Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка закономерностей изменения инженерно-геологических условий устойчивости гидроотвалов вскрышных пород в зависимости от этапа эксплуатации

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

Автореферат диссертации по теме "Оценка закономерностей изменения инженерно-геологических условий устойчивости гидроотвалов вскрышных пород в зависимости от этапа эксплуатации"

На правах рукописи

ЧЕРЕМХИНА АНАСТАСИЯ ПЕТРОВНА

ОЦЕНКА ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГИДРООТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЭТАПА ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 25.00.16 - Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия и^п

005554937

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005554937

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель -

доктор технических наук, старший научный сотрудник

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет МИСиС», кафедра геологии, заведующий кафедрой

доктор технических наук, профессор, Муромский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», кафедра автоматизированного проектирования машин и технологических процессов, профессор

Ведущая организация - ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, защите инженерных сооружений от обводнения, специальным горным работам, геомеханике, геофизике, гидротехнике, геологии и маркшейдерскому делу»

Защита диссертации состоится 8 октября 2014 г. в 14.30 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.08 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 3416а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 11 июля 2014 г.

Кутепова Надежда Андреевна

Официальные оппоненты:

Гальперин Анатолий Моисеевич

Шпаков Петр Сергеевич

диссертационного совета

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

СКАЧКОВА Мария Евгеньевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Гидромеханизация при открытой разработке угля в Кузбассе применяется с 1951г. для удаления покровных неоген-четвертичных пород, залегающих сплошным чехлом на продуктивной угленосной толще месторождений. За шесть десятилетий было смыто около 1 млрд. м3 пород с размещением в гидроотвалы. Общее количество зарегистрированных гидроотвалов составляет 57 объектов. В настоящее время гидромеханизация применяется филиалами ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», в эксплуатации находятся 5 многоярусных гидроотвалов высотой более 50 м, которые относятся к гидротехническим сооружениям I класса ответственности.

Сооружения промышленной гидротехники являются опасными объектами, аварии на которых сопряжены с причинением тяжелых материальных, экологических и социальных ущербов. Деятельность, связанная с эксплуатацией гидроотвалов, регламентируется Федеральным законом «О безопасности гидротехнических сооружений» и контролируется органами государственного надзора. Нормативными документами Ростехнадзора определены требования к периодичности пополнения инженерно-геологической информации на объектах промышленной гидротехники - не реже чем раз в 5 лет или через 10 м наращивания. Однако динамичное изменение состояния и свойств намывных пород в процессе эксплуатации гидроотвалов обусловливает неопределенность текущих оценок устойчивости сооружений, выполняемых на базе информации, получаемой в соответствии с нормативными требованиями. Это предопределяет необходимость обоснования устойчивости гидроотвалов по результатам ведения мониторинга безопасности с учетом знания закономерностей изменения их инженерно-геологических условий при реализации различных технологических мероприятий.

Сооружения промышленной гидротехники - гидроотвалы, хвостохранилища, золоотвалы - являются объектами многолетних исследований специалистов различных организаций. Разработке научно-методического обоснования безопасных технологических параметров и управления устойчивостью намывных сооружений

посвящены исследования Аксенова С.Г., Афанасьева Б.Г., Бахаевой С.П., Гальперина A.M., Дашко P.E., Демченко A.B., Ермошкина В.В., Жарикова В.П., Зотеева В.Г., Иванова И.П., Каминской В.И., Кириченко Ю.В., Киянца A.B., Клейменова Р.Г., Кононенко Е.А., Кутепова Ю.И., Кутеповой H.A., Лутовинова А.Г., Мироненко В.А., Могилина А.Н, Морозов М.Г., Мосейкина В.В., Норватова Ю.А., Нурока Г.А., Пантелеева В.Г., Протасова С.И., Сольского C.B., Стрельцова В.И., Фисенко Г.Л., Фролова А.Н., Шпакова П.С. и др.

Сформированная к настоящему времени инженерно- геологическая база знаний отражает в основном состояние изученности гидроотвалов из глинистых пород высотой до 50 метров и не в полной мере удовлетворяет требованиям современных актуальных задач, к числу которых относятся определение максимальной безопасной высоты намыва гидроотвалов, обоснование оптимальных параметров сооружений при возобновлении их эксплуатации после длительного технологического перерыва. Решение этих задач базируется на изучении закономерностей изменения инженерно-геологических условий устойчивости высоких гидроотвалов, находящихся на этапах эксплуатации, консервации и расконсервации.

Цель работы. Обоснование устойчивости высоких гидроотвалов с учетом закономерностей изменения их инженерно - геологических условий на различных этапах функционирования сооружений.

Идея работы. Знание закономерностей изменения инженерно-геологических условий гидроотвалов на различных технологических этапах позволяет корректировать параметры внешних откосов по результатам ведения гидрогеомеханического мониторинга, обеспечивая устойчивость, безопасность и максимальную отвалоемкость сооружений.

Основные задачи исследований:

- выявление основных технологических и инженерно-геологических факторов, определяющих устойчивость и оптимальные параметры гидроотвапов в Кузбассе;

- установление причин нарушения устойчивости намывных сооружений и гидрогеомеханических критериев наступления предельного состояния откосов высоких гидроотвалов;

- оценка характера изменения напряженно-деформированного состояния и свойств намывных пород на этапе консервации гидроотвалов;

- изучение гидрогеомеханических процессов, определяющих устойчивость гидроотвалов на этапе расконсервации;

- проведение лабораторных исследований по изучению прочности намывных пород с учетом влияния порового давления.

Методы исследований. Анализ и обобщение материалов изысканий прошлых лет и результатов ведения мониторинга безопасности; лабораторные и натурные исследования с применением инженерно-геологических, гидрогеологических и геодезических методов; аналитические расчеты с использованием методов предельного равновесия и решений теории консолидации грунтов.

Научная новизна:

1. Обоснованы гидрогеомеханические критерии предельного состояния устойчивости откосов высоких гидроотвалов, при достижении которых возможность дальнейшей безаварийной эксплуатации сооружений исчерпана.

2. Установлены закономерности изменения напряженного состояния и физико-механических свойств намывных отложений в ходе развития процесса фильтрационной консолидации, обусловливающие повышение устойчивости внешних откосов гидроотвалов на этапе консервации.

3. Установлены закономерности развития гидрогеомеханических процессов в системе «намывной массив + естественное основание», определяющие состояние устойчивости гидроотвалов при возобновлении их эксплуатации после длительного технологического перерыва.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Гидроотвалы вскрышных пород на угольных месторождениях в Кузбассе характеризуются схожими конструктивно- компоновочными, технологическими и инженерно-геологическими условиями, что позволяет при обосновании их устойчивости использовать обобщенную зависимость между высотой и результирующим углом откоса, полученную на основании безаварийного опыта эксплуатации сооружений.

2. Предельное состояние устойчивости высоких гидроотвалов наступает в верхних частях откосов, сложенных текучепластичными породами мощностью до 20 м, за счет роста избыточного порового давления до критических значений, соответствующих коэффициенту порового давления 0.9, при котором эффективные напряжения снижаются практически до нуля, внутреннее трение не реализуется, а сопротивление разрушению пород обусловлено только сцеплением связности, не превышающим 15 кПа.

3. Устойчивость гидроотвалов на стадии консервации улучшается благодаря рассеиванию избыточного порового давления и повышению прочности намывных пород, что обеспечивает возможность безопасной расконсервации сооружений и последующего намыва при более высоких параметрах, чем при непрерывной эксплуатации сооружений.

Практическая значимость работы.

1. Выполнена оценка показателей физико-механических свойств техногенных намывных грунтов и четвертичных отложений естественного основания для гидроотвалов, находящихся на различных этапах своего существования.

2. Получена зависимость между высотой и результирующим углом откоса гидроотвалов, которая может быть использована для определения оптимальных параметров на всех аналогичных объектах Кузбасса.

Реализация результатов работы. Полученные результаты использовались в Проекте №5.6047.20.11 по заданию министерства образования и науки РФ.

Апробация работы. Основное содержание диссертации докладывалось на 5-й международной научно-практической конференции на базе АвН (Краков, 2011), на международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2012, 2013), на всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в горном деле, геологическом и маркшейдерско-геодезическом обеспечении горных работ» (СПб, 2012) и на заседаниях Научного Центра геомеханики и проблем горного производства.

Личный вклад автора. Автор самостоятельно выполнил анализ научно-технической литературы по теме диссертационных ис-

следований, лабораторные эксперименты, обработал и интерпретировал результаты мониторинга безопасности на действующих гидроотвалах Кузбасса, построил гидрогеомеханические модели объектов исследований, произвел расчеты устойчивости.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (105 литературных источников), изложенных на 201 странице машинописного текста, содержит 26 таблиц, 49 рисунков.

В первой главе выполнен анализ изученности инженерно-геологических условий гидроотвалов, сформулированы актуальные задачи научных исследований.

Во второй главе рассмотрены конструктивные и технологические схемы гидроотвалов Кузбасса, состав намываемых пород, инженерно-геологические особенности техногенных массивов и их естественных оснований. Выделены факторы, определяющие устойчивость гидроотвалов и их оптимальные параметры.

В третьей главе представлены результаты теоретических, расчетных и экспериментальных исследований, обосновывающих гидрогеомеханические критерии предельного состояния откосов высоких гидроотвалов.

В четвертой главе выполнен анализ результатов гидрогеомеха-нического мониторинга на гидроотвалах разрезов Бачатский и Краснобродский, по результатам которых обоснованы закономерности изменения инженерно-геологических условий гидроотвалов на этапах консервации и расконсервации.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н. H.A. Кутеповой, д.т.н., профессору Ю.И. Кутепову, сотрудникам лаборатории гидрогеологии и экологии Научного Центра геомеханики и проблем горного производства и Центра инженерных исследований Горного университета, а также специалистам ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» за помощь при проведении исследований на объектах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первое защищаемое научное положение. Гидроотвалы вскрышных пород на угольных месторождениях в Кузбассе характеризуются схожими конструктивно-компоновочными, технологическими и инженерно-геологическими условиями, что позволяет при обосновании их устойчивости использовать обобщенную зависимость между высотой и результирующим углом откоса, полученную на основании безаварийного опыта эксплуатации сооружений.

Гидроотвалы вскрышных пород представляют собой гидротехнические объекты намывного типа, сформированные в Кузбассе практически по единой конструктивно-компоновочной схеме. В их состав входят: ограждающая «плотина», состоящая из дамб первичного обвалования и последующего наращивания; односекционная (редко двухсекционная) чаша накопителя; сооружения систем гидротранспорта, оборотного водоснабжения и водоотведения. Большая часть гидроотвалов (48 объектов) относится к овражно-балочному типу, в том числе, действующие (таблица 1). При эксплуатации гидроотвалов используется технологическая схема, при которой выпуск пульпы на карту намыва осуществляется от ограждающих дамб в сторону пруда-отстойника, удаленного к коренному склону от основной дамбы. Основной является дамба, перегораживающая русло, имеющая наибольшую высоту, аварии на которой могут привести к тяжелым последствиям. Интенсивность намыва в современных условиях невысокая 1 -ь 3 м/год.

Таблица 1 - Характеристика действующих гидроотвалов Кузбасса

Наименование щдроотвала (филиал ОАО УК «Кузбассраз-резуголь») Высота, факт/проект м Пло шадь га Емкость, факг/проекг МЛН.М3

1 «Бековский» (Бачатский) 76,6/78 280 129,9/134

2 «Прямой Ускат» (Краснобродский) 54/80 223,9 57,8/120

3 «Еланный Нарык» (Таддинский) 55/68,5 127,5 62,0/83

4 «Коровихинский» (Таддинский) 68/75 98,8 30,7/38

5 «НарекеЕловка» (Моховский) 54/65 668 196/270

Под гидроотвалы отводятся земельные участки с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями - овраги, балки, долины ручьев и рек. Основание гидроотвалов представлено отложениями аллювиального и делювиального генезиса, среди которых преобладающее распространение имеют глины и суглинки, в русловой части встречаются слои песчано-гравийных грунтов. Сопоставление характеристик физико-механических свойств четвертичных грунтов, представленных в материалах изысканий разных лет, включая выполненные с участием автора работы (2012 г.), позволило установить, что под влиянием намыва гидроотвалов отложения основания претерпевают изменения, их влажность возрастает, поры заполняются водой, механическая прочность снижается. Если на начальных этапах эксплуатации сооружений при обосновании устойчивости откосов гидроотвалов расчетные параметры принимались следующими: сцепление С=30-н52 кПа, угол внутреннего терния ^>=16н-30°, то на современном этапе на всех действующих гидроотвалах в основании внешних откосов выделяется слабый слой с расчетными параметрами: С= 15-25 кПа, ^>=15°.

В гидроотвалы поступают лёссовидные суглинки и глины неоген-четвертичного возраста, разрабатываемые средствами гидромеханизации. Изучение состава намывных пород в гидроотвалах позволило выявить на всех объектах тенденцию фракционирования, предопределяющую закономерное возрастание дисперсности пород по мере удаления от мест выпуска пульпы. При этом в виду однородности намываемого материала и доминирующего содержания пылеватой фракции (до 70-90 %) распространение супесчаных разновидностей в строении намывных массивов ограничено, и уже в приоткосной части формируются отложения пылевато-глинистого состава. Исследования автора, выполненные на трех действующих гидроотвалах в Кузбассе, показали, что намывной массив в пределах призмы упора внешних откосов практически на всю мощность сложен суглинками и глинами в виде часто чередующихся слоев.

Изменение свойств намывных пород при эксплуатации сооружений происходит в результате гравитационного уплотнения. По мере увеличения высоты гидроотвалов происходит уплотнение намывных пород, что проявляется в постепенной смене по глубине

отложений различной консистенции - от текучей до туго пластичной с соответствующим ростом прочностных параметров. Консистенция является основным критерием при разделении намывной толщи на инженерно-геологические элементы (слои). Интенсивность фильтрационной консолидации намывных суглинков и глин снижена из-за низкой их проницаемости и формирования избыточного порового давления. Верхний слой намывного массива в течение всего срока эксплуатации находится в текучепластичном состоянии, причем его мощность увеличивается с ростом высоты гидроотвалов, составляя примерно 15 м при высоте гидроотвала менее 40 м и 25 м при высоте более 70 м.

Консистенция и физико-механические свойства намывных пород тесно увязаны с их напряженным состоянием. В литературных источниках приводятся обобщенные зависимости (графики) между основными расчетными показателями свойств пород и эффективными напряжениями, полученные посредством лабораторного моделирования. Собственные исследования автора подтвердили соответствие показателей свойств намывных пород, уплотненных in situ, с параметрами, приведенными на графиках для соответствующих величин эффективных напряжений. Данные зависимости могут быть использованы для расчетов устойчивости гидроотвалов. Это позволяет при постоянном мониторинге изменения порового давления, обоснованно назначать расчетные параметры свойств пород.

Выполненные исследования показывают, что при длительной эксплуатации устойчивость внешних откосов гидроотвалов ухудшается вследствие изменения свойств естественного основания, возрастания избыточного порового давления в намывных грунтах, замедления темпов их консолидации, увеличения мощность верхнего слоя текучепластичных грунтов с низкими прочностными свойствами. Это предопределяет необходимость постепенного корректирования параметров внешних откосов в сторону снижения результирующего угла.

Оптимальные параметры гидроотвалов - это высота и результирующий угол откосов, при которых устойчивость сооружения обеспечивается с коэффициентом запаса ks, минимально допустимым по нормам безопасности. Высота гидроотвала - величина, за-

данная необходимостью размещения определенных объемов гидровскрыши. Результирующий угол и конфигурация откоса, количество ярусов наращивания при требуемой высоте сооружения определяются расчетами устойчивости с учетом неоднородного инженерно-геологического строения намывного массива и его основания, изменения напряженно-деформированного состояния и свойств грунтов под воздействием непрерывно возрастающей нагрузки. На основе обобщения практического безаварийного опыта эксплуатации гидроотвалов в Кузбассе построен график оптимальных параметров, представляющий собой зависимость между высотой и результирующим углом внешних откосов на предельном контуре (рисунок 1).

Зависимость результирующего угла откоса от высоты гидроотвала

Результирующий угол, град

Рисунок 1 - Зависимость результирующего угла откоса гидроотвалов Кузбасса от их высоты: 1-среднестатистичекие и 2-максимальные параметры

Обоснование оптимальных параметров высоких гидроотвалов следует выполнять на базе результатов ведения гидрогеомеханиче-ского мониторинга устойчивости откосов с учетом выявляемых в процессе эксплуатации закономерностей изменения инженерно-

геологических условий, ориентируясь при этом на среднестатистическую зависимость между высотой и результирующим углом откоса, полученную обобщением фактических параметров 30 гидроотвалов, существовавших в Кузбассе в период интенсивного применения гидромеханизации на угольных месторождениях.

Второе защищаемое научное положение. Предельное состояние устойчивости высоких гидроотвалов наступает в верхних частях откосов, сложенных текучепластичньши породами мощностью до 20 м, за счет роста избыточного норового давления до критических значений, соответствующих коэффициенту порового давления 0.9, при котором эффективные напряжения снижаются практически до нуля, внутреннее трение не реализуется, а сопротивление разрушению обусловлено только сцеплением связности намывных пород, не превышающим 15 кПа.

Разработка угольных месторождений в Кузбассе ведется в условиях дефицита площадей под отвалы, природоохранных и экономических ограничений, что предопределяет необходимость увеличения отвалоемкости существующих сооружений за счет повышения их высоты. Решение вопроса об определении максимальной безопасной высоты гидроотвалов I класса требует инженерно- геологического обоснования критериев наступления предельного состояния, при которых дальнейшие технологические нагрузки приведут к нарушению устойчивости внешних откосов с развитием гидродинамической аварии.

Расчетами показано, что при высоте сооружений менее 40 м наибольшее влияние на устойчивость откосов оказывают строение и свойства грунтов естественного основания, а также формирование в них напорного водоносного горизонта. При высоте откосов более 40 м поверхность скольжения с минимальным коэффициентом запаса локализуется в верхней части откоса, что предопределяет возможность оползания откоса с захватом двух-трех верхних дамб наращивания. При этом определяющими факторами устойчивости являются свойства и напряженно-деформированное состояние (НДС) грунтов верхнего слоя намывного массива.

На всех действующих гидроотвалах Кузбасса ведется мониторинг безопасности - комплекс натурных наблюдений, исследований

и расчетных обоснований, обеспечивающих контроль устойчивости сооружений. Наиболее полная информационная база накоплена на гидроотвале «Бековский», где на протяжении 25 лет ведутся регулярные наблюдения за поровым давлением, деформациями откосов, изменением состояния и свойств намывных пород.

Гидроотвал «Бековский» представляет собой намывное сооружение овражно-балочного типа с односторонним обвалованием. Его емкость обеспечена многоярусной плотиной высотой 76.6 м и длиной более 4 км, состоящей из 15 дамб. Стационарная сеть мониторинга расположена в центре плотины, который характеризуется наихудшими условиями устойчивости. Намывные грунты в пределах призмы упора представлены частым чередованием пылеватых суглинков и глин, которые по глубине разделены на три инженерно-геологических элемента (ИГЭ), отличающиеся консистенцией и характеристиками физико-механических свойств (таблица 2).

Таблица 2 -Физико-механические свойства намывных грунтов гид__роотвала «Бековский»_

Показатели свойств грунтов Подзоны пород по консистенции (ИГЭ)

текучепластичные мягкопластичные тугопластичные

IV, % 27-40 24-31 22-26

р, г/см3 1.80-1.92 1.90-2.00 2.00-2.02

11, % 44-53 38-46 40-42

ф, град 13-23 16-23 17-23

С, кПа 10-15 15-25 25-45

а, МПа"1 1.4-0.4 0.8-0.2 0.2-0.09

Кф, м/с 10 8-10"9

\¥ - влажность, р - плотность; п - пористость; <р- угол внутреннего трения, С- сцепление, а - коэффициент сжимаемости; Кф- коэффициент фильтрации

Результаты мониторинга показывают, что НДС намывных пород в пределах призмы возможного оползания откоса крайне нестабильно, любые технологические нагрузки инициируют подъем по-

рового давления, которое частично рассеивается в промежутки между отсыпкой дамб наращивания и началом сезона намыва. Основная причина формирования здесь высокого избыточного порово-го давления - отсыпка дамб наращивания. Зона влияния отсыпки распространяется в сторону низового откоса на расстояние более 100 м от оси отсыпаемой дамбы, прирост порового давления в ней достигает величины нагрузки от веса дамбы. При высокой интенсивности отсыпки дамб поровое давление «накапливается» год от года в призме возможного оползания откоса, и состояние его устойчивости ухудшается.

За время эксплуатации гидроотвала произошло две аварии, обе - в ходе отсыпки дамб наращивания и практически по одному сценарию. Отсыпка дамб высотой 5 м осуществлялось двумя слоями по 2.5 м с интенсивностью подвигания отвального фронта 30 м/сут в направлении от краев к центру плотины. При отсыпке второго слоя происходило смещение верхней части откоса в центре плотины на участке протяженностью 250-300 м. Оползень захватывал помимо отсыпаемой дамбы еще две-три нижние дамбы. Высота гидроотвала на тот период составляла 40-45 м (рисунок 2).

•сомтур опоэса до

¿г---контур аттоса после деформаций

ооиатит ¡едроегезт»

УслойнДО

дамба шрещиааний, ее «ошр ОЮдатчи* порового давпедик. вяз

СЗ с коэффящийн-юэд гюроасго^штакда 0,Й

Рисунок 2 - Гидрогеомеханическая ситуация в момент нарушения устойчивости откоса гидроотвала «Бековский»

В момент нарушения устойчивости поровое давление в верхней части намывного массива мощностью около 20 м практически сравнялось с давлением, обусловленным весом вышележащих пород. Коэффициент порового давления ув и (отношение нейтральных напряжений к полным) при этом составлял 0.87-0.95. Посредством геодезической съемки оползневого откоса точно установлено положение поверхности скольжения. Обратными расчетами получено, что в момент деформации угол внутреннего трения был близок к нулю при сцеплении 15 кПа. После стабилизации оползня и частичного рассеивания порового давления ^составлял 13° при том же

сцеплении. Максимальное значение ¡5 и на этот момент составляло 0.75.

Выполнена серия лабораторных опытов по изучению прочности намывных грунтов. Установлено, намывные грунты не обладают структурным сцеплением, их прочностные свойства, помимо трения, определяются исключительно сцеплением связности, величина которого зависит от влажности (консистенции). Стабиломет-рическими опытами получены параметры пород в объемном напряженном состоянии при различном коэффициенте порового давления. Установлено, что при малых эффективных напряжениях (до 0.05 МПа) и коэффициенте ¡5 и = 0.8 угол внутреннего трения близок к нулю {(р= 2°), а сцепление составляет 12 кПа. Данные параметры близко совпадают со значениями, полученными обратными расчетами для гидрогеомеханической ситуации во время образования оползня. При снижении порового давления до уровня /3 и =0.6-0.7 и повышении эффективных напряжений до 0.15 МПа угол внутреннего трения увеличивается до ^>=12-14.5°. Сцепление в этом диапазоне напряжений изменяется незначительно, оставаясь равным величине связности, характерной для намывных грунтов при их конкретной влажности в массиве. Для текучепластичных суглинков сцепление составляло С =7-14.5 кПа в зависимости от метода испытаний. Изменение напряженного состояния пород при рассеивании порового давления сопровождается повышением сцепления, которое для верхнего 20-метрового слоя намывных суглинков мо-

жет достигать 53 кПа. Угол внутреннего трения при этом не изменяется.

Третье защищаемое научное положение. Устойчивость гидроотвалов на стадии консервации улучшается благодаря рассеиванию избыточного норового давления и повышению прочности намывных пород, что обеспечивает возможность их безопасной расконсервации и последующего намыва при более высоких параметрах, чем при непрерывной эксплуатации сооружений.

Наблюдения за изменением НДС намывного массива в период «отдыха» гидроотвала «Бековский» (2002-2012г.) показывают стабильный спад порового давления и существенное сокращение зоны избыточного порового давления (рисунокЗ). На момент завершения эксплуатации сооружения внешняя граница этой зоны проходила на расстоянии 150-200 м от гребня плотины, и максимальная величина ДРи в ней достигала 1.56 кг/см2. Через 10 лет «отдыха» размеры зоны сократились до 45-50 м с максимумом АРи = 0.67 кг/см2. Обратными расчетами по уравнению теории фильтрационной консолидации ориентировочно оценены коэффициенты консолидации Су намывных пород, которые составили 0,02 4- 0,09 м2/сут и близко соответствуют параметрам, полученным ранее различными авторами (С„ = 0,01-0,04 м2/сут).

В соответствии с характером изменения напряженного состояния пород происходит уплотнение намывного массива, что фиксируется измерениями по реперам геодезической станции. Величина осадки тесно увязана с величиной рассеивания избыточного порового давления и мощностью уплотняющегося массива. Максимальные осадки поверхности откоса за 10 лет «отдыха» составили 25 см. Рассчитанные по величине деформации коэффициенты сжимаемости намывных пород оцениваются величиной 0,11 МПа"'.

В 2012 г. при бурении скважин были отобраны образцы намывных пород. Сопоставление результатов их испытаний с данными исследований 2002 г., показали, что за период «отдыха» произошли изменения свойств намывных пород: снижение влажности, уплотнение, увеличение прочности. На момент завершения эксплуатации гидроотвала большая часть намывного массива была сложе-

на текуче- и мягкопластичными грунтами с показателями С=8-15 кПа, (р=\1®, и только нижний слой мощностью около 15 м характеризовался тугопластичной консистенцией с параметрами С=35 кПа и (р=\ 5°. После 10-летнего «отдыха» большая часть намывного массива представлена мягко- и тугопластичными грунтами, прочность их возросла: С= 15-20 кПа и =17°. Консистенция грунтов нижнего 15-метрового слоя изменилась до полутвердой с соответствующим увеличением параметров прочности: С=40 кПа и (р -16°.

Задача по обоснованию параметров намывных сооружений при расконсервации решалась применительно к гидроотвалу разреза «Краснобродский», на котором в 2004 г. была возобновлена гидромеханизация для отработки 60 млн. м3 четвертичных грунтов с размещением их в старый гидроотвал. Гидроотвал расположен в пойме р. Прямой Ускат, овражно-балочного типа с двухсторонним обвалованием. На момент консервации (1996 г.) его максимальная высота составляла 54 м. При проектируемом намыве высота дамбы в русловой части лога будет достигать 90 м, на бортовых участках лога -60-65 м. Согласно проекту расконсервации результирующий угол откоса вновь намываемой части гидроотвала должен составлять 10°.

Изучение материалов лредпроектных изысканий показало, что гидроотвал на р. Прямой Ускат характеризуется плановой неоднородностью, с закономерным увеличением дисперсности грунтов от восточной дамбы (основной) к западной границе сооружения. В этом направлении прослеживается уменьшение степени консолидации намывных пород. Различие в степени консолидации намывного массива обусловлено также влиянием внешних факторов - наличием водоема со стороны низового откоса на юго-западном участке. Эти обстоятельства учтены районированием намывного массива с дифференцированным назначением расчетных параметров свойств грунтов для отдельных участков дамб (рисунок 4).

Восьмилетний опыт ведения мониторинга после возобновления эксплуатации гидроотвала показал, что изменения порового давления в намывных породах незначительны, а устойчивость внешних откосов определяется главным образом гидрогеомехани-ческими процессами в естественном основании дамб, представленным аллювиальными глинами. При намытой мощности гидроотвала

около 7 м поровое давление в основании на отдельных участках выросло на 3.3 м вод. столба, в нижней части намывного массива - на 1-1.2 м, а в верхней его части - не изменилось (рисунки 5, 6). Увеличение нагрузки на породы основания приводит к возрастанию в них порового давления, в силу относительно низкой проницаемости этих пород поровое давление в них не рассеивается, в отличие от более проницаемых намывных пород пылевато-глинистого состава.

Выполненные автором исследования физико-механических свойств грунтов гидроотвала через 8-9 лет после расконсервации, позволили выявить тенденцию снижения показателей прочности четвертичных и намывных грунтов вследствие изменения их напряженного состояния и увлажнения. По данным исследований 2004 г. четвертичные глины на восточном участке дамбы - полутвердые и твердые, \У=15-И8%, сцепление высокое 50-95 кПа; ^»=11°. По исследованиям 2012-2013 г. на том же участке - консистенция тугопластичная, \У=23 %, сцепление не превышает 44кПа; (р=14°. Подобные сравнения для намывных грунтов показывают, что изменение свойств пород сводится к понижению сцепления пород после возобновления эксплуатации.

Устойчивость откосов основной плотины гидроотвала на момент расконсервации обеспечивалась с коэффициентом запаса кр =2.4; на подтопленном западном участке ограждающей дамбы кр =1.29 (рисунок 6). За период последующего намыва величина кр снижалась вследствие изменений гидрогеомеханической обстановки и на 2013 г. оценивается: кр =1.42 по основной плотине, а на проблемных западных участках с учетом выполненных противооползневых мероприятий кр=1.91.

Сопоставление инженерно-геологических условий гидроотвалов на р. Прямой Ускат и «Бековский» показывает, что наличие длительного технологического перерыва в истории существования сооружений существенно улучшает состояние их устойчивости, если оценивать их по величине коэффициента запаса для одинаковой высоты откосов сооружений. На сегодняшний день при максимальной высоте откоса сооружения 59 м на основной дамбе и результирующем угле откоса 10°, устойчивость гидроотвала на р. Прямой Ускат обеспечивается с коэффициентом запаса кр = 1.4. Для гидро-

20

Масштаб горизонтальный

0 20__40^

Условные обозначения

зона избыточного порового давления на 2002 - - - -1- - - изолинии избыточного порового дав год (окончание намыва) на 2002 год ( м.в.ст.)

^777Л зона избыточного порового давления на 2012 -1- изолинии избыточного порового дав)

</^/>1 год (после Ю лет консервации) на 2012 год ( м.в.ст.)

"" уровень грунтовых вод скв 14 скважина гидромеханического моинга

528 номер датчика порового давления (номер скважины)

ДО номер репера станции

гидрогеомеханического мониторинга

Рисунок 3 - Инженерно-геологический разрез гидроотвала «Бековский» разреза «БачатскР нанесением зон избыточного порового давления.

Рисунок 4 - План гидроотвала на реке Прямой Ускат рза «Краснобродский с указанием профилей станции гидрогеомеханиюго мониторинга

Рисунок 5 - Инженерно-геологический разрез гидрала на реке Прямой Ускат (западный участок, профО

Абс.отм.М

Условные обозня ^ пригрмз

\ / \ намывные грунты истинной консистенции

номывные гранты гердоя консистенции [ | метврртиинве глиюпластичнои консистенции 383 номер дотчико пр| довления

Скв.И

-350 "340 330

Изменение значений порового давления в намывных породах на западном створе

фев.О сен.05 мар.О окт.06 апр.О ноя.О июн.О дек.08 июл.О янв.Юавг.Ю фев.1 сен.11 апр.1 5 6 7 7 8 9 1 2

дата замера

> Скважина 6, Д.320,глубина 15,0 м : Скважина 3, Д.383, глубина 12,0 м ■ Скважина 11, Д. 1091, глубина 24,0 м

Скважина 6, Д.473,глубина 21,0 м : Скважина 3, Д 253, глубина 17,0

Изменение значений порового давления в основании гидроотвала, западный створ

фев.08 июл.09 Дата замера

> Скважина 6, Д.541, глубина 28,0 м ■ Скважэина 3, Д.519, глубина 21,0 м

Рисунок 6 - Графики изменения порового давления в намывном массиве и в породах естественного основания при возобновлении намыва гидроотвала (западный участок, профиль 4)

отвала «Бековский» на момент его намыва до таких отметок коэффициент устойчивости едва соответствовал нормативной величине к5= 1.2 при результирующем угле откоса 9°.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследований представляют собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение актуальной научной задачи - обоснование устойчивости высоких гидроотвалов с учетом закономерностей изменения их инженерно-геологических условий на этапах намыва, консервации и расконсервации.

Основные выводы и практические результаты исследований:

1. Выполнен анализ изменения инженерно-геологических условий гидроотвалов при длительной эксплуатации; установлено, что в зависимости от высоты сооружений определяющие влияние на устойчивость внешних откосов оказывают гидрогеомеханические процессы, развивающиеся в естественном основании или техногенном массиве. Снижение устойчивости высоких гидроотвалов обусловлено ростом порового давления в намывных грунтах, замедлением темпов консолидационных процессов, увеличением мощности текучепластичных отложений с низкими прочностными свойствами.

2. На основании многолетнего опыта эксплуатации намывных сооружений в Кузбассе получена обобщенная зависимость между высотой и результирующим углом внешнего откоса, которую рекомендуется использовать для ориентировочного определения безопасных параметров гидроотвалов.

3. Обоснованы гидрогеомеханические критерии предельного состояния устойчивости откосов высоких гидроотвалов. Критической является ситуация, когда напряженное состояние грунтов верхнего слоя намывного массива характеризуется коэффициентом порового давления 0.9. При данном условии эффективные напряжения снижаются почти до нуля, трение не реализуется, а удерживающие силы обусловлены сцеплением связности, которое у текучепластичных намывных грунтов не превышает 15 кПа.

4. Стабилометрические опыты позволили оценить параметры прочности намывных пород в объемном напряженном состоянии

при различном коэффициенте порового давления. Полученные параметры сопротивления сдвигу намывных грунтов близко совпадают со значениями, установленными обратными расчетами с учетом порового давления во время образования оползня и его рассеивания после стабилизации оползневой деформации.

5. Изменение инженерно-геологических условий намывных массивов на этапе консервации гидроотвалов обусловлено развитием процесса фильтрационной консолидации, в результате которого избыточное поровое давление рассеивается, грунты уплотняются, прочность их нарастает, устойчивость откосов повышается.

6. Установлены основные факторы, обусловливающие снижение устойчивости откосов гидроотвалов при расконсервации - формирование порового давления в глинистых отложениях естественного основания, снижение их прочности вследствие увлажнения.

7. Результаты работы содержат инженерно-геологическую оценку строения и свойств грунтов гидроотвалов, которая может быть использована проектными организациями для расчетов устойчивости откосов при обосновании технических решений по наращиванию высоты гидроотвалов на различных этапах эксплуатации.

Публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Черемхина, А.П. Инженерно-геологические исследования с целью обоснования безопасных условий расконсервации гидроотвалов вскрышных пород / А.П. Черемхина // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. - 2013. - №7. - С. 406412.

2. Черемхина, А.П. Изучение условий консолидации намывных пород на стадии консервации гидроотвала Бековский в Кузбассе // Горный информационно-аналитический бюллетень/ А.П. Черемхина // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. -2013. - №7.-С. 402-406.

РИЦ Горного университета. 30.06.2014. 3.542. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2