной модели грунтовой дамбы с параметрами: высота - от 5 до 65 м, коэффициент заложениях откоса -от 1,0 до 4,0; отметка зеркала воды - от 1/3 высоты подтопления откоса до максимального подпорного уровня (МГГУ).

Физико-механические свойства грунтов, полученные в результате инженерно-геологических изысканий на 27 дамбах предприятий Кузбасса, обработаны известными методами математической статистики. В результате модельного эксперимента установлено, что наиболее значимым аргументом является сцепление грунтов, при уменьшении этого показателя относительно расчетного значения всего на 3,1 % (Дс = -0,0014 МПа) снижение коэффициента запаса устойчивости достигает критериального значения Ак = 0,05. Однако в процессе эксплуатации происходит консолидация грунтов, увеличиваются сцепление и угол внутреннего трения, поэтому изменение физико-механических свойств грунтов на напряженно-деформированное состояния дамбы обычно оказывает положительное влияние и не ухудшает состояние устойчивости дамбы.

Следующая группа аргументов в функции кг (1) - параметры призмы возможного обрушения (3, 5, а и X) определяются через геометрические параметры дамбы и положение наиболее напряженной поверхности скольжения в

откосе, погрешность которых обусловлена погрешностью маркшейдерской съемки, нанесением результатов этой съемки на план, а также погрешностями построения расчетного профиля и измерения на профиле параметров дамбы и призмы возможного обрушения.

В результате моделирования грунтовой дамбы установлено, что отклонение коэффициента запаса устойчивости от нормативного значения не превысит 5 % (М = 0,05) при истинных случайных погрешностях определения коэффициента заложения откоса Лот = +0,14 (или А3= +8°) и высоты дамбы ДЯ = +2,9 м, а также следующих соотношениях высоты и заложения откосов:

• для сооружений IV класса (Я < 10 м) - для минимальных значений (С = 0,013 МПа; (р = 15°; у= 1,71 т/м3) физико-механических свойств грунтов при коэффициенте заложения откоса т > 1,0;

• для сооружений III (10 < Я< 20 м), II (20 < Я< 50 м) и I (Я> 50 м) классов -для средних значений (С = 0,045 МПа; (р = 22°; у = 1,97 т/м3) физико-механических свойств грунтов при коэффициентах заложения откоса соответственно: т > 2,0; т ~ 2,0+3,5 и т> 4,0.

Фактическая погрешность маркшейдерской съемки (в масштабе 1:1000) значительно меньше полученных отклонений (Ат, АД), поэтому можно считать, что погрешности определения геометрических параметров дамбы (Да, Д^. Да> АО не окажут существенного влияния на коэффициент запаса устойчивости.

Аргументы Я® и йв в функции кг (7) являются интегральными показателями, определяющими суммарное влияние гидростатического взвешивания и гидродинамического давления на призму возможного обрушения, которые проявляются как гидростатическое давление, распределенное по нормали к поверхности скольжения, и уменьшающее нормальную составляющую, не оказывая существенного влияния на касательную. Воздействие гидростатического давления на каждый элемент грунтовой дамбы, расположенный в контуре фильтрационного потока ниже уровня кривой депрессии, зависит от подтопления откоса (уровня воды в накопителе) и пьезометрических напоров в теле и основании сооружения. Исследование влияния параметров гидростатического давления на модели грунтовой дамбы показало, что истинные случайные погрешности определения высоты подтопления откоса Днв и, соответственно, положения кривой депрессии в теле дамбы Дпв, при которых отклонение коэффициента запаса устойчивости от нормативного значения не превысит 5 % (Ак= 0,05), составляют 0,2-г0,5 м (1 + 2 % от высоты дамбы) и являются наиболее «чувствительными» аргументами, отрицательно влияющими на значение функции кТ (/).

В четвертой главе обоснована методика маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб.

Маркшейдерский мониторинг грунтовых дамб включает контроль вертикальных и горизонтальных смещений; высотных отметок гребня, «нуля» водомерной рейки и устьев пьезометров; геометрических параметров дамбы.

Контроль вертикальных и горизонтальных смещений грунтовой дамбы осуществляют по поверхностным маркам, закрепляемым в продольных и поперечных створах на гребне, бермах и у подножья сооружения, путем определения их координат относительно опорных пунктов. Исходя из средних квадрати-ческих погрешностей определения смещений (ГОСТ 24846-81) установлены

критериальные значения (К1) смещений грунтовых дамб мм;

Принимая за основу регламентированные «Инструкцией по производству маркшейдерских работ» невязки хода и установленные критериальные значения, определили методику маркшейдерского мониторинга высотной отметки поверхностной марки в одной серии наблюдений в зависимости от удаленности относительно опорного репера: до 0,3 км - тригонометрическое нивелирование оптическим теодолитом; до 0,75 км - тригонометрическое нивелирование электронным тахеометром; до 1 и 3 км - геометрическое нивелирование соответственно IV и III классов.

При расположении поверхностных марок на дамбе в створе между опорными пунктами контроль горизонтальных смещений целесообразно осуществлять методом створных наблюдений способом малых углов, измеряя углы смещения Ар марки от створа. В этом случае для недопущения превышения требуемой точности определения горизонтальных смещений грунтовых дамб удаленность опорного пункта от поверхностной марки не должна превышать 0,85 км при измерении точными приборами (тр— 5", гг\1 = 5+3 мм/км); работа приборами технической точности (тр= 10", да/ = 10+5 мм/км) возможна при удалении опорного пункта на расстояние до 0,4 км (рис. 4).

4

5

0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 Удаленность поверхностной марки от опорного пункта (км)

Рис. 4. Зависимость пофешности горизонтального смещения от удаленности поверхностной марки (способ малых углов, Ар = (Н-/5

Помимо метода створных наблюдений проанализированы методы триангуляции, отдельных направлений и полигонометрического хода. Предрасчет ожидаемой пофешности положения поверхностной марки показал, что при использовании точных приборов со средней квадратической пофешностью измерения горизонтальных углов не более тр= 5" и длин линий - гщ= 5+3 мм/км все способы дают близкие результаты и требуемая точность (т^= 21 мм) определения горизонтальных смещений фунтовых дамб обеспечивается при удаленности поверхностной марки от опорного пункта не более 0,8 км, а при удаленности до 0,2 км -возможна работа приборами технической точности (тр = 10", nii =10+5 мм/км).

Высотные отметки фебня фунтовых дамб на всем их протяжении назначают на основе расчета возвышения фебня над уровнем воды, исходя из величины ветрового нагона воды в верхнем бьефе Ahsel, высоты наката на откос ветро-

вых волн 1 % обеспеченностью Итп1%, с учетом минимального запаса возвышения гребня дамбы над уровнем воды в емкости а, а также строительных осадок тела и основания дамбы. Опыт проводимых натурных обследований грунтовых дамб показывает, что влияние различного рода нагрузок и воздействий (гидродинамическое давление, силовое воздействие фильтрационной воды, ветровые и снеговые нагрузки, вес технологического оборудования и др.) на дамбу приводит к изменению ее размеров и форм в течение всего периода эксплуатации.

Приняв в качестве критерия безопасности предельную величину осадки -К1 = 200 мм (согласно СП 126.13330.2012), установили допустимую и среднюю квадратическую погрешности определения высотной отметки гребня дамбы из одной серии измерений, которые соответственно составили 141 мм и

т^Р » 70 мм (при Р=0,95).

При контроле высотных отметок гребня дамбы измерения производят от опорного репера путем передачи отметки на начальный (нулевой) пикет (ПК0) и далее проложением хода нивелирования по гребню до конечного пикета (ПКк). Предрасчет ожидаемой погрешности положения конечного пикета показал, что при его удалении относительно опорного репера на расстоянии до 1,5 км средняя квадратическая погрешность обеспечивается любым из рассмотренных методов (геометрическое нивелирование IV класса, техническое нивелирование, тригонометрическое нивелирование электронным тахеометром либо оптическим теодолитом); при большей протяженности дамбы (1,р >1,5 км) методику контроля следует устанавливать исходя из удаленности начального (нулевого) пикета от опорного репера и протяженности гребня.

Интегрированным показателем безопасности грунтовой дамбы является уровень воды в емкости накопителя и теле грунтовой дамбы, который определяют, соответственно, путем замера по водомерной рейке и вычисления через отметку устья пьезометра и глубину воды, замеряемую лот-свистком или хлопушкой в пьезометре. Из условия недопущения наступления предельного состояния сооружения (на основании оценки влияния нагрузок и воздействий на напряженно-деформированное состояние грунтовых дамб) в качестве критерия безопасности принято минимальное значение случайной погрешности определения уровня воды в накопителе Днв и теле дамбы Д 1гв, при которых отклонение коэффициента запаса устойчивости от нормативного значения не превысит 5 % (тг(доп)= 200 мм). Тогда исходя из средней квадратической погрешности определения высотных отметок (т| = 100 мм; при Р = 0,95) проверку «нуля» водомерной рейки в емкости накопителя и устьев пьезометров на дамбе, удаленных относительного опорного репера на расстояние менее 2,2 км, допускается выполнять тригонометрическим нивелированием с использованием оптического теодолита. При большем удалении объекта контроля от опорного репера необходимо использовать электронный тахеометр или выполнять техническое нивелирование.

Исходя из оценки влияния геометрических параметров дамбы на коэффициент запаса устойчивости откосов маркшейдерскую съемку контуров грунтовых дамб необходимо выполнять в масштабе не мельче 1:2000 с соблюдением требований «Инструкции по производству маркшейдерских работ» к съемке объектов открытых горных работ.

Обобщенные требования к методике маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб сведены в табл. 2.

Таблица 2

Требования к методике маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб

Контролируемый показатель К1 СКП Условия обеспечения требуемой точности

Метод контроля Характеристика условий измерений

максимальная удаленность ПМ от ОП, км технические характеристики средств контроля

Вертикальные смещения ПМ 28 мм 14 мм Тригонометрическое нивелирование: • оптическим теодолитом 0,3 ms, с mi, мм

10 8

• электронным тахеометром 0,75 3 3 + 3 мм/км

Геометрическое нивелирование: • IV класса 1,0 v, крат nth, мм

20 - 22 6

• III класса 3,0 24 3

Горизонтальные смещения ПМ 42 мм 21 мм Створных наблюдений (способ малых углов) 1,4 тв, с mi, мм

3 3 + 3 мм/км

0,8 5 5 + 3 мм/км

0,4 10 10 + 5 мм/км

Полигонометриче-ский ход 2,0 3 3 + 3 мм/км

0,8 5 5 + 3 мм/км

0,2 10 10 + 5 мм/км

Отдельных направлений (прямая линейно-угловая засечка) Д град. с, км тц, с mi, мм

<10 2,0 3 3 + 3 мм/км

50 1,3

< 10 1,25 5 5 + 3 мм/км

50 0,8

<10 0,6 10 10 + 5 мм/км

50 0,4

Высотная отметка гребня дамбы 140 мм j 70 мм Тригонометрическое нивелирование: 1,5 т5, с т/,мм

• оптическим теодолитом 10 35

• электронным тахеометром 3,5 3 3 + 3 мм/км

Техническое нивелирование 5 v, крат. mt,, мм

20 20

Отметки «нуля» ВР и УП 200 мм 100 мм Тригонометрическое нивелирование 2,2 mt, с mi, мм

8 35

Техническое нивелирование 5 v, крат. тъ, мм

20 20

Коитур дамбы: - в плане 3,2 м 1,1 м Маркшейдерская съемка Масштаб съемки 1:2000

- по высоте 2,9 м 1,0 м

Примечание. ПМ - поверхностная марка; К1 - критерий безопасности первого уровня; СКП - средняя квадратическая погрешность измерения; ОП - опорный пункт; BP - водомерная рейка; УП - устье пьезометра; с - значение базиса (сторона между ОП), км; fi - горизонтальный угол при базисе, град.; 8 - вертикальный угол, град.; v - увеличение зрительной трубы, крат; т,s - погрешность измерения вертикального угла, с; тр - погрешность измерения горизонтального угла, с; mi - погрешность измерения длины лиши, мм; ти - погрешность измерения превышения на 1 км хода, мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основе идентификации опасностей риска аварий и оценки влияния нагрузок и воздействий на напряженно-деформированное состояние грунтовых дамб по экспериментальным данным разработаны научно обоснованные технические решения по методическому обеспечению маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб накопителей жидких отходов, включающие алгоритмы, критерии и методику определения пространственно-временного изменения состояния объектов мониторинга, обеспечивающие безопасность эксплуатации гидротехнических сооружений, что имеет существенное значение для горнодобывающей отрасли.

Основные научные результаты и рекомендации сводятся к следующему:

1. По данным мировой статистики самое большое число аварий ГТС связано с разрушением грунтовых дамб. Отсутствие эффективной системы наблюдений за сооружениями не позволяет своевременно фиксировать деструктивные процессы, вследствие чего происходят деформации сооружений, вызывающие возникновение гидродинамических аварий, приводящих к чрезвычайным ситуациям. В настоящее время отсутствуют четко установленные взаимосвязи между конструктивными особенностями грунтовых сооружений, подверженных воздействию на них нагрузок и воздействий природного и техногенного характера, и объектами мониторинга, количественными и качественными критериями безопасности этих сооружений, видами и методами натурных наблюдений, а также требования к их точности.

2. Идеально-знаковая модель системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий, структурированная методом системного анализа, описывается следующими признаками: тип дамбы, объекты мониторинга (конструктивные элементы дамбы), контролируемые показатели отдельных элементов сооружения и критерии безопасности, и адекватно отражает последовательность работ при составлении Проекта мониторинга безопасности, включающего методику натурных наблюдений, средства измерений и точность наблюдений.

3. Идентификация опасностей при анализе риска аварий методом «НАгОР» различных типов грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий обеспечивается диагностированием наиболее уязвимых зон (гребень, низовой и верховой откосы, дренажные и противофиль-трационные сооружения, подошва) и позволяет дифференцировать состав натурных наблюдений в зависимости от конструктивных особенностей сооружения (например, для земляной насыпной - фильтрационный режим; для земляной намывной - избыточное поровое давление; для каменно-земляной - наличие и ширина противофильтрационного элемента).

4. Интервал изменения коэффициента запаса устойчивости дамбы при расчете для всего диапазона физико-механических свойств (сцепление С = 0,013-Ю,093 МПа, угол внутреннего трения (р= 15-28°, плотность у= 1,714-2,04 т/и3) глинистых грунтов дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий Кузбасса составляет от 11 до 75 %. Достоверность

прогноза устойчивости дамбы, выполненного по результатам инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, повышается в 1,5+2 раза.

5. Практический мониторинг и теоретические расчеты показали, что устойчивость дамбы накопителя жидких отходов горнопромышленных предприятий обеспечивается с коэффициентом запаса выше нормативного для дамб высотой менее 10 м и коэффициенте заложения откоса т> 1,0 при минимальных (С = 0,013 МПа; <р= 15°; у= 1,71 т/м3), а для дамб с параметрами Я= 10+20 м и т>2,0; Н= 20+50м и т-2,0+3,5/ Я>50м и т>4,0 - при средних (С = 0,045 МПа; <р= 22° и у = 1,97т/м3) значениях физико-механических свойств глинистых грунтов.

6. Погрешность коэффициента запаса устойчивости грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий, представляющего в общем виде функцию F от физико-механических свойств фунтов (С, ср, у), геометрических параметров дамбы (<5>, Я) и гидростатическою давления (ir, hB), не превышает допустимого значения 5 % при следующих величинах погрешностей аргументов: сцепление С до -0,0014 МПа, угол внутреннего трения (р до -2°, плотность грунтов у до -0,07 т/м3, угол откоса S от +8°, высота дамбы Я от +2,9 м, высота подтопления откоса Яп и уровень воды в теле дамбы йв от +0,2 м.

7. Методика маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий обеспечивается геодезическими методами, точность которых определяется критериями, установленными из недопущения нарушения состояния предельного равновесия дамбы:

- при контроле смещений в вертикальной плоскости тригонометрическим нивелированием с использованием электронного тахеометра, нивелированием IV и III классов при максимальной удаленности поверхностных марок от опорного пункта соответственно до 0,75, 1 и 3 км; в горизонтальной - точными приборами (mß= 5°; т, = 5+3 мм/км) и приборами технической точности (тр= 10°; ш/= 10+5 мм/км) при удаленности соответственно до 0,8 и 0,2 км;

- при контроле высотных отметок гребня дамбы, «нуля» водомерной рейки и устьев пьезометров приборами технической точности в зависимости от протяженности дамбы тригонометрическим (до 1,5 км) либо техническим (до 5 км) нивелированием;

- при построении геометрического контура дамба съемкой в масштабе не

мельче 1:2000.

Основное содержание диссертации опубликовано

в изданиях, определенных ВАК России:

1. Бахаева С. П. Анализ причин оползня насыпного массива и оценка обеспечения его устойчивости / С. П. Бахаева, Т. В. Михайлова // Маркшейдерский вестник. - 2004. - № 1. - С. 40-43.

2. Бахаева С. П. Определение объектов мониторинга безопасности ITC накопителей жидких промышленных отходов / С. П. Бахаева, Т. В. Михайлова // Безопасность труда в промышленности. - 2005. - № 10. - С. 24-28.

3. Михайлова Т. В. Формирование иерархической схемы мониторинга безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов / Т. В. Михайлова, С. П. Бахаева // Безопасность труда в промышленности. - 2010. - № 5. - С. 43-46.

4. Михайлова Т. В. Системная структуризация мониторинга безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких горнопромышленных отходов / Т. В. Михайлова // Маркшейдерский вестник. - 2012. - № 3. - С. 61-63.

5. Бахаева С. П. Выбор оптимального метода контроля отметок фунтовых плотин / С. П. Бахаева, Т. В. Михайлова // Маркшейдерский вестник. — 2013.-№1.-С. 31-35.

6. Бахаева С. П. Исследование влияния физико-механических свойств фунтов на устойчивость дамбы / С. П. Бахаева, Д. В. Гурьев, Т. В. Михайлова // Маркшейдерский вестник. - 2013. — № 5. - С. 5-8.

в прочих изданиях:

1. Протасов С. И. О выделении опасных зон на разрезах / С. И. Протасов, В. В. Билибин, В. В. Ермошкин, С. П. Бахаева, Т. В. Михайлова // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: материалы II Международной научно-практической конференции, 10-12 ноября 1998 г. - Кемерово, 1998.-С. 43-44.

2. Бахаева С. П. О геомеханическом мониторинге техногенных массивов на разрезах Кузбасса / С. П. Бахаева, С. И. Протасов, Т. В. Михайлова // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: материалы IV Международной научно-практической конференции, 21-23 ноября 2000 г. — Кемерово, 2000. - С. 197-198.

3. Бахаева С. П. Геомеханический мониторинг состояния прибортового массива при смыве гидроотвала / С. П. Бахаева, С. И. Протасов, Т. В. Михайлова, Е. В. Кожарко // Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы: материалы Международной научно-практической конференции. - Магнитогорск, 2001. - С. 50-51.

4. Бахаева С. П. Анализ возникновения оползневых процессов на угольных разрезах Кузбасса / С. П. Бахаева, Т. В. Михайлова // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: труды международной научно-практической конференции, 10-13 сентября 2002 г. - Кемерово, 2002. - С. 130.

5. Бахаева С. П. Формирование иерархической схемы мониторинга безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов / С. П. Бахаева, Т. В. Михайлова // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: труды XI Международной научно-практической конференции, 15-18 сентября 2009 г. - Кемерово, 2009.-С. 130-131.

6. Михайлова Т. В. Современное состояние проблемы мониторинга безопасности гидротехнических сооружений Кузбасса / Т. В. Михайлова // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: труды XIII Международной научно-практической конферен-

ции, 20-23 сентября 2011 г. - Кемерово, 2011. - С. 250-252.

7. Бахаева С. П. Обоснование метода маркшейдерского контроля высотных отметок грунтовых плотин / С. П. Бахаева, Т. В. Михайлова // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: труды XIV Международной научно-практической конференции, 18-21 сентября 2013 г. -Кемерово, 2013. - С. 130-136.

8. Бахаева С. П. Исследование фильтрационного режима грунтовых дамб / С. П. Бахаева, Т. В. Михайлова // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2012: материалы XIV Международной научно-практической конференции, 1-2 ноября 2012 г. / редкол.: В. Ю. Блюменштейн, В. А. Колмаков, КузГТУ. - Кемерово, 2012. - С. 31-35.

9. Михайлова Т. В. Определение элементов системы мониторинга безопасности грунтовых дамб методом «НАгОР» / Т. В. Михайлова, С. П. Бахаева // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: труды XV Международной научно-практической конференции, 8-11 октября 2013. - Кемерово, 2013. - С. 54-56.

Подписано в печать 28.10.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № $00

КузГТУ. 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28. Полиграфический цех КузГТУ. 650000, г. Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Михайлова, Татьяна Викторовна, Кемерово

ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева»

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

ОБОСНОВАНИЕ ТОЧНОСТИ МАРКШЕЙДЕРСКОГО МОНИТОРИНГА ГРУНТОВЫХ ДАМБ НАКОПИТЕЛЕЙ ЖИДКИХ ОТХОДОВ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность: 25.00.16 - «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

04201451312

На правах рукописи

Михайлова Татьяна Викторовна

Научный руководитель -

доктор технических наук, доцент С. П. Бахаева

Кемерово-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА МОНИТОРИНГА БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ НАКОПИТЕЛЕЙ

ЖИДКИХ ОТХОДОВ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 12

1.1. Деструктивные процессы и деформации при эксплуатации гидротехнических сооружений 12

1.2. Нагрузки и воздействия, вызывающие деформации грунтовых

дамб 23

1.3. Методы контроля состояния грунтовых дамб 3 5

1.4. Выводы, цель и задачи исследования 44

2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА БЕЗОПАСНОСТИ ГРУНТОВЫХ ДАМБ НАКОПИТЕЛЕЙ ЖИДКИХ ОТХОДОВ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 48

2.1. Анализ видов накопителей и конструкций грунтовых дамб 48

2.2. Моделирование системы мониторинга безопасности грунтовых

дамб 59

2.2.1. Структуризация системы мониторинга безопасности 59

2.2.2. Методика определения элементов системы мониторинга безопасности 62

2.2.3. Обоснование элементов системы мониторинга 71 Выводы по главе 2 80

3. ОБОСНОВАНИЕ КРИТЕРИЕВ МОНИТОРИНГА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВЫХ ДАМБ 82

3.1. Алгоритм оценки напряжено-деформированного состояния грунтовых дамб 82

3.2. Анализ характера нагрузок и воздействий, определяющих устойчивость грунтовых дамб 87

3.3. Исследование влияния нагрузок и воздействий на устойчивость грунтовых дамб 91 3.3.1. Изучение изменчивости физико-механических свойств

грунтов 91

3.3.2. Анализ геометрических параметров дамб 96

3.3.3. Диагностирование воздействия гидростатического давления 99

2.3.4. Оценка значимости нагрузок и воздействий на устойчивость грунтовой дамбы 101

Выводы по главе 3 103

4. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ МАРКШЕЙДЕРСКОГО МОНИТОРИНГА ГРУНТОВЫХ ДАМБ 105

4.1. Контроль смещений дамбы 105

4.2. Контроль высотных отметок 117

4.2.1. Проверка высотных отметок гребня дамбы 117

4.2.2. Проверка «нуля» водомерной рейки и устьев пьезометров 128

4.3. Контроль геометрических параметров 130

4.4. Методика маркшейдерского мониторинга для обеспечения безопасности грунтовых дамб 133

Выводы по главе 4 136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 143

Приложение 1. Состав наблюдений на грунтовых дамбах 156

Приложение 2. Опыт внедрения системы мониторинга безопасности и методики маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб на горнопромышленных предприятиях 172

Приложение 3. Акт использования программы мониторинга безопасности гидротехнических сооружений на предприятиях ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» 175

Приложение 4. Акт практического использования программы маркшейдерского мониторинга гидротехнических сооружений на предприятиях ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» 177

Приложение 5. Титульный лист методического руководства по разработке системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов промышленных предприятий 179

Приложение 6. Дипломы международной выставки-ярмарки «ЭКСПО-УГОЛЬ» 180

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Гидротехнические сооружения (ГТС) накопителей жидких отходов являются объектами, непосредственно обеспечивающими технологический процесс большинства горнопромышленных предприятий. На территории Кузбасса эксплуатируют около 170 комплексов накопителей жидких отходов, более половины из них потенциально опасны и в соответствии с требованиями Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» №117-ФЗ подлежат декларированию безопасности.

По данным мировой статистики, самое большое число аварий связано с разрушением грунтовых гидротехнических сооружений. В большинстве случаев отсутствие эффективной системы наблюдений за сооружениями не позволяет своевременно фиксировать деструктивные процессы, вследствие чего происходят деформации сооружений, вызывающие нарушение технологического режима работы предприятия, а также возникновение гидродинамических аварий, приводящих к чрезвычайным ситуациям от локального до федерального характера.

......Разработанные и реализованные в настоящее время в практике "

горнопромышленных предприятий методы мониторинга безопасности ГТС, включающие визуальные и инструментальные наблюдения с использованием контрольно-измерительной аппаратуры, в целом позволяют контролировать состояние грунтовых дамб, свойства слагающих их грунтов, интенсивность протекающих в теле и основании сооружений фильтрационных и деформационных процессов. Вместе с тем, отсутствуют четко установленные взаимосвязи между конструктивными особенностями грунтовых сооружений, подверженных воздействию на них нагрузок природного и техногенного характера, и объектами мониторинга, количественными и качественными критериями безопасности этих сооружений, видами и методами натурных наблюдений, а также требования к их точности.

Комплекс инструментальных наблюдений, включающий маркшейдерский контроль положения контрольно-измерительной аппаратуры, уровня заполнения накопителя, высотных отметок гребня, осадок и горизонтальных смещений дамб, фильтрационного режима и порового давления в их теле и основании, обеспечивается геодезическими методами определения местоположения в пространстве конструктивных элементов грунтовой дамбы либо установленной на этом сооружении контрольно-измерительной аппаратуры. При этом отсутствие научно обоснованных требований к допустимым погрешностям маркшейдерского мониторинга гидротехнических сооружений зачастую приводит как к завышенной точности наблюдений и, в этой связи, значительным материальным затратам, так и использованию инструментов, точность которых не позволяет обнаруживать деформации на ранней стадии, когда их предупреждение можно обеспечивать незначительными затратами. В этой связи необходимы исследования по обоснованию требований к точности определения пространственно-временного местоположения конкретных элементов (объектов мониторинга) грунтовых дамб и установленной на них контрольно-измерительной аппаратуры.

Основные нерешенные задачи в части обеспечения безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий связаны с анализом риска гидродинамических аварий, моделированием системы мониторинга безопасности; дифференцированием объектов мониторинга и их контролируемых показателей, оптимизацией требований к критериям мониторинга напряженно-деформированного состояния, а также увязкой конструктивных параметров грунтовых дамб, нагрузок и воздействий на них с составом и точностью маркшейдерских методов контроля.

Вышеизложенное предопределяет актуальность обоснования критериев мониторинга напряженно-деформированного состояния и создания системы маркшейдерского мониторинга, адекватной конструктивным особенностям

грунтовых дамб, находящихся под влиянием нагрузок и воздействий природного и техногенного характера, прогноза их устойчивости для обеспечения безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений.

Объект исследований — грунтовые дамбы накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий.

Предмет исследований - маркшейдерский мониторинг напряженно-деформированного состояния грунтовых дамб.

Основная идея работы заключается в установлении точности маркшейдерских наблюдений на грунтовых дамбах по отклонению коэффициента запаса устойчивости от нормативного значения.

Цель работы — обоснование точности маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий, сочетающего надежность с рациональными затратами и обеспечивающего безопасность их эксплуатации.

Исследования выполнялись в рамках реализации Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» (№ 117 - ФЗ от 21.07.1997) совместно с Новационной фирмой «КУЗБАСС-НИИОГР», являющейся аналитическим центром по мониторингу безопасности ГТС предприятий угольной промышленности России. Ежегодно с участием диссертанта составляются аналитические отчеты о состоянии и уровне риска аварий на гидротехнических сооружениях Кузбасса и других регионов страны с целью выработки рекомендаций для Ростехнадзора по обеспечению их безопасной эксплуатации.

Основные задачи исследований:

- разработка принципов построения системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий;

— обоснование критериев мониторинга напряженно-деформированного состояния грунтовых дамб;

— обоснование методики маркшейдерского мониторинга грунтовых

дамб.

Методы исследований

Ретроспективный анализ и обобщение литературных источников в области мониторинга безопасности грунтовых дамб гидротехнических сооружений; метод системного анализа при разработке системы мониторинга безопасности ГТС; метод экспертных оценок при определении степени влияния нагрузок и воздействий на напряженно-деформированное состояние грунтовых дамб и установление относительной значимости объектов мониторинга; метод «НА20Р» при идентификации опасностей риска аварий грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий; методы математической статистики при обработке результатов лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов; метод моментов сил при оценке устойчивости грунтовых дамб.

Научные положения, выносимые на защиту:

— безопасность накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий обеспечивается созданием системы мониторинга безопасности грунтовых дамб, выраженной идеально-знаковой моделью различного уровня сложности, структурируемой по типам дамб и их конструктивным особенностям на объекты мониторинга, контролируемые показатели, критерии безопасности, виды натурных наблюдений и методику маркшейдерского мониторинга;

— при повышении гидростатического давления на 0,2 высоты грунтовой дамбы коэффициент запаса ее устойчивости снижается на 5 %, что вызывает переход сооружения в состояние предельного равновесия и повышает риск возникновения оползания низового откоса;

- необходимая точность контроля смещений грунтовых дамб и минимальная трудоемкость полевых работ обеспечиваются в вертикальной плоскости тригонометрическим нивелированием с использованием электронного тахеометра, нивелированием IV и III классов при максимальной удаленности поверхностных марок от опорного пункта соответственно до 0,75, 1 и 3 км; в горизонтальной — геодезическими методами точными приборами (тр=5"\ гп1 = 5+3 мм/км) и приборами технической точности {тр= 10"; /я/= 10+5 мм/км) при удаленности соответственно до 0,8 и 0,2 км;

- точность контроля высотных отметок гребня дамбы, «нуля» водомерной рейки и устьев пьезометров, соответствующая критериям безопасности, обеспечивается приборами технической точности в зависимости от протяженности дамбы тригонометрическим, с использованием оптического , теодолита, (до 1,5 км) либо техническим (до 5 км) нивелированием.

Научная новизна работы заключается:

- в обосновании алгоритма разработки системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий, обеспечивающей дифференцирование * объектов мониторинга и контролируемых показателей в увязке с их типом и конструкцией;

- в установлении степени влияния нагрузок и воздействий на напряженно-деформированное состояние грунтовых дамб, вызывающих переход сооружения в состояние предельного равновесия;

- в обосновании методики маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- применением апробированных научных методов системного анализа, экспертных оценок, анализа опасности и работоспособности «НА20Р»;

- использованием методов математической статистики для обработки экспериментальных данных;

- положительным опытом реализации системы маркшейдерского мониторинга на большинстве грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий Кузбасса в течение 10 лет.

Личный вклад автора заключается:

- в обосновании критериев и состава мониторинга безопасности гидротехнических сооружений в зависимости от конструктивных особенностей грунтовых дамб, нагрузок и воздействий на них и опасности риска гидродинамических аварий;

- в анализе результатов натурных наблюдений, проводимых на гидротехнических сооружениях накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий Кузбасса, оценке устойчивости и фильтрационной прочности грунтовых дамб и разработке рекомендаций по обеспечению безопасных условий их эксплуатации;

- в разработке и организации внедрения системы маркшейдерского мониторинга на грунтовых дамбах накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий Кузбасса.

Научная ценность работы состоит в разработке идеально-знаковой модели системы мониторинга безопасности грунтовых дамб, обосновании критериев мониторинга напряженно-деформированного состояния и требований к точности маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий.

Отличие от ранее выполненных работ заключается в применении метода идентификации опасностей риска аварий («Анализ опасности и работоспособности») для дифференцирования объектов мониторинга и контролируемых показателей и обоснования состава наблюдений в увязке с конструктивными особенностями различных типов грунтовых дамб. Впервые обоснованы требования к точности маркшейдерского мониторинга грунтовых дамб.

Практическая ценность работы состоит:

- в обосновании алгоритма оценки риска аварий методом «НА20Р», типового перечня объектов, контролируемых показателей и критериев для моделирования системы мониторинга безопасности грунтовых дамб на основе классификационных признаков их типов и конструктивных особенностей;

- в составлении графиков зависимости средней квадратической погрешности маркшейдерских измерений от удаленности контролируемого объекта относительно опорных пунктов, упрощающих составление программы маркшейдерского мониторинга для грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий;

- в установлении условий выполнения маркшейдерских работ для обеспечения необходимой точности определения контролируемых показателей грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий.

Реализация работы

Теоретические и методические положения, разработанные в ходе диссертационных исследований, изложены в Методическом руководстве по разработке системы мониторинга безопасности грунтовых дамб накопителей жидких отходов промышленных предприятий (Новационная фирма «КУЗБАСС-НИИОГР»; КузГТУ. - Кемерово, 2013.-57 е.), согласованном с ведущими компаниями региона (ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», ОАО «ОУК «Южкузбассуголь», ОАО «СДС-Уголь») и применяемом на предприятиях Кузбасса.

Основные результаты исследований использованы при назначении критериев безопасности и разработке проектов мониторинга безопасности для более 50 гидротехнических сооружений горнопромышленных предприятий Кузбасса и России, а также при оценке состояния ГТС и разработке рекомендаций по обеспечению безопасных условий их эксплуатации.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы рассмотрены на Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (Кемерово, 1998, 2000 гг.), конференции «Геомеханика и технологическое развитие угледобычи» (Кемерово, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы» (Магнитогорск, 2001 г.), Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2002, 2009, 2011-13 гг.), Международном научном симпозиуме «Неделя горняка-2012» (Москва, 2012 г.).

Ряд работ, выполненных с участием автора и включающих основные результаты диссертации, удостоены дипломов международной выставки-ярмарки «ЭКСПО-УГОЛЬ»: III степени за комплекс работ по проектам мониторинга бе