Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Научно-методические основы оценки геоэкологической безопасности нагорного отвала 13
1.1. Изученность проблемы 13
1.2. Нагорный отвал и его особенности 15
1.3. Методы оценки геоэкологической безопасности нагорных отвалов 29
1.4. Управление геоэкологической безопасностью нагорных отвалов.. 34
1.5. Выводы 37
Глава 2. Модель геодинамического поведения нагорного отвала 38
2.1. Нагорный отвал как микрогеодинамическая система 38
2.2. Модель геодинамического поведения системы «нагорный отвал» 48
2.3. Управления геодинамическим поведением нагорного отвала 56
2.4. Выводы 65
Глава 3. Промышленный эксперимент по оценке, прогнозу и управлению состоянием геоэкологической безопасности нагорного отвала . 67
3.1 . Оценка и прогноз состояния геоэкологической безопасности нагорного отвала Дальнегорского датолитового месторождения 69
3.2 . Технологическое управление геоэкологической безопасностью нагорного отвала Дальнегорского датолитового месторождения 81
3.3 Выводы 89
Глава 4. Методика проведения горно-экологического мониторинга нагорных отвалов 92
4.1 . Положение горно-экологического мониторинга в составе Единой государственной системы экологического мониторинга 92
4.2 . Горно-экологический мониторинг нагорных отвалов 95
4.3 . Система инструментальных наблюдений 101
4.4 Расчет экономической эффективности 109
4.5 Выводы 111
Заключение 112
Литература 116
Приложения 124
- Изученность проблемы
- Нагорный отвал как микрогеодинамическая система
- Оценка и прогноз состояния геоэкологической безопасности нагорного отвала Дальнегорского датолитового месторождения
- Положение горно-экологического мониторинга в составе Единой государственной системы экологического мониторинга
Введение к работе
Активная производственная деятельность человека в верхних частях литосферы вносит существенный дисбаланс в экологическое равновесие биосферы Земли. С каждым годом возрастает интенсивность техногенного воздействия на литосферу, значительную долю которого составляют открытые горные работы. Все чаще в разработку вовлекаются новые крупные месторождения. В частности в Забайкалье наиболее перспективные месторождения расположены в северной части региона в условиях гористого рельефа местности. К ним относятся такие крупнейшие месторождения полезных ископаемых как Удоканское медное, Чинейское титано-ванадиево-магнетитовое, разработка которых может привести к существенной трансформации окружающей природной среды в регионе. Горные работы в таких условиях необходимо вести с обязательным экологическим сопровождением, которое включает в себя оценку и прогнозирование геодинамического состояния нагорных отвалов с целью выявления и предупреждения опасных оползневых процессов и явлений.
С точки зрения оценки воздействия на окружающую среду оползневые процессы, связанные с техногенной деятельностью человека, входят в состав объектов эколого-гсодинамического наблюдения. В числе методов исследования наиболее важное место занимает горно-экологический мониторинг, являющийся составной частью мониторинга окружающей природной среды.[1,
2,4]
Известно, что существует проблема обеспечения геоэкологической безопасности промышленных отвалов на наклонном основании, в связи с проявлениями в таких условиях опасных экзогенных геологических процессов — деформаций, обрушений и оползней.
I « (
Острота и актуальность проблемы обеспечения геоэкологической безопасности при размещении отходов вскрыши в гористой местности значи-
4 тельно повышается в связи с увеличением крутизны склонов и высоты отсыпки. При этом решается двойственная задача. С одной стороны, необходимо обеспечить геоэкологическую безопасность в процессе отвалообразова-ния. С другой стороны - эффективное функционирование нагорного отвала.
Проблема обеспечения геоэкологической безопасности наиболее остро стоит на рабочих площадках нагорных отвалов, в местах непосредственной работы горного оборудования и персонала.
При этом следует отметить, что существующие критерии оценки степени опасности оползневых процессов не позволяют дать объективную количественную оценку геодинамического состояния отвала и выполнить прогноз его изменения. А следовательно, не позволяют сделать обоснованный выбор управляющих воздействий по обеспечению геоэкологической безопасности и порядка их реализации.
Актуальность данной темы обусловлена тем, что проблема выбора мероприятий по обеспечению геоэкологической безопасности отвалообразова-ния в нагорных условиях, порядка их применения и оценки эффективности в настоящее время не имеет достаточной теоретической и практической проработки.
Таким образом, с одной стороны актуальность проблемы с другой стороны ее относительная неразработанность определили выбор темы исследования.
Объект исследования.
Объектом исследования являются нагорные отвалы вскрышных пород.
Предмет исследования.
Деформационные процессы, протекающие в приоткосной зоне рабочей площадки нагорного отвала.
Цель исследования состоит в разработке методов оценки и прогнозирования геодинамического состояния рабочих площадок нагорных отвалов и обосновании технологических методов управления геоэкологической безопасностью отвалообразования.
5 Задачи исследования.
Для достижения цели были поставленные следующие задачи:
обобщить и проанализировать существующие методы оценки и прогноза геодинамического состояния нагорных отвалов и способы управления геоэкологической безопасностью процесса отвалообра-зования в нагорных условиях;
определить количественные показатели для оценки геодинамического состояния и прогноза опасности оползневых процессов на рабочих площадках нагорных отвалов;
выделить и систематизировать факторы, определяющие геодинамическое состояние нагорного отвала и исследовать их влияние на геоэкологическую безопасность отвалообразования;
создать математическую модель геодинамического поведения нагорного отвала и подтвердить ее адекватность промышленным экспериментом;
разработать методику горно-экологического мониторинга состояния рабочих площадок нагорного отвала;
разработать методы управления геоэкологической безопасностью отвалообразования в нагорных условиях.
Идея работы.
Выбор методов управления состоянием геоэкологической безопасности нагорных отвалов должен осуществляться на основе функциональной зависимости показателя геодинамического состояния рабочих площадок от технологических параметров отвалообразования.
В качестве критериев оценки состояния геоэкологической безопасности необходимо использовать величину и направление относительного изменения скорости сдвиговых деформаций приоткосной зоны отвала и длительность периода деформирования до достижения критического значения скорости сдвиговых деформаций.
Методы исследования. Обобщение опыта отвалообразования в нагорных условиях, отраженного в научных трудах отечественных и зарубежных исследователей; патентный поиск; натурные инструментальные наблюдения; системный анализ; классификация; математическая статистика и обработка экспериментальных данных с применением ПЭВМ; математическое моделирование; промышленный эксперимент.
Положения научной новизны, выносимые на защиту:
Критерием оценки состояния геоэкологической безопасности нагорных отвалов выступает относительное изменение скорости сдвиговых деформаций приоткосной зоны их рабочих площадок. Данный критерий позволяет определить период времени до достижения критической скорости сдвиговых деформаций и начало оползневого процесса.
Скорость сдвиговых деформаций приоткосной зоны нагорного отвала имеет функциональную зависимость от высоты отсыпки отвала при подвиганий отвала вкрест простирания склона и от высоты и угла наклона склона при подвиганий фронта отвала по простиранию. Уравнение функциональной зависимости позволяет прогнозировать состояние геоэкологической безопасности нагорного отвала и делать обоснованный выбор методов управления.
Горно-экологический мониторинг нагорного отвала может быть дополнен постоянными инструментальными наблюдениями приоткосной зоны рабочих площадок, выполняемыми с периодичностью, определяемой по соотношению фактической и критической скоростей деформаций, и включен в структуру технологии отвалообразо-вания в качестве элемента технологической системы. Это позволит обеспечить достоверность оценки и прогноза геодинамического состояния отвала и выполнить эффективное управляющее воздействие, направленное на обеспечение геоэкологической безопасности.
Достоверность и обоснованность выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертационной работе, подтверждается данными экспериментально-промышленных исследований, проводившихся в течение длительного времени на отвале № 3 Дальнегорского датолитового месторождения ОАО «Бор», тождественностью расчетных значений результатам натурных наблюдений, соответствием результатов корреляционно-регрессионного анализа функциональных зависимостей критериям Гаусса-Маркова и Фишера с 90% доверительной вероятностью, достигнутой эффективностью разработанных методик и технологий в производственных условиях, подтвержденной актами внедрения.
Научная значимость работы заключается в том, что:
обоснован критерий оценки геодинамического состояния нагорного отвала — относительное изменение скорости сдвиговых деформаций приоткосной зоны рабочей площадки отвала. Данный критерий позволяет количественно оценить степень геоэкологической безопасности нагорного отвала и прогнозировать ее динамику;
выявлены четыре основных типа геодинамического состояния нагорного отвала: «устойчивое - равновесное» - безопасное, «неустойчивое — неравновесное - конструктивное» - условно безопасное, «неустойчивое — неравновесное — деструктивное» - условно опасное и «устойчивое - неравновесное» - опасное. Для каждого типа состояния определен характер динамики скорости вертикальных сдвиговых деформаций;
предложена авторская классификация геодинамических систем, дополненная следующими признаками: по характеру развития, по внутреннему состоянию, по соотношению сил;
предложена авторская структура системы «нагорный отвал», состоящая их трех основных элементов: откоса отвала, верхней площадки и собственно отвального массив, каждый из которых включает в себя подэлементы: откос рабочей площадки, откос нерабочего отвала, ра-
бочую площадку отвала, нерабочую площадь отвала, приоткосную зону рабочей площадки отвала, сформировавшийся массив отвала;
предложена авторская классификация факторов, определяющих геодинамическое состояние нагорного отвала, дополненная следующими признаками: по характеру связи с показателем геоэкологической безопасности, по характеру ответной реакции на управляющее воздействие, по характеру зависимости с показателем геоэкологической безопасности;
в качестве дополнительного показателя оценки критического состояния геоэкологической безопасности нагорного отвала предложен период времени до наступления критической скорости сдвиговых деформаций;
установлены функциональные зависимости скорости вертикальных деформаций от технологических параметров отвалообразования: высоты отвала и угла наклона склона в основании.
разработана и апробирована в производственных условиях методика проведения оперативного технологического мониторинга рабочих площадок нагорного отвала, которая предусматривает периодичность проведения инструментальных наблюдений в зависимости от соотношения фактической и критической скоростей деформаций.
Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты исследований обеспечивают комплексное решение важной научно-практической задачи по оценке, прогнозированию геодинамического состояния и управлению геоэкологической безопасностью процесса отвалообразования в нагорных условиях отвала и позволяют реализовать в промышленных условиях:
методику проведения горно-экологического мониторинга рабочих площадок нагорного отвала;
математические модели деформационных процессов приоткосной зоны рабочих площадок нагорных отвалов;
- эффективный контроль геодинамического состояния рабочих пло
щадок нагорного отвала.
Личный вклад автора заключается в том, что им:
разработана основная идея и цель работы, выполнена постановка основных задач исследования;
выполнены планирование и организация промышленно-экспериментальных исследований;
непосредственно и под его руководством получена совокупность экспериментальных результатов;
выполнена обработка данных и интерпретация результатов научно-промышленных экспериментов;
созданы математические модели геодинамического состояния нагорного отвала для условий Дальнегорского датолитового месторождения.
Внедрение результатов работы.
Научные положения, рекомендации и методики используются в ОАО «БОР» при формировании нагорных отвалов вскрыши карьеров Дальнегорского датолитового месторождения; методика проведения мониторинговых инструментальных наблюдений за геодинамическими сдвиговыми процессами использовалась при исследовании устойчивости горно-технологических объектов Уртуйского буроугольного разреза на АООТ «Ш1ГХО»; результаты исследований используются в ЧитГУ при чтении курса «Геомеханика». Имеются акты внедрения.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили поддержку на следующих конференциях: на третьей межрегиональной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика» Чита, ЧитГУ, 2003г.; на научном симпозиуме «Неделя горняка — 2002, 2003», Москва, 2002, 2003; на четвертой научно-технической конференции Горного института ЧитГТУ, Чита, 2003 г.; на международной конфе-
ренции молодых ученых и специалистов, «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых», Москва, 2002г.; на международном совещании «Экологические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья» (Плаксинские чтения), Чита, 2002 г.; на международной научно-практической конференции «Человек - среда - вселенная», Иркутск, 2001 г.; на заседании геомеханической секции ВНИМИ, Ленинград, 1987 г.;
Публикации.
По материалам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, изложенных на 180 страницах машинописного текста, включая 47 рисунков, 17 таблиц и списка литературы из 109 наименований.
Основное содержание работы.
Во введении обосновывается актуальность диссертационных исследований, сформулированы цель и задачи исследования, определена научная новизна и практическая значимость.
В первой главе «Научно-методические основы оценки геоэкологической безопасности нагорного отвала» рассматриваются вопросы, связанные с особенностями отвалообразования на склонах. Обобщены и проанализированы существующие методы оценки и прогноза геодинамического состояния нагорных отвалов. Вскрыты их недостатки и возможности совершенствования. По результатам анализа предложена авторская классификация нагорных отвалов. Произведен сравнительный анализ равнинных и нагорных отвалов. Рассмотрена проблема интенсивного деформирования приоткосной зоны нагорного отвала в условиях перемещающегося фронта отвала. Выполнена оценка методов прогнозирования состояний геоэкологической безопасности нагорного отвала, определена база оценочных показателей.
Во второй главе «Модель геодинамического поведения нагорного отвала» нагорный отвал рассмотрен в качестве объекта регулирования. В целях обоснования выбора методов регулирующих воздействий нагорный отвал представлен в виде микрогеодинамической системы. Для идентификации системы «нагорный отвал» существующая классификация геодинамических систем. Выделены и классифицированы факторы, определяющие динамику деформационных процессов нагорного отвала. На основе анализа характера геодинамического поведения рабочей площадки отвала были выделены четыре типа геодинамического состояния системы «нагорный отвал». Предложена авторская трактовка критерия оценки геодинамического состояния и степени геоэкологической безопасности нагорного отвала. Построена формальная модель геодинамического поведения отвала. Рассмотрен механизм технологического регулирования динамики деформационных процессов в ходе отвалообразования. Определена сущность механизма технологического регулирования геоэкологической безопасностью нагорного отвала.
В третьей главе «Промышленный эксперимент по оценке, прогнозу и управлению состоянием геоэкологической безопасности нагорных отвалов» выполнена экспериментальная проверка разработанной модели геодинамического поведения нагорного отвала № 3 Дальнегорского датолитового месторождения. Разработана и реализована методика проведения промышленного эксперимента. Выполнена оценка состояния геоэкологической безопасности нагорного отвала № 3 Дальнегорского датолитового месторождения по этапам его отсыпки. Определены функциональные зависимости динамики вертикальных деформаций от технологических параметров отвалообразования. На основе полученных зависимостей разработаны и реализованы методы управления геоэкологической безопасностью нагорного отвала в процессе отсыпки. Подтверждена методика прогнозирования и технологического управления геоэкологической безопасностью нагорного отвала.
В четвертой главе «Методика проведения горно-экологического мониторинга нагорных отвалов» разработана структурная модель горно-
12 экологического мониторинга нагорного отвала и включена в состав технологии отвалообразованіія. Предложена система инструментальных наблюдений рабочей площадки нагорного отвала, состоящая из режимных, непрерывных и экспертных наблюдений. Определено место горно-экологического мониторинга нагорного отвала в структуре ГИС горнодобывающего предприятия. Выполнен расчет экономической эффективности.
В заключительной части диссертации содержатся основные выводы и результаты работы.
В приложениях представлены исходные данные для построения математических моделей, расчеты и оценка адекватности функциональных зависимостей.
«
Изученность проблемы
Активное освоение человеком верхних частей литосферы приводит к значительным изменениям геологической среды. За последнее время сам человек стал активным фактором созидательного и разрушительного воздействия на окружающую среду. По мнению исследователей, человеческое воздействие на геологические процессы проявляется до глубины 1200 — 1300 м, [38] что не может не отразиться ответными реакциями, например в виде различных экзогенных геологических процессов, в том числе и в виде оползневых проявлений. В условиях интенсивного техногенного воздействия человек все больше использует для возведения сооружений и объектов территории, ранее считавшиеся непригодными для освоения. Это относится и к природным склонам в различных формах их проявления и к техногенным откосам.
Большое разнообразие типов техногенных откосов (карьеры, дорожные выемки, грунтовые плотины, отвалы, дамбы и т.п.) определяет различные методы их исследования и оценки геоэкологической опасности оползневых проявлений, которые сопутствуют как сооружению, так и эксплуатации искусственных откосов.
Наиболее сложными в оценках и прогнозе оползневых проявлений являются техногенные откосные объекты и сооружения, формируемые на природных склонах. Одним из видов таких объектов являются отвалы отходов вскрыши. Проблема геоэкологической безопасности нагорных отвалов заключается в предотвращении чрезвычайных ситуаций в виде техногенных ката- строфических процессов, к которым относятся оползни, и связанных с ними угроз: жизни персонала, сохранности оборудования и самого промышленного сооружения или его части, а также угрозы остановки непрерывного горнотехнологического процесса - размещения отходов вскрыши.
Сложность оценки их состояния обусловлена тем, что они представляют собой откос на склоне. В этом случае происходит наложение деформационной активности, приуроченной к природному склону, на оползневые процессы, протекающие в формируемом техногенном откосном сооружении - нагорном отвале.
Изучением динамики верхней части земной коры в условиях техногене-за занимались известные в нашей стране и за рубежом ученые. Основу этому направлению в России в 19 веке дали научные труды известных русских ученых В.И. Мушкетова, Д.Л. Иванова, М.М. Протодъяконова, Г.Д. Романовского. Ф.В.Сваренский, И.В. Попов, К. Терцаги, Г.М. Шахунянц, Г.С Тер-Степонян, В.Д. Ломтадзе, И.П. Иванов, Ю.Б. Тржцинский внесли существенный вклад в исследования геологических процессов и явлений, возникающих на природных откосах.
Научные принципы управления устойчивостью карьерных откосов впервые были выдвинуты академиком В. В. Ржевским. Г.Л. Фисенко, В.И. Ве-селков, A.M. Мочалов, Г.Б. Афанасьев, Ю.И. Туринцев, А.И. Арсентьев, В.А. Падуков, А. Н. Могилко, А.Б. Фадеев, Ш.М. Айталиев и др. занимались исследованиями устойчивости бортов карьеров и отвалов с учетом фактора времени.
Научные разработки И.И. Попова, В.Н. Попова, Р.П. Окатова, М.А. Ре-вазова, М.Е. Певзнера, О.Ю. Крячко В.Г. Зотеева, Э.Л. Галустьяна, Э.Б. Красносельского и др. легли в основу технологических и специальных методов воздействия на массив с целью управления геодинамическими процессами и обеспечения устойчивости бортов карьеров и отвалов. Большой вклад в изучение склоновых оползневых процессов внесли специалисты ВНИМИ и Горного института Кольского филиала РАН. Результаты их комплексных, фундаментальных исследований по вопросам нагорного отвалообразования в северных условиях совершили прорыв в этой технологии.
По типу пространственного расположения относительно природных склонов нагорные отвалы подразделяются на прислоненные и долинные.
Прислоненные отвалы опираются на односкатную поверхность природного склона, как правило, фронт подвигания таких отвалов направлен или вкрест простирания или по протиранию природного склона.
Долинные отвалы формируют в узких небольших долинах. Для таких отвалов характерен так называемый эффект «заклинивания», который возникает в результате бокового распора отвала между склонов бортов этой долины, повышая его устойчивость и надежность.
По характеру требований к обеспечению устойчивости нагорные отвалы подразделяются на стационарные, подвижные и транзитные.
Стационарные отвалы формируют на склонах с условием обязательного обеспечения устойчивости. Как правило, это достигается созданием подпорных отвалов в нижней части основного отвала.
Нагорный отвал как микрогеодинамическая система
Процессы, происходящие в нагорных отвалах, относятся к сложным, многофакторным процессам. Это связано с тем, что в процессе отсыпки происходят активные сдвиговые деформации, приуроченные к приоткосной зоне рабочих площадок нагорного отвала. Они доходят до значительных величин (50 см/сут.), и представляют собой суммарное, проявление двух динамических процессов: просадочных деформаций, связанных с процессом уплотнения свежеотсыпанной горной массы, и опасных оползневых деформаций на склоне. Для того чтобы детально изучить их, понять причины возникновения и установить общие закономерности развития необходимо объект познания рассмотреть как систему, функционирующую в среде и взаимодействующую с другими системами.
По нашему мнению, системный подход, как метод познания, можно использовать в нашем исследовании для изучения и моделирования сложных процессов поведения отвала и оценки его реакции при различных условиях управляющего воздействия.
Системой принято называть целостную совокупность элементов, объединенных связями. Взаимодействие между элементами проявляется в виде реакции системы.[72]
Задачами наших исследований являются установление структуры и особенностей связей между элементами, определяющими поведение системы как целого, при ее функционировании и развитии. Зная значения переменных компонентов системы в данный момент, можно установить вероятность поведения системы в последующем. [65]
В основу методологии исследования геодинамических процессов и _объектов_природопользования,может.бытьположен принцип-представления горного массива, находящегося под влиянием техногенных процессов, в качестве локального геологического фрагмента литосферы с присущими ему свойствами и поведением.[43]
Для того чтобы исследовать и управлять состоянием исследуемой системы, считаем, что необходимо определить ее место в окружающем литоло-гическом пространстве. На наш взгляд, в качестве основных признаков выделения системы могут служить пространственные объекты литосферы с присущим им материально-вещественным содержанием и связанные с ними факторы, действие которых обусловлено объективными физическими законами.
Известно, что проявления экзогенных геологических явлений в районах добычи полезных ископаемых происходят по причине взаимодействия литосферы, как природной геосистемы, с техногенными факторами, связанными с выемкой, переработкой и транспортировкой горной массы.
Принимая во внимание то обстоятельство, что все объекты материального мира являются динамическими системами, можно предположить, что и рассматриваемая локальная геосистема будет обладать основными свойствами динамических систем: упорядоченностью, устойчивостью, целостностью, взаимодействием и динамичностью.
Исходя из основных свойств динамических систем, по нашему мнению, геосистемы целесообразно классифицировать по следующим критери-ям.[109]
По масштабу природных объектов и видам взаимодействий, геодинамическую систему земной коры можно условно разделить на три взаимосвязанных подсистемы: макро-, мезо- и микрогеодинамические системы.
Макро-геодинамические системы характеризуются тем, что объектами взаимодействия являются тектоносфера Земли и литосферные плиты земной коры. По масштабам данные объекты соизмеримы с размерами континентов.
Их взаимодействие проявляется в движении материков, литосферных плит земной коры. В мезо-геодинамических системах объекты взаимодействия состоят из отдельных блоков литосферных плит, микроплит, отдельных участков континентов или больших территорий земной поверхности под океанами. Выделение геосистем позволяет рассматривать землетрясения, вулканическую деятельность, как проявления взаимодействия геодинамических систем на мезо-уровне.
Микро-геодинамические системы характеризуются тем, что объектами взаимодействия являются локальные пространственные участки земной поверхности или земных недр находящиеся под влиянием природного или техногенного фактора. Их размеры соизмеримы с 2-х - 10-ти кратными размерами пространственного контакта взаимодействия (отвал, карьер, оползневой массив, массив горных пород вмещающих эти объекты и т.д.). Взаимодействия проявляются в виде локальных эндо и экзогеологических явлений (микроземлетрясений, деформаций и разрушений земной поверхности, обрушений и оползней и т.д.).
По характеру возникновения геодинамические системы можно разделить на естественные системы и искусственные. К первым относятся геодинамические системы, отражающие глобальное, естественное поведение тектоники Земли, ее отдельных территорий, не связанных с техногенным воздействием. Искусственные геодинамические системы это объекты техногенного происхождения (отвалы, насыпи, дамбы).
По виду развития геодинамические системы делятся неустойчивые, находящиеся в состоянии равномерного развития. Они не реагируют на воздействие. И не устойчивые, которые реагируют на возмущающее воздействие извне, при этом система развивается не равномерно.
По соотношению силу действующих в системе геодинамические сис-темы делятся на системы находящиеся в равновесном и не равновесном состоянии. В равновесном состоянии возмущающее воздействие компенсиру ется внутренними механизмами системы. Поэтому развитие системы направлено к ее консолидации. В системах находящихся в неравновесном состоянии существующий баланс сил нарушен, поэтому система развивается в направлении ее разрушения.
По характеру развития геодинамические системы делятся на системы с естественным и управляемым развитием. Управляющим фактором в геодинамических системах могут быть как естественные природные процессы (гравитация, движение литосферных плит, естественная сейсмическая активность, влияние космических тел, прежде всего Солнца и Луны), так и техногенное воздействие, (изъятие из земных недр значительных объемов горных масс, геометрические параметры выемки горных пород).
В дальнейшем исследовании предложенная нами классификация геодинамических систем позволит нам сделать обоснованный выбор объекта управляющих воздействий, способов, момента начала и длительности управляющих воздействий на геодинамические системы и их элементы.
Оценка и прогноз состояния геоэкологической безопасности нагорного отвала Дальнегорского датолитового месторождения
Дальнегорское датолитовое месторождение относится к нагорному типу. Перепад высот рельефа в районе объекта исследования, составляет 200-400 м. Примыкающие распадки имеют V - образное сечение, склоны долин крутые, недоступные. Из-за дефицита свободных территорий отвалы пустых пород вскрыши, размещаются на склонах долины и в распадках ключей. Схема отвалов Дальнегорского датолитового месторождения приведена на рис. 3.1.
Отвал № 3 располагался на склонах распадка с углами наклона 30 - 35. Наклон тальвега верхней части долины составлял 15 — 2Q, в нижней 7 - 12. Разница высот между верхней площадкой отвала и нижней части долины распадка составляла— 130м. Проектная высота отвала составляет—350 м.
Дальне горе кого датолитового месторождения Породы вскрыши, размещаемые в отвале, представлены преимущественно прочными разновидностями скальных пород (кремнистыми сланцами, песчаниками, алевролитами, габро-диабазами). Средний размер куска отвальной массы составляет 180 - 200 мм. Средняя прочность пород на сжатие Rc= 62 МПа, на растяжение Rp = 10 МПа, средний угол откоса отвала, полученный по результатам серии изменений составил 38,5.
Основание отвала, склоны долины и тальвег, были представлены коренными породами и четвертичными отложениями мощностью 0,8 — 2,8 м, состоящими из каменисто - щебенистых грунтов с дресвой и суглинками. В составе пород склона слабые породы представлены суглинками четвертичных отложений.
Отсыпка отвала №3 производилась на склоны с углом наклона 30 — 32. Перепад высот в начале отсыпки составлял 130 — 140 м. Фиксирование деформационных процессов осуществлялось на протяжении всего времени отсыпки отвала. Наблюдения за вертикальными смещениями приоткосной зоны отвала велись по реперам на передвижных и стационарных наблюдательных станциях, закладываемых на бровках верхних площадок отвала. Схема наблюдательной станции отвала представлена на рис 3.2.
Периодическое определение высотных отметок реперов проводилось нивелированием по стандартной-методикетехнического класса точности, Результаты наблюдений показали, что темпы деформаций на различных участках отвалообразования отличаются друг от друга. [30]
Усредненная скорость вертикальных сдвиговых деформаций отвала на сформированных откосах вне фронта подвигания отвала
Анализ деформаций отвала в начальном периоде позволил выявить главные негативные факторы, влияющие на геоэкологическую безопасность отвала, это крутой склон со слабыми породами в основании отвала, высота отвала и технологическое воздействие в форме подвигания фронта отвала. [30]
Выявленная в результате исследований динамика вертикальных деформаций на рабочих площадках отвала характеризовалась двумя формами поведения: активной и пассивной.
В процессе интерпретации результатов инструментальных наблюдений была установлена общая черта поведения отвального массива в активной форме, выразившаяся в цикличности динамических процессов.
«УСТОЙЧИВОЕ — РАВНОВЕСНОЕ» состояние отвала характеризовалась следующими показателями: значения скоростей вертикальных смещений на рабочих площадках не превышают 10—12 см/сут, средняя их величина составляет 4-7 см/сут. Скачки деформаций редки, их амплитуда не превышает средних значений. [30]
Цикл «напряжение — разгрузка» не выраженный, условная средняя продолжительность его составляет 30 — 35 сутбк. Длительность фазы разгрузки напряжений составляет около 20 - 25 суток. Фаза роста напряжений длится в среднем 7 — 8 суток. Величина амплитуды падения скорости дефор-маций.в фазе роста напряжений находилась в диапазоне от 6 до 2 см/сут.
Для оценки геодинамического состояния рабочих площадок отвала была использована функция (2.2). Расчет параметров функции изменения скорости вертикальных сдвиговых деформаций во времени был определен с помощью метода наименьших квадратов.
Регрессионная зависимость между In V и t представлена в Приложении. Они показали, что скорость вертикальных деформаций в среднем ежесуточно снижалась на 0,43%. Это свидетельствует о «УСТОЙЧИВОМ- РАВНОВЕСНОМ», безопасном геодинамическом состоянии отвала и о преобладании в массиве деформаций проседания. Аппроксимированная экспоненциальная кривая на долгосрочном интервале была близка к прямой горизонтальной линии. Процесс деформирования протекал без визуально прослеживаемых признаков смещения-массива-на-поверхности рабочих площадок. Смещения фиксировались только инструментальными наблюдениями.
Цикл «напряжение — разгрузка» длится в среднем 8—10 суток. Средняя продолжительность фазы роста и фазы разгрузки напряжений была примерно одинакова и составляла 4 — 5 суток. Амплитуда колебаний значений скоростей деформаций в фазе роста напряжений достигала 25 см/сут. Средняя величина амплитуды падения скорости деформаций составляла 10 см/сут. Динамические процессы носили неравномерный характер. [30] Характеристики поведения отвала в зависимости его состояния представлены в таблице. 3.1.
Положение горно-экологического мониторинга в составе Единой государственной системы экологического мониторинга
В историческом аспекте организацией наблюдений за оползневыми процессами бортов карьеров и отвалов люди начали занимать с тех пор как эти явления стали неизменными спутниками активной техногенной деятельности по использованию земных недр. Научный период в подходе к организации и проведению наблюдений за деформациями земной поверхности, связанными с ведением горных работ, совпал с периодом активного изучения оползневых процессов в середине прошлого века. Изучением, оценкой и прогнозом оползневых деформаций карьерных откосов и отвалов, а также разработкой мероприятий по обеспечению их устойчивости занимались многие известные ученые. Среди них известны научные труды: И.И. Попова, В.Н. Попова, Р.П. Окатова, М.А. Ревазова, М.Е. Певзнера, О.Ю. Крячко В.Г. Зо-теева, Э.Л. Галустьяна, Э.Б. Красносельского.
Наиболее активно занимались этой проблемой ученые исследовательских институтов ВНИМИ и ВИОГЕМ. Накопленный большой опыт изучения деформаций и применяемых методов наблюдения, а также методик обработки и интерпретации результатов наблюдений нашел отражение в отраслевых методических указаниях по выполнению этих работ на горных предприятиях и в организациях.
Большой вклад в изучение склоновых оползневых процессов в нагор-ном отвалообразовании внесли специалисты ВНИМИ и Горного института Кольского филиала РАН.
С точки зрения оценки воздействия на окружающую среду оползневые проявления, связанные с техногенной деятельностью (экзогенные геологические явления), входят в состав объектов эколого-геодинамического исследования. В числе методов изучения оползневых проявлений наиболее важное место занимает горно-экологический мониторинг, который является составной частью мониторинга окружающей природной среды на правах базовой подсистемы. [2]
Так исторически сложилось, что этот раздел общего мониторинга природной среды на сегодня является наиболее изученным. Несмотря на это, в связи со сложностью и многофакторностью экзогенных геологических явлений связанных с техногенезом, изучение активных деформационных процессов при отвалообразовании остается актуальной темой исследований. По-прежнему большой проблемой в системе горного мониторинга остается организация надежного контроля динамических деформационных процессов во времени на реальных промышленных объектах. Большие перспективы в решении задач мониторинга и прогноза опасных оползневых процессов в современных условиях дает широкое развитие информационных технологий, и особенно телеметрических систем дистанционного контроля, систем передачи информации. При этом, как никогда, актуальна разработка новых методик наблюдения, обработки и интерпретации результатов, выработки дополнительных численных критериев оценки опасности наблюдаемых деформационных процессов.
Система государственного мониторинга состояния недр или геологической среды является составной частью (подсистемой) комплексной системы мониторинга окружающей природной среды, и представляет собой систему регулярных наблюдений, сбора, накопления, обработки и анализа информации, оценки состояния геологической среды и прогноза ее изменений под влиянием естественных природных факторов, недропользо-вания и других видов хозяйственной деятельности. Она достаточно подроб но проработана на организационном уровне в нормативных документах МПР и МЧС. [1,2, 3,4, 5]
С 2000 года в РФ действует стандарт, устанавливающий основные положения и общие требования по составу и содержанию работ по мониторингу состояния геологической среды и прогнозированию опасных геологических явлении и процессов. Основная его цель состоит в предупреждении чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного характера. В составе это стандарта круг задач подсистемы мониторинга опасных экзогенных геологических процессов, предназначенных для выявления, учета, оценки состояния и прогнозирования развития опасных экзогенных геологических процессов, решаемых специализированными организациями.[8]
Однако, круг мониторинговых задач, определенных технологией отва-лообразования в нагорных условиях, по-прежнему остается не проработанным в плане оценки и прогнозирования геодинамических процессов.
Организационно, мониторинг нагорных отвалов находится в составе горно-экологического мониторинга предприятия, и входит составной его частью в мониторинг окружающей природной среды (геоэкологический мониторинг), который реализуется через специализированную систему наблюдений — Единую государственную систему экологического мониторинга (ЕГСЭМ), порядок функционирования которой определяется соответствующим Положением, утвержденным Правительством России.[1, 2]
Традиционно мониторингом и прогнозированием опасных геологических явлений на горных предприятиях занимается специализированная служба, которая подчиняется главному маркшейдеру предприятия. На эту службу и сегодня возложена ответственность за выполнение и организацию задач горно-экологического мониторинга на всех техногенных объектах предприятия. [4, 5]
По целевому предназначению и составу решаемых задач наблюдения за деформациями нагорных отвалов можно отнести к локальному, объектному геодинамическому мониторингу.[5] При его проведении решается проблема размещения отходов вскрыши в нагорном отвале с обеспечением контролируемого развития опасных экзогенных геологических процессов (деформаций и оползней).
