Инженерно-геологическое обоснование частичной ликвидации гидроотвалов вскрышных пород

Федосеев, Алексей Иванович

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

Автореферат диссертации по теме "Инженерно-геологическое обоснование частичной ликвидации гидроотвалов вскрышных пород"

На правах рукописи УДК 624.131.1

Федосеев Алексей Иванович

Инженерно-геологическое обоснование частичной ликвидации гидроотвалов вскрышных пород

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

геометрия недр»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена в филиале «Кедровский угольный разрез» ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» и Московском государственном горном университете (МГТУ).

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 « 21 » июня 2006 года в >_0_ часов на заседании диссертационного совета Д.212.128.04 при Московском государственно!» 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 «19» мая 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Бубис Юрий Вольфович

6 А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Открытая добыча угля в Кузбассе осуществляется с применением гидромеханизационных технологий, сопровождающихся складированием гидровскрышных пород в специальные намывные сооружения -гидроотвалы. За все время использования гидромеханизации на предприятиях УК «Кузбассразрезуголь», начиная с 1951 года, удалено более 900 млн. м3 вскрышных пород с размещением их в 50 гидроотвалах различной высоты и емкости, занимающих в совокупности площадь порядка 7000 га Намывные

объектами, сложенными слабопроницаемыми водонасыщенными глинистыми породами с низкой прочностью и несущей способностью, что обусловливает повышенные требования к качеству оценок и прогнозов устойчивости намывных откосов на всех этапах функционирования гидроотвальных сооружений.

Гидроотвалы вскрышных пород - опасные объекты промышленной гидротехники, подчиняющиеся требованиям Федеральных Законов «О безопасности гидротехнических сооружений» (№117-ФЗ) и «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (№116 - ФЗ), которые регулируют отношения, возникающие при осуществлении деятельности по обеспечению безопасности при проектировании, строительстве, вводе в эксплуатацию, реконструкции, восстановлении, консервации и ликвидации опасных производственных объектов

После завершения эксплуатации некоторые гидроотвалы оказались в зоне влияния вскрышных и добычных горных работ. Например, под гидроотвалом № 3 разреза «Кедровский» доразведкой установлены дополнительные запасы угля в

намывного массива и формирование устойчивой конструкции оставшейся части сооружения.

массивы гидроотвалов являются специфическими инженерно-геологическими

объеме 70 млн. м3, для извлечения которых необходимо частичное удаление

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

специфику решаемого вопроса, необходимо разработать специальные методики: обоснования параметров намывного массива при его отработке в зависимости от применяемой технологии на основании инженерно-геологических, гидрогеологических, геофизических и маркшейдерских исследований и наблюдений; мониторинга безопасности горных работ при отработке гидроотвала.

Таким образом, исследования, направленные на разработку методики инженерно-геологического изучения, обоснования оптимальных параметров и мониторинга намывных массивов при частичной отработке гидроотвалов вскрышных пород с обеспечением безопасности горных работ при открытой разработке угля, являются актуальными.

Целью работы является разработка инженерно-геологического обоснования технологических решений по частичной ликвидации гидроотвалов вскрышных пород для обеспечения технико-экономической эффективности, экологической и промышленной безопасности горных работ.

Идея работы. Обоснование экологической и промышленной безопасности ликвидации гидроотвалов базируется на комплексном изучении условий переформирования намывных массивов с привлечением инженерно-геологических, маркшейдерских и геофизических методов исследований, а также математического моделирования гидрогеомеханических процессов при выполнении мониторинга безопасности, включающего контроль напряженно-деформированного состояния намывных пород.

Основные задачи. Анализ современного состояния изученности глинистых намывных массивов на различных стадиях существования гидроотвалов показал отсутствие исследований, касающихся изменения инженерно-геологических условий сооружений при их полной или частичной ликвидации. Также нет серьезной практики ведения вскрышных работ по крупномасштабному удалению гидроотвалов. Это позволяет сформулировать следующие задачи исследований:

1. Выполнить изучение инженерно-геологических условий переформирования намывных массивов на этапе их ликвидации.

2. Установить основные закономерности развития в ликвидируемых намывных массивах технолитогенетических, гидрогеомеханических и геодинамических процессов и явлений.

3. Разработать методику инженерно-геологического, гидрогеологического, геофизического и маркшейдерского изучения ликвидируемых намывных массивов.

4. Разработать методику инженерно-геологического обоснования параметров горных выработок в намывных массивах и оставшихся частей сооружений при частичной ликвидации гидроотвалов.

5. Разработать методику мониторинга безопасности горных работ при частичном удалении гидроотвалов.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна: 1. Инженерно-геологические условия намывных массивов ликвидируемых гидроотвалов определяются процессами технолитогенеза, развивающимися поэтапно в течение всего времени существования объекта, сутью которых является формирование строения, состава, состояния и свойств пород намывных массивов на стадиях, предшествующих ликвидации, и их изменение вследствие развития гидрогеомеханических и геодинамических процессов, вызванных производством ликвидационных горных работ.

2 Изучение намывных массивов ликвидируемых гидроотвалов следует производить с применением комплекса различных методов- инженерно-геологических, маркшейдерских и геофизических, при этом инженерно-геологические методы направлены на определение строения, состава, физического и напряженного состояния, физико-механических свойств намывных пород, маркшейдерские - на наблюдение за развитием геодинамических явлений, а геофизические - на изучение структуры и строения техногенных массивов

3. Обоснование параметров намывных массивов ликвидируемых гидроотвалов следует выполнять с применением методов математического моделирования напряженно-деформированного состояния намывных массивов на базе построения гидрогеомеханических моделей, учитывающих инженерно-геологические, гидрогеологические, технологические условия производства вскрышных, отвальных и гидроотвальных работ, а также мониторинговых систем, осуществляющих контролирование напряженно-деформированного состояния намывных пород посредством измерений порового давления в массиве и деформаций поверхности сооружения.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

- теоретическим анализом технолитогенетических, геодинамических и гидрогеомеханических процессов и явлений, развивающихся в намывных массивах;

-теориями технолитогенеза, фильтрационной консолидации;

- данными экспериментальных исследований строения, состава, состояния и свойств намывных пород;

- маркшейдерскими и геофизическими работами и наблюдениями при выполнении вскрышных гидромеханизационных работ;

- удовлетворительной сходимостью расчетных и фактических данных по свойствам намывных и насыпных техногенных пород.

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 условий техногенных массивов; маркшейдерские и геофизические методы, методы механики сплошной среды; промышленные испытания разработанных рекомендаций.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей развития технолитогенетических, гидрогеомеханических и геодинамических процессов и явлений и оценке инженерно-геологических условий ликвидации намывных техногенных массивов для обоснования параметров намывных массивов, технологических схем частичной отработки гидроотвалов и мониторинга безопасности ликвидационных работ.

Практическая ценность работы заключается в установлении расчетных показателей физико-механических свойств намывных и насыпных техногенных пород; разработке рекомендаций по параметрам вскрышных работ по частичному удалению гидроотвала № 3 разреза «Кедровский» и части намывного сооружения, не подлежащей удалению; организации и выполнении мониторинга безопасности вскрышных гидромеханизационных работ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (2006 г., Москва), научно-техническом совете филиала «Кедровский угольный разрез» «УК «Кузбассразрезуголь» и заседаниях кафедры геологии МГГУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы

Объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 72 наименований, содержит 28 рисунков, 7 таблиц.

Автор выражает благодарность научному руководителю д т.н. Кутепову Ю.И. за помощь на всех этапах работы над диссертацией, заведующему кафедрой геологии МГГУ проф., д.т.н. Гальперину A.M., проф., дт.н. Ермолову

В.А., проф., д.т.н. Мосейкину В.В, проф., д.т.н. Кириченко ЮВ., к.г-м.н. Стрельскому Ф П , доц., к.т н. Протасову С.И., доц., к.т н. Щёкиной М.В., за ценные советы и консультации, а также всем сотрудникам кафедры геологии МГГУ за помощь и поддержку.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Открытая разработка угольных месторождений в Кузбассе осуществляется с применением гидромеханизации, которая предполагает размещение отходов в гидроотвалы. Изучением условий формирования гидроотвалов и других объектов промышленной гидротехники в разные годы занимались: Г.А. Нурок, A.M. Гальперин, Р.ЭДашко, В.Г.Зотеев, В.А.Ермолов, И.П.Иванов, Ю.В. Кириченко, Е.А. Кононенко, Ю.И. Кутепов, H.H. Медников, В.В.Мосейкин, Е.П. Щербакова, П.С.Шпаков, И.М. Ялтанец, С.П. Бахаева, A.B. Демченко, В.С.Зайцев, В.В. Ериошкин, В.П. Жариков, ОМ. Крячко, H.A. Кутепова, A.B. Могилин, В.М.Павленко, А.А.Парфенов, С.И. Протасов, М.В.Щекина и др.

Вопросы ликвидации гидроотвалов практически не рассмотрены в технической литературе. Изучение хвостохранилищ как месторождений полезных ископаемых выполнялось на различных намывных объектах РФ: Оленегорском и Ковдорском ГОКах, АЛ РОСА и тд На некоторых из них обосновано решение использовать для разработки техногенных МПИ гидромеханизацию. В практике добычи строительных материалов используются временные намывные сооружения - штабеля, которые после их формирования разрабатываются с применением различных технологий Однако во всех рассмотренных случаях породы намывных сооружений имеют песчано-гравийный, реже песчано-пылеватый состав и характеризуются хорошей водопроницаемостью, а также удовлетворительной прочностью и несущей способностью.

При освоении некоторых угольных месторождений Кузбасса в условиях дефицита геологической информации об их строении возникли ситуации, когда дальнейшая разработка была невозможна без частичной ликвидации намывных сооружений. Подобные проблемы образовались на разрезах: «Краснобродский», «Киселевский» и «Кедровский». Их решение в общей постановке сводилось к решению двух основных вопросов 1) обоснование устойчивых конструкций откосов оставшихся частей намывных массивов; 2) определение параметров и технологий частичной отработки гидроотвалов.

Ведение вскрышных работ сухоройными механизмами в массивах, сложенных «слабыми» водонасыщенными породами, весьма затруднено и требует раз-

работки специальны* мероприятий по улучшению состояния и свойств намывных пород. В качестве такого мероприятия на гидроотвалах разрезов «Красноброд-ский» и «Киселевский» для подготовки намывных пород к переэкскавации и улучшения условий устойчивости откосов оставшихся намывных массивов институтом ВНИМИ предложено использовать предварительное уплотнение пород путем их нагружения слоем хорошо проницаемого материала - породами «сухих» отвалов На разрезе «Кедровский» планом развития горных работ определено выполнение вскрыши на плошади гидроотвала более 150 га, имеющего, кроме того, значительную мощность намывных пород. Эти обстоятельства существенно ограничивают условия применения пригруза. Для частичного удаления гидроотвала №3 специалистами разреза «Кедровский», ПО «Кузбассразрезуголь», МГГУ, Кузбассгипрошахт и ВНИМИ обосновано использование гидромеханизации

Гидроотвал намывался с 1958 по 1990 годы и на момент завершения намыва представлял собой сооружение овражно-балочного типа с односторонним обвалованием максимальной высотой в тальвеге лога 53 метра при площади 292 га и емкости 47,8 млн. м1. Намыв его осуществлялся большую часть времени со стороны дамб обвалования.

Инженерно-геологические исследования на гидроотвале, выполненные в разное время, позволяют отметить следующее'

1 В процессе намыва гидроотвала сформировался неоднородный в плане и разрезе техногенный массив, сложенный водонасыщенными породами с низкими значениями прочности. Выделяются в плане зоны, песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых пород, в разрезе подзоны текучих, мягко-, тугопластичных, полутвердых пород (рис. 1).

Рис. 1. Инженерно-геологический разрез по гидроотвалу.

1 - песчано-супесчаные породы; 2- вода пруда-отстойника, 3- породы дамб, 4-сугпинистые породы; 5- глинистые породы; 6- границы зон; 7- границы подзон; 1,11,111-соответственно зоны песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых пород; а, б, в, г -соответственно подзоны пород текучей, мягко-, тугопластичной и полутвердой консистенции

2. В намывном массиве глинистой и частично суглинистой зоны на момент окончания намыва было сформировано избыточное поровое давление, которое в глинистых отложениях продолжает оставаться до настоящего времени (рис. 2) Это связано в первую очередь с плохими условиями консолидации (большая мощность и низкие фильтрационные свойства пород), а во вторую - с отсыпкой на поверхности гидроотвала различных насыпей.

1.М ».0| 1,ру 1,03

■«¿о -в,ю оо» ад*

1.» I .-»■> 1,72

0.^1 0.17 Ш 0.48 ~0"35*

«-гг..- Р*

иг I,

I МП»

Л.»

Рис. 2. График изменения физических свойств пород (ж), геологическая колонка (з) и эпюра распределения напряжений в массиве: а - полные напряжения; <Тэф - эффективные напряжения; Р„ - поровое давление; ДР -избыточное поровое давление; Р< - гидростатическое давление.

3. Состояние и свойства намывных пород изменяются в результате развития различных процессов и явлений- фильтрационной консолидации пород как под собственным весом, так и при нагружении их различными насыпями; оползней и оседаний, приводящих к выдавливанию намывных пород из-под отвала и уменьшению мощности намывного слоя; деконсолидации пород, сопровождающейся уменьшением прочности Кроме того, при вскрышных работах в намывных массивах будут формироваться откосы в предельно-напряженном состоянии, характеризуемом развитием избыточного порового давления Данные процессы существенно повлияют на технологию горных работ по частичному удалению гидроотвала Однако знание их основных закономерностей позволит управлять ими, обеспечивая безопасность вскрышных работ

4. Инженерно-геологическое обоснование ликвидации гидроотвалов как система работ, наблюдений и исследований в настоящее время практически не разработана, отсутствует методика изучения и обоснования частичной отработки гидроотвалов и мероприятий по обеспечению безопасности горных работ

Одним из важнейших направлений современной инженерной геологии является изучение формирования намывных техногенных массивов Это вызвано в первую очередь тем обстоятельством, что на земной поверхности образуются мощные породные массивы, а слагающие их намывные отложения за срок всего лишь несколько десятков лет проходят все стадии осадочного породообразования, преобразуясь из суспензий в плотные литифицированные отложения Ю.И. и H.A. Кутеповыми разработана схема техногенеза намывных пород, которая отражает последовательность формирования их состава, состояния и свойств, определяющие природные и технологические факторы, их роль и взаимосвязь на различных этапах. Она включает три последовательных этапа: «разрушение исходного материала - его перемещение - новое породообразование», сутью которых является формирование: 1) исходного состава материала, поступающего в гидроотвал, 2) состава и строения пород в массиве гидроотвала, 3) состояния и свойств намывных пород Однако возникшие в последнее время проблемы, связанные с ликвидацией гидроотвалов, предопределили необходимость рассмотрения новых последовательно сменяемых друг друга этапов, начинающихся с «разрушения намывных техногенных пород».

В Кузбассе гидромеханизационным способом удаляется верхняя часть разреза, сложенная отложениями неоген-четвертичного возраста. По генезису это

делювиально-пролювиальные, субаквальные и лессовидные суглинки Под действием гидромеханизационных процессов происходит разрушение вскрышных пород и их транспортировка до гидроотвала, где в последующем происходит раскладка исходного материала по крупности (процесс фракционирования), определяя характер изменчивости состояния и свойств намывных пород, строение массива, размеры и положение пляжной, переходной и прудковой зон. Изучение состава пород в намывных сооружениях Кузбасса позволило выявить тенденцию изменения состава пород по длине откоса намыва: песчано -супесчаные, суглинистые и глинистые породы (см.рис. 1)

После осаждения намывного материала в гидроотвале наступает этап, где определяющим фактором является гравитационное уплотнение, контролирующееся в водонасыщенных породных массивах поровым давлением. Характер развития порового давления в гидроотвалах зависит от размеров намывного массива, интенсивности и технологии его формирования, дренажных условий на границах массива, компрессионно-фильтрационных свойств пород. Преобразование намывных отложений происходит под действием давления, постоянно возрастающего при намыве и нагружении отвалами, при этом изменяется структура осадка, уменьшается его пористость и влажность, возрастает прочность пород. Данные изменения неодинаковы в различных диапазонах эффективных напряжений. Для интервала напряжений 0 - 0,1 МПа характерно наиболее интенсивное изменение свойств, которое постепенно затухает в диапазоне 0,1 -0,45 МПа, после чего процесс уплотнения приобретает затрудненный характер (рис.3). Следовательно, качественные изменения в поведении грунтов проявляются при нагрузках примерно 0,1 и 0,45 МПа, что соответствует переходам из текучего состояния в мягкопластическое и из тугопластичной в полутвердую консистенцию. Соответствующие данным переходам показатели консистенции пород и указанные значения напряжений могут служить критериями для выделения стадий преобразования техногенных пород. Так как роль гравитационного уплотнения в формировании свойств пород практически исчерпывается при переходе в полутвердое состояние (при нагрузке 0,45 МПа), то на этом стадию диагенеза (технодиагенеза) можно считать законченной. Полутвердое и твердое состояния для намывных пород гидроотвалов соответствуют стадии постдиагенетических преобразований (технокатагенез), дальнейшее изменение свойств пород возможно под воздействием температуры, дегидратации, физико-химических процессов Подтверждение правильности полученных критериев

получено на гидроотвале №3, где была вскрыта толща намывных суглинков мощностью 45 м, представленная в разрезе (сверху вниз) отложениями текучей, мягкопластичной, тугопластичной и полутвердой консистенции. Эффективные напряжения в точках отбора образцов определялись с учетом замеров порового давления, при этом переход пород в мягкопластичную и полутвердую консистенцию происходил соответственно при 0,1 и 0,45 МПа.

Рис. 3. Изменение угла внутреннего трения и сцепления намывных пород с ростом эффективных нагрузок 1_-С;-----ср

При формировании намывных массивов на этапах от намыва до ликвидации гидроотвалов наблюдаются следующие типы деформаций' а - оползни; б - оседания; в - оплывины; г - осадки; д - подъем поверхности; е - прорывы воды и фунтовой массы; ж - эрозия поверхности Из них наибольший интерес представляют первые пять типов деформаций - как определяющие безопасность горных работ

Оползни при ликвидационных работах в намывных массивах развиваются на участках распространения песчано-супесчаных и частично суглинистых пород, где высота уступов обычно составляет 10-16 м. Они являются сутью технологии, предполагающей искусственное обрушение откосов и последующий размыв обрушившихся масс. Переход горных работ в глинистую зону гидроотвала сопровождался появлением новых типов деформаций, происходящих без видимого обрушения откоса по типу выдавливания намывных пород в сторону откоса взамен удаленных гидромониторной струей. Данная деформация по механизму напоминает

«выдавливание зубной пасты из тюбика» и очень похожа на деформацию оседания отвала, связанного с выдавливанием пород основания

Наиболее опасные условия образования оползней на смываемых гидроотвалах возникают в намывном массиве между забоем и разделительной дамбой, удерживающей за собой части гидроотвала, не подлежащие удалению, так как аварии здесь могут сопровождаться перемещением значительных объемов воды и пульпы, затоплением горных выработок. В настоящий момент времени данная система находится в устойчивом состоянии, о чем свидетельствуют выполненные маркшейдерские измерения. Однако дальнейшее развитие вскрышных работ в сторону насыпи и на нижние горизонты может привести к образованию катастрофических оползневых деформаций.

При ведении отвальных работ на гидроотвалах наиболее важными процессами и явлениями являются оползни и оседания, так как они происходят непосредственно на откосах отвальных сооружений и осложняют работу технологического оборудования. Они определяют во многом изменение размеров и форму нагружаемых намывных массивов. Так, при отсыпке на намывной поверхности отвала «Пихтовый» отмечается выдавливание 20-метровой толщи пород и соответственно уменьшение их мощности. Нагружение гидроотвалов отвалами «сухой» вскрыши сопровождается изменением напряженного состояния намывного массива, при этом избыточное поровое давление формируется не только под контуром нагружения, но и перед отвальным фронтом в непригруженной части (по Ю И. и Н.А. Кутеповым, ЗВО - зона влияния отвала). Ее величина может достигать значительных размеров. Так, на гидроотвале «Сагарлыкский» перед фронтом отсыпаемого 30-метрового отвального яруса она составляла 500 м.

Деформации типа оплывов происходят на склонах, сложенных текучими намывными породами. Такие склоны на гидроотвалах могут формироваться как вторичный техногенный рельеф при ведении отвальных и вскрышных работ. В первом случае, выдавленные из-под отвала массы образуют повышенные участки техногенного рельефа, в последующем растекаясь по поверхности гидроотвала под углами естественного откоса в 3-5°. При вскрышных работах с применением гидромониторного смыва тдроотвала верхняя часть намывного массива, сложенная текучими породами, постепенно деформируется под действием касательных напряжений, приобретая устойчивый уклон 3-5°.

Намывные массивы гидроотвалов характеризуются формированием и рассеиванием избыточного порового давления, которое служит хорошим индика-

тором в породах, показывающим величину и характер их нагружения, будь то-увеличение мощности пород при намыве, «отдых», отсыпка отвала на намывной массив, его ликвидация, оползневая деформация и т.д. Влияние всех перечисленных техногенных воздействий на НДС намывных пород изучалось на гидроотвалах «Кузбасса» и, в том числе, на ликвидируем объекте (см.рис 2). На рис 2а и 26 показано распределение избыточного порового давления в намывном масс-сиве, нагруженном отвальными насыпями, в отличие от ситуации, рассмотренной на рис. 2в, где избыточное поровое давление есть результат намыва и «отдыха» гидроотвала.

Решение инженерной задачи ликвидации намывных массивов невозможно без исходной информации об условиях функционирования природно-техногенной системы «гидроотвал - отвальные насыпи - естественное основание» Для получения данной информации необходимо проводить комплекс инженерно-геологических и геофизических исследований, а также маркшейдерских наблюдений, методика которых имеет специфические особенности, связанные с тем, что техногенные отложения отвалов и гидроотвалов в условиях развития геодинамических явлений и гидрогеомеханических процессов обладают переменными во времени состоянием и физико-механическими свойствами Это обусловлено, с одной стороны, уменьшением внешней нагрузки при смыве намывных пород, а с другой - наличием в массиве порового давления, скорость рассеивания которого не совпадает с темпами уменьшения нагрузки.

Особое внимание при инженерно-геологических исследованиях пород ликвидируемых намывных массивов следует уделять определению прочности пород с учетом изменения напряженного состояния в связи с уменьшением мощности пород при смыве и измерению порового давления в натурных условиях Для выполнения сдвиговых испытаний намывных пород обоснована схема «консолидированно-недренированных испытаний по обратной ветви компрессии», наиболее полно отражающая естественное напряженное и физическое состояние пород в массиве. Она позволяет получить зависимости изменения показателей прочности от эффективных напряжений (см.рис.3), которые используются при выполнении расчетов устойчивости разгружаемых намывных массивов Так, для пород песчано-супесчаной (1), суглинистой (2) и глинистой (3) зон получены следующие зависимости:

X = аЭф1д{0,0497оЭф2-1,0217а,ф +29,9) -0,0005а«,, 2+0,0122аэф +0,0037 (1)

Т = 0Эф1д(-О,О242стЭф2-О,251стЭф +22,367) -0,0005<тэф 2+0,0146<тэф +0,009 (2)

Т = ст^д(0,033аэф2-1,273а,ф +16,774) -0,0006стэф 2+0,0161a^ +0,0089 (3)

где о,ф=оПОл-Рц; «эф и ст„ол-эффективные и полные напряжения;

Ри- поровое давление.

Наибольшее внимание при выполнении исследований следует уделять замерам порового давления в намывных массивах с использованием специальной аппаратуры. Разработана методика установки приборов в предварительно пробуренную скважину и методом задавливания, схема размещения оборудования в массиве, реализованная на исследуемом объекте. Для контроля порового давления в удаляемом массиве пробурены 3 скважины в тальвеге лога, в которые размещены датчики порового давления (рис 2) Все установленные датчики соединены с накопителем информации, расположенном на одной из скважин, который представляет собой прибор, осуществляющий измерение порового давления с предварительно запрограммированной дискретностью.

Для своевременного обнаружения возникающих деформаций и обеспечения безопасности ведения горных работ производятся наблюдения за состоянием намывного массива, внешних откосов гидроотвала, откосов гидромониторных уступов, ограждающей перемычки, отвала «Пихтовый». Они включают визуальное обследование и инструментальные маркшейдерские измерения по наблюдательной станции, состоящей из реперов нескольких профильных линий. Обоснованы периодичность наблюдений в зависимости от скорости деформаций, осуществлена геодезическая привязка реперов с помощью аппаратуры автономного спутникового определения координат Ashtech ProMark 2, выполнены наблюдения с применением аппаратуры автономного спутникового определения координат Point Smart 3100 IS Для инструментальных наблюдений, кроме аппаратуры автономного спутникового определения координат, обосновано применение электронного тахеометра TOPCON 226 или других приборов аналогичных по точности и оперативности получения результатов наблюдений. Для оперативного контроля состояния наблюдаемых объектов строятся графики вертикальных, горизонтальных и полных векторов и скоростей смещения На плане отстраивают траекторию смещения реперов из каждой серии наблюдений, что позволяет вести контроль направления смещения ограждающей перемычки. Выполненные наблюдения на гидроотвале №3 за трехлетний период времени пока не позволили

установить закономерности деформационного поведения намывного массива при его частичной ликвидации; отмечается хаотичное перемещение реперов

Для исследования намывных и насыпных отложений, установления между ними границ использовались бесскважинные геоэлектрические методы контроля в вариантах вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) и электрического профилирования (ЭП) на земной поверхности, основанные на связи удельного электросопротивления (УЭС) пород с их плотностью, пористостью и степенью водонасыщения Геофизическим работам на первом этапе предшествовали инженерно-геологические исследования с целью определения границ слоев и выявления граничных показателей удельного электросопротивления. Измерения производились стандартным комплектом электроразведочной аппаратуры на основе автокомпенсатора АЭ-72. Изучение состояния массива геоэлектрическим методом на гидроотвале №3 выполнялось по трем профильным линиям, одна из которых проходит по линии тальвега лога, а две - примерно перпендикулярно тальвегу Были установлены границы выделения зоны текучих пород по глубине, характеризующиеся сопротивлением менее 5 Ом.

Обоснование параметров намывных массивов при частичном удалении гидроотвалов должно базироваться на гидрогеомеханической модели объекта, которая является формализованным представлением о нем с позиций основных принципов гидрогеомеханики, отражая геолого-структуриое строение массива, инженерно-геологические и гидрогеологические условия, напряженно-деформированное состояние пород, а также основные процессы и явления, определяющие их эволюцию при реализации определенных технических решений и целевого использования сооружения. Для случая ликвидации гидроотвала намывной массив характеризуется определенными размерами и формой, инженерно-геологическим строением (см.рис. 1), в нем развит техногенный водоносный горизонт с напорно-безнапорным режимом фильтрации. В пределах всего намывного массива протекают процессы фильтрационной консолидации, сопровождающиеся образованием и изменением избыточного порового давления, а также уплотнением и разуплотнением намывных пород. На откосах гидроотвалов, горных выработок в намывных массивах и отвальных насыпей под воздействием касательных напряжений развиваются процессы сдвиговой ползучести.

При частичной ликвидации намывного массива происходит изменение его геометрических размеров, вызывая тем самым изменение напряженно-деформированного состояния пород При этом процесс ликвидации носит постепенный

характер с определенной интенсивностью изменения напряженного состояния Уменьшение мощности массива соответственно снижает нагрузку на оставшиеся нижележащие породы До ликвидационных работ в намывном массиве сформировалось напряженное состояние с определенным поровым давлением При высокой интенсивности ликвидационных работ, превышающей закономерный ход рассеивания порового давления, возникают условия снижения эффективных напряжений в скелете, когда внешняя нагрузка уменьшается значительно, а поровое давление остается практически неизменным Этот процесс по сути своей можно определить как «деконсолидация пород» Намывные породные массивы сложены глинистыми водонасыщенными слаболитифицированными образованиями, обладающими способностью к медленным пластичным деформациям ползучести в откосах под действием сдвигающих усилий Рассмотренные выше процессы изменения порового давления и ползучести при сдвиге могут протекать совместно, предопределяя друг друга

Прогноз избыточного порового давления в породах гидроотвалов рекомендуется выполнять с использованием типовых расчетных схем, соответствующих имеющимся аналитическим решениям одномерных задач теории фильтрационной консолидации. Для условий частичного удаления намывного массива рекомендуется использовать решение «об уплотнении слоя под действием собственного веса слагающих его пород». В этом случае за начальные условия принимается характер распределения порового давления на момент начала вскрышных работ, мощность слоя берется с учетом ликвидационных работ; расчеты выполняются во времени в зависимости от дренажных условий (слой на водоупоре или дренаже)

Для наиболее точного прогнозирования избыточного порового давления в ликвидируемом намывном массиве следует использовать профильную (двумерную) гидрогеомеханическую модель, базирующуюся на дифференциальном уравнении плановой фильтрации в деформируемых водонасыщенных породах В модели дифференциальное уравнение реализуется методом конечных разностей в нелинейной постановке, т.е. используемые при моделирооании гидрогеологические и инженерно-геологические характеристики изменяются в соответствии с эффективными напряжениями в породах.

Моделирование напряженно-деформированного состояния выполнялось для намывного массива гидроотвала мощностью 40 и протяженностью 1500 м, в его основании залегает слой естественных пород неоген-четвертичного возраста мощностью Юм (рис. 4). Намывные породы представлены супесями, суглинками

и глинами (см.рис. 1). Напоры воды в техногенных и естественных породах для модели принимались по данным натурных измерений датчиками лорового давления, полученными на различных этапах формирования массива.

Зона I с япесчоноя

Зон а И суглинистая

Зона Ш глинистая

А. 7

1.0 —

2-0

3В

4.2-

5.0

7.а

8 а

9 6-

11.4

12.6-

«5.1

6Л

17.0

гоа

400

600

во о

1о оо

1гоо

<400 -16 00

-)800х,

Рис.4. Гидрогеомеханическая модель частичной ликвидации гидроотвала

№3

ф - исходная поверхность гидротвала в момент завершения стадии «отдых», (?) - четвертичные отложения в основании гидроотвала; @ - контур проектируемого карьера; @ - оставляемая часть гидроотвала; © - этапы разработки и время их завершения в годах;строка №2 элементарных блоков; столбец №12 элементарных блоков

На первом этапе создания гидрогеомеханической модели выполнялась ее калибрация - ретроспективный подбор основных параметров, на втором этапе производились прогнозные оценки изменения порового давления в зависимости от выбранного порядка частичной ликвидации гидроотвала. Порядок отработки массива принят при высоте уступа 10 м и годовом объеме вскрышных работ 3-5 млн. м3 в год, что соответствует скорости перемещения фронта горных работ около 1 м/сут или 350 м/год. На рис.4 показаны этапы отработки.

Результаты моделирования позволяют отметить следующее:

1) наибольшие величины избыточного порового давления в намывном массиве формируются в начальный период отработки очередного слоя;

2) скорость рассеивания порового давления зависит от литологии и проницаемости пород: максимальная в зоне песчано-супесчаных пород, а минимальная - в глинистой зоне;

3) на конечный этап отработки гидроотвала при условии создания откоса под углом 5° в нем сохраняется избыточное поровое давление величиной 0,03 МПа (рис 5), которое в три раза меньше полученного при использовании аналитического решения одномерной задачи фильтрационной консолидации.

Результаты моделирования использовались для обоснования параметров горных выработок при ликвидации гидроотвала, выбора направления и интенсивности вскрышных работ

Разработанные на основе гидрогеомеханических моделей рекомендации по параметрам ликвидируемого намывного массива должны реализовываться на конкретных объектах при обязательном выполнении мониторинга безопасности Его целью являются обеспечение контроля состояния намывного массива, предупреждение возникновения аварийных ситуаций и создание безопасных условий функционирования оставшейся части сооружения Мониторинг должен обеспечивать получение качественной и достоверной информации в необходимых объемах с использованием методов и средств гадрогеомеханического, маркшейдерского и технологического контроля

1200

<400

4600

4800

1900

Рис.5. Распределения избыточного порового давления в откосе выемки на участке гидроотвала №3, полученные двумерным численным моделированием (сплошная линия) и аналитическим одномерным решением (пунктир) на конец частичной ликвидации гидроотвала' (О- исходная поверхность гидротвапа в момент завершения стадии «отдых»,четвертичные отложения в основании гидроотвала; (5) - контур проектируемого карьера; (4) - оставляемая часть гидроотвала; _3_- изолиния избыточного порового давления, равного 3 м водяного столба (0,03 МПа) по результатам численного моделирования, —3 — то же по результатам аналитического решения

Гидрогеомеханический контроль - система натурных исследований и наблюдений за изменением инженерно-геологических условий сооружения и управления геодинамическими и гидрогеомеханическими процессами и явлениями, развивающимися в намывном массиве Организация и функционирование гидро-геомеханического мониторинга предполагает выполнение работ по созданию постояннодействующих гидрогеомеханических станций с закладкой датчиков порового давления. Оценка состояния устойчивости сооружения по результатам гидрогеомеханического мониторинга осуществляется либо непосредственным расчетом на базе разработанной гидрогеомеханической модели коэффициента запаса устойчивости откосов с использованием фактически замеренных величин порового давления, либо методом сравнения замеренных величин порового давления со значениями критериев безопасности (предельнодопустимым и критическим значением порового давления).

Разработка рекомендаций по частичной ликвидации гидроотвалов требует обоснования параметров откосов оставшихся частей сооружений и горных выработок при выполнении ликвидационных работ. Обоснование параметров намывного массива гидроотвала, не подлежащего отработке, можно осуществлять с использованием рассмотренной выше гидрогеомеханической модели объекта (см рис. 4). Расчеты устойчивости, выполненные для условий пятиградусного откоса с использованием зависимости (3), свидетельствуют о его состоянии, близком к предельному равновесию, т е. безопасность его не обеспечивается. Для обеспечения требований по безопасности необходимо разработать мероприятия по формированию новой устойчивой конструкции откоса с использованием достаточно прочного и проницаемого материала отвалов «сухой» вскрыши. В этом случае следует применять установленные на гидроотвале закономерности развития геодинамических и гидрогеомеханических процессов и явлений С их учетом рекомендуется отсыпать разделительную дамбу высотой, обеспечивающей выдавливание намывных пород из-под отвала и замещение их отвальными массами

Разработанные рекомендации по параметрам и технологии ликвидационных работ позволили получить экономический эффект за счет вовлечения в разработку дополнительных запасов 70 млн. мэ угля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи икже-нерно-геологического обоснования технологических решений по частичной ликвидации гидроотвала вскрышных пород, что способствует повышению эффективности горных работ, их промышленной и экологической безопасности при открытой разработке месторождений угля

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Установлено, что процесс формирования состава, состояния и свойств намывных массивов (технолитогенез) происходит в несколько этапов, каждый из которых соответствует определенным стадиям производства. Изменение состояния и свойств пород в сооружении определяется, с одной стороны, интенсивностью изменения нагрузки при намыве, отсыпке отвалов и разработке намывных пород, а с другой - образованием и рассеиванием порового давления Под влиянием природных и технологических процессов намывные породы претерпевают изменения различного характера: они могут уплотняться в процессе фильтрационной консолидации от текучей до полутвердой консистенции с соответствующим возрастанием прочности или, наоборот, разуплотняться со снижением прочностных свойств.

2 Доказано, что под воздействием горных работ при отработке гидроотвалов происходит изменение инженерно-геологических условий намывного массива, что сопровождается активным развитием различных геодинамических процессов, таких, как оползни и оплывание откосов в намывных массивах, осадки или подъем поверхности гидроотвала, вызванные консолидацией или деконсолидацией пород, оседание насыпей в результате выдавливания из-под них намывных пород; установленные закономерности проявления геодинамических процессов необходимо учитывать при обосновании технологических параметров ликвидации гидроотвалов.

3. Разработана методика изучения условий ликвидации гидроотвалов, учитывающая специфические особенности изменения инженерно-геологической обстановки при ведении горных работ, заключающиеся в том, что в результате развития гидрогеомеханических и геодинамических процессов, инициированных технологическим вмешательством, изменяются геометрические размеры намывных массивов, напряженно-деформированное состояние и свойства пород в течение всего периода ликвидации сооружения При этом геометрические размеры

намывных массивов изменяются с интенсивностью, превышающей скорость рассеивания порового давления, что предопределяет деконсолидацию намывных пород с соответствующим снижением прочности.

4. Обосновано, что в комплексной программе исследовательских работ инженерно-геологические методы ориентированы главным образом на оценку и прогноз изменения порового давления - как основного фактора, определяющего напряженно-деформированное состояние намывных пород, тесно увязанного корреляционными зависимостями с их физико-механическими свойствами и поддающегося непосредственному контролю на любом этапе производства работ Для выявления неоднородности строения намывного массива, обусловленной различной степенью консолидации пород, и наблюдений за деформациями его поверхности при выполнении вскрышных работ разработана и апробирована методика геофизического и маркшейдерского изучения

5. Доказано, что прогнозирование избыточного порового давления в ликвидируемом намывном массиве рекомендуется выполнять с использованием математического моделирования в рамках профильной (двумерной) гидрогеомеха-нической модели, базирующейся на дифференциальном уравнении плановой фильтрации в деформируемых водонасыщенных породах, реализуемом методом конечных разностей в нелинейной постановке. Моделирование напряженно-деформированного состояния ликвидируемого намывного массива выполнялось для гидроотвала №3 при порядке его отработки высотой уступа 10 м и годовом объеме вскрышных работ 3-5 млн.м3. Результаты моделирования позволяют отметить, что на конечный этап отработки гидроотвала при условии создания откоса под углом 5° в нем сохраняется избыточное поровое давление величиной до 0,04 МПа.

6. Разработана методика организации мониторинга безопасности при выполнении горных работ по частичной ликвидации гидроотвалов, включающая гидрогеомеханические и маркшейдерские наблюдения за напряженно-деформированным состоянием намывного массива Система мониторинга безопасности осуществляется с применением аппаратуры и технических средств, позволяющих производить контролирование устойчивости формируемых в намывных массивах откосов с необходимой для обеспечения безопасности периодичностью наблюю-дений. Для условий гидроотвала №3 разработаны рекомендации по частичной его ликвидации, выполнено обоснование параметров откосов оставшихся частей

сооружений и горных выработок при выполнении ликвидационных работ в намывном массиве.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. 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

2. Протасов С.И., Бахаева С П., Костюков Е.В, Серегин Е А., Федосеев А И Отработка техногенного массива четвертичных отложений гидроотвала в условиях ОАО «Разрез Кедровский». Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах. IIМат. V Междунар. науч -практ. конф КузГТУ. -Кемерово - 2002 - с. 66-67.

3. 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

4. Бахаева С П., Костюков Е.В., Протасов С.И., Практика СВ., Федосеев А И Исследование гидрогеомеханических процессов техногенных массивов. -Кемерово' Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2005. №3. С41-43.

Подписано в печать Формат 60x90/16

Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ Ш^Об

Типография МГГУ. Ленинский пр., 6

¿ooáA

-Г-/6&6

06 11*3S

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Федосеев, Алексей Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

1.АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЛИКВИДАЦИИ ГИДРООТВАЛОВ КУЗБАССА.

1.1. Развитие гидромеханизационных работ на разрезах Кузбасса и характеристика гидроотвалов, подлежащих отработке открытыми горными работами.

1.2. Анализ изученности намывных техногенных массивов и способов частичной и полной ликвидации гидроотвалов.

1.3. Цели и задачи исследований.

2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ЛИКВИДАЦИИ ГИДРООТВАЛОВ.

2.1. Закономерности формирования строения, состава, состояния и свойств пород намывного массива.

2.2. Геодинамические явления при намыве гидроотвалов, отсыпке на поверхности отвалов «сухих» пород и их ликвидации.

2.3. Изучение гидрогеомеханических процессов в намывных массивах. gg

2.4. Инженерно-геологическое изучение гидроотвала №3.^

2.5. Выводы по разделу 2.gg

3. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ НАМЫВНЫХ МАССИВОВ ЛИКВИДИРУЕМЫХ ГИДРООТВАЛОВ.

3.1. Общие положения. ^

3.2. Инженерно-геологические исследования состояния и свойств намывных пород.

3.3. Маркшейдерские методы наблюдений за деформациями поверхности гидроотвалов.

3.4. Геофизические исследования техногенных массивов гидроотвалов.

3.5. Выводы по главе 3. gg

4.ОБОСНОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ ЧАСТИЧНОЙ ЛИКВИДАЦИИ ГИДРООТВАЛА №3.

4.1. Гидрогеомеханические модели намывных массивов.

4.2. Прогноз напряженно-деформированного состояния пород намывных массивов при выполнении в них горных работ, связанных с ликвидациеи гидроотвала.

4.3. Мониторинг безопасности ведения горных работ на гидроотвалах.

4.4. Рекомендации по параметрам и технологии горных работ при ликвидации гидроотвала №3 разреза «Кедровский».

4.5. Выводы по главе 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Инженерно-геологическое обоснование частичной ликвидации гидроотвалов вскрышных пород"

Актуальность работы. Открытая добыча угля в Кузбассе осуществляется с применением гидромеханизационных технологий, сопровождающихся складированием гидровскрышных пород в специальные намывные сооружения -гидроотвалы. За все время использования гидромеханизации на предприятиях УК «Кузбассразрезуголь», начиная с 1951 года, удалено более 900 млн. м3 вскрышных пород с размещением их в 50 гидроотвалах различной высоты и. емкости, занимающих в совокупности площадь порядка 7000 га. Намывные массивы гидроотвалов являются специфическими инженерно-геологическими объектами, сложенными слабопроницаемыми водонасыщенными глинистыми породами с низкой прочностью и несущей способностью, что обусловливает повышенные требования к качеству оценок и прогнозов устойчивости намывных откосов на всех этапах функционирования гидроотвальных сооружений.

Гидроотвалы вскрышных пород являются опасными объектами промышленной гидротехники, подчиняющиеся требованиям Федеральных Законов «О безопасности гидротехнических сооружений» (№117-ФЗ) и «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (№116 - ФЗ), которые регулируют отношения, возникающие при осуществлении деятельности по обеспечению безопасности при проектировании, строительстве, вводе в эксплуатацию, реконструкции, восстановлении, консервации и ликвидации опасных производственных объектов.

После завершения эксплуатации некоторые гидроотвалы оказались в зоне влияния вскрышных и добычных горных работ. Например, под гидроотвалом. № 3 разреза «Кедровский» доразведкой установлены дополнительные запасы, угля в объеме 70 млн. м3, для извлечения которых необходимо частичное удаление намывного массива и формирование устойчивой конструкции оставшейся части сооружения.

Обоснование технологических решений по частичной ликвидации гидроотвалов невозможно без детальных исследований инженерно-геологических условий намывных массивов, которые должны обеспечивать получение достоверной информации о строении, составе, состоянии • и свойствах намывных пород, сформировавшихся в ходе технолитогенеза на стадиях, предшествующих ликвидации объекта, а также о закономерностях изменения инженерно-геологической обстановки в результате развития гидрогеомеханических и геодинамических процессов, инициированных горными работами на стадии ликвидации сооружения. Учитывая специфику решаемого вопроса, необходимо разработать специальные методики: -инженерно-геологических, гидрогеологических, геофизических и маркшейдерских исследований и наблюдений; - обоснования параметров намывного массива при его отработке в зависимости от применяемой технологии; - мониторинга безопасности горных работ при отработке гидроотвала.

Таким образом, актуальность работы, направленной на разработку методов инженерно-геологического изучения, обоснования оптимальных параметров и контролирования состояния намывных массивов при частичной отработке гидроотвалов вскрышных пород, обусловлена необходимостью разработать рекомендации по обеспечению безопасности горных работ при открытой разработке угля.

Целью работы является разработка инженерно-геологического обоснования технологических решений по ликвидации гидроотвалов вскрышных пород для обеспечения технико-экономической эффективности, экологической и промышленной безопасности горных работ.

Идея работы. Обоснование экологической и промышленной безопасности ликвидации гидроотвалов базируется на комплексном изучении условий переформирования намывных массивов с привлечением инженерно-геологических, маркшейдерских и геофизических методов исследований, а также математического моделирования гидрогеомеханических процессов при обязательном выполнении мониторинга безопасности, включающего контроль напряженно-деформированного состояния намывных пород.

5. Разработать методику мониторинга безопасности горных работ при частичном удалении гидроотвалов.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна;

Инженерно-геологические условия намывных массивов ликвидируемых гидроотвалов определяются процессами технолитогенеза, развивающимися поэтапно в течение всего времени существования объекта, сутью которых является формирование строения, состава, состояния и свойств пород намывных массивов на стадиях, предшествующих ликвидации, и их изменение вследствие развития гидрогеомеханических и геодинамических процессов, вызванных производством ликвидационных горных работ.

Изучение намывных массивов ликвидируемых гидроотвалов следует производить с применением комплекса различных методов: инженерно-геологических, маркшейдерских и геофизических, при этом инженерно-геологические методы направлены на определение строения, состава, физического и напряженного состояния, физико-механических свойств намывных пород, маркшейдерские - на наблюдения за развитием геодинамических явлений, а геофизические - на изучение структуры и строения техногенных массивов.

Обоснование параметров намывных массивов ликвидируемых гидроотвалов следует выполнять с применением методов математического моделирования напряженно-деформированного состояния намывных массивов на базе построения гидрогеомеханических моделей, учитывающих инженерно-геологические, гидрогеологические, технологические условия производства вскрышных, отвальных и гидроотвальных работ, а также мониторинговых систем, осуществляющих контролирование напряженно-деформированного состояния намывных- пород посредством измерений порового давления в массиве и деформаций поверхности сооружения.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается:

- данными экспериментальных исследований строения, состава, состояния и свойств намывных пород;

- положительной апробацией полученных результатов по обоснованию параметров гидровскрышных уступов и намывных массивов.

Научное значение работы состоит в: - изучении инженерно-геологических условий ликвидации намывных техногенных массивов; - установлении закономерностей развития технолитогенетических, гидрогеомеханических и геодинамических процессов и явлений; - разработке методики маркшейдерских, инженерно-геологических и геофизических исследований; - разработке методики обоснования параметров намывных массивов, технологических схем частичной отработки гидроотвалов и мониторинга безопасности ликвидационных работ.

Практическая ценность работы заключается в: - установлении расчетных показателей физико-механических свойств намывных и насыпных техногенных пород; - разработке рекомендаций по параметрам вскрышных работ по частичному удалению гидроотвала № 3 разреза «Кедровский» и части намывного сооружения, не подлежащей удалению; - организации и выполнении мониторинга безопасности вскрышных гидромеханизационных работ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международном научном симпозиуме «Неделя Горняка», состоявшемся в период с 23 по 26 января 2006 года в МГГУ г. Москве, научно-техническом совете УК «Кузбассразрезуголь» и заседании кафедры геологии МГГУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н. Кутепову Ю.И. за помощь на всех этапах работы над диссертацией, заведующему кафедрой геологии МГГУ проф., д.т.н. Гальперину A.M., проф., д.т.н. Ермолову В.А., проф., д.т.н. Мосейкину В.В., к. г.-м. н. Стрельскому Ф.П., доц., к. т. н. Протасову С.И.доц., к.т.н. Щекиной М.В., за ценные советы и консультации, а также всем сотрудникам кафедры геологии МГГУ за помощь и поддержку.

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Федосеев, Алексей Иванович

4.5. Выводы по главе 4.

1. Обоснование частичной ликвидации гидроотвалов следует осуществлять на базе гидрогеомеханических моделей объектов, являющихся формализованным представлением с о нем с позиции основных принципов гидрогеомеханики - области научных знаний на стыке геомеханики, гидрогеологии и инженерной геологии, включающих геолого-структурное строение массива, инженерно-геологические и гидрогеологические условия, напряженно-деформированное состояние пород, а также основные процессы и явления, определяющие их эволюцию при реализации определенных технических решений и целевого использования сооружения.

2. Прогнозирование избыточного порового давления в ликвидируемом намывном массиве рекомендуется выполнять с использованием аналитических решений одномерной задачи фильтрационной консолидации и математического моделирования. В последнем случае моделирование осуществляется в рамках профильной (двухмерной) гидрогеомеханической модели, базирующейся на дифференциальном уравнении плановой фильтрации в деформируемых водонасыщенных породах, реализуемом методом конечных разностей в нелинейной постановке. Моделирование напряженно-деформированного состояния ликвидируемого намывного массива выполнялось для гидроотвала №3 при» порядке его отработки высотой уступа 10 м и годовом объеме вскрышных работ 3-5 млн. м3. Результаты моделирования позволяют отметить, что на конечный этап отработки гидроотвала при условии создания откоса под углом 5 град, в нем сохраняется избыточное поровое давление величиной до 0, 04 МПа.

3. Разработана методика организации мониторинга безопасности при выполнении горных работ по частичной ликвидации гидроотвалов, включающая гидрогеомеханические и маркшейдерские .наблюдения за напряженно-деформированным состоянием намывного массива. Система мониторинга безопасности осуществляется с применением1 аппаратуры и технических средств, позволяющих производить контролирование устойчивости формируемых в намывных массивах откосов с необходимой для обеспечения безопасности периодичностью наблюдений.

4. Для условий гидроотвала №3 разработаны рекомендации по частичной его ликвидации, включающие:

1) обоснование высоты гидровскрышных уступов при удалении намывного массива для песчано-супесчаной и суглинистых зон 15 метров и глинистой зоны 5-7 метров;

2) предложения по созданию новой устойчивой конструкции откоса остающейся части намывного массива.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи инженерно-геологического обоснования технологических мероприятий по частичной ликвидации гидроотвала вскрышных пород, что способствует повышению эффективности горных работ, их промышленной и экологической безопасности.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем: 1. Гидроотвалы вскрышных пород представляют собой специфические инженерно-геологические объекты, сложенные глинистыми техногенными слабопроницаемыми отложениями с низкой прочностью и несущей способностью; выполнение горных работ на гидроотвалах сопровождается развитием различных геодинамических и гидрогеомеханических процессов и явлений, опасных для производства и окружающей природной среды.

2. Процесс формирования состава, состояния и свойств намывных массивов (технолитогенез) происходит в несколько этапов, каждый из которых соответствует определенным стадиям производства. Изменение состояния и свойств пород в сооружении определяется, с одной стороны, интенсивностью изменения нагрузки при намыве, отсыпке отвалов и разработке намывных пород, а с другой - образованием и рассеиванием порового давления. Под влиянием природных и технологических процессов намывные породы претерпевают изменения различного характера: они могут уплотняться в процессе фильтрационной консолидации от текучей до полутвердой консистенции с соответствующим, возрастанием прочности или, наоборот, разуплотняться со снижением прочностных свойств.

3. Под воздействием горных работ при отработке гидроотвалов происходит изменение инженерно-геологических условий намывного массива, что сопровождается активным развитием различных геодинамических процессов, таких как оползни и оплывание откосов в намывных массивах, осадки или подъем поверхности гидроотвала, вызванные консолидацией или деконсолидацией пород, оседание насыпей в результате выдавливания из-под них намывных пород; установленные закономерности проявления геодинамических процессов.необходимо учитывать при обосновании технологических параметров ликвидации гидроотвалов.

4. Разработана методика изучения условий ликвидации гидроотвалов, учитывающая специфические особенности изменения инженерно-геологической обстановки при ведении горных работ, заключающиеся в том, что в результате развития гидрогеомеханических и геодинамических процессов, инициированных технологическим вмешательством, изменяются геометрические размеры намывных массивов, напряженно-деформированное состояние и свойства пород в течение всего периода ликвидации сооружения. При этом геометрические размеры намывных массивов изменяются с интенсивностью, превышающей скорость рассеивания порового давления, что предопределяет деконсолидацию намывных пород с соответствующим снижением прочности. : В комплексной программе исследовательских работ инженерно-геологические методы ориентированы главным-образом на оценку и прогноз изменения порового давления - как основного фактора, определяющего напряженно-деформированное состояние намывных пород, тесно увязанного корреляционными зависимостями с их физико-механическими свойствами и поддающегося непосредственному контролю на,любом этапе производства работ. Для выявления неоднородности строения намывного массива, обусловленной различной степенью консолидации пород, и наблюдений за деформациями его поверхности при выполнении вскрышных работ разработана и апробирована методика геофизического и маркшейдерского изучения.

5. Прогнозирование избыточного порового давления в ликвидируемом намывном массиве рекомендуется выполнять с использованием^ математического моделирования в рамках профильной (двухмерной) гидрогеомеханической! модели, базирующейся на дифференциальном уравнении плановой фильтрации в деформируемых водонасыщенных породах, реализуемом методом конечных разностей в нелинейной постановке. Моделирование напряженно-деформированного состояния ликвидируемого намывного массива выполнялось для гидроотвала №3 при порядке его отработки высотой уступа 10 м и годовом объеме вскрышных работ 3-5 млн. м3. Результаты моделирования позволяют отметить, что на конечный этап отработки гидроотвала при условии создания откоса под углом 5 град, в нем сохраняется избыточное поровое давление величиной до 0, 04 МПа.

6. Разработана методика организации- мониторинга безопасности при выполнении горных работ по частичной ликвидации гидроотвалов; включающая гидрогеомеханические и маркшейдерские наблюдения за напряженно-деформированным состоянием намывного массива. Система мониторинга безопасности осуществляется с применением аппаратуры и технических средств, позволяющих производить контролирование устойчивости формируемых в намывных массивах откосов с необходимой для обеспечения безопасности периодичностью наблюдений.

7. Для условий гидроотвала №3 разработаны рекомендации по частичной его ликвидации, выполнено обоснование параметров откосов оставшихся частей сооружений и горных выработок при выполнении ликвидационных работ в намывном массиве.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Федосеев, Алексей Иванович, Москва

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

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

3. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть I. Изучение гидрогеомеханических условий строительства эксплуатации и рекультивации отвальных сооружений. Л.: ВНИМИ, 1989

4. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. Изучение порового давления в намывных массивах. М.: Наука. «Геоэкология», 2006, №2, с.205-215

5. Гальперин A.M. Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях. М.: Недра. 1988

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

7. Нурок Г.А. Гидромеханизация открытых разработок. М.: Недра, 1970

8. Нурок Г.А. Процессы, технология, гидромеханизация открытых горных работ. М.: Недра, 1985,470 с.

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

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

11. Гальперин A.M. Гидромеханизированные природоохранные технологии. М.: Недра, 1993

12. Гальперин A.M. Геомеханика открытых горных работ. М.: МГГУ, 2003

13. Гальперин A.M. Специальные вопросы инженерной геологии при гидромеханизации открытых разработок. М.: МГИ, 1974

14. Зайцев B.C. Прогноз и контроль состояния глинистых пород откосных сооружений рассолохранилищ. Авт. дис. на соиск. учен. степ, канд.техн.наук, М, МГИ, 1978.

15. Лапочкин Б.К. Инженерно-геологическая оценка' намывных глинистых грунтов для увеличения емкости гидроотвалов. Авт. дис. на соиск. учен. степ, канд.техн.наук, М, МГУ, 1978.

16. Кириченко Ю.В. Управление состоянием массивов гидроотвалов для эффективного использования намывных территорий. Авт. дис. на соиск. учен. степ, канд.техн.наук, М, МГИ, 1983. ;

17. Щербакова Е.П. Инженерно-геологическое и геоморфологическое обоснование техногенного рельефа намывных территорий гидроотвалов. II Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. -М.: МГГУ, 1997

18. Щёкина М.В. Разработка методов прогноза и оперативного контроля геомеханических процессов в намывных массивах с применением компьютерных технологий. II Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М.: МГГУ, 2000

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

20. Демченко А.В. Формирование дренажных элементов гидроотвалов разрезов Кузбасса для повышения их вместимости и устойчивости. II Дисс. на соиск. уч. ст. канд.техн.наук. -М.: МГГУ, 1999

21. Ермошкин В.В. Разработка методики геолого-маркшейдерского обеспечения безопасности гидроотвалов вскрышных пород (на примере гидроотвалов Кузбасса). Авт. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М.: МГГУ, 2001

22. Могилин А.В. Инженерно-геологическое обоснование технологии формирования отвальных насыпей на гидроотвалах. II Дисс. на соиск. уч. ст. канд.техн.наук. М.: МГГУ, 2002

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

24. Жариков В.П. Инженерно-геологическое и 'гидрогеологическое обоснование эксплуатации и рекультивации гидроотвалов вскрышных пород Центрального Кузбасса. Авт. дис. на соиск. учен. степ, канд.техн.наук, М, МГИ, 1978.

25. Кириченко Ю.В. Обеспечение; экологической безопасности формирования техногенных массивов. II Дйсс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. М.: МГГУ, 2001'.

26. Мосейкин В.В. Горно-геологическая оценка намывных техногенных массивов хранилищ горнопромышленных отходов. Авт. дис. на соиск. учен. степ, доктора; техн. наук, М, МГИ, 2000.

27. Методические указания по определению параметров угольных- разрезов. Л: издательство ВНИМИ, 1975 г

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

29. Кутепов Ю.И. Инженерно-геологические условия устойчивости техногенных пород. II Дисс. на соиск. уч. ст. канд. геол.-мин. наук. Л.: ВНИМИ, 1981

30. Кутепова Н.А. Инженерно-геологические условия формирования свойств техногенных отложений углеобогатительных фабрик. //// Дисс. на соиск. уч. ст. канд.геол.-мин.наук. -Л.: 1987

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

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

33. Каминская В.И. Основные принципы управления процессом намыва сооружений. II Труды ВНИИГ «Технология производства специальных строительных работ», 1993. с.З-14

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

35. Заключение экспертизы промышленной безопасности №18-2004 по оценке состояния намывного массива и ограждающих сооружений на площади бывшего гидроотвала №3

36. Филиала «Кедровский угольный разрез» ОАО «УК» Кузбассразрезуголь» по результатам натурных наблюдений. Кемерово: НФ «Кузбасс-НИИОГР»,2004, -57с.

37. Инженерно-геологические изыскания на пляжной зоне гидроотвала №3 Филиала «Кедровский угольный разрез» ОАО «УК» Кузбассразрезуголь».-Кемерово, ООО «Геомеханика», 2004, -38с.

38. Правила безопасности при эксплуатации хвостовых, шламовых и гидроотвальных хозяйств.- НИИ ВИОГЕМ. Минпрома России, 1997.

39. Правила безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов (ПБ 03-438-02). Серия 03. Выпуск 14/ Колл. авт. М.: ФГУП «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора. России», 2004.128с.

40. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. Техногенез намывных отложений. М.: Наука. «Геоэкология», 2003, №5, с.405-413

41. Загоруйко Л.П. Повышение устойчивости отвалов с помощью технологии открытых горных работ. Киев, Из-во УкрНИИНТИ, 1969, 68с.

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

43. Отчет по работе 0292011000 «Разработать и внедрить рекомендации по оптимальным параметрам гидроотвалов и отвалообразованию «сухих» пород на гидроотвалах разрезов «Колмогоровский» и «Новосергеевский». Л.: Фонды ВНИМИ, 1988,-43с.

44. Установка датчиков порового давления в скважинах на площади бывшего гидроотвала №3 Филиала «Кедровский угольный разрез» ОАО «УК» Кузбассразрезуголь», СПб.: ООО НПФ «Карбон», 2004,43с.

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

46. Протасов С.И., Вегнер В.Р., Бахаева СП., 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.

47. Бахаева С.П., Костюков Е.В., Протасов С.И., Практика СВ., Федосеев А.И. Исследование гидрогеомеханических процессов техногенных массивов. Вестник Кузбасского государственного технического университета. №3, 2005, С41-43.

48. Костюков Е.В. «Исследование физического состояния оценки устойчивости грунтовых дамб гидротехнических сооружений горных предприятий геоэлектрическим методом. Авт. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Кемерово, КузГТУ, 2004.

49. Котлов Ф.В. Изменение геологической среды под влиянием деятельности1 человека. М.: Недра, 1978. 263 с.

50. Страхов Н.М.Типы литогенеза и их эволюция в истории земли. М.: Недра, 1963. 535 с.

51. Отчет по работе «Разработать рекомендации по частичной отработке гидроотвала №3 разреза «Кедровский» и параметрам отвалообразования на намывном основании». СПб, 1991 г.

52. Отчет по работе «Выполнить инженерно-геологические исследования на гидроотвале №3 для уточнения параметров гидровскрышных уступов; установить в намывные породы контрольно-измерительную аппаратуру». СПб, 1992 г.

53. Отчет по работе «Выполнить инженерно-геологическое изучение пород прудковой зоны гидроотвала №3 и уточнить параметры гидровскрышных уступов- при> их смыве» СПБ, 1994 г.

54. Кутепов Ю.И., Саркисян А.Х. Выбор схемы сдвиговых испытаний при изучении глинистых отложений из формируемых отвальных сооружений. М.: Геология и разведка, 2002, №2, с. 103-106

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

56. 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. : :

57. Зарецкий Ю.К. Вязко пластичность грунтов и расчеты сооружений. - М.: Стройиздат, 1988

58. Гальперин A.M. Специальные вопросы инженерной геологии при гидромеханизации открытых разработок. М.: МГИ, 1974

59. Прогноз скоростей осадок оснований сооружений / Н.А.Цытович, Ю.К.Зарецкий, М.В.Малышев и др. М.: Стройиздат, 1967, 330 с.

60. Годлевская Г.И., Кутепов Ю.И., Демченко А.И. Исследование условий консолидации пород гидроотвалов при нагружении. IIТр. ЛГИ, сб. «Физические процессы в массиве горных пород». Л.: ЛГИ, 1985, с.81-89

61. Гальперин A.M. Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях. -М.: Недра. 1988

62. Флорин В.А. Основы механики грунтов. М.-Л.,1959,161,Т.1,П.

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

64. Мироненко В.А. Шестаков В.М. Основы гидрогеомеханики. -М.:Недра, 1974.

Информация о работе

Федосеев, Алексей Иванович
кандидата технических наук
Москва, 2006
ВАК 25.00.16

Диссертация

Инженерно-геологическое обоснование частичной ликвидации гидроотвалов вскрышных пород - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы