Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Инженерно-геологическое обеспечение безопасности горных работ при ликвидации гидроотвалов

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Инженерно-геологическое обеспечение безопасности горных работ при ликвидации гидроотвалов"

4853462

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВА Ирина Владимировна

V-

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ ПРИ ЛИКВИДАЦИИ ГИДРООТВАЛОВ

Специальность 25.00.08 - Инженерная геология,

мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

2 2 СЕН 2011

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Иванов Иван Пенков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Гальперин Анатолий Моисеевич,

кандидат геолого-минералогических наук

Арнаутов Александр Иванович

Ведущее предприятие -ОАО «Гипрошахт».

Защита диссертации состоится 28 сентября 2011 г. в 14 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.11 при Санкт-Петербургском государственном горном уни; верситете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.4312. у ; ^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 26 августа 2011 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета канд. геол.-минерал, наук А.В.ШИДЛОВСКАЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Освоение некоторых месторождений в Кузбассе при недостатке геологической информации породило ситуации, когда под гидроотвалами оказались законсервированы промышленные заласы углей. Для их отработки требуется удаление намывных массивов, сложенных водонасыщенными осадками с низкими показателями прочности и несущей способности, относящимися к категории так называемых «слабых» пород. Такая ситуация сложилась на четырех разрезах Кузбасса и, в частности, на поле филиала ОАО УК «Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез», где под гидроотвалом №3 доразведаны запасы угля в объеме 50 млн. м3, пригодные для отработки открытым способом. Их извлечение требует выполнения вскрышных работ по частичному удалению гидроотвала, что предопределяет необходимость обоснования параметров намывного массива на различных этапах производства ликвидационных работ.

Исследования инженерно-геологических условий объектов промышленной гидротехники угольной и горнорудной промышленности выполняли С.Г. Аксенов, СЛ.Бахаева, A.M. Гальперин, Р.Э.Дашко, В.Г. Зотеев, ОБ. Зотеев, И.П. Иванов, Ю.В. Кириченко, B.C. Круподеров, Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, В.А. Мироненко, В.В. Мосейкин, Ю.А. Норватов, В.Е. Ольховатенко, В.В. Середин, C.B. Сольский, В.И.Стрельцов, В.П. Жариков, В.Н. Зайцев, А.Н.Киянец, Р.Г. Клейменов, О.Ю. Крячко, С.И. Протасов, А.И. Федосеев и др. Исследования выполнялись в основном для определения оптимальных параметров гидроотвалов при их строительстве и эксплуатации; обоснования возможности использования намывных массивов в качестве оснований отвальных сооружений.

Таким образом, актуальность работы, направленной на изучение инженерно-геологических условий частичной отработки щцроотвалов, обусловлена настоятельной необходимостью обеспечить технико-экономическую эффективность и безопасность горных работ на угледобывающих предприятиях с минимальными экологическими последствиями. Актуальность данной задачи подтверждается Федеральным Законом "О безопасности гидротехнических сооружений" (№117-Ф-З), регламентирующим нормы безопасности при осуществлении деятельности, связанной с проектированием, строительством, консервацией, эксплуатацией и ликвидацией гидротехнических сооружений, в том числе, гидроотвалов - объектов промышленной гидротехники.

Цель работы. Оценка инженерно-геологических условий гидроотвалов вскрышных пород для обоснования технологических решений по их частичной отработке, обеспечивающих безопасность и технико-экономическую эффективность горных работ.

Основные задачи исследования:

-изучить инженерно-геологические условия природно-технической системы филиала «Кедровский угольный разрез» ОАО «УК «Кузбас-сразрезуголь», включающей гидроотвал, находящийся на стадии отработки;

- выявить определяющие факторы формирования состава, состояния и свойств намывных пород гидроотвалов;

- выполнить инженерно-геологическое обоснование технических решений по частичному удалению гидроотвала № 3 филиала «Кедровский угольный разрез»;

-установить основные закономерности формирования порового давления в намывных породах и изменения их физико-механических свойств при отсыпке разделительной насыпи на намывном массиве;

-разработать методические принципы организации мониторинга безопасности при ведении горных работ, связанных с ликвидацией гидроотвалов.

Методы исследований: в работе использован комплексный подход к решению проблемы, включающий геологический методы, лабораторные и натурные методы изучения физико-механических свойств отложений намывных массивов и условий развития гидрогеомеханических процессов, решение теоретических задач методами фильтрационной консолидации и предельного напряженного состояния, опытно-промышленные испытания разработанных рекомендаций на объектах Кузбасса.

Научная новизна:

1. Установлено, что под воздействием горных работ по переформированию гидроотвалов, в намывном техногенном массиве образуется новая инженерно-геологическая зональность, при этом выделяются зоны с различным характером изменения наряженно-деформированного состояния и физико-механических свойств намывных пород.

2. Выявлена взаимосвязь между изменением порового давления в намьюном массиве и интенсивностью развития деформаций откосов разделительной дамбы.

3. Установлено, что увеличение порового давления, инициированного отсыпкой насыпей, происходит в значительной области намывного массива, превышающей контур нагружекия, и приводит к уменьшению параметров сопротивления сдвигу в зоне влияния отсыпки.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Расконсервация запасов угля под гидроотвалами сопровождается трансформацией сформированной ранее природно-технической системы, безопасность функционирования которой определяется «слабым» ее элементом - гидроотвалом, являющимся специфическим инженерно-геологическим объектом, представляющим наибольшую опасность для горного производства и окружающей среды.

2. При частичном удалении гидроотвалов нарушается характерный для сформированных ранее техногенных массивов ход технолитогенетических преобразований намывных пород; закономерности изменения их состояния и свойств определяются видом и интенсивностью технологического воздействия гидромеханизационного смыва намывных пород и их нагружения сухими отвалами на остающейся части сооружения.

3. Безопасность горных работ при ликвидации гидроотвала обеспечивается посредством инженерно-геологического мониторинга,' включающего комплексные наблюдения за поровым давлением в нагружаемой и разгружаемой частях намывного массива, деформациями поверхности формируемого вторичного техногенного рельефа с помощью маркшейдерских методов и определения прочности пород в приборах трехосного нагружения с регулируемым и контролируемым поровым давлением.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается:

-натурными исследованиями гидроотвала №3 Кедровского угольного разреза (мониторинг изменения порового давления в теле гидроотвала и наблюдения за деформациями формируемой насыпи с помощью маркшейдерских методов);

- исследованиями физико-механических свойств намывных пород и пород основания отвала;

- расчетами устойчивости дамбы (использовались программы «Stability» института ВНИМИ и «Galena» австралийской компании ВНР Engineering).

Практическая значимость работы:

- получены характеристики состояния и свойств намывных отложений гидроотвала на различных стадиях существования объекта, которые использованы для обоснования технических решений по ликвидации и переформированию гидроотвала.

- разработаны методические принципы организации инженерно-геологического мониторинга безопасности при частичной ликвидации гидроотвала №3 Кедровского угольного разреза, которые могут быть использованы при разработке проектов мониторинга на других подобных объектах промышленной гидротехники.

Личный вклад автора заключается: в выполнении натурных измерений поровош давления по станции мониторинга на гидроотвале №3 филиала «Кедровский угольный разрез»; интерпретации результатов мониторинга; исследований физико-механических свойств намывных отложений в лабораторных условиях; анализа результатов исследований с целью установления влияния гидрогеомеханических процессов на формирование и изменение физико-механических свойств намывных пород.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: симпозиум «Неделя горняка-2010» (МГГУ, Москва, 2010 г.), конференция «Двенадцатые Сергеевские чтения» (Институт Геоэкологии им. Е. М. Сергеева РАН, Москва, 2010 г.), Международный форум молодых ученых «Проблемы недропользования» (СПГТИ (ТУ), Санкт-Петербург, 2010 г), I Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире» (Пермский государственный университет, г. Пермь, 20 Юг), Молодежный форум в рамках горно-металлургической конференции (Фрайбергская горно-металлургическая академия, г.Фрайберг, Германия, 2010 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 6 опубликованных статьях, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки РФ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 184 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 88 наименований, содержит 55 рисунков, 23 таблицы.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору кафедры гидрогеологии и инженерной геологии СПГГУ д.г.-м.н. И.П. Иванову, сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства, СПГГУ профессору, д.т.н. Ю.И. Кутепову и д.т.н. Н.А. Кутеповой за всестороннюю помощь при выполнении исследований и написании работы. Автор благодарит всех сотрудников кафедры за обсуждение положений диссертации, А.М. Жукову за содействие в проведении лабораторных опытов, а также специалистов ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» за предоставленную возможность участвовать в натурных экспериментах и использовать материалы инженерных изысканий по объекту исследований.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

1. Расконсервация запасов угля из-под гидроотвалов сопровождается трансформацией сформированной ранее природно-техиической системы, безопасность функционирования которой определяется «слабым» ее элементом - гидроотвалом, являющимся специфическим инженерно-геологическим объектом,

представляющим наибольшую опасность для горного производства и окружающей среды.

Одним из актуальнейших направлений научных исследований в области обеспечения безопасности открытых горных работ в Кузбассе является обоснование оптимальных параметров природно-технических систем (ПТС), объединяющих несколько функционально взаимосвязанных горнотехнических сооружений. Одной из крупнейших ПТС подобного рода является борт карьера филиала «Кедровский угольный разрез», которая включает: прибортовой, намывной и насыпной массивы. Борт карьера имеет высоту 200 м, нагружен 50-метровым гидроотвалом №3, на котором формируются отвалы вскрышных пород высотой до 50 м. Таким образом, сформированная здесь ПТС сегодня имеет высоту 300 м, а при углубке карьера согласно перспективному плану и увеличении высоты отвалов будет достигать 500 м.

Подобные ПТС сформированы также на Бачатском и Краснобродском угольных разрезах; на первом предприятии ее высота сегодня составляет 470 м и в перспективе достигнет 690 м, на втором - 300 м и в перспективе 425 м.

Кедровский угольный карьер расположен на правом бере17 Р- Томи в 30 км к северу от областного центра г. Кемерово. Территория карьера разделена на три участка (Основное поле, Хорошеборский и Латышевский участки); в северо-восточной части участка «Основное поле», в пойме реки Чесноковка, расположен гидроотвал №3. Под гидроотвалом доразведкой были обнаружены пригодные для открытой разработки запасы угля в объеме 50 млн. м . Кедровско-Крохалевское месторождение слагается отложениями кемеровской и усятской подсвит балахонской серии (РДО). Для открытой разработки промышленное значение имеют три верхних пласта: Кемеровский, Волковский, Подволковский, мощность которых составляет соответственно 2-3 м, 1218 м и 4-6 м. Карьером добываются энергетические угли марки СС

(слабоспекающиеся).

Углевмещающая толща месторождения представлена полускальными породами: песчаниками, алевролитами и аргиллитами. Песчаники, не затронутые выветриванием - наиболее прочные из всех пород приборто-вого массива, характеризуются временным сопротивлением сжатию и растяжению (38,4-54,5 и 5,1-5,7 МПа соответственно), а также значительным сцеплением - 10,2-11,8 МПа. Показатели прочности алевролитов и аргиллитов почти в 1,5 раза меньше, чем у песчаников. В зоне выветривания временное сопротивление углевмещающих пород сжатию и растяжению уменьшается почти в 4 раза. В целом по оценке В.Е. Ольховатенко устойчивость пород в бортах карьера средняя.

Неоген-четвертичные отложения разделяются на несколько свит (снизу вверх): меретскую (ёрКгК2шг), моховскую (ф^1-^ шЬ); сагарлык-скую (Ш^), сергеевскую (ёрТ^-д^г), кедровскую (1а(5,.пкс1); бачат-скую (<К>п3-(23шЬсУ), краснобродскую (адш3кг) и еловскую (с^ш -(^у).

По коэффициенту уплотнения, определяющему состояние пород, отложения еловской свиты характеризуются как неуплотненные; красно-бродской, бачатской, сергеевской и сагарлыкской - пластичные, а мерет-ской и моховской - пластичные, переходящие в переуплотненные. Влажность неоген-четвертичных пород изменяется в широких пределах от 0,11 до 0,25 д.ед., со стратиграфической глубиной практически все поры заполняются водой, а влажность увеличивается. Сцепление пород закономерно увеличивается в направлении сверху вниз (от 0,03 до 0,125 МПа), а угол внутреннего трения изменяется в широких пределах

(16-31°) и зависит от влажности.

Намывные массивы гидроотвалов характеризуются специфическим

составом, строением, состоянием и свойствами. Определяющими факторами при формировании намывных осадков являются фракционирование и гравитационное уплотнение. Под воздействием первого из них наблюдается разделение по крупности материала, поступающего на карту намыва, и образование в плане зон различного гранулометрического состава: песчано-супесчаной (пляжной), суглинистой (переходной) и глинистой (прудковой).

В процессе гравитационного уплотнения физико-механические свойства намывных отложений изменяются пропорционально нарастанию эффективных напряжений в скелете пород. В намывных осадках эффективные напряжения, обусловленные весом вышележащих грунтов, снижены действием избыточного порового давления, рассеивание которого происходит медленно. Поэтому после завершения эксплуатации гидроотвалов слагающие их намывные массивы представлены в основном слабо уплотненными осадками текучей и мягкопластичной консистенции, лишь нижние горизонты техногенных массивов сложены тугопластичными отложениями, прочностные параметры которых тесно увязаны с их составом и физическим состоянием (табл. 1).

После завершения эксплуатации гидроотвалы используются, как правило, в качестве оснований отвалов вскрышных пород. Отмеченные специфические особенности намывных массивов предопределяют широкое развитие геодинамических процессов при отсыпке на них отвалов -оползней и оседаний отвалов с выдавливанием намывных пород, которые могут представлять большую опасность в случае расположения гидроотвалов непосредственно на бортах открытых горных выработок.

Подобная аварийная ситуация произошла на гидроотвале «Бахтьгх-тинский», расположенном на борту разреза «Краснобродский». В 2005 году при ведении отвальных работ на площади намывного пляжа вблизи дамбы гидроотвала произошла внезапная оползневая деформация с захватом отсыпаемого яруса и намывного массива общим объемом порядка 500 тыс. м3. Протяженность оползня по фронту составила 200 м. Часть сползшей массы переместилась по борту разреза в дно горной выработки (Приложение 1).

Таким образом, инженерно-геологический анализ компонентов ПТС «борт карьера + гидроотвал + отвал «сухих» пород» показал, что наиболее низкими параметрами механических свойств характеризуются намывные отложения гидроотвалов (табл. 1), что обусловливает повышенные требования к качеству инженерно-геологических оценок и прогнозу

устойчивости намывных массивов на всех этапах функционирования сложных ПТС.

Таблица 1

Физико-механические свойства элементов сложной природно-технической системы «борт + гидроотвал + отвал «сухих» пород»

Название элемента ПТС Описание отложений Физические свойства Механические свойства

Влажность, д.ед. Плотность, т/м3 Пористость, дед. Сцепление с, МПа Угол внутреннего трения <р, град.

Углевме-щающие породы Песчаники 0,016-0,038 2,2-2,4 0,10-0,20 2,96-11,22 42-46

Алевролиты 0,036-0,045 2,2-23 0,16-0,21 3,99-6,95 38-43

Уголь 0,033-0,040 1,3 0,13-0,15 0,03-3,43 33-47

Неоген-четвертичные отложения Суглинки, лессовидные, глины 0,11-0,25 1,6-2,2 0,3-0,5 0,03-0,13 16-31

Намывные отложения Песано-супесчаная зона 0,14-0,30 1,7-2,1 0,3-0,4 0,01-0,06 25-32

Суглинистая зона 0,22-0,40 1,8-2,0 0,4-0,5 0,02-0,06 14-25

Глинистая зона 0,28-1,00 1,6-2,0 0,4-0,7 0,01-0,06 0-16

Насыпные отложения отвалов Обломочные отложения аргиллитов, алевролитов и песчаников - 1,8 - 0,01 30

2. При частичном удалении гидроотвалов нарушается характерный для намывных массивов ход технолитогенеза; при этом закономерности формирования состояния и свойств намывных пород определяются видом и интенсивностью технологических воздействий -гидромеханизационным смывом и отсыпкой отвалов на остающейся части сооружения.

Гидроотвал №3 филиала «Кедровский угольный разрез» эксплуатировался с 1958 по 1990 годы и на момент завершения намыва представлял собой сооружение овражно-балочного типа площадью 292 га. Емкость гидроотвала 47,8 млн. м3 обеспечивалась дамбой первичного обвалования и восьмью дамбами наращивания общей высотой 53 м. Намыв производился в основном от дамб, что предопределило формирование неоднородного массива с закономерной изменчивостью состава, состояния и свойств пород по мере удаления от фронта намыва. По неблагоприятному стечению обстоятельств запасы угля оказались законсервированными преимущественно в пределах распространения наиболее прочных песча-но-супесчаных и суглинистых пород, удаление которых оставляет без подпора слабые обводненные глинистые осадки.

Решение по частичному удалению гидроотвала потребовало обоснования двух вопросов: 1) технологии удаления части гидроотвала, перекрывающей продуктивный пласт угля; 2) конструкции и технологии формирования дамбы, разделяющей гидроотвал на участки - подлежащий и не подлежащий удалению (Приложение 2).

Для удаления части намывного массива до границы проектируемой открытой выработки рекомендовано использование гидромеханизацион-ного смыва. Параметры гидровскрышных уступов обоснованы расчетами устойчивости, которые представлены в работе. Рекомендованная высота уступов в суглинистой и песчано-супесчаной зонах составляет 15 м, а в глинистой - 5-7 м.

Решение второго вопроса представляет собой сложную инженерную задачу. Формирование разделительной дамбы по способу выемки пород драглайнами с последующей засыпкой сформированной емкости прочными насыпными массами не представляется возможным ввиду необеспеченности устойчивости откосов выемки в текучих намывных отложениях. Для таких условий целесообразно использовать способ переформирования гидроотвала, включающий отсыпку разделительной насыпи в режиме выдавливания намывных отложений и замещения их насыпными техногенными породами с высоким углом внутреннего трения 30 (вскрышными полускальными породами).

Механизм выдавливания «слабых» пород из-под насыпей изучался при формировании отвалов «сухой» вскрыши на гидроотвалах Кузбасса. Натурными наблюдениями и бурением было установлено, что глубина внедрения насыпей в намывной массив составляет (0,5-0,6) Н при от-

сыпке на супесчаных и суглинистых осадках и (0,6-г 1,0) Н - на более слабых глинистых разновидностях (Н - высота отвала).

Учитывая эти закономерности, при проектировании горных работ на гидроотвале №3 Кедровского угольного разреза формирование разделительной насыпи было рекомендовано выполнять отсыпкой пионерной насыпи высотой 40 м с выдавливанием большей части намывной толщи (приложение 3). Однако по факту насыпь была сформирована при высоте 10-13 м, а глубина замещения не превысила 11м. Разделительная насыпь не выполнила возложенных на нее функций по обеспечению упора для остающейся части гидроотвала, что потребовало проведения дополнительных исследований с целью разработки новых технических решений.

По результатам исследований обоснована новая устойчивая конструкция разделительной дамбы и технология ее формирования. Отсыпку разделительной дамбы рекомендовано выполнять двумя ярусами общей высотой 45 м с результирующим углом заложения 14 в режиме обеспечения устойчивости трехъярусной системы, обращенной в сторону удаляемой части намывного массива, и при развитии оползневых деформаций с внедрением насыпных отложений в намывную толщу на противоположной стороне насыпи (Приложение 3). Из-за развития оползневой ситуации второй ярус отсыпался при меньшей высоте, что потребовало корректировки конструкции ограждающей дамбы.

Инженерно-геологйческие исследования на гидроотвале проводились на различных этапах его переформирования: по завершении эксплуатации и проектировании ликвидационных работ (1989-1994 гг.), в период гидромеханизационного удаления намывного массива (2004,2007 г.), при формировании разделительной дамбы (2009-2010 г). В общем случае исследования включали бурение скважин с отбором монолитов, установку в пробуренные скважины датчиков порового давления, комплекс лабораторных определений физико-механических показателей, геофизические и маркшейдерские измерения, расчеты устойчивости откосов и порового давления в намывном массиве.

По результатам исследований 1989 г. установлено, что на завершающей стадии эксплуатации намывной массив представлял собой характерную для всех гидроотвалов Кузбасса неоднородную толщу с закономерной изменчивостью инженерно-геологических условий в плане и по глубине. Проведено районирование с выделением зон песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых отложений. Первая и вторая зоны разделены по глубине на 4 подзоны (от текучих до полутвердых осадков), а в глини-

стой зоне, наименее уплотненной, выделены только две подзоны - текучих и мягкопластичных осадков (Приложение 2).

Исследования 2004 года показали, что в большей часта намывного массива сохраняется избыточное поровое давление с максимумом 0,15 МПа в центре сорокаметровой толщи глинистой зоны. За 20 лет избыточное поровое давление уменьшилось и, судя по скорости его рассеивания (2,5-10"3 МПа в год), можно говорить о развитии процесса фильтрационной консолидации по одномерной схеме, что характерно для гидроотвалов на стадии отдыха.

Исследования 2007 г., проводившиеся ВНИМИ в период интенсивного смыва отложений суглинистой зоны, показали, что в намывном массиве между разделительной насыпью и гидромониторными забоями сформировалась новая специфическая зональность. По характеру развития процессов консолидации выделены зоны влияния гидромеханизации и отсыпки отвалов, а также буферная зона

В зоне отсыпки отвалов и буферной зоне степень уплотнения осадков не превышает 0,4-0,63; намывная толща в большей части разреза представлена текучими, текучепластичными и мягкопластичными осадками с относительно низкими значениями прочностных показателей: углом внутреннего трения 13° и сцеплением 0,01-0,015 МПа В зоне влияния гидромеханизации породы уплотнились до состояния мягко- и тугопла-стичной консистенции, имеют степень уплотнения 0,7-1,0 и относительно высокие показатели прочности: угол внутреннего трения 16-17 и сцепление 0,02-0,025 МПа

Различие по степени уплотнения и свойствам намывных отложений объясняются влиянием частичной отработки гидроотвала Так, при выполнении гидромеханизационных работ формируется новый техногенный рельеф в пределах остающейся части массива с уклоном до 5 в сторону гидромониторной выработки. Деформации ползучести, развивающиеся в верхней части намывного массива под воздействием касательных напряжений, препятствуют рассеиванию здесь избыточного порово-го давления. При сокращении расстояния от гидромеханизационного забоя до наблюдательной скважины интенсивность рассеивания порового давления в намывных отложениях возрастает до 1,7-10" МПа в год, что говорит об усилении фильтрации в горизонтальном направлении.

Исследования 2008-10 гг. проводились в процессе формирования новой ограждающей дамбы по станции гидрогеомеханического контроля, включая этап развития оползневой деформации (Приложение 4).

Проводились комплексные наблюдения за поровым давлением в намывном массиве и деформациями формируемой насыпи. Наблюдения показали, что нагружение намывного массива насыпными отложениями сопровождается возрастанием порового давления как под контуром на-гружения, так и за его пределами - в зоне влияния отсыпки (ЗВО). Ширина ЗВО соизмерима с шириной отсыпаемой насыпи, а по глубине -охватывает намывной массив на полную мощность и распространяется в глинистых отложениях естественного основания (Приложение 4).

Установлена закономерная связь между скоростью нарастания порового давления в намывном массиве и интенсивностью развития деформаций откосов отсыпаемой насыпи. На рис.10 (Приложение 4) приведены графики избыточного порового давления и смещений поверхности по одному из реперов при развитии оползня, из которых видно, что по мере отсыпки насыпи подъем порового давления в намывном основании происходит до определенного уровня, после чего начинают нарастать скорости смещения, вплоть до возникновения разрушающей деформации. Обратными расчетами по произошедшему оползню с учетом установленной гидрогеомеханической ситуации получены следующие параметры сопротивления сдвигу намывных отложений: сцепление 0,015 МПа и угол внутреннего трения 0°.

З.Для контроля безопасности горных работ при отработке гидроотвала необходимо проводить инженерно-геологический мониторинг, включающий комплексные наблюдения за поровым давлением в нагружаемой и разгружаемой частях намывного массива, деформациями поверхности формируемого вторичного техногенного рельефа с помощью маркшейдерских методов и определения прочности пород в приборах трехосного погружения с регулируемым и контролируемым поровым давлением.

Система инженерно-геологического обеспечения безопасности вскрышных и отвальных работ при частичной отработке гидроотвалов и переформировании ПТС (СИГО) включает комплекс работ и исследований по изучению, обоснованию, управлению и контролю состояния пород техногенных массивов, выполняемых в течение всего срока переформирования ПТС с целью обеспечения безопасности и экономической эффективности горных работ. СИГО позволяет выполнить разработку и осуществление мероприятий по повышению уровня надежности и безопасности сооружения, характеризуется цикличностью и определенной

последовательностью в выполнении указанных видов работ, обусловливая поэтапное переформирование гидроотвала и ПТС, включающее его.

На этапах проведения инженерных изысканий выполняются стандартные и специальные инженерно-геологические, гидрогеологические и маркшейдерско-геодезические работы. Полученные результаты в дальнейшем используются для проектирования горных работ по частичной отработке гидроотвала и переформировании ПТС. При этом разрабатываются гидрогеомеханические модели для выполнения оценок и прогнозов напряженно-деформированного состояния массивов и устойчивости откосов.

Этап выполнения собственно ликвидационных работ и переформирования гидроотвала СИТО включает работы в рамках инженерно-геологического мониторинга безопасности (ИГМБ), целью которого является обеспечение контроля состояния гидроотвала, предупреждения возникновения аварийных ситуаций и создание безопасных условий его ликвидации.

Основными задачами ИГМБ являются:

1) контроль устойчивости откосов:

- гидроотвала до завершения ликвидационных работ;

- части гидроотвала, не подлежащей отработке;

- возводимых отвальных насыпей;

- намывного массива при ведении вскрышных работ;

2) контроль деформаций гидромониторных уступов

3)контроль технологических процессов гидромеханизации и отвало-образования.

Цели и задачи ИГМБ решаются с помощью системы постоянных наблюдений, обеспечивающих получение качественной и достоверной информации в необходимых объемах. Измерения и наблюдения выполняются с использованием методов и средств гидрогеомеханического, маркшейдерского, инженерно-геологического и технологического мониторинга (контроля).

Основными функциями системы ИГМБ являются:

- наблюдения за поровым давлением в намывном массиве и естественном основании;

- измерение деформаций поверхности;

- периодические определения физико-механических свойств пород отвалов, гидроотвалов и естественного основания;

- учет объемов и динамики вскрышных работ по частичному удалению гидроотвала и формирования отвальных насыпей.

Организация и функционирование гидрогеомеханического мониторинга предполагает выполнение работ, предусматривающих либо создание постоянно-действующих гидрогеомеханических станций, либо выполнение работ с определенной периодичностью. В первом варианте в определенной части сооружения производится бурение скважин с отбором монолитов, натурные скважинные оборудования и закладка специальной аппаратуры - датчиков порового давления. Во втором - через определенные интервалы времени, выбранные и обоснованные специальной программой, выполняются инженерно-геологические исследования по изучению состава, состояния и свойств породных массивов. Обычно стационарные гидрогеомеханические станции оборудуются на внешних откосах сооружений и в намывных массивах, конфигурация которых длительное время не меняется. Периодически исследования сопровождают гидромониторный смыв на определенных участках гидроотвала и отвальные работы на участках с изменяющимися горными условиями (отсыпка разделительных насыпей, формирование отдельной заходки, увеличение высоты отвала и т.д.).

Деформационный (маркшейдерский) мониторинг безопасности включает:

- контроль соответствия параметров намывного сооружения и горных выработок при удалении намывного массива проекту: высоты и угла откосов гидровскрышных уступов, угла поверхности гидроотвала, высоты, отвальных насыпей на гидроотвале, количества ярусов и ширины межъярусных берм;

- наблюдения за смещением поверхности и откосов гидроотвалов и отвалов;

- геометризацию нарушений устойчивости откосов сооружения.

Для контроля соответствия параметров конструктивных элементов отвалов проектным значениям и съемки с целью геометризации разрушающих деформаций для обратных оползневых расчетов производят маркшейдерскую съемку в масштабах 1:2000, 1:5000 методами тахеометрии, аэрофотограмметрии и наземной стереофотограмметрии. Для оценки вертикальных и горизонтальных смещений ограждающей дамбы и внутренних зон намывных массивов, отвалов выполняют высокоточные длительные маркшейдерские наблюдения на пунктах специально оборудованных наблюдательных станций.

Периодическое изучение прочностных свойств намывных пород должно осуществляться с применением современных лабораторных инженерно-геологических приборов. Обычно для этих целей в отечественной практике используются одноплоскостные сдвиговые приборы. Однако они не позволяют моделировать напряженное состояние нагружаемого и разгружаемого намывного массива с переменным поровым давлением. В наибольшей степени это требование обеспечивает метод трехосного сжатия (испытание в стабилометрах), который позволяет разрушить породы в объемном напряженном состоянии.

В лаборатории инженерно-геологического центра СПГГУ используется стабилометр Digital Tritest 50, который позволяет задавать при подготовке образца к испытаниям различные близкие к реальным намывным массивам комбинации внешних нагрузок и порового давления внутри образца, а также проводить сдвиговые испытания при деформациях близких к натурным. Так, при испытаниях намывных пород, извлеченных из буровой скважины на оползневом теле, создавалась по внешним и внутренним напряжениям адекватным замеренному датчиками порового давления, а срез производился при скоростях близких скоростям оползневых смещений на стадиях перехода из установившейся в прогрессирующую ползучесть. Это позволило получить значения углов внутреннего трения и сцепления, достаточно близко совпадающими с полученными по обратным расчетам оползня при отсыпке разделительной насыпи.

Технологический контроль безопасности отработки гидроотвала и отсыпки на его поверхности отвалов "сухих" отложений включает контроль соблюдения проектной технологии вскрышных и отвальных работ, а также технического состояния дамб гидроотвала и новой устойчивой конструкции гидроотвала, не подлежащего удалению.

В состав мер по обеспечению безопасности и эксплуатационной надежности ликвидируемого гидроотвала и переформируемой ПТС должны входить разработки критериев оценки безопасной работы сооружения Предельно допустимые значения критериев безопасности сооружения для каждого отдельного его этапа обосновываются соответствующим проектом и контролируются средствами мониторинга в течение всего срока существования объекта В качестве критериев обеспечения безопасности вскрышных и отвальных работ предложены критерии первого и второго уровня по поровому давлению и деформациям насыпи при формировании новой устойчивой конструкции откоса.

Система инженерно-геологического мониторинга безопасности была организована при частичной отработке гидроотвала №3 в Кузбассе (Приложение 5). При наблюдениях за поровым давлением в намывном массиве и основании гидроотвала использовалась разработанная ООО НПФ «КАРБОН» система измерения, накопления и передачи информации на базовый компьютер по сотовой связи, которая позволяет с дискретностью от 6 сек и выше в интерактивном режиме проводить мониторинг порового давления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты исследований:

1. Выполнен анализ геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических и технологических условий ПТС в пределах «Основного поля» филиала «Кедровский угольный разрез», включающей борт карьера, гидроотвал и отаал «сухих» отложений. Установлено, что «слабым» звеном в системе является намывной массив гидроотвала, характеризующийся специфическими условиями формирования. Рассмотрены две другие ПТС на разрезах Кузбасса, на одной из которых (Новосергеевское поле филиала «Краснобродский угольный разрез») произошла деформация отвала на гвдроотвале «Бахтыхтинский», сопровождающаяся выдавливанием отложений намывного массива на борт и дно горной выработки.

2. Определяющими факторами формирования намывных отложений в щдроотвале являются фракционирование и гравитационное уплотнение Это создает неоднородный намывной массив с образованием в плане зон песчано-супесчаных, суглинистых, глинистых отложений, в пределах которых в разрезе вьщеляются осадки текучей, мягкопластичной и реже тугопластичной консистенции. Гравитационное уплотнение намывных отложении во времени связано с рассеиванием избыточного порового давления. г

3. Инженерно-геологическое обоснование частичного удаления гидроотвала включает решение двух основных вопросов: 1) технологии удаления части гидроотвала, перекрывающей продуктивный пласт угля- 2) конструкции и технологии формирования дамбы, разделяющей гидроотвал на участки - подлежащий и не подлежащий удалению.

4. При частичном удалении гидроотвала в намывном массиве между разделительной насыпью и гидромониторными забоями формируется новая инженерно-геологическая зональность. По характеру развития

18

процессов консолидации выделены: зона влияния гидромеханизации, буферная зона и зона влияния отсыпки отвалов.

5. Решение вопроса создания новой устойчивой конструкции откоса обосновано осуществлять, используя установленный при отсыпке отвалов механизм выдавливания пород из-под насыпи с замещением выдавленных масс наиболее прочными породами сухих отвалов. В Кузбассе натурными наблюдениями установлены глубины внедрения отвальных насыпей в намывные массивы от (0,5+0,6) Н при отсыпке на супесчаных и суглинистых отложениях до (0,6 1,0) Н - на более слабых глинистых разновидностях (Н - высота отвала).

6. Обоснована оптимальная конструкция разделительной насыпи, состоящая из трех ярусов, отсыпаемых в режиме обеспечения устойчивости трехъярусной системы, обращенной в сторону удаляемой части намывного массива, и при развитии оползневых деформаций с внедрением насыпных пород в намывную толщу на противоположной стороне насыпи. Обеспечение безопасности горных работ при формировании насыпи достигается выполнением контроля избыточного порового давления и деформаций поверхности отвальной насыпи.

7. Одним из основных видов работ при выполнении ликвидационных работ и переформировании гидроотвала является инженерно-геологический мониторинг безопасности, включающий: - наблюдения за поровым давлением в намывном массиве и естественном основании; -измерения деформаций поверхности; - периодические определения физико-механических свойств отложений отсыпаемого массива, гидроотвала и естественного основания; - учет объемов и динамики вскрышных работ по частичному удалению гидроотвала и формирования отвальных насыпей.

8. Результаты исследований рекомендованы для использования при выполнении мониторинга безопасности на гидроотвале №3 филиала ОАО «УК» Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез», из-под которого производится извлечение законсервированных запасов угля. Экономический эффект от данного технического решения получается за счет ежегодной добычи около 2 млн. тонн угля марки СС.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Кузнецова И.В. Изучение физико-механических свойств намывных горных пород в основании отвальных насыпей при развитии оползневых деформаций подподошвенного типа // Горный информационно-аналитический бюллетень, М.: Изд-во МГГУ, 2011. №5. С. 58-62.

2. Кузнецова КВ. Инженерно-геологическая характеристика неоген-четвертичных отложений угольных месторождений Кузбасса, разрабатываемых открытым способом // Записки Горного института «Проблемы рационального природопользования». СПб, 2011. Т. 189. С. 46-49.

3. Кузнецова КВ. Инженерно-геологическое обоснование переформирования намывного массива при частичном удалении гидроотвала / И.В. Кузнецова, В.П. Жариков // Записки Горного института «Проблемы рационального природопользования». СПб, 2011. Т. 189. С. 50-53.

В других изданиях:

4. Кузнецова КВ. Инженерно-геологическая характеристика неоген-четвертичных отложений Кузбасса для обоснования параметров горнотехнических сооружений // Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (23-24 марта 2010 г.), М.: РУДН, 2010. Выпуск 12. С. 264-267.

5. Кузнецова КВ. Инженерно-геологическое обеспечение безопасности горных работ при частичной ликвидации гидроотвалов // Материалы I всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире», Пермь: Изд-во ПГУ, 2010. Том 2. С. 13-15.

6. KuznetsovaI.V. Engineering-geological monitoring at the formation, use and re-formation of wave-built technogenic solid masses / I.V. Kuznetsova, S.V. Praktica // Scientific Reports on Resource Issues 2010. Volume 3. Innovations in Mineral Industry - Geology, Mining, Metallurgy and Management. -Technische Universität Bergakademie Freiberg, 2010. - P.224 - 226

Приложение 5. Инженерно-геологический мониторинг безопасности горных работ при ликвидации гидроотвалов.

221) V

+ 7,5 V

ЕрЬога ЗБ\\г2ЕX

АЛЛАХА/

оттоЩ

Рис. 12. Принципиальная схема инженерно-геологического мониторинга

Рис. 13. Гидрогеомеханическая станция наблюдения на гидроотвале №3

Приложение 3. Проведение горных работ при частичной ликвидации гидроотвала.

Рис. 5. Принципиальная схема развития горных работ по частичному удалению гидроотвала №3 карьера «Кедровский» I и II - участки гидроотвала, предназначенный и непредназначенный для отработки; 1- современный профиль борта; 2- контур гидроотвала до частичной отработки; 3 - проектный контур природно-технической системы; 4 - горизонты гидромеханизационных работ; 5 - намывной массив; 6 - насыпная конструкция, разделяющая гидроотвал; 7 -- проектный контур отвала; 8 — четвертичные отложения основания гидроотвала; 9- углевмещающая толща коренных пород; 10 - пласт угля, предназначенный для отработки открытым способом

Рис. 6. Конструкция новой разделительной дамбы: 1 - разделительная насыпь; 2 - опережающая насыпь; 3 - основная насыпь; 4 - «зона замещения»; 5 - валы выпирания

Приложение 4. Изменение инженерно-геологических условий при формировании разделительной насыпи на гидроотвале.

Рис.7. Схематический план участка строительства ограждающей дамбы: 1 - верхняя бровка яруса; 2 - основание откоса яруса; 3 - промежуточное положение фронта отсыпки; 4 - граница оползня 2009 года; 5 - репер; 6 - наблюдательная скважина

Рис. 9. Эпюры порового давления в намывных и естественных породах, полученные по датчикам порового давления на момент возникновения оползня (пунктиром показаны критические значения порового давления)

_ - смевдние репера

_ избыточной пороюе давление па датчикам

201 -номер датчика парового даииния

Рис. 10. Графики изменения избыточного порового давления по датчикам гидрогеомеханического мониторинга и смещений репера при развитии оползня на разделительной насыпи гидроотвала №3 разреза «Кедровский»

X,

кгс/см2

0.05

0.01

0.05

о,

кгс/см2

Рис. 8.Оползень формирующейся насыпи при отметках +273,0 м

Рис. 11. График стабилометрических испытаний намывных отложений

Приложение 2. Инженерно-геологическая изученность гидроотвала №3 Кедровского угольного разреза.

Пихтовский отвал

| - ^ | - песчано-супесчаная зона _(

|-—| | 3 глинистая зона

2. - суглинистая зона

Рис. 3. Схема инженерно-геологического районирования гидроотвала №3

I п ш

Таблица 2. Физико-механические свойства намывных отложений Кузбасса

Физико -механические свойства

Влажность, Д.ед.

Плотность, г/см3

Пористость,

%

Песчано-супесчаная зона

0,14-0,3

33,7-43,7

Суглинистая зона

Подзоны пород по консистенции

Текучих

Мягко-пластичных

1,9-2.0

Туго-пластичных

2,0-2.02

40-41,6

Глинистая зона

Подзоны пород по консистенции

Текучих

50-71

Мягко-пластичных

44,5-50

Туго-пластичных

41-44

1- песчано-супесчаные породы; 2- вода пру, а-отстойника; 3- породы дамб; 4-суглинистые породы; 5- глинистые породы; 6- г) аницы зон; 7- границы подзон; 1,11,III-соответственно зоны песчано-супесчаных, суппнистых и глинистых пород; а, б, в, г-соответственно подзоны пород текучей, мяп о-, тугопластичной и полутвердой

консистенвд л.

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

0,040,063

0,0050,015

0,0150,035

0,040,06

К-т

сжимаемости, МПа"1

0,0060,0008

0,0140,004

0,0080,002

0,0020,0009

0,010,003

0,0030,001

К-т фильтрации, м/с

КГ4-! О"8

10"8-10"9

10"1О-10'

Приложение 1. Природно-техническая система на Краснобродском угольном разрезе, включающая Бахтыхтинский гидроотвал.

Рис. 2. Схематический разрез ПТС «борт карьера + гидроотвал Бахтыхтинский + отвал вскрышных пород» 1 - насыпной массив (дрясвяно-щебенистые отложения с суглинистым наполнителем); 2 - намывные отложения (суглинки с прослоями супесей); 3 - намывные отложения (супеси с простоями суглинков); 4 - основание отвала

(СУГЛИНКИ И ГЛ'"

шы); 5 - коренные породы (песчаники)

Рис. 1. Авария, вызванная нарушением устойчивости дамбы гидроотвала при отсыпке

отвалов

РИЦ СПГГУ. 01.08.2011. 3.470 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Кузнецова, Ирина Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1; Анализ состояния проблемы инженерно-геологического изучения формирования и переформирования намывных техногенных массивов гидроотвалов.

1.1. Краткий исторический обзор применения гидромеханизации^ горной промышленности.

1.2. Характеристика гидроотвалов Кузбасса.

1.3. Анализ изученности инженерно-геологических условий намывных массивов гидроотвалов.

1.4. Выводы и постановка задач исследований.

Глава 2. Характеристика природно-технической системы, формируемой на кедровском угольном карьере при разработке Кедровско-Крохалевского месторождения.

2.1. Общие сведения о природно-технических системах, формируемых при открытой разработке угольных месторождений.

2.2. Горно-геологические условия Кедровско-Крохалевского месторождения, разрабатываемого угольным карьером «Кедровский».

2.3. Инженерно-геологические и гидрогеологические условия Кедровско-Крохалевского месторождения.

2.4. Технологические условия ведения открытых горных работ на Кедровском угольном карьере.

2.5. Обоснование устойчивости борта Кедровского карьера при частичной отработке гидроотвала №3.

2.6. Характеристика аварийной ситуации при ведении горных работ в условиях сложных природно-технических систем.

2.7. Выводы по главе 2.

Глава 3. Инженерно-геологическая информация для разработки рекомендаций по частичной ликвидации гидроотвала на разрезе Кедровский.

3.1. Закономерности формирования техногенных пород гидроотвалов.

3.2. Изменение напряженно-деформированного состояния и свойств пород намывных массивов в процессе эксплуатации гидроотвалов.

3.3. Основные причины аварий на гидроотвалах и других объектах промышленной гидротехники.

3.4. Инженерно-геологическая характеристика гидроотвала №3 разреза «Кедровский» до начала его переформирования.

3.5. Выводы по главе 3.

Глава 4. Инженерно-геологическое обоснование технических решений по частичной ликвидации гидроотвала №3 на разрезе «Кедровский».

4.1. Обоснование оптимального технического решения по формированию разделительной насыпи на гидроотвале.

4.2. Результаты инженерно-геологического мониторинга при формировании разделительной насыпи на гидроотвале с анализом причин оползневой деформации.

4.3. Обоснование технического решения по удалению части гидроотвала посредством гидромеханизационного смыва.

4.4 Результаты инженерно-геологического мониторинга при производстве работ по гидромеханизационному смыву (геодинамические и гидрогеомеханические процессы в намывных массивах).

4.5. Оценка и прогноз изменения инженерно-геологических условий намывных массивов при частичной ликвидации гидро отвала №3.

4.6. Выводы по главе 4.

Глава 5. Система инженерно-геологического обеспечения безопасности горных работ при ликвидации гидроотвалов.

5.1. Общие принципы организации системы инженерно-геологического обеспечения безопасности функционирования сложных природно-технических систем.

5.2. Система инженерно-геологического обеспечения безопасности при. ликвидации гидроотвалов.

5.3. Мониторинг безопасности ведения горных работ на гидроотвалах.

5.4. Инженерно-геологический мониторинг безопасности при формировании разделительной насыпи на гидроотвале №3 разреза «Кедровский».

5.5. Выводы по главе 5.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Инженерно-геологическое обеспечение безопасности горных работ при ликвидации гидроотвалов"

Актуальность работы. Освоение некоторых месторождений в. Кузбассе при недостатке геологическойинформации породило ситуации, когда под« гидроотвалами оказались законсервированы промышленные запасы углей: Для их отработки требуется-удаление намывных массивов, сложенных водонасыщенными осадками'с низкими показателями прочности и несущей способности, относящимися к категории так называемых «слабых» пород. Такая ситуация сложилась на четырех разрезах Кузбасса и, в частности, на поле филиала- ОАО УК «Кузбас-сразрезуголь» «Кедровский угольный разрез», где под гидроотвалом-№Здоразве-даны запасы угля в объеме 50 млн. м3, пригодные для отработки открытым способом. Их извлечение требует выполнения вскрышных работ по частичному удалению гидроотвала, что предопределяет необходимость обоснования параметров намывного массива на различных этапах производства ликвидационных работ.

Исследования инженерно-геологических условий объектов промышленной гидротехники угольной и горнорудной промышленности выполняли С.Г. Аксенов, С.П. Бахаева, A.M. Гальперин, Р.Э. Дашко, В.Г. Зотеев; О.В. Зотеев, И.П. Иванов, Ю.В. Кириченко, B.C. Круподеров, Ю.И. Кутепов, H.A. Кутепова, В.А. Мироненко, В.В. Мосейкин, Ю:А. Норватов, В.Е. Ольховатенко, В.В. Середин, C.B. Сольский, В.И. Стрельцов, В.П. Жариков, В.Н. Зайцев, А.Н. Киянец, Р.Г.Клейменов, О.Ю. Крячко; С.И.Протасов, А.И. Федосеевой др. Исследования выполнялись» в основном для определения оптимальных параметров гидроотвалов-при их строительстве и эксплуатации; обоснования возможности использования намывных массивов в качестве оснований отвальных сооружений.

Таким образом, актуальность работы, направленной на изучение инженерно-геологических условий частичной отработки гидроотвалов, обусловлена настоятельной необходимостью обеспечить технико-экономическую эффективность и безопасность горных работ на угледобывающих предприятиях с минимальными экологическими последствиями. Актуальность данной задачи подтверждается Федеральным Законом "О безопасности гидротехнических сооружений" (№117-Ф-3), регламентирующим нормы-безопасности при осуществлении деятельности, связанной с проектированием, строительством; консервацией, эксплуатацией и ликвидацией гидротехнических сооружений, в том числе,'гидроотвалов - объектов промышленной гидротехники.

Цель работы. Оценка инженерно-геологических условий- гидроотвалов вскрышных пород для обоснования технологических решений по их частичной отработке, обеспечивающих безопасность и технико-экономическую эффективность горных работ.

Основные задачи исследования:

- изучить инженерно-геологические условия природно-технической системы филиала «Кедровский угольный разрез» ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», включающей гидроотвал, находящийся на стадии отработки;

- выявить определяющие факторы формирования состава, состояния и свойств.намывных пород гидроотвалов;

- выполнить инженерно-геологическое обоснование технических решений по частичному удалению гидроотвала № 3 филиала «Кедровский угольный разрез»;

- установить основные закономерности формирования порового давления в намывных породах и изменения их физико-механических свойств*при отсыпке разделительной насыпи на намывном массиве;

- разработать методические принципы организации мониторинга „ безопасности при ведении горных работ, связанных с ликвидацией гидроотвалов.

Методы» исследований: в работе использован комплексный подход к решению проблемы, включающий-геологический методы, лабораторные и натурные методы изучения1 физико-механических свойств отложений намывных массивов^ условий развития гидрогеомеханических процессов, решение теоретических задач методами фильтрационной-консолидации и предельного напряженного состояния, опытно-промышленные испытания разработанных рекомендаций на объектах Кузбасса.

Научная новизна:

1. Установлено, что под воздействием* горных работ по переформированию гидроотвалов* в намывном техногенном массиве образуется! новая* инженерно-геологическая зональность, при-этом выделяются зоны-с различным характером изменения напряженно-деформированного состояния и физико-механических свойств намывных пород.

2. Выявлена взаимосвязь между изменением порового давления в намывном* массиве и интенсивностью развития деформаций откосов разделительной дамбы.

3. Установлено, что увеличение порового давления, инициированного отсыпкой насыпей, происходит в значительной области намывного массива- превышающей контур нагружения, и приводит к уменьшению параметров сопротивления сдвигу в зоне влияния отсыпки.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Расконсервация, запасов угля под гидроотвалами сопровождается трансформацией' сформированной ранее природно-технической системы, безопасность функционирования которой определяется «слабым» ее элементом — гидроотвалом, являющимся специфическим инженерно-геологическим объектом; представляющим наибольшую опасность для» горного производства и- окружающей среды.

2. При частичном удалении гидроотвалов нарушается характерный для сформированных ранее техногенных массивов ход технолитогенетических преобразований намывных пород; закономерности изменения их состояния и свойств определяются видом и интенсивностью технологического воздействия*- гидроме-ханизационного смыва намывных пород и их нагружения сухими отвалами на остающейся части сооружения.

3. Безопасность горных работ при ликвидации гидроотвала обеспечивается посредством инженерно-геологического мониторинга, включающего комплексные наблюдения за поровым давлением, в нагружаемой' и разгружаемой' частях намывного массива; деформациями поверхности формируемого вторичного техногенного рельефа'с помощью маркшейдерских методов и определения-прочности пород в приборах трехосного нагружения с регулируемым и контролируемым поровым давлением.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается:

- натурными1 исследованиями гидроотвала №3 Кедровского угольного разреза (мониторинг изменения порового давления в теле гидроотвала и наблюдения за деформациями формируемой насыпи с помощью маркшейдерских методов);

- исследованиями физико-механических свойств намывных пород; и пород основания отвала;

-расчетами устойчивости дамбы (использовались программы «Stability» института ВНИМИ и «Galena» австралийской компании ВНР Engineering).

Практическаязначимость работы:

- получены характеристики состояния и свойств намывных отложений гидроотвала на различных стадиях существования объекта, которые использованы для обоснования технических решений по ликвидации и переформированию гидроотвала.

- разработаны методические принципы организации инженерно-геологического мониторинга безопасности при частичной ликвидации гидроотвала №3 Кедровского угольного разреза, которые могут быть использованы при разработке проектов мониторинга на других подобных объектах промышленной гидротехники.

Личный вклад автора заключается: в выполнении натурных измерений порового давления по станции мониторинга на гидроотвале №3 филиала «Кед-ровский угольный разрез»; интерпретации результатов мониторинга; исследований физико-механических свойств намывных отложений в лабораторных условиях; анализа результатов исследований с целью установления влияния гидрогео-механических процессов на- формирование и изменение физико-механических свойств намывных пород.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: симпозиум «Неделя горняка-2010» (МГГУ, Москва, 2010 г.), конференция «Двенадцатые Сергеевские чтения» (Институт Геоэкологии им. Е. М. Сергеева РАН, Москва, 2010 г.), Международный форум молодых ученых «Проблемы недропользования». (СПГГИ(ТУ), Санкт-Петербург, 2010 г), I Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире» (Пермский государственный университет, г: Пермь, 20 Юг), Молодежный форум в рамках горно-металлургической конференции (Фрайбергская горно-металлургическая академия, г.Фрайберг, Германия, 2010 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации*содержатся в 6 опубликованных статьях, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки РФ:

Объем и структура^ работы. Диссертация, изложена на 184 страницах, состоит из введения, 5' глав, заключения, списка литературы из 88 наименований, содержит 55 рисунков, 23 таблицы.

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Кузнецова, Ирина Владимировна

5.5. Выводы по главе 5

1. Система инженерно-геологического обеспечения безопасности вскрышных и отвальных работ при частичной отработке гидроотвалов и переформировании ПТС включает комплекс работ и исследований по изучению, обоснованию, управлению и контролю состояния пород техногенных массивов, выполняемых в течение всего срока переформирования ПТС с целью обеспечения безопасности и экономической эффективности горных работ. Данная система позволяет выполнить разработку и осуществление мероприятий по повышению уровня надежности и безопасности технологических процессов, характеризуется цикличностью и определенной последовательностью в выполнении указанных видов работ, обусловливая поэтапное переформирование гидроотвала и ПТС, включающее его.

2. Изучение порового давления — один из наиболее важных и необходимых видов инженерно-геологических исследований на объектах промышленной гидротехники, позволяющий получать достоверную информацию о напряженно-деформированном состоянии и свойствах намывных пород для решения технических задач, возникающих при ликвидации намывных сооружений. Для этих целей разработаны и апробированные на гидроотвалах методы и средства измерения порового давления, способы и схемы размещения приборов, методика наблюдений и интерпретации результатов измерений. Экспериментальные методы изучения порового давления по целевому назначению разделяются на две группы: методы опробования (периодическое зондирование, опытно-промышленные эксперименты) и мониторинговые исследования.

3. Изучение прочностных свойств намывных пород с целью обоснования устойчивости откосов намывных массивов и отсыпаемых на них дамб должно осуществляться с применением современных лабораторных инженерно- геологических приборов. Применяемые в отечественной практике одноплоскостные сдвиговые приборы не позволяют моделировать напряженное состояние нагружаемого и разгружаемого намывного массива с переменным поровым давлением. В наибольшей степени это требование обеспечивает метод трехосного сжатия (испытание в стабилометрах), который позволяет разрушить породы в объемном напряженном состоянии. При испытаниях намывных пород на стабило-метре Digital Tritest 50, который позволяет задавать при подготовке образца к испытаниям различные близкие к реальным намывным массивам комбинации внешних нагрузок и порового давления внутри образца, а также проводить сдвиговые испытания при деформациях близких к натурным, получены значения углов внутреннего трения и сцепления, достаточно близко совпадающими с полученными обратными расчетам по реальной оползневой ситуации.

4. Обеспечение безопасности горных работ при реализации технологических процессов по ликвидации гидроотвала достигается посредством организации нженерно-геологического мониторинга безопасности, который включает: -наблюдения за поровым давлением в намывном массиве и естественном основании; - измерения деформаций поверхности; - периодические определения физико-механических свойств отложений отсыпаемого массива, гидроотвала и естественного основания; - учет объемов и динамики вскрышных работ по частичному удалению гидроотвала и формирования отвальных насыпей.

5. Разработанная система обеспечения безопасности при ликвидации гидроотвалов внедрена на гидроотвале №3 филиала ОАО «УК» Кузбассразрез-уголь» «Кедровский угольный разрез», из-под которого производится извлечение законсервированных запасов угля.

Заключение

Основные научные и практические результаты исследований:

1. Выполнен анализ геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических и, технологических условий ПТС в пределах «Основного поля» филиала «Кедровский угольный разрез», включающей борт карьера, гидроотвал и отвал «сухих» отложений. Установлено, что «слабым» звеном в системе является намывной массив гидроотвала, характеризующийся специфическими условиями формирования. Рассмотрены две другие ПТС на разрезах Кузбасса, на одной из которых (Новосергеевское поле филиала «Краснобродский угольный разрез») произошла деформация отвала на гидроотвале «Бахтыхтинский», сопровождающаяся выдавливанием отложений намывного массива на борт и дно горной выработки.

2. Определяющими факторами формирования намывных отложений в гидроотвале являются фракционирование и гравитационное уплотнение. Это создает неоднородный намывной массив с образованием в плане зон песчано-супесчаных, суглинистых, глинистых отложений, в пределах которых в разрезе выделяются осадки текучей, мягкопластичной и реже тугопластичной консистенции. Гравитационное уплотнение намывных отложений во времени связано с рассеиванием избыточного порового давления.

3. Инженерно-геологическое обоснование частичного удаления гидроотвала включает решение двух основных вопросов: 1) технологии удаления части гидроотвала, перекрывающей продуктивный пласт угля; 2) конструкции и технологии формирования дамбы, разделяющей гидроотвал на участки - подлежащий и не подлежащий удалению.

4. При частичном удалении гидроотвала в намывном массиве между разделительной насыпью и гидромониторными забоями формируется новая инженерно-геологическая зональность. По характеру развития процессов консолидации выделены: зона влияния гидромеханизации, буферная зона и зона влияния отсыпки отвалов:

5. Решение вопроса создания новой устойчивой конструкции откоса обосновано осуществлять, используя установленный при отсыпке отвалов механизм выдавливания пород из-под насыпи с замещением выдавленных масс наиболее прочными породами сухих отвалов. В Кузбассе натурными наблюдениями установлены глубины внедрения отвальных насыпей в намывные массивы от (0,5-=-0,6) Н при отсыпке на супесчаных и суглинистых отложениях до (0,6^ 1,0) Н - на более слабых глинистых разновидностях (Н - высота отвала).

6. Обоснована оптимальная конструкция разделительной насыпи; состоящая из трех ярусов, отсыпаемых в режиме обеспечения устойчивости трехъярусной системы, обращенной в сторону удаляемой части намывного массива, и при развитии оползневых деформаций с внедрением насыпных пород в намывную толщу на противоположной стороне насыпи. Обеспечение безопасности горных работ при формировании насыпи достигается; выполнением контроля избыточного порового давления и деформаций поверхности отвальной насыпи.

7. Одним из основных видов работ при выполнении ликвидационных работ и переформировании, гидроотвала является инженерно-геологический мониторинг безопасности, включающий: - наблюдения за поровым давлением в намывном массиве и естественном основании; - измерения деформаций поверхности; - периодические определения физико-механических свойств отложений отсыпаемого массива, гидроотвала и естественного основания; - учет объемов и динамики вскрышных работ по частичному удалению гидроотвала и формирования отвальных насыпей.

8. Результаты исследований рекомендованы для использования при вы

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Кузнецова, Ирина Владимировна, Санкт-Петербург

1. АбелевМ.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений. М.: Стройиздат, 1973. - 288 с.

2. А.С. № 1465573 Способ переформирования гидроотвала. Авт. Кутепов Ю.И. и др. от 21 мая 1987 г.

3. Атлас верхнепалеозойских углей Кузнецкого бассейна. Новосибирск: Наука, 1966. - 367 с.

4. Бахаева С.П., Костюков Е.В., Протасов С.И., Практика C.B., Федосеев А.И. Исследование гидрогеомеханических процессов техногенных массивов // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2005. №3. - С. 41-43.

5. Бахаева С.П., Серегин Е.А., Федосеев А.И. Обеспечение безопасности Восточного борта ОАО «Разрез Кедровский» на основе геомеханического мониторинга // Безопасность труда в промышленности. -2002. №6. С. 29-31.

6. Бондарик Г.К., Ярг JI.A. Инженерно-геологические изыскания. М.: КДУ, 2007. - 424 с.

7. Воссоевич Н.Б. Условия образования флиша. М.: Гостехиздат , 1951.

8. Гальперин A.M. Геомеханика открытых горных работ. — М.: МГГУ, 2003.-472 с.

9. Гальперин A.M., Фёрстер В., Шеф Х.-Ю. Техногенные массивы и охрана окружающей среды. М.: МГГУ, 1997. - 534 с.

10. Ю.Годлевская Г.И., Кутепов Ю.И., Норватов Ю.А. Определение в натурных условиях показателей фильтрационной консолидации пород гидроотвалов // Инженерная геология, 1985, №2. С.109-114.

11. П.Демченко A.B. Формирование дренажных элементов- гидроотвалов разрезов Кузбасса для повышения их вместимости и устойчивости: Дис. на со-иск. уч. ст. канд.техн.наук. М.: МГГУ, 1999.

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

13. Иванов И.П. Инженерно-геологические исследования в горном деле (для обоснования рационального использования и охраны недр). JL: Недра, 1987.-255 с.

14. Инженерная геология угольных месторождений Сибири и Дальнего Востока. Том 1. Закономерности формирования инженерно-геологических условий угольных месторождений /под ред. В.Е. Ольховатенко/ Томск: Изд-во Томского университета, 1992. - 286 с.

15. Каминская В.И. Основные принципы управления процессом намыва сооружений. // Труды ВНИИГ «Технология производства специальных строительных работ», 1993. С.3-14

16. Кириченко Ю.В. Управление состоянием массивов гидроотвалов для эффективного использования намывных территорий: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. М, МГИ, 1983. — 20 с.

17. Костюков Е.В. Исследование физического состояния оценки устойчивости грунтовых дамб гидротехнических сооружений горных предприятий геоэлектрическим методом: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Кемерово, КузГТУ, 2004. 20 с.

18. Котлов Ф.В. Изменение геологической среды под влиянием деятельности человека. М.: Недра, 1978. - 263 с.

19. Котлов Ф.В. Классификация антропогенных отложений.- В кН. Инженерно-геологические процессы и явления и их значение для строительства. М., 1963. С.9-14.

20. Крячко О.Ю. Управление отвалами открытых горных работ. М.: Недра, 1980.-255 с.

21. Кутепов Ю.И. Научно-методические основы инженерно-геологического обеспечения отвалообразования при разработке угольных месторождений: Дис. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. — М.: МГГУ, 1999.

22. Кутепов Ю.И., КутеповаН.А. Закономерности формирования техногенных пород при отвалообразовании // Сб. научн.тр. ВНИМИ "Исследование сдвижения горны пород и гидрогеомеханических процессов в массивах сложной структуры при разработке месторождений. 1992.

23. КутеповЮ.И., КутеповаН.А. Изучение порового давления в намывных массивах // Геоэкология. 2006. №2. - С. 205-215.

24. Кутепов Ю.И, Кутепова H.A., Подольский В.А. Изучение и прогноз гидрогеомеханических процессов при гидроотвалообразовании // Вопросы гидрогеологии и гидрогеомеханики горного производства: Сб. научн. тр./ ВНИМИ. СПб, 1998. - С.65-77.

25. Кутепов Ю.И., Кутепова H.A., Подольский В.А. Методика прогноза напряженного состояния обводненных песчано-глинистых массивов // Горная геомеханика и маркшейдерское дело: Сб. научн. тр./ ВНИМИ, СП б, 1999. С. 94-103.

26. Кутепова H.A. Инженерно-геологические условия формирования свойств техногенных отложений углеобогатительных фабрик: Дис. на соиск. уч. ст. канд. геол.-мин.наук. JI. 1987.

27. Кутепова H.A. Инженерно-геологическое обоснование прогноза гидрогеомеханических процессов при ведении горных работ: Автореф. дис. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук. СПб., 2010. 39 с.

28. Лапочкин Б.К. Инженерно-геологическая оценка намывных глинистых грунтов для увеличения емкости гидроотвалов: Автореф. дис. на соиск. учен, степ. канд. техн. наук. М, 1978.

29. Логвиненко Н.В., Орлова Л.В. Образование и изменение осадочных пород на континенте и в океане Л.: Недра, 1987.-237 с.

30. Ломтадзе В.Д. Инженерно-геологические основы рационального использования геологической Среды и ее охрана при разработке месторождений полезных ископаемых // Докл.27-го Международного геол.конгресса. Инженерная геология. -1984. С.28-34.

31. Методические указания по определению параметров угольных разрезов. Л: Изд-во ВНИМИ, 1975.

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

33. НурокГ.А. Гидромеханизация горных работ. М: Углетехиздат, 1959. - 391 с.

34. НурокГ.А. Гидромеханизация открытых разработок. М.: Недра,1970.

35. НурокГ.А. Процессы, технология, гидромеханизация открытых горных работ. М.: Недра, 1985. - 470 с.

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

37. Павленко В.М. Оценка влияния гидровскрышных работ на эффективность дренирования карьерных полей в сложных гидрогеологических условиях: Дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук в форме научного доклада. М. 1992.

38. Панюков П.Н. Инженерная геология. -М.: Недра, 1978. 296 с.

39. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. -СПб, 1998. 208 с. (Минтопэнерго РФ. РАН. Гос. НИИ горн, геомех. и марк-шейд. дела - Межотраслевой научн. центр ВНИМИ).

40. Предварительные рекомендации по частичной отработке гидроотвала №1 разреза «Киселевский» ПО «Кемеровоуголь». JL: ВНИМИ, 1985. -42 с.

41. Прогноз скорости осадок оснований сооружений / Цытович H.A., За-рецкий Ю.К., Малышев М.В. и др. М.: Стройиздат, 1967.

42. Протасов С.И., Вегнер В.Р., Бахаева С.П., Федосеев А.И. Опыт отработки намывных четвертичных пород с площади бывшего гидроотвала №3 ОАО «Разрез Кедровский» // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2004.- № 3.- С. 268-273.

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

44. Саркисян А.Х. Инженерно-геологическая- оценка и обоснование параметров гидроотвалов на различных этапах существование (на примере гидроотвалов Кузбасса): Автореф. дис. на соиск. учен. степ, канд.техн.наук, М, МГИ, 2004. 20 с.

45. Сергеев Е.М., Трофимов В.Г. Влияние человека на литосферу в процессе инженерно-хозяйственной деятельности // Теоретические основы инженерной геологии. Социально-экономические аспекты / Под ред.Сергеева Е.М. -М.: Недра, 1985. С.14-27.

46. СНиП 11.02.96. Инженерные изыскания для строительства. М.: Изд-во стандартов, 1996.

47. СНЙП 2.06.05-84 Плотины из грунтовых материалов. М.: Госстрой СССР, 1991 г.

48. СНиП 2.02.02-85 Основания гидротехнических сооружений Утв. Постановлением Госстроя СССР от 12.12.1985. № 219.

49. СНиП 33-01-2003 Гидротехнические сооружения. Основные положения. Приняты и введены в действие постановлением Госстроя. России от 30.06.2003. № 137.

50. Страхов Н.М. Основы теории литогенеза. Т.1 и 2.Изд.АН СССР, 1960,535 с.

51. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. М.: Изд-во стандартов, 1997.

52. Угольная база России. Том 2. Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири./ Под ред. В.Ф. Череповского/ М., 2003.

53. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть II. Обоснование оптимальных параметров отвальных сооружений. — Л.: ВНИМИ, 1990. 55 с.

54. Федосеев А.И. Инженерно-геологическое обоснование частичной ликвидации гидроотвалов вскрышных пород: Дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М: 2006.

55. Хазанов М.И. Искусственные грунты, их образование и свойства. М.: Наука, 1975. - 133 с.

56. Цытович H.A. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1979. - 272 с.

57. Цытович H.A., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве. М.: Высш. школа. 1981. 317 с.

58. Чеховский A.M. Принципы управления свойствами грунтов и инженерно-геологическими процессами // Инженерная геология. 1989, № 5. С.66-80.

59. Щербакова Е.П. Инженерно-геологическое и геоморфологическое обоснование техногенного рельефа намывных территорий гидроотвалов: Дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М. 1997.

60. Torstenson В. A. The pore pressure Probe // Nordiske Geoteknike Mote. Oslo. 1977. P. 34.