Инженерно-геологическое и гидрогеологическое обоснование эксплуатации и рекультивации гидроотвалов вскрышных пород Центрального Кузбасса

Жариков, Вениамин Петрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Инженерно-геологическое и гидрогеологическое обоснование эксплуатации и рекультивации гидроотвалов вскрышных пород Центрального Кузбасса
ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Инженерно-геологическое и гидрогеологическое обоснование эксплуатации и рекультивации гидроотвалов вскрышных пород Центрального Кузбасса"

На правах рукописи

ЖАРИКОВ Вениамин Петрович

УДК 624.131.1

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕКУЛЬТИВАЦИИ ГИДРООТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД ЦЕНТРАЛЬНОГО КУЗБАССА

Специальность 25.00.16 - «Горнопромышленная н нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и

геометрия недр»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Московском государственном горном университете (МГГУ)

Научный руководитель доктор технических наук Кутепов Юрий Иванович

Официальные оппоненты' доктор технических наук, профессор Шпаков Петр Сергеевич кандидат технических наук, доцент Парфенов Андрей Анатольевич

Ведущая организация - институт «Гипрошахт» (г, Санкт-Петербург).

Защита диссертации состоится «14»декабря 2005 года часов на заседании диссертационного совета Д 212128 04 при Московском государственном горном университете по адресу 119991, Москва, Ленинский проспект д 6, факс 237-64-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного

университета.

Автореферат разослан «/4» ноября 2005 года

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Бубис Юрий Вольфович

£081Ъ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Открытая добыча угля в Кузбассе сопровождается изъятием земель из сфер лесного и сельскохозяйственного производства и их нарушением при создании открытых горных выработок-разрезов и формировании отвалов вскрышных пород. Отвально-разрезные комплексы в общем объеме нарушенных площадей составляют 80%, простираются на многие километры, занимают площади от десятков до тысяч гектаров и представляют собой основные объекты рекультивации Одной из важнейших научно-технических задач при этом является обоснование рекомендаций по рациональному ведению рекультивационных и горных работ для создания комплексных горнотехнических сооружений, например, отвалов и гидроотвалов в горных выработках, отвалов на гидроотвапах, а также отвалов, отсыпанных на гидроотвалах, намытых в горных выработках Подобные комбинации позволяют не только разместить на изъятых для нужд горного производства территориях дополнительные объемы вскрышных пород, но и выполнить их горнотехническую рекультивацию Это особенно важно при решении проблемы рекультивации гидроотвалов вскрышных пород, которые длительное время из-за низкой несущей способности намывных отложений не доступны для производства специальных работ с применением сельскохозяйственного и рекультивационного оборудования Одним из путей ее решения является отсыпка на поверхности намывного массива слоя из достаточно прочных пород в виде «сухого» отвала, поверхность которого обеспечит доступ оборудования для выполнения рекультивации

Гидроотвалы являются опасными производственными объектами (Федеральные Законы №№ 116 и 117 от 1997 г.), так как аварии на них могут привести к катастрофическим последствиям, связанным с нарушением земель, а иногда и к человеческим жертвам Кроме того, они оказывают существенное влияние на окружающую природную среду, например, изменяя гидрогеологические условия территорий их расположения В некоторых случаях в зонах влияния намывных сооружений находятся питьевые водозаборы Совместная эксплуатация данных сооружений имеет позитивное значение, так как при поступлении на карты намыва пульпы, состоящей в большей степени из воды, происходит формирование дополнительных ресурсов питания подземных вод, изменяется гидродинамический режим намывного массива, предотвращается подтопление и заболачивание склонов и низовой части откоса гидроотвала за счет развития депрессионной воронки от работающего водозабора и, в конечном итоге, улучшаются условия устойчивости сооружения

Таким образом, актуальность работы, направленной на комплексное изучение инженерно-геологических, гидрогеологических и экологических условий гадроотвалов при их эксплуатации и рекультивации, обусловлена настоятельной необходимостью разработки рекомендаций по обеспечению безопасности горных работ при открытой разработке угля.

Целью работы является разработка инженерно-геологического, гидрогеологического и экологического обоснования эксплуатации и рекультивации mp0ff^M^ШЩЛJllЫl!^щюя для

обеспечения технико-экономической эффективности, экологической и промышленной безопасности горных работ.

Идея работы. Основой для обоснования экологической и промышленной безопасности гадроотвалов на этапах эксплуатации и рекультивации является комплексное изучение инженерно-геологических, гидрогеологических и экологических условий формирования и функционирования природно-техногенной системы «техногенный массив - природная среда» в зависимости от технологии горных работ и расположения в непосредственной близости водохозяйственных объектов.

Научные положения, разработанные лично соискателей, и их новизна:

1 При намыве и рекультивации гидроотвалов вскрышных пород образуются техногенные массивы из намывных и насыпных пород, характеризующиеся определенной зональностью по инженерно-геологическим, гидрогеологическим и экологическим условиям, связанной с конструктивной особенностью объектов, технологией их формирования и литологией поступающих в сооружение вскрышных пород; для каждой выделенной зоны рекомендуется посадка определенных видов растительности

2 Рекультивацию гидроотвалов, сложенных обводненными «слабыми» отложениями, можно осуществить, используя отсыпку слоя относительно прочных пород «сухой» вскрыши мощностью, обеспечивающей проходимость транспорта и оборудования, а также условия произрастания определенных видов растительности по гидрогеологическим условиям, агрохимическим свойствам пород и плодородию образовавшихся почв.

3. Эксплуатация гидроотвалов, расположенных в зоне влияния водозаборов питьевой воды, позитивно сказывается на условиях работы последних, обеспечивая значительную часть (до 40 %) ресурсов питания подземных вод, причем в летнее время они пополняются оборотной водой из пруда - отстойника и с пляжа намыва, а в зимнее время - за счет осушения намывного массива и пруда-отстойника.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются: теоретическим анализом технолитогенеза и гидрогеомеханических процессов в намывных и насыпных массивах; данными экспериментальных исследований строения, состава, состояния и свойств намывных пород, гидрогеологического режима системы сооружение-основание, агрохимических свойств намывных и насыпных отложений; положительной апробацией полученных результатов при обосновании параметров гидроотвальных и рекультивационных работ.

Методы исследований. В работе использованы: комплексный подход к решению поставленных задач на основе анализа научной и патентной литературы; лабораторные и натурные

методы изучения инженерно-геологических и экологических условий техногенных массивов; методы механики сплошной среды; промышленные испытания разработанных рекомендаций.

Научное значение работы состоит в комплексном изучении инженерно-геологических и экологических условий намывных и насыпных техногенных массивов; обосновании рекультивации гидроотвалов путем отсыпки слоя относительно прочных пород в виде «сухого» отвала, характеризующихся агрохимическими свойствами, обеспечивающими произрастание древесной и кустарниковой растительности; оценке и прогнозе изменения работы режима водозабора, расположенного в зоне влияния гидроотвала, в различные периоды существования

Практическая ценность работы заключается в установлении расчетных показателей физико-механических, водных и агрохимических свойств намывных и насыпных техногенных пород Кузбасса, разработке рекомендаций по параметрам отвалообразования на гидроотвалах и условиям совместной эксплуатации гидроотвала и водозабора, а также мониторингу безопасности гидроотвальных и рекультивационных работ

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международном симпозиуме «Геотехнология нетрадиционные способы освоения месторождений полезных ископаемых» (Москва,2003 г.), научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва,2004 г) и Сергеевских чтениях в МГУ (Москва, 2005 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.

Объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 79 наименований, содержит 36 рисунков, 16 таблиц.

Автор выражает благодарность заведующему кафедрой геологии МГГУ проф, дтн. Гальперину А.М., научному руководителю д т.н. Кутепову Ю.И., проф., д т.н. Ермолову В.А., д.т.н. Кириченко Ю.В., кг-м.н Рюмину А.Н., доц., ктн Щёкиной М.8. за ценные советы и консультации, а также всем сотрудникам кафедры за помощь и поддержку.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Открытая добыча угля в Кузбассе сопровождается перемещением значительных объемов вскрышных пород и формированием специальных отвальных сооружений - гидроотвалов За более чем полувековой период применения гидромеханизации в регионе данным способом удалено около 900 мпн м3 вскрыши и построено более 50-ти объектов различной площади, высоты и емкости Многие из них в настоящее время выведены из эксплуатации и используются в качестве оснований отвалов «сухой» вскрыши. Изучение процесса формирования гидроотвалов вскрышных пород на угольных разрезах Кузбасса для решения различных горнотехнических задач производилось-Г. А. Ну роком, АМ.Гальпериным, Н.Н.Медниковым, ЕАКононенко, Ю.И.Кутеповым,

О.Ю.Крячко, Ю.В.Кириченко, НАКутеповой, Е.П.Щербаковой, А.ВДемченко, В.В.Ермошкиным, А.В.Могилиным, С.И.Протасовым, СЛ. Бахаевой и др Вопросами размещения отходов средствами гидромеханизации применительно к другим регионам и отраслям промышленности занимались- С.Г.Аксенов, Ю.В.Бубис, Р.ЭДашко, В.А.Ермолов, В.С.Зайцев, В.Г.Зотвев, И.П.Иванов, В.И.Каминская, В.В.Мосейкин, А.А.Парфеное, В.М. Павленко, М.В.Щекина, П.С.Шпаков, И.М.Ялтанец и др Экологическому обоснованию рекультивации отвальных массивов и формированию техногенных ландшафтов в Кузбассе посвящены работы ВМПопова, Ф.К.Рагим-Заде, С.С.Трофимова и др

Гидромеханизация на разрезе «Сартаки» применяется с 1961 года по настоящее время. За все время ее использования было разработано 85 млн м3 вскрыши, которые были размещены в 4 гидроотвалах (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика гидроотвалов разреза «Сартаки»

№ п/п Наименование гкдроотвала Емкость, млн. м3 Высота сооружения, м Площадь сооружения, га

1 Южный 16 12 152

2 На р. Черновой Уроп 46 25 562

3 В выработках пластов № 1 и 2 (1-ая очередь) 15 25 (макс, мощность намывных пород до 90 м.) 100

4 В выработках пластов № 1 и 2 (2-ая очередь) 12 6 (макс, мощность намывных пород до 15 и. 110

Гидроотвалы вскрышных пород представляют собой достаточно сложные техногенные системы, включающие искусственно созданные дамбы, намывные массивы, поверхностные водоемы. Большая часть слагающих их пород характеризуется повышенными влажностью, пористостью, сжимаемостью и низкими плотностью, прочностью и несущей способностью, что делает поверхности намывных сооружений длительное время недоступными для выполнения рекультивационных, горных, сельскохозяйственных и других видов работ

Формирование намывных массивов гидроотвалов в Кузбассе из покроиных суглинков и глин определятся процессами фракционирования и гравитационного уплотнения, при этом важнейшим фактором является избыточное поровое давление, возникающее и рассеивающееся в намывном массиве при интенсивном его намыве и нагружении Это делает данные инженерно-геологические тела неоднородными не только в плане и разрезе, но и во времени. Гидроотвалы по составу целесообразно разделить на зоны песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых пород, в пределах каждой из которых можно выделить по консистенции подзоны текучих, мягкопластичных, тугопластичных, а иногда и полутвердых пород (табл. 2). Породы выделенных зон также характеризуются различными агрохимическими свойствами (табл. 3). Специфика биоклиматической

обстановки в пределах выделенных участков поверхности гидроотвала способствует произрастанию на кавдом из них различных водов растительности

Таблица 2

Физико-механические свойства намывных пород Центрального Кузбасса

Физико-механическ. свойства Песчано-супесчаная зона Суглинистая зона Глинистая зона

Подзоны пород по консистенции Подзоны пород по консистенции

текучих мягко-пластич туго-пластич текучих мято-пластич туго-пластич

Влажность, % 14-30 27-40 24,5-31,4 22,1-26,3 j 37-100 I 31-38 28-31

Плотность, т/м» 1,7-2,1 1,8-1,92 1,9-2.0 2,0-2.02 | 1,61-1,88 1,88-1,96 1,96-2.01

Пористость % 33,7-43,7 44-52,5 38,5-46,6 40-41,6 50-71 44,5-50 41-44

Угол внут. трения,град 25-32 14-23 19-25 22 ' 0-6 8-16 8-16

Сцепление, МПа 0,0130,055 0,0150,026 0,0230,043 0,04- I 0,0050,063 I 0,015 0,0150,035 0,040,06

К-т сжимаемости, см/кг2 0,060,008 0,140,04 0,080,02 I 0,02- , 0,009 I 0,10,03 0,030,01

К-т фильтрации м/сек ю-чо-8 10!. 10-9 I 1С '40 "

Таблица 3

Агрохимические свойства намывных пород

Наимено- Гумус Поглощение К20 Р205 С0г СаСОз

вание пород по Тюрину, % рН основания, мг-экв на 100 г Мг на 100 г почвы %

Супесь 1,02 8,1-8,7 17,6-23,4 3,7-4,9 5,0-7,5 3,7-5,7 8,4-13,0

Суглинок 0,84 8,5-8,8 21,2-24,2 8,0-9,6 1,8-2,5 5,5-6,4 12,4-14,6

Глина 0,34-0,63 8,7-8,8 22,6-29,0 0,2-0,46 0,85-1,45 4,4-7,2 8,95-14,8

Песчано-супесчаная зона гидроотвала занимает примерно 10% общей площади Характеризуется наиболее грубодисперсным среди намывных пород гранулометрическим составом и относительно глубоким положением уровней фунтовых вод (от 2 до 6 м). По этой причине почвообразование здесь протекает по полугадроморфному типу Породы практически не содержат лепсорастворимых солей в дозах, достигающих порога токсичности Плотный остаток не превышает 0,2%. Состав растворов преимущественно ждрокарбонатно-сульфатно-кальциевый с содержанием Са (НСОз)г - 0,3-0,5 и СаЗО* - 0,3-1,2 мг-экв/100 г субстрата. Химические и агрохимические

свойства субстратов вполне благоприятны для произрастания древесных и кустарниковых культур Значительная карбонатность пород и, соответственно, повышенная их щелочность (значение рН около 8,5) вносят некоторые коррективы в выбор древесных и кустарниковых культур, в частности, в пользу растений, требовательных к повышенному уровню элементов зольного питания в субстрате (береза, липа, клен и др.)

Зона суглинистых пород занимает 30% поверхности гидроотвала и характеризуется более мелкодиспесным, чем предыдущая, составом Почвенно-экологические условия данного участка зависят от уровня фунтовых вод, который располагается на глубинах от 1 до 3 метров. По этой причине почвообразование здесь протекает в гидроморфном режиме. Изученные параметры, характеризующие агрофизические и агрохимические свойства субстратов, позволяют отметить, что почвенные условия данного участка не имеют принципиального отличаются от рассмотренных выше Наблюдается только различие в гранулометрическом составе Поэтому при выборе древесных и кустарниковых культур определяющим условием также является их отношение к воде По этой причине здесь могут произрастать только мезогигрофиты (осина, тополь, черемуха и др.)

Глинистая зона приурочена к ядерной зоне гидроотвала, занятой в настоящее время водоемом и заболоченными участками Почвенно-экологические условия здесь определяются наиболее мелкодисперсным составом среди намывных пород, позволяющим отнести их к глинам. Наблюдаются повышенные значения влажности и пористости, свидетельствующие о слабой уплотненности намывного массива По причине расположения на данном участке водоема здесь могут произрастать болотные гигрофиты

Проведенный анализ почвенно-экологической обстановки на гидроотвале позволяет отметить, что намывные породы гидроотвала ни по одному из определенных параметров не являются токсичными Неоднородность массива по гранулометрическому составу и низкая водопроницаемость пород обусловливает их значительное увлажнение, поэтому условия для роста и развития древесных пород на поверхности гидроотвала могут быть удовлетворительны только при проведении мероприятий по гидромелиорации, которые весьма трудоемки и требуют значительных затрат.

Одним из направлений рекультивации гидроотвалов является нанесение на их поверхностях слоя пород, обеспечивающих проходимость горнотранспортного и сельскохозяйственного оборудования, а также создание благоприятных гидрогеологических и агрохимических условий для произрастания определенных видов растительности Для этих целей обычно используются вскрышные породы На разрезах Центрального Кузбасса, разрабатывающих угольные пласты кольчугинской серии верхней перми, вскрышная толща представлена покровными отложениями (суглинками и глинами) неоген-четвертичного возраста и углевмещающими породами' песчаниками, алевролитами, аргиллитами В результате буро-взрывных, экскаваторных,

транспортных операций породы подвергаются первичной техногенной дезинтеграции, утрачивая естественное строение, состояние и свойства. При их размещении в отвалы происходит дальнейшая гравитационная сортировка материала, приводящая к созданию неоднородных техногенных массивов, характеризующихся специфическим строением, составом, состоянием и свойствами пород. В условиях Кузбасса наиболее часто встречаются «сухие» отвалы, сложенные дресвяно-щебенистым, реже дресвяно-щебенисто-глыбовыми породами, в которых промежутки заполнены более мелкодисперсным материалом покровных отложений Инженерно-геологические условия насыпных техногенных массивов определяются процентным соотношением материалов, поступающих в отвал, их составом, временем существования и интенсивностью процесса биохимического выветривания При выветривании породы в отвалах преобразуются в так называемый техногенный элювий, который по составу можно разделить на три группы Физико-механические свойства отвальных пород и техногенного элювия приведены в табл. 4

Таблица 4

Физико-механические свойства отвальных пород

№ п/п Наименование пород, состав обломков и заполнителя Угол внутрен. трения, град. Сцепление, МПа Плотность, т/м3

Свежеотсыпанные отвальные породы

1 Песчаники 30-32 0,005 1,8-1,85

2 Алевролиты 26-30 0,005 1,8-1,85

3 Смесь песчаников, алевролитов и аргиллитов 28-32 0,005 1,8-1,85

4 Суглинки 10-21 0,01-0,015 1,85-1,95

5 Смесь обломочного материала и суглинка 10-28 0,01-0,015 1,8-1,95

Насыпные породы, измененные в отвалах (техногенный элювий)

6 Пески и супеси, образовавшиеся из песчаников и алевролитов 26-30 0 1,75-1,8

7 Супеси и суглинки, образовавшиеся из алевролитов и известняков 18-24 0,005-0,01 1,8-1,9

8 Суглинки и глины нарушенного сложения, а также суглинки, образовавшиеся из аргиллитов 10-21 0,01-0,015 1,85-1,95

Изучение агрохимических свойств пород «сухой» вскрыши показало, что все они не содержат водорастворимых солей в концентрациях, токсичных для растений, характеризуются слабощелочной и нейтральной реакцией среды (рН=7,0-7,6) Емкость поглощенных оснований составляет 22,1-25,6 мг-экв/100 г породы, что при наличии карбонатов кальция указывает на низкую емкость исследуемого субстрата Изменение данного показателя в указанных пределах определяется количеством глинистой фракции и органического вещества Наличие последнего связано в большей степени с включениями во вскрышных породах частиц угля разной степени окисленности. Известно, что присутствие угля в породах повышает процент органического вещества в них и увеличивает потенциальное плодородие техногенного элювия, мобилизуясь современной

растительностью не сразу, а постепенно и медленно Другие химические свойства техногенного элювия приведены в табл 5 в сравнении со свойствами естественных почв, характерных для данного района Следует отметить, что исследуемый техногенный элювий и отвальные породы имеют неплохие показатели плодородия - содержания гумуса и подвижных форм основных элементов питания Это позволяет сделать вывод о том, что на отвалах вскрышных пород формируются почвы и создаются условия для выращивания многолетних трав и различных видов деревьев.

Таблица 5

Агрохимические свойства пород Центрального Кузбасса

Глубина отбора образца, см Гумус (по Тюрину), % Азот общий (по Кьельдалю), Сумма поглощении х оснований, Мг-экв на 100 г Гидролитическая кислотность, Мг-экв На 100 г рН Р205 (поЧири-кову), М г/100 г почвы КгО (по Чиркову), М г/100 г почвы

Че рнозем выщелоченный

0-30 7,9 0,54 48,0 3,6 6,0 11 18

30-45 6,0 0,30 40,2 3,7 6,0 10 14,5

Техногенный элювий вскрышных пород

0-20 4,0 0,25 25,6 2,3 7,0 10 15

20-45 2,9 0,20 22,1 2,2 7,6 9 12

Разработка рекомендаций по обоснованию рекультивации территорий, занятых гидроотвалами, способом размещения на них «сухих» отвалов требует решения следующих основных задач' 1) обоснования параметров отвалов и нового сооружения отвал - гидроотвал; 2) разработки технологических схем формирования отвалов в режиме управляемого деформирования откосов с применением различного технологического оборудования, 3) разработки методики мониторинга безопасности формирования нового сооружения и отвалообразования на гидроотвалах.

Обоснование параметров отвала «сухой» вскрыши на гидроотвале и, в частности, его высоты или мощности рекультивационного слоя следует осуществлять с учетом целевого назначения объекта, инженерно-геологических и экологических условий гидроотвала, а также наличия пригодного для этих целей породного материала Если таковой на объекте присутствует в неограниченном количестве, то гидроотвал целесообразно предварительно использовать для размещения отвала с максимальными параметрами и в последующем подвергнуть его рекультивации Параметры отвалов и нового сооружения «отвал-гидроотвал» в данном случае определяются на основании расчетов устойчивости с использованием гидрогеомеханических моделей, разработанных на базе инженерно-геологического изучения. Ограниченное количество

вскрышного материала или большая дальность его транспортировки до объекта предопределяет

определение минимальной мощности рекультивационного слоя, выполняемого на основе геомеханических расчетов устойчивости формируемых откосов, несущей способности пород, проходимости транспорта и оборудования.

Отсыпка отвалов на гидроотвалах сопровождается развитием гидрогеомеханических процессов и геодинамических явлений. К первой группе относится изменение напряженно-деформированного состояния пород намывных массивов при нагружении весом от отвала, а ко второй - оползни, осадки, оседания, оплывания. Изменение напряженного состояния намывных пород происходит за счет развития и рассеивания избыточного порового давления, причем отмечается особенность его формирования в основании отвала, заключающаяся в его увеличении не только под контуром нагружения, но и в некоторой области, примыкающей к отвалу (ЗВО по ЮМ и Н.А. Кутеповым) При фронтальной отсыпке отвала величина ЗВО может превышать 500 и зависит при прочих равных условиях от интенсивности подвигания отвального фронта, а при формировании отвала параллельными заходками (например, с применением железнодорожного транспорта и экскаваторов) составляет 1-2 ширины заходки

Наиболее важными геодинамическими процессами с точки зрения безопасности ведения отвальных работ являются подподошвенные оползни и оседания. Различие в механизме их развития заключается в том, что в первом случае происходит смещение оползневого тела по поверхности скольжения, проходящей по породам основания, а во втором - наблюдается опускание отвального блока, сопровождающееся выдавливанием пород из-под отвала. Изучение процессов замещения намывных пород насыпными при формировании отвалов на гидроотвалах производилось выполнением буровых работ через отвальные массивы. Исследованиями установлено, что при развитии оползней величина внедрения отвала составила около 0,5 Н, где Н -высота отвала, тогда как в процессе оседания данный параметр увеличивается до величины Н и зависит от многих факторов, главными среди которых являются прочность и мощность намывных пород Кроме того, при изучении условий отвалообразования на гидроотвалах установлены скороего смещения оползней в период активной стадии, зависящие от высоты отвала (У=0,01Н м/час), и величины призм возможного оползания от (0,4 - 0,6)Н в случаях отсыпки параллельными заходками до (1-3)Н при фронтальной отсыпке отвала.

Обоснование параметров нового сооружения «отвал - гидроотвал» следует производить на основе расчетов устойчивости, при которых необходимо учитывать: неоднородность строения массивов; наличие в намывных породах порового давления, изменяющегося во времени в пределах намывного массива в зависимости от состава пород и применяемой технологии отвалообразования; изменчивость прочности пород при формировании и рассеивании порового давления. Среди существующих методов расчета устойчивости откосов отвалов наиболее полно отмеченные особенности позволяет учитывать метод алгебраического суммирования сил по плавной

криволинейной поверхности скольжения (метод Г.Л. Фисенко), реализованный в виде программы на ПЭВМ. Кроме того, в работе апробирована для использования программа «GALENA» австралийской фирмы «Glover Technologp, в которой применяются три известных инженерных метода расчетов устойчивости (Бишоп, Спенсер, Сарма) Выполнению расчетов устойчивости предшествуют расчеты порового давления, которые для случая отсыпки рекультивационного слоя рекомендуется производить, используя решение одномерной консолидации при мгновенном нагружении слоя пород на водоупоре или дренаже.

На гидроотвалах разреза «Сартаки» при отсыпке отвалов «сухих» пород обосновано применение двух технологических схем отвалообразования, предполагающих работу следующего технологического оборудования 1)автомобилей и бульдозеров, 2)экскаваторов (как драглайнов, так и мехлопат) и железнодорожного транспорта.

Первая схема используется при формировании отвала на гидроотвале, намытого в выработках пластов № 1 и 2 Он относится к сооружениям котлованного типа с двухсторонним обвалованием, характеризуется емкостью 15 млн м3, максимальной высотой дамб - 25 м, максимальной мощностью намывных пород - 90 м, площадью - 100 га После завершения намыва на нем производится отсыпка отвала высотой 5 - 10 м с использованием блокового развития, первый блок при этом отсыпается вдоль Северной дамбы с частичным размещением пород на ее поверхности Последующие блоки отсыпаются параллельно первому с отставанием по фронту на 50 -70 м Используемое на отвале мобильное технологическое оборудование может находиться в зоне деформирования отвала короткий промежуток времени, осуществляя разгрузку (автомобили) или сталкивание (бульдозеры) материала под откос Отвалообразование на каждом блоке ведется до появления критической ситуации, после чего работы переносятся на следующий отвальный блок и т д Общее направление развитая отвалообразования на первом этапе с запада на восток до тех пор, пока валы выпирания, образовавшиеся на поверхности гидроотвала, находятся в пределах намывного массива При подходе зоны деформирования к восточной границе гцдроотвала направление отвальных работ меняется на противоположное Отвалообразование на гидроотвале сопровождается развитием геодинамических процессов, приводящих к выдавливанию намывных пород и замещению их насыпными, при этом в глинистой зоне, занимающей 60% поверхности сооружения, отмечаются оседания, а в суглинистой (30% поверхности) - подподошвенные оползни На остальной части гидроотвала, сложенной песчано-супесчаными отложениями, формирование отвального яруса высотой до 10 м можно осуществить без сдвиговых деформаций Кроме того, намывные породы под действием веса пород от отвала будут уплотняться с различной скоростью в зависимости от мощности и деформационных свойств пород Так как мощность намывных пород в пределах сооружения изменяется в широких пределах от 0 до 90 м, то скорость уплотнения и величина конечной и текущей осадок, вызванных процессом фильтрационной консолидации, будут

/О

различными, что в свою очередь скажется на техногенном рельефе поверхности отвала В связи с этим при обосновании высоты отвала для различных зон гидроотвала учитывалась осадка поверхности, а в конечном итоге создавалась конструкция отвала с переменной высотой

Другой технологической схемой отвалообразования на гидроотаале является экскаваторное отвалообразование с применением драглайнов или мехлопат при железнодорожной доставке пород на отвал При отвалообразовании драглайнами отвальный механизм и транспорт находятся вне зоны развития деформаций, при использовании же мехпопаты, радиусы черганья и разгрузки которой недостаточно большие, её работа может протекать в режиме управляемого деформирования при кратковременном нахождении в призме возможного оползания в случаях раздельного формирования по времени верхнего и нижнего подъярусов

Экскаваторное отвалообразование использовалось на гидроотвале «Южный» в вариантах применения драглайнов и мехлопат Работы на отвале были организованы в направлении от периферии к центру, чтобы предотвратить растекание материала за пределы сооружения Отсыпка отвалов драглайнами производилась в западной части намывного сооружения при высоте отвала 10-15 м, во всех других частях применялась схема с использованием мехлопаты В последнем случае проведено изучение деформаций откосов и установлено, что максимальные смещения приурочены к внешней части отвала в пределах конуса, сформированного первым подъярусом Кроме того, деформации развиваются на поверхности первого подъяруса и захватывают трассу движения экскаватора Однако их величины и скорости значительно меньше, что позволяет отвальному механизму вовремя удалиться из зоны деформированного откоса Для этих целей используется технология последовательной отсыпки первого и второго подъярусов с отставанием по фронту на 50-70 м В работе рассмотрены другие варианты данной технологической схемы, обеспечивающие безопасные условия работы экскаватора и обоснованы оптимальные параметры отвалов

Обязательным мероприятием при ведении отвальных работ на гидроотвалах является мониторинг безопасности В его состав входят инженерно-геологические, гидрогеологические и маркшейдерские работы, а также технологический контроль Обоснование видов и объемов мониторинга безопасности произведено для каждого объекта исходя из конкретных инженерно-геологических условий и используемой технологии

Одной из важнейших проблем при разработке рекомендаций по обеспечению экологической безопасности функционирования гидроотвалов является оценка их влияния на гидрогеологический режим территорий, особенно на расположенные здесь водохозяйственные объекты и, в частности, на работу водозабора, находящегося в зоне намывного сооружения На реке Черновой Уроп ниже гидроотвала расположен водозабор питьевого водоснабжения г Белово, введенный в эксплуатацию в 1969 году со среднесуточным дебитом от 10 до 17 тыс м 3 Он отбирает в основном часть

подземного стока в пределах развития юрского водоносного комплекса, где создает локальную депрессионную воронку радиусом 4-5 км Кроме того, несколько скважин водозабора оборудованы на пермский водоносный комплекс и обеспечивают от 15 до 30 % общего дебита водоотбора

Недалеко от водохозяйственного объекта находятся участки разреза «Сартаки», разрабатывающего угольные пласты № 1 и 2 кольчуги некой свиты верхнепермского возраста. Минимальные отметки выработок в 1977 году составили +200,0 м, в то время как динамические уровни водозаборных скважин достигли своего низшего положения +190,0 - + 200,0 м В1997 году часть выработок пластов № 1 и 2 начали использоваться под гидроотвал, а в последующем - под отвал «сухой» вскрыши

Почти одновременно с водозабором началась эксплуатация гидроотвала на реке Черновой Уроп, перекрывающего долину в среднем течении и существенно определяющего режим стока поверхностных и подземных вод. Характеристика гидроотвала приведена в табл. 1.

Гидрогеологические исследования ставили своей целью изучение взаимосвязей работы водозабора, гидроотвала и разреза «Сартаки». Они включали режимные наблюдения по открытым пьезометрам и скважинам с датчиками порового давления Последние оборудовались наблюдательными приборами таким образом, чтобы измерение давления воды осуществлялось в породах, характеризующихся различным литологическим составом и проницаемостью (техногенных суглинках и супесях, четвертичных суглинках, юрских и пермских песчаниках и конгломератах), что позволило установить взаимосвязи выделенных водоносных горизонтов и комплексов. Кроме того, производился анализ выполненных ранее при разведке кустовых откачек, обосновывалась гидропеодинамическая схема, оценивались фильтрационные параметры пород водоносных горизонтов и водоупоров.

Выполненные исследования показали, что в слоистых юрских и пермских породах, к которым соответственно приурочены водозабор и горные выработки, доминирующее влияние на формирование системы циркуляции подземных вод оказывает анизотропия проницаемости слоев, связанная с условиями накопления и тектоникой Питание водоносных комплексов осуществляется за счет инфильтрации осадков через покровные четвертичные суглинки до пласта хорошо фильтрующих юрских песчаников и конгломератов и далее в пермские песчаники, а затем происходит сток по водоносному горизонту с разгрузкой в речную и овражно-балочную сеть. Интенсивный природный водообмен закрепляет и усиливает контраст между хорошо- и слабопроницаемыми слоями, а денудационная деятельность рек и ручьев создает водоразделы между региональными коллекторами. В результате Уропский водозабор и горные выработки разреза оказались в различных системах стока, поэтому горные работы, а в последующем намывные массивы гидроотвала в выработках практически не оказывают существенного влияния на работу водозабора.

С другой стороны гидроотвал на реке Черновой Уроп несомненно оказывает существенное влияние на работу водозабора, так как расположен выше водозабора по течению водотока на четвертичных отложениях, залегающих непосредственно на юрских песчаниках и конгломератах Его влияние на водозабор в эксплуатационный период является весьма позитивным, так как вода, поступающая в него в составе пульпы, здесь осветляется и затем через намывной массив и четвертичные породы фильтруется в юрский водоносный комплекс, к которому приурочены скважины Уропского водозабора. Факт связи гидроотвала и юрского водоносного комплекса обнаруживается при анализе данных наблюдений по подъему уровней в наблюдательных скважинах (уровень в некоторых из них при эксплуатации гидроотвала восстановился до положения, наблюдавшегося в начале работы водозабора) Откачка из специально пробуренного куста, состоящего из водопонизительной скважины и скважины, оборудованной датчиками порового давления, подтвердила выявленную взаимосвязь

Одним из ключевых вопросов рассматриваемой проблемы является оценка формирования стока подземных вод к водозабору Анализ полученной гидрогеологической информации свидетельствует о том, что в общем балансе водоотбора из скважин водозабора (СИ400 м3 /час) около 60% обеспечены естественным подземным стоком, а остальная часть (Q= 560 м3/ час) - это инфильтрация из гидроотвала, причем летом она идет за счет оборотной воды с пляжа намыва и пруда-отстойника, а зимой - за счет осушения верхней части намывного массива и пруда-отстойника Подтверждением тому является снижение уровня воды на 1,5 м в намывном массиве в зимний период времени, отмечаемое по наблюдательным скважинам Следует отметить также то, что гидроотвал служит некоторым регулятором, обеспечивающим в критических ситуациях инфильтрацию задержанного поверхностного стока и оборотной воды Такие ситуации возникали на водозаборе дважды- в середине 70-х и начале 80-х годов Эти годы характеризовались выпадением пониженного количества осадков, при этом мелкие водотоки летом пересыхали и только емкость пруда-отстойника и поровая вода намывного массива обеспечивали питание юрского водоносного горизонта и, соответственно, необходимый водоотбор из скважин Таким образом, совместная эксплуатация гидроотвала и водозабора осуществлялась к взаимной пользе, поскольку первый создавал дополнительные ресурсы питания, а второй ограничивал подтопление склонов и участка долины у дамбы гидроотвала Подтверждением первого обстоятельства является график (рисунок) дебита Уропского водозабора по годам, на котором отмечается его падение после прекращения эксплуатации гидроотвала в 1997 году практически до нуля и его частичное восстановление до значений 900 м3 / час Значительное уменьшение производительности работы водозабора в 20002002 годах связано также с ремонтом водозаборных скважин Однако даже это вполне радикальное мероприятие, выполняемое в таком объеме впервые после ввода в строй водозабора, не позволило восстановить его дебит до максимального уровня (1400 м3 / час).

Среднегодовой дебит Уропегого водозабора

Год

Суммарный дебит Уропского водозабора,мЗ/час

Дебит Уропского водозабора, мЗ/час из юрского водоносного комплекса

Зафязнения воды Уропского водозабора за счет попадания в эксплуатируемые водоносные горизонты и комплексы оборотной воды из гидроотвала, по всей видимости, не происходит, так как прямых нареканий на ее качество со стороны коммунальных водохозяйственных предприятий г Белово не отмечается, воды при этом по своим органолептическим и токсикологическим показателям соответствуют требованиям ГОСТа, за исключением несколько повышенных по сравнению с ПДК значений содержания железа и малых концентраций фтора Последние обстоятельства объясняются естественными (природными) факторами, свойственными подземным водам зон повышенного водообмена районов Сибири Химический состав оборотной воды близок к составу подземных вод района (табл 6) Однако относительно состава вод водозаборов наблюдается повышенна« практически в два раза минерализация за счет увеличения сульфатов, хлоридов, аммиака, нитритов и нитратов Кроме того, в оборотных и карьерных водах, а также в жидкой фазе пульпы, наблюдается уменьшение до норм ПДК содержания железа.

Таблица 6

Концентрации ингредиентов в составе подземных, карьерных, _сточных вод и водной составляющей пульпы_1__

Ингредиенты пдк, Инской Уропехкй Пульпа Карьерные Оборотные

иг/л водозабор водозабор воды воды

Цветность, град. 20» 13,1 10,4

Запах в баллах 2,0 61з б/з

Общая жесткость, мг-экв/л 7,0 5,5 6,7

рН 6-9 7,5 7,4 7,42 7,45 7,48

ин. | 0,43 0,29 0,89 0,139 1/«

N02 0,03 0,03 0,313 0,088 0,313

N0: 45 0,26 0,25 13,9 1,58 4,45

Хлориды 360 5,8 5,0 12,9 7,54 7,6

Кальций 75 87

Магний 21,2 29

Железо общее 0,3 0,58 0,62 0,24 0,3 0,3

Цинк 5,0 - • <0,05 <0,05

Медь 1,0 0,03 0,03 0,022 <0,002

Фтор 0,7-1,5 0,27 0,26

Марганец 0,1 0,13 0,09

Сульфаты 500 12,9 17,8 240 76,8 68,4

Сухой остаток 1000 369 382 870 606 583

Алюминий 0,5 <0,04 <0,04

Мутность 1,5 0,43 1,29

Мышьяк 0,05 <0,01 <0,04

Молибден 0,25 <0,0025 <0,0025

Фенолы 0,001 <0,0005 <0,0005 <0,001 0,0 <0,002

Экономический эффект разработанных рекомендаций обусловлен сокращением земельных площадей для размещения отвалов «сухой» вскрыши и гидроотвалов, сокращением затрат на транспортировку вскрышных пород, получением прибыли с рекультивированных и переданных лесхозу площадей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи оценки инженерно-геологических, гидрогеологических и экологических условий гидроотвалов для обоснования безопасности и технико-экономической эффективности их эксплуатации и рекультивации

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1 Гидроотвалы вскрышных пород представляют собой достаточно сложные техногенные системы, сложенные породами с повышенной влажностью, пористостью, сжимаемостью и низкой плотностью, прочностью и несущей способностью, что делает поверхности намывных сооружений длительное время недоступными для выполнения рекультивационных, горных, сельскохозяйственных и других видов работ, они представляют собой опасные производственные объекты, оказывающие влияние на гидрогеологические условия территории их расположения и водохозяйственные объекты, находящиеся в зоне их влияния

2 Намывные массивы характеризуются зональностью по минеральному и гранулометрическому составу пород, который в значительной степени определяет их физико-механические, водные, агрофизические свойства; выделяются зоны песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых пород, каждая из которых характеризуется определенными инженерно-геологическими, гидрогеологическими и агрофизическими условиями; на выделенных участках поверхности гидроотвала возможно произрастание определенных видов растительности.

3 Рекультивация территорий гидроотвалов под сельскохозяйственные и лесные угодья требует выполнения гидромелиоративных работ, связанных с осушением верхней части намывного массива, которые в некоторых случаях можно заменить отсыпкой на поверхности рекультивационного слоя пород, характеризующегося благоприятными условиями по инженерно-геологическим, гидрогеологическим и агрофизическим свойствам; в качестве подобного решения в Кузбассе можно использовать насыпи в виде отвалов из вскрышных пооод которые содержат достаточное количество органического материала - угля и обеспечивают проходимость и работу горно-транспортного оборудования

4 Обоснование параметров отвала «сухой» вскрыши на гидроотвале, и в частности его высоту или мощность рекультивационного слоя, следует осуществлять с учетом целевого назначения объекта, инженерно-геологических и экологических условий гидроотвала, а также наличия пригодного для этих целей породного материала; возможны варианты, предполагающие отсыпку отвала при максимальных и минимальных параметрах с использованием схем автомобильно-бульдозерного и экскаваторного отвалообразования.

5. Отсыпка отвалов на гидроотвалах сопровождается развитием гидрогеомеханических и геодинамических процессов К первой группе процессов относится изменение напряженно-деформированного состояния пород намывных массивов при нагружении весом от отвала, а ко второй - оползни, осадки, оседания, оплывания. Изменение напряженного состояния намывных пород происходит за счет развития и рассеивания избыточного порового давпения, причем отмечается особенность его формирования в основании отвала, зависящая от инженерно-геологических условий намывного массива и технологических параметров отвалообразования

■/а

6 Гидроотвалы намываемые в непосредственной близости от водохозяйственных объектов - водозаборов - оказывают существенное влияние на их работу Изучено влияние гидроотвала разреза «Сартаки» на работу Уропского водозабора и установлено, что в общем балансе водоотбора из скважин водозабора (СИ 400 м3/час) около 60% обеспечены естественным подземным стоком, а остальная часть (Q= 560 м 3/час) - это инфильтрация из гидроотвала, причем летом она идет за счет оборотной воды с пляжа намыва и пруда- отстойника, а зимой - за счет осушения верхней части намывного массива и пруда- отстойника

7. Для гадроотвала «Южный» и намывного сооружения в выработках пластов № 1 и 2 разреза «Сартаки» разработаны рекомендации по параметрам отвалов, отсыпаемых на них, и безопасным условиям их формирования На первом объекте после отсыпки отвала произведена биологическая рекультивация поверхности с посадкой хвойных деревьев

Основные научные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Кутепов ЮМ., Кутепова H.A., Жариков В.П. Геомеханическое и экологическое обоснование рекультивационных работ на гидроотвалах //Мат Международного симпозиума «Геотехнология нетрадиционные способы освоения месторождений полезных ископаемых» Москва, 17-19ноября2003г -М'Изд-воРУДН.-2003 -С.213-216.

2, Рюмин А.Н., Практика С.В., Жариков В.П. Использование специальных методов исследований при оценке гидрогеологических условий месторождений Материалы Международного симпозиума «Геотехнология нетрадиционные способы освоения месторождений полезных ископаемых». Москва, 17-19 ноября 2003 г. - М' Изд-во РУДН. - 2003 - С 218-219

3 Жариков В.П, Оценка экологического состояния гидроотвала для обоснования рекультивационных работ Горный информационно-аналитический бюллетень - М: Изд-во МГГУ -2004,- №5. -С 73-76

4 Рюмин АЛ, Жариков В.П. Экологические проблемы совместной работы разреза «Сартаки» и Уропского водозабора г Белово Горный информационно-аналитический бюллетень -М.: Изд-во МГГУ.-2004,-№5 С.193-199

5 Кутепов ЮМ., Кутепова H.A., Ермошкин В .В., Жариков В.П. Инженерно-геологическое и экологическое обоснование рекультивации гидроотвалов вскрышных пород IIB кн «Инженерно-геологические и геоэкологические проблемы утилизации и захоронения отходов» М/ ГЕОС -Сергеевскиечтения -2005 -№7 - С 132-137

Подписано в печать 18 10 2005 г Формат 60x90/16

Объем 1,0 п.л. Тираж 120 экз. Заказ № IIS0

Типография МГГУ.

Ленинский пр., 6

i»

РНБ Русский фонд

2006-4 20813

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Жариков, Вениамин Петрович

. Стр. ВВЕДЕНИЕ.'.

1. ОЦЕНКА УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ НАСЫПНЫХ И НАМЫВНЫХ МАССИВОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУЗБАССА. 1.1. Анализ изученности вопросов геолого-экологического обеспечения безопасности отвальных и гидроотвальных работ.

1.2. Характеристика гидроотвальных работ на разрезах Кузбасса.

1.3. Инженерно-геологические и экологические условия намывных массивов гидроотвалов.

1.4. Цели и задачи исследований.

2. ИНЖЕНЕРНО - ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ГИДРООТВАЛОВ ПРИ ОТСЫПКЕ НА ИХ

ПОВЕРХНОСТИ ОТВАЛА «СУХИХ» ПОРОД.

2.1. Общие принципы.

2.2. Инженерно-геологические и экологические условия формирования насыпных техногенных массивов из вскрышных пород.

2.3. Гидрогеомеханические процессы и геодинамические явления при формировании отвалов «сухих» пород на гидроотвалах.

2.4. Обоснование параметров нового сооружения «отвал+гидроотвал».

2.5. Выводы по главе 2.'.

3. ФОРМИРОВАНИЕ ОТВАЛОВ НА ГИДРООТВАЛАХ.

3.1. Опыт ведения отвальных работ на гидроотвалах Кузбасса.

3.2. Отсыпка отвала на гидроотвале «Южный» с применением железнодорожного транспорта и экскаваторов. 90^

3.3. Рекомендации по отсыпке первого отвального яруса на гидроотвале, намытого в выработках пластов № 1 и 2, с применением автомобильного транспорта и бульдозеров.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Инженерно-геологическое и гидрогеологическое обоснование эксплуатации и рекультивации гидроотвалов вскрышных пород Центрального Кузбасса"

Актуальность работы. Открытая добыча угля в Кузбассе сопровождается изъятием земель из сфер лесного и сельскохозяйственного производства и их нарушением при создании открытых горных выработок-разрезов и формировании отвалов вскрышных пород. Отвально-разрезные комплексы в общем объеме нарушенных площадей составляют 80%, простираются на многие километры, занимают площади от десятков до тысяч гектаров и представляют собой основные объекты рекультивации. Одной из важнейших научно-технических задач при этом является обоснование рекомендаций по рациональному ведению рекультивационных и горных работ для создания комплексных горнотехнических сооружений, например, отвалов и гидроотвалов в горных выработках, отвалов на гидроотвалах, а также отвалов, отсыпанных на гидроотвалах, намытых в горных выработках. Подобные комбинации позволяют не только разместить на изъятых для нужд горного производства территориях дополнительные объемы вскрышных пород, но и выполнить их горнотехническую рекультивацию. Это особенно важно при решении проблемы рекультивации гидроотвалов вскрышных пород, которые длительное время из-за низкой несущей способности намывных отложений не доступны для производства специальных работ с применением сельскохозяйственного и рекультивацион-ного оборудования. Одним из путей ее решения является отсыпка на поверхности намывного массива слоя из достаточно прочных пород в виде «сухого» отвала, поверхность которого обеспечит доступ оборудования для выполнения рекультивации.

Гидроотвалы являются опасными производственными объектами (Федеральные Законы №№ 116 и 117 от 1997 г.), так как аварии на них могут привести к катастрофическим последствиям, связанным с нарушением земель, а иногда и к человеческим жертвам. Кроме того, они оказывают существенное влияние на окружающую природную среду, например, изменяя гидрогеологические условия территорий их расположения. В некоторых случаях в зонах влияния намывных сооружений находятся питьевые водозаборы. Совместная эксплуатация данных сооружений имеет позитивное значение, так как при поступлении на карты намыва пульпы, состоящей в большей степени из воды, происходит формирование дополнительных ресурсов питания подземных вод, изменяется гидродинамический режим намывного массива, предотвращается подтопление и заболачивание склонов и низовой части откоса гидроотвала за счет развития депрессионной воронки от работающего водозабора и, в конечном итоге, улучшаются условия устойчивости сооружения.

Таким образом, актуальность работы, направленной на комплексное изучение инженерно-геологических, гидрогеологических и экологических условий гидроотвалов при их эксплуатации и рекультивации, обусловлена настоятельной необходимостью разработки рекомендаций по обеспечению безопасности горных работ при открытой разработке угля.

Целью работы является разработка инженерно-геологического, гидрогеологического и экологического обоснования эксплуатации и рекультивации гидроотвалов вскрышных пород для обеспечения технико-экономической эффективности, экологической и промышленной безопасности горных работ.

Идея работы. Основой для обоснования экологической и промышленной безопасности гидроотвалов на этапах эксплуатации и рекультивации является комплексное изучение инженерно-геологических, гидрогеологических и экологических условий формирования и функционирования природно-техногенной системы «техногенный массив - природная среда» в зависимости от технологии горных работ и расположения в непосредственной близости водохозяйственных объектов.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. При намыве и рекультивации гидроотвалов вскрышных пород образуются техногенные массивы из намывных и насыпных пород, характеризующиеся определенной зональностью по инженерно-геологическим, гидрогеологическим и экологическим условиям, связанной с конструктивной особенностью объектов, технологией их формирования и литологией поступающих в сооружение вскрышных пород; для каждой выделенной зоны рекомендуется посадка определенных видов растительности.

2. Рекультивацию гидроотвалов, сложенных обводненными «слабыми» отложениями, можно осуществить, используя отсыпку слоя относительно прочных пород «сухой» вскрыши мощностью, обеспечивающей проходимость транспорта и оборудования, а также условия произрастания определенных видов растительности по гидрогеологическим условиям, агрохимическим свойствам пород и плодородию образовавшихся почв.

3. Эксплуатация гидроотвалов, расположенных в зоне влияния водозаборов питьевой воды, позитивно сказывается на условиях работы последних, обеспечивая значительную часть (до 40 %) ресурсов питания подземных вод, причем в летнее время они пополняются оборотной водой из пруда - отстойника и с пляжа намыва, а в зимнее время - за счет осушения Ш намывного массива и пруда - отстоиника.

Методы исследований. В работе использованы: комплексный подход к решению поставленных задач на основе анализа научной и патентной литературы; лабораторные и натурные методы изучения инженерно-геологических и экологических условий техногенных массивов; методы механики Ф сплошной среды; промышленные испытания разработанных рекомендаций.

Научное значение работы состоит в: комплексном изучении инженерно-геологических и экологических условий намывных и насыпных щ техногенных массивов; обосновании рекультивации гидроотвалов путем отсыпки слоя относительно прочных пород в виде «сухого» отвала, характеризующихся агрохимическими свойствами, обеспечивающими произрастание древесной и кустарниковой растительности; оценке и прогнозе изменения работы режима водозабора, расположенного в зоне влияния гидроотвала, в различные периоды существования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международном симпозиуме «Геотехнология: нетрадиционные способы освоения месторождений полезных ископаемых» (Москва, \V 2003 г.), научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2004 г.) и

Сергеевских чтениях в МГУ (Москва, 2005 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 79 наименований, содержит 36 рисунков, 16 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Жариков, Вениамин Петрович

4.6. Выводы по разделу

1. Сартаковский гидроотвал «распластанного» типа, перекрывая долину речки Черневой Уроп в ее срединном течении, существенно влияет на режим стока поверхностных и подземных вод. Уропский водозабор, размещенный в устье долины реки Черневой Уроп, создает локальную депрессионную воронку радиусом 4-5 км и перехватывает расход подземных вод юрского водоносного комплекса, превышающий естественну подземный сток в долину речки Черневой Уроп и ее притоков.

2. Приповерхностный и подземный сток в долину речки Черневой Уроп формируется за счет атмосферных осадков и подвержен сезонным и многолетним колебаниям. Поверхностным стоком транспортируются талые и ливневые воды, подземным - инфильтрационное поглощение осадков почвами за вычетом испарения, в среднем 40 мм/год=1,1'10"4 мм/сут. Подземный сток на начальном этапе имеет характер склонового стока, причем часть этого стока (верховодка) по покровным суглинкам дренируется оврагами, секущими склоны по падению в среднем через 0,5 км, другая часть просачивается в коренные породы и по ним перебрасывается в долину речки, где развит комплекс юрских отложений повышенной проницаемости.

3. Собственно долинная часть речки Черневой Уроп (ровная пойма и низкая терраса) служит основным коллектором для вывода подземного стока за пределы водосборной площади. Наряду с высокой проводимостью пород, слагающих долину (Т= 100-400 м /сут), эта зона характеризуется отсутствием площадного экрана, за счет чего здесь склоновый подземный и поверхностный сток трансформируется в подземный подрусловый сток. Величина приведенной инфильтрации в долинной зоне, в связи с этим, на 12 порядка выше, чем на склонах.

4. Совместная эксплуатация Сартаковского гидроотвала и Уропского водозабора осуществлялась к взаимной пользе, поскольку первый создавал дополнительные ресурсы питания подземных вод, а второй ограничивал подтопление склонов и низовой части долины реки Черновой Уроп. Наращивание высоты гидроотвала при сохранении дебита Уропского водозабора может привести к развитию заболачивания прилежащих к гидроотвалу территорий, а при кольматации и уплотнении намывных пород -к потере гидроотвалом своей роли регулятора подземного стока, к осложнениям с устойчивостью высоких ограждающих дамб и сокращению дебита водозабора.

5. Для выполнения оценок влияния гидроотвала и горных работ разреза «Сартаки» необходимо организовать систему контроля за гидрогеомеханическими условиями совместной работы гидроотвала и водозабора - в случае продолжения гидроотвалообразования или за процессами, сопровождающими консолидацию намывных грунтов - в случае длительного перерыва намыва в современный пруд-отстойник. Система контроля должна решать практические задачи обеспечения дренажа территории и ритмичной работы Уропского водозабора. Основой такой системы должно быть ограниченное число режимных гидронаблюдательных скважин, оборудованных дистанционными датчиками давления, а также сеть пьезометров, контролирующих уровни подземных вод в пределах воронки депрессии Уропского водозабора.

6. Для разработки рекомендаций но предотвращению истощения ресурсов Уропского водозабора следует провести гидрогеологическую разведку запасов подземных вод, формируемых водохранилищем Сартаковского гидроотвала. Для этого необходимо разбурить на восточном берегу долину реки Черновой Уроп выше низовой дамбы гидроотвала 5-10 водозаборных скважин, провести из них опытные откачки и наиболее дебитные скважины использовать как резерв на случай сокращения дебита скважин Уропского водозабора.

7. Аналогичный ряд водопонизительных скважин, в случае положительных результатов, следует предусмотреть на западном пологом берегу Сартаковского гидроотвала, где их целью, наряду с приростом дебита Уропского водозабора, должно быть сокращение развития подтопления при наращивании высоты гидроотвала.

8. Вопросы загрязнения воды, откачиваемой Уропским водозабором за счет попадания в водоносные горизонты оборотной воды, используемой при намыве Сартаковского гидроотвала, в настоящей работе не исследовались, поскольку качество питьевой воды прямых нареканий не вызывает, а состав оборотных вод, исследованый ранее, близок к составу поверхностных вод района. В последующем, при наращивании дебита Уропского водозабора за счет строительства скважин, базирующихся на прямой инфильтрации оборотных вод, необходимо иметь в виду, наряду с критерием дебитности скважин, также и критерий защищенности подземных вод слабопроницаемым экраном, исключающим чрезмерно быструю инфильтрацию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи оценки инженерно- геологических, гидрогеологических и экологических условий гидроотвалов для обоснования безопасности и технико-экономической эффективности их эксплуатации и рекультивации.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Гидроотвалы вскрышных пород представляют собой достаточно сложные техногенные системы, сложенные породами с повышенной влажностью, пористостью, сжимаемостью и низкой плотностью, прочностью и несущей способностью, что делает поверхности намывных сооружений длительное время недоступными для выполнения рекультивационных, горных, сельскохозяйственных и других видов работ; они представляют собой опасные производственные объекты, оказывающие влияние на гидрогеологические условия территории их расположения и водохозяйственные объекты, находящиеся в зоне их влияния.

2. Намывные массивы характеризуются зональностью по минеральному и гранулометрическому составу пород, который в значительной степени определяет их физико-механические, водные, агрофизические свойства; выделяются зоны песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых пород, каждая из которых характеризуется определенными инженерно-геологическими, гидрогеологическими и агрофизическими условиями; на выделенных участках поверхности гидроотвала возможно произрастание определенных видов растительности.

3. Рекультивация территорий гидроотвалов под сельскохозяйственные и лесные угодья требует выполнения гидромелиоративных работ, связанных с осушением верхней части намывного массива, которые в некоторых случаях можно заменить отсыпкой на поверхности рекультивационного слоя пород, характеризующегося благоприятными условиями по инженерногеологическим, гидрогеологическим и агрофизическим свойствам; в качестве подобного решения в Кузбассе можно использовать насыпи в виде отвалов из вскрышных пород, которые содержат достаточное количество органического материала — угля и обеспечивают проходимость и работу горнотранспортного оборудования.

4. Обоснование параметров отвала «сухой» вскрыши на гидроотвале, и в частности его высоту или мощность рекультивационного слоя, следует осуществлять с учетом целевого назначения объекта, инженерно-геологических и экологических условий гидроотвала, а также наличия пригодного для этих целей породного материала; возможны варианты, предполагающие отсыпку отвала при максимальных и минимальных параметрах с использованием схем автомобильно-бульдозерного и экскаваторного отвалообразования.

5. Отсыпка отвалов на гидроотвалах сопровождается развитием гидрогеомеханических и геодинамических процессов. К первой группе процессов относится изменение напряженно-деформированного состояния пород намывных массивов при нагружении весом от отвала, а ко второй -оползни, осадки, оседания, оплывания. Изменение напряженного состояния намывных пород происходит за счет развития и рассеивания избыточного порового давления, причем отмечается особенность его формирования в основании отвала, зависящая от инженерно-геологических условий намывного массива и технологических параметров отвалообразования.

6. Гидроотвалы, намываемые в непосредственной близости от водохозяйственных объектов - водозаборов - оказывают существенное влияние на их работу. Изучено влияние гидроотвала разреза «Сартаки» на работу Уропского водозабора и установлено, что в общем балансе водоотбора из скважин водозабора (Q=1400 м3/час) около 60% обеспечены естественным подземным стоком, а остальная часть (Q= 560 м 3/час) - это инфильтрация из гидроотвала, причем летом она идет за счет оборотной воды с пляжа намыва и пруда- отстойника, а зимой - за счет осушения верхней части намывного массива и пруда- отстойника.

7. Для гидроотвала «Южный» и намывного сооружения в выработках пластов № 1 и 2 разреза «Сартаки» разработаны рекомендации по параметрам отвалов, отсыпаемых на них, и безопасным условиям их формирования. На первом объекте после отсыпки отвала произведена биологическая рекультивация поверхности с посадкой хвойных деревьев.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Жариков, Вениамин Петрович, Москва

1. Нурок Г.А. Гидромеханизация горных работ. М.: Углетехиздат, 1959, 391 с.

2. Нурок Г.А. Гидромеханизация открытых разработок. М.Недра, 1970.

3. Нурок Г.А. Процессы технология гидромеханизации открытых горных работ. М.Недра, 1985,470 с.

4. Гальперин A.M. Гидромеханизированные природоохранные технологии. М., Недра, 1993.

5. Гальперин A.M., Ферстер В., Шеф Ю. Техногенные массив и охрана окружающей среды. Из-во МГГУ, 1997.-534 с.

6. Гальперин A.M. Специальные вопросы инженерной геологии при гидромеханизации открытых разработок. М.,1974, 70 с.

7. Гальперин A.M. Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях. М., Недра, 1988.

8. Кириченко Ю.В. Управление состоянием массивов гидроотвалов для эффективного использования намывных территорий. Авт. дис. на соиск. уч. степ, канд.техн.наук. - Москва, МГИ, 1983.

9. Кириченко Ю.В. Инженерно-геологическое обеспечение экологической безопасности формирования техногенных массивов Авт. дис. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. - Москва, 2001.

10. Мосейкин В.В. Геолого-экологическая оценка намывных техногенных массиврв хранилищ горнопромышленных отходов. Авт. дис. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук. М.: МГГУ, 2000.

11. Зайцев B.C. Прогноз и контроль состояния глинистых пород откосных сооружений рассолохранилищ. Авт. дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук., М., 1978.

12. Лапочкин Б.К. Инженерно-геологическая оценка намывныхSглинистых грунтов для увеличения емкости гидроотвалов. Авт. дис. на соиск. уч. ст. канд. геол.-мин. наук, М: МГУ, 1978.

13. Жданов С.Е. Инженерно-геологическое дешифрирование аэрофотосъемочных материалов при оценке состояния намывных массивов. Авт. дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук., М., 1989.

14. Щербакова Е.ГТ. Инженерно-геологическое и геоморфологическое обоснование техногенного рельефа намывных территорий гидроотвалов. Авт. дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук., М., 1989.

15. Щекина М.В. Разработка методов прогноза и оперативного контроля геомеханических процессов в намывных массива с применением компьютерных технологий. Авт. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. — М.: МГГУ, 2000.

16. Саркисян А.Х. Инженерно-геологическая оценка и обоснование параметров гидроотвалов на различных этапах существования (на примере гидроотвалов Кузбасса). Авт. дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук., М: МГГУ, 2004.

17. Саркисян А.А. Обоснование методов и технических средств геолого-маркшейдерского мониторинга гидроотвалов. Авт. дис. на соиск. учен, степ/ канд. техн. наук. М.: МГГУ, 1998.

18. Гудкова О.В. Инженерно-геологическое обоснование технологии возведения хвостохранилищ отходов городского хозяйства. Авт. дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук., М: МГГУ, 2004.

19. Марченко С.М. Разработка технологии складирования сальных пород в гидроотвалы. Авт. дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук, М, 1971.

20. Липский И.В. Разработка гидромеханизированных природоохранных технологий для горнотехнической и строительной практики. Авт. дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук, М, 2000.

21. Методические указания по определению параметров гидроотвалов угольных разрезов. Л.: ВНИМИ, 1975. - 100с.

22. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть II. Обоснование оптимальных параметров отвальных сооружений. Л.: Издательство ВНИМИ, 1990, 51 с.

23. Крячко О.Ю. Управление отвалами открытых горных работ. М.: Недра, 1980.

24. Кутепов Ю.И. Инженерно-геологические условия устойчивости техногенных пород. Авт. дис. на соиск.уч.ст.канд.геол.-мин.наук.-Л.1981.

25. Кутепова Н.А. Инженерно-геологические условия формирования свойств техногенных отложений углеобогатительных фабрик. Авт. дис. на соиск. учен, степени канд. геол.-мин.наук, Л.: ЛГИ, 1987, 20 с.

26. Кутепов Ю.И. Научно-методические основы инженерно-геологического обеспечения отвалообразования при разработке угольных месторождений. Авт. дис. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук. М.: МГГУ, 1999.

27. Каминская В.И. Новиков М.Ф. и др. Намыв площадей для строительства. М.: Стройиздат, 1984.

28. Инструкция по проектированию гидроотвалов из глинистых грунтов и прогнозирование их устойчивости (ВСН 291-72/ ММСС СССР).- М.: ЦБНТИ, 1977.-77 с.

29. Обеспечение охраны водной среды при производстве работ гидромеханизационным способом (ВСН 486-86/ММСС СССР).- М.: ЦБНТИ, 1987.- 33 с.

30. Дмитриенко Ю.Д. Левченко И.М. Гидроотвалы из глинистых грунтов. М., Стройиздат, 1975.

31. Нурок Г.А., Лутовинов А.Г., Шерстюков А.Д. Гидроотвалы на карьерах. М.: Недра, 1977, 308 с.

32. Правила безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов. ПБ 03-438-02, Госгортехнадзор России: НТЦ «Промышленная безопасность», серия 03, выпуск 14, 2002, 128 с.

33. Кибирев В.И., Райлян Г.А., Сазонов Г.Т. Гидравлические складирование отходов обогащения: Справочник. М.: Недра, 1991,-207 с.

34. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. Техногенез намывных отложений. Геоэкология 2003. № 5. С.405-413.

35. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Подольский В.А. Изучение и прогноз гидрогеомеханических процессов при гидроотвалообразовании. Сб. научн.трудов ВНИМИ "Вопросы гидрогеологии и гидрогеомеханики горного производства. СПб: ВНИМИ, 1998.С.65-77.

36. Малюшицкий Ю.Н. Устойчивость насыпей отвалов. К.: Будивельник, 1975, 176 с.

37. Загоруйко Л.П. Повышение устойчивости отвалов с помощью технологии открытых горных работ. К.:УКРНИИНТИ, 1969, 68 с.

38. Токтыбаев К.М. Вопросы, возникающие при использовании гидроотвалов для повторного отвала скальных пород. В сб. «Горное дело», вып. 10, Алма-Ата, 1974, с. 162-165.

39. Дергилев Б.В., Жариков B.C., Бабец A.M. О применении комбинированного отвалообразования в условиях КМА. В кн.: Вопросы устойчивости и технологии образования отвалов. - Губкин, 1971, с. 16-20.

40. Короткое А.И., Петров Н.С., Шемякин В.Н. Исследование процессов самоочищения подземных вод на участке хвостохранилищ комбината «Фосфорит». В кн.: Гидрогеологические проблемы подземных вод. Зап. ЛГИ, 1980, т.80, с. 54-63.

41. Рекомендации по инженерно-геологическому обоснованию параметров отвалов сухих пород, отсыпаемых на гидроотвалах. Л.: ВНИМИ, 1985,82 с.

42. Попов В.М., Рагим-Заде Ф.К., Трофимов С.С. Классификация вскрышных пород Кузбасса по пригодности к биологической рекультивации. В кн.: Биологическая рекультивация земель в Сибири и на Урале, Новосибирск, 1981, с. 25-34.

43. Рагим-Заде Ф.К., Фаткулин Ф.А. Инструкция по почвенно-литологическому обследованию техногенных ландшафтов Сибири. В кн.:

44. Биологическая рекультивация земель в Сибири и на Урале, Новосибирск,1981, с. 82-112.

45. Трофимов С.С., Овчинников В.А. Антропогенный рельеф Кузбасса. -В кн.: Биологическая рекультивация земель в Сибири и на Урале, Новосибирск, 1981, с. 60-72.

46. Васильева А. А., Ткачев Г.Л., Лебедев В. Л. Исследование прочностных свойств гравийных грунтов с глинистым заполнителем.// Основание, фундаменты и механика грунтов: 1979, №4, с.16-17.

47. Вихарев В.П. Сопротивление сдвигу щебенисто-глинистых грунтов // Вопросы геотехники. Издательство ДИИТ, 1962,№5.

48. Сипидин В.П., Сидоров Н.Н. Современные методы определения характеристик механических свойств грунтов. Л., Гостстройиздат, 1972, 135с.

49. Федоров В.И, Сергевнина В.В. Влияние глинистого заполнителя на прочностные характеристики щебенисто-глинистых грунтов.// Основания, фундаменты и механизмы грунтов, 1973, №6, с. 13-15.

50. Попов С.И. Деформации отвалов на открытых горных работах.-Горный журнал, 1945, №№ 7-8.

51. Русский И.И. Отвальное хозяйство карьеров. М.: Недра, 1971.

52. Инструкция о порядке ведения мониторинга безопасности гидротехнических сооружений предприятий, организаций, подконтрольных органам Госгортехнадзора России (РД 03-259-98). (Утв. постановлением Госгортехнадзора РФ от 12.01.98 №2).

53. Федоров В.И, Сергевнина В.В. Влияние глинистого заполнителя на прочностные характеристики щебенисто-глинистых грунтов.// Основания, фундаменты и механизмы грунтов, 1973, №6, с. 13-15.

54. Иванов И.П. Инженерно-геологические исследования в горном деле. -Л: Недра, 1987,252 с.

55. Демин A.M. Устойчивость открытых горных выработок и отвалов. -М.: Недра, 1973,232 с.

56. Певзнер М.Е. Борьба с деформациями горных пород на карьерах. М.: Недра, 1978, 253 с.

57. Стрельцов В.И., Ильин А.И., Гальперин A.M. Управление долговременной устойчивостью откосов на карьерах. М.: Недра, 1985, 245 с.

58. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М.: Недра,-1965,378 с.

59. Мочалов A.M., Хашин В.Н. Расчеты устойчивости отвалов на наклонном основании. Труды ВНИМИ, сб.89, 1973, с.89-99.

60. Сапожников В.Г. К вопросу о предельной высоте отвалов. -Новосибирск: Наука, ФТПРПИ, 1971, № 6, с.80-86.

61. Федоров И.В. Об устойчивости откосов и склонов неоднородного сложения. В сб.: Труды лаборатории земляных сооружений ВНИИВОДГЕО., М., Стройиздат, 1972.

62. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. СПб, Издательство ВНИМИ, 1998.-208 с.

63. Гидрогеология юры Центрального Кузбасса. Отчет по работам' гидрогеологической партии, г.Новокузнецк, 1949, Фонды ЗСГУ.

64. Участок Уропский. Материалы предварительных гидрогеологических исследований по состоянию на 1.1.1956г, ЗСГУ, трест Кузбассуглегеология; г.Ленинск-Кузнецкий, 1956 г. Фонды ЗСГУ.

65. Трест Кузбассуглегеология. Участок Уропский Центрального района Кузбасса (материалы детальной разведки подземных вод и подсчет запасов по состоянию на 1.1. 1959 г) г.Ленинск-Кузнецкий, 1959 г. Фонды ЗСГУ.

66. П.И.Зеленовский «Гидрогеологическая оценка Уропского месторождения, отчет, Фонды ЗСТУ, Н-ук, 1969 г.

67. М.И.Зотов, Ю.М.Пак и др. «Углеразрез Уропский Северный в Ленинском районе Кузбасса», Фонды ЗСГУ, Н-ук, 1972 г.

68. Предварительное заключение о причинах сокращения дебита Уропского водозабора. г.Новокузнецк, 1976, Фонды ЗСГУ.

69. Гидрогеологическое заключение • о влиянии Сартаковского каменноугольного карьера на работу Уропского водозабора, ЗСГУ, Красновоярская ГРП г.Новокузнецк, 1977. Фонды п/о Кемеровоуголь.

70. Отчет «Исследовать условия совместной работы Уропского водозабора и Сартаковского участка», авт.А.Н.Рюмин, Л., ВНИМИ, 1977 г.

71. Отчет «Оценка влияния Сартаковского гидроотвала на запасы подземных вод Уропского водозабора и разработка методики гидрогеологических исследований для дренажа участка Сартаковский». № 0292779000, авт. А.Н.Рюмин, А.В.Болдин, Л., ВНИМИ, 1990 г.

72. Отчет «Оценка влияния Сартаковского гидроотвала на запасы подземных вод Уропского водозабора. Авт. А.Н. Рюмин, И.Н.Мельникова.Л., ВНИМИ, 1991 г.

73. Отчет «Разработка рекомендаций по охране Уропского водозабора от истощения и загрязнения при наращивании объемов гидроотвала «Сартаковский». Авт. А.Н. Рюмин, И.Н.Мельникова.Л., ВНИМИ, 1992 г.

Информация о работе

Жариков, Вениамин Петрович
кандидата технических наук
Москва, 2005
ВАК 25.00.16

Диссертация

Инженерно-геологическое и гидрогеологическое обоснование эксплуатации и рекультивации гидроотвалов вскрышных пород Центрального Кузбасса - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы