Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности проблемы управления откосами бортов на открытых горных работах 12
1.1. Анализ основных принципов управления устойчивостью откосов бортов на открытых горных работах 12
1.2. Аналитический обзор научно-технических публикаций и выполненных исследований в области совершенствовании управления устойчивостью откосов бортов разрезов 15
1.3. Обзор и анализ существующих методов расчета устойчивости откосов разрезов 17
1.4. Аналитический обзор исследований в области защиты горных выработок от неблагоприятного воздействия подземных вод 30
2. Исследование и анализ гидрогеологических и инженерно-геологических условий, влияющих на устойчивость бортов разреза Уртуйский 37
2.1. Инженерно-геологические и гидрогеологические условия Уртуйского буроугольного месторождения .37
2.2. Исследование гидрогеологических и гидродинамических условий Уртуйского буроугольного месторождения 56
2.3. Анализ гидродинамических факторов, влияющих на устойчивость бортов разреза «Уртуйский» 57
2.4. Исследование фильтрационных свойств вмещающих пород и угольного пласта Уртуйского буроугольного месторождения 61
3. Исследование закономерностей формирования техногенного водоносного горизонта на разрезе «Уртуйский» 74
3.1. Гидродинамическое обоснование эффективных способов замедления оползневых процессов и повышения устойчивости рабочих бортовУртуйского разреза 74
3.2. Технология перехвата вод подруслового потока глубинным дренажом горного массива 82
3.3. Создание барражной завесы в долине р. Уртуй 83
4. Геомеханическое обоснование и оптимизация конструктивных параметров бортов разреза «Уртуйский» 88
4.1. Прогноз напряженного состояния обводненных песчано-глинистых бортов разреза 88
4.2. Исследование прочностных свойств горных пород в бортах Уртуйского разреза 97
4.3. Разработка установки для определения прочностных свойств горных породе натурных условиях 103
4.4. Геомеханическое обоснование оптимальной формы бортов Уртуйского разреза 118
4.5. Определение оптимальных конструктивных проектных параметров юго-западного борта Уртуйского разреза 124
4.5.1. Исходные данные для определения конструктивных параметров юго-западного борта Уртуйского разреза 125
4.5.2. Определение проектных параметров юго-западного борта по четвертичным тложениям 130
4.5.3. Определение проектных параметров юго-западного борта Уртуйского разреза по меловым отложениям 131
4.5.4. Проверка параметров юго-западного борта Уртуйского разреза на полную высоту откоса 132
Выводы 135
- Обзор и анализ существующих методов расчета устойчивости откосов разрезов
- Анализ гидродинамических факторов, влияющих на устойчивость бортов разреза «Уртуйский»
- Технология перехвата вод подруслового потока глубинным дренажом горного массива
- Определение оптимальных конструктивных проектных параметров юго-западного борта Уртуйского разреза
Введение к работе
Современное состояние горнодобывающей промышленности, основанной на применении открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых, обуславливает совершенствование существующих и внедрение новых технологических схем ведения вскрышных и добычных работ.
На современных отечественных и зарубежных карьерах ведущая
роль принадлежит мощному высокопроизводительному горно-
транспортному оборудованию (роторным комплексам, шагающим и гидравлическим экскаваторам, механическим лопатам типа ЭКГ и ЭВГ, транспортно-отвальным мостам, консольным ленточным отвалообразова-телям и т.д.). Создаются еще более мощные высокопроизводительные машины. Соответственно расширению возможностей оборудования изменяются элементы систем разработки (высоты вскрышных уступов, ширина берм и тд). Увеличение угла откоса борта может явиться причиной развития оползневых деформаций борта, что снижает безопасность работ и требует непроизводительных затрат времени и средств на ликвидацию последствий оползней и, таким образом, влечет за собой увеличение себестоимости полезного ископаемого. Необоснованное во избежание оползней борта уменьшение угла откоса приводит к увеличению объема вскрышных пород и себестоимости (ошибка в определении угла наклона борта карьера на 1 вызывает изменение общего объема вскрышных работ на 4 %) [8].
Месторождения полезных ископаемых, разрабатываемые открытыми горными работами, как правило, характеризуются сложными горнотехническими, гидрогеологическими и инженерно-геологическими условиями, высокой интенсивностью горных работ, значительным увеличением параметров карьеров и угольных разрезов. При формировании бортов разрезов необходимо проводить постоянный контроль за оползневыми деформациями,
4 разрабатывать специальные мероприятия для обеспечения безопасности и эффективности работ.
Управление откосами бортов позволяет получить существенный экономический выигрыш за счет уменьшения объема вскрышных ра-бот.[1,2,5,6,8].
Решение вопросов управления откосами бортов на открытых горных работах связано с определением оптимальных параметров (высоты и угла откоса уступа, ширину берм) бортов и возможно лишь на основе взаимного согласования технологии добычи и физико-механических свойств вскрышных пород.
Устойчивость борта при заданном угле откоса определяется физико-механическим свойствами вскрышных пород и полезного ископаемого, и в первую очередь, сопротивлением сдвигу, которое для песчано-глинистых пород не является постоянной величиной и зависит от ряда условий. Среди факторов, обуславливающих устойчивость откоса борта, особое место занимают гидрогеологические условия в связи с возможностью активного на них воздействия [3,4].
Изучению горнотехнических, гидрогеологических и инженерно-геологических условий вследствие заметного их влияния на технико-экономические показатели разработки месторождений уделяется большое внимание. При этом главное место в исследованиях занимает, как правило, анализ технологических процессов, а устойчивость откосов бортов, оказывающей подчас решающее влияние на выбор оборудования, технологических схем и, в конечном счете, на экономические показатели предприятия, отводится второстепенная роль. Иногда угол откоса борта выбирается на основе аналогии с одним из разрабатываемых карьеров, причем объект-аналог по горно-геологическим условиям разработки и физико-механическим свойствам пород может существенно отличаться от проектируемого объекта. Естественно, что такая практика приводит к серьезным просчетам в определении допустимого по условиям устойчивости
5 угла откоса борта и дополнительным (часто значительным) затратам на ликвидацию последствий оползней [2].
В связи с этим возникает необходимость анализа влияния горнотехнических, ^гидрогеологических и инженерно-геологических условий на устойчивость борта ввиду их взаимосвязанности и взаимообусловленности при разработке оптимальных параметров системы разработки. Для определения оптимальных параметров разработки на угольных, рудных и нерудных карьерах с целью восполнить пробел в проектировании и строительстве карьеров рассматриваются вопросы на базе изучения влияния гидрогеологических и инженернр-геологических условий на устойчивость бортов. [3,4].
Актуальность работы. Широкое развитие открытого способа разработки угольных месторождений в сложных инженерно-геологических Забайкалья и гидрогеологических условиях Забайкалья вызвало необходимость проведения специальных исследований для создания научных основ проектирования устойчивых бортов разрезов и технологических схем их отработки.
Приаргунское производственное горно-химическое объединение (ОАО «ППГХО») является крупнейшим в мире и единственным в России горнохимическим комплексом по добыче и переработке урановых руд.
Экономическая эффективность и обеспечение жизнедеятельности данного комплекса в огромной мере зависит от устойчивой работы угольного разреза «Уртуйский», снабжающего углем одну из крупнейших в юго-восточном Забайкалье Краснокаменскую тепловую электростанцию. В настоящее время разрез «Уртуйский» вышел на годовую производительность более 4 млн. тонн угля и является весомым дополнительным источником прибыли и оборотных средств ОАО «11111 ХО» за счет реализации высококачественного угля в восточные регионы России. Однако, разработка Уртуй-ского буроугольного месторождения связана с проблемой эффективности и безопасности открытых горных работ, на которые огромное влияние
6 оказывают сложные инженерно-геологические и гидрогеологические условия - наименее благоприятные из всех разрабатываемых открытых способом угольных месторождений Забайкалья. Высокая обводненость вмещающих пород и угольных пластов, многочисленные тектонические нарушения резко снижают устойчивость бортов и уступов разреза и вызывают опасные оползневые деформации горного массива, что уже на данной стадии отработки месторождения вызывает значительное удорожание угледобычных работ и снижают интенсивность и безопасность ведения открытых горных работ.
В этих условиях с целью обеспечения ритмичной, согласованной и безопасной работы всех звеньев механизированного производства при добыче угля особое значение приобретают вопросы управления устойчивостью бортов разреза на основе протеза, контроля и направленного изменения интенсивности происходящих в них геомеханических процессов. Определение с высокой степенью достоверности физико-механических свойств пород бортов разреза открывают возможности корректировки предусмотренных проектом технологий . отработки месторождений. Выявление характера и масштаба геомеханических и гидрогеологических процессов позволяют_рет-ламентировать мероприятия по направленному воздействию на массивы пород с целью предотвращения опасных деформаций горнотехнических сооружений.
В связи с этим, исследования по оценке и управлению геомеханическим состоянием горного массива, а также формированию техногенного водоносного горизонта при отработке угольного разреза «Уртуйский» являются весьма актуальными, так как открывают возможности многостороннего совершенствования и интенсификации открытых горных работ в ОАО «ППГХО» и повышения экономической устойчивости единственного в России уранодобывающего предприятия.
Объектами исследований являются открытые горные работы на угольных месторождениях Восточного Забайкалья.
Предмет исследований: горные породы и геомеханические процессы при ведении открытых горных работ в сложных горно-геологических J условиях.
Цель работы - повышение эффективности открытых горных работ на угольных разрезах на базе обоснования рациональной технологии отработки бортов разреза, учитывающей достоверные физико-механические свойства пород.
Идея работы заключается в совершенствовании и интенсификации геотехнологии открытых горных работ на основе разработки и внедрения эффективных методов исследования механических и фильтрационных свойств горных пород, а также управления геомеханическими и гидродинамическими процессами при разработке обводненных угольных месторождений.
Основные задачи исследования:
оценить состояние проблемы открытых горных работ на угольных месторождениях со сложными горно-геологическими и гидрогеологическими условиями;
изучить в натурных условиях, механические свойства пород бортов Уртуйского буроугольного разреза с использованием разработанных устройства и установки;
- провести математическое моделирование напряженно-
х деформированного состояния массива пород, находящегося под воздей
ствием внешней нагрузки и на этой основе внести коррективы в традицион
ные схемы испытаний пород;
- изучить процесс формирования и дать научное обоснование принци
пов и методов управления техногенным водоносным горизонтом с целью
флегматизации оползневых процессов и повышения устойчивости бортов
Уртуйского разреза;
- обосновать оптимальные параметры бортов Уртуйского разреза с
учетом конкретных горно-геологических условий.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплекс методов исследований, включающий: изучение и анализ инженерно-гидрогеологической информации; теоретический анализ геомеханических процессов в горном массиве; натурные исследования физико-механических свойств пород; натурные производственные эксперименты и наблюдения; теоретическое моделирование геомеханической ситуации горного массива численными методами; анализ результатов исследований с использованием аппарата математической статистики; технико-экономический анализ эффективности предложенных методов повышения устойчивости бортов и уступов разреза в увязке с технологией ведения открытых горных работ.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Наличие информации о механических свойствах пород, полученной
с помощью предложенного устройства повышает надежность геомеханиче
ской оценки устойчивости бортов разреза на любом этапе его отработки и
позволяет управлять качественным составом общего грузопотока породы,
транспортируемой в отвалы.
Введение в традиционную схему натурных испытаний пород на прочность корректив, полученных математическим моделированием напряженно-деформированного состояния массива, существенно повышает качество информации, используемой в расчетах устойчивости бортов разреза.
Флегматизация (замедление) оползневых процессов в бортах и уступах разреза «Уртуйский» достигается путем управления и формирования техногенного водоносного горизонта в соответствии с технологией ведения горных и дренажных работ. Основным условием управления формированием техногенного водоносного горизонта следует считать обеспечение контролируемого положения депрессионной воронки в четвертичных образованиях в приконтурной зоне бортов карьера и во внутренних отвалах.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждена достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в натурных и производственных
9 условиях; статистической обработкой результатов исследований; использованием новых и усовершенствованных устройств и установок, определяющих механические и фильтрационные свойства горных пород; положительными результатами внедрения в ОАО «ППГХО» рекомендаций по формированию карьерного пространства и его рабочей зоны с учетом геомеханической ситуации, а также предложений по повышению устойчивости бортов разреза «Уртуйский».
Научная новизна работы:
1. Установлении закономерности изменения напряженно-
деформированного состояния массива пород борта разреза на основе мо
делирования численными методами процессов, происходящих при различ
ных схемах нагружения уступа.
Разработана методика экспериментального учета влияния действующих в борту градиентов напора на свойства пород на разных этапах отработки месторождения.
Разработана методика определения прочностных свойств пород бортов разрезов и карьеров в натурных условиях.
Установлены закономерности формирования техногенного водоносного горизонта на основе анализа гидрогеологической обстановки при отработке разреза «Уртуйский».
Научно обоснованы рациональные способы управления техногенным водоносным горизонтом для повышения устойчивости бортов разреза.
Практическая ценность работы:
1. Разработаны, модифицированы и внедрены:
- Устройство для исследования прочностных свойств горных пород в натурных условиях с целью повышения достоверности и Надежности геомеханических расчетов по оптимизации параметров бортов и уступов разреза «Уртуйский».
- Фильтрационная установка высокого давления (ФУВД) с целью по
вышения достоверности геомеханической и гидрогеологической оценки си
туации, складывающейся на определенный момент отработки месторож
дения.
2. Практических рекомендации по. определению достоверных прочно
стных и фильтрационных свойств пород в борту разреза.
3. Практические рекомендации по созданию эффективной системы
дренирования с целью замедления (предотвращения) оползневых явлений
на борту карьера и безопасной работы выемочно-транспортных комплек
сов.
Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при разработке «Проекта по развитию горных работ разреза «Уртуй-ский» до 2010 года».
Внедрение практических рекомендаций по оптимизации конструкции и параметров бортов (уступов) разреза позволили сократить объемы вскрышных работ на 3 млн. м3 горных пород и получить экономический эффект в 2003 году, около 10 млн. руб.
Личный вклад автора заключается в:
постановке цели и задач исследований; анализе современного состояния изученности проблемы;
проведении лабораторных испытаний по определению фильтрационных и механических свойств горных пород в разработке методик натурных испытаний;
разработке и внедрении системы дренирования и водоперехвата на разрезе "Уртуйский";
обосновании расчёта оптимальных параметров бортов разреза;
оценке экономической эффективности рекомендаций, обеспечивающих повышение устойчивости бортов разреза.
11 Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:
Международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр» (Новосибирск, 2003 г.);
Международной конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление (г. Чита, 2001 г.);
2 и 3 научно-технических конференциях Горного института ЧитГУ (Чита, 2001-2003 гг.);
Межрегиональной научной конференции «Игошинские чтения» (Иркутск, 2003 год);
Юбилейной конференции, посвященной 30-летию Горного института ЧитГУ (2004 г.);
расширенном семинаре кафедры открытых горных работ Горного института ЧитГУ (2004 г.);
- научно-техническом совете ОАО "11111 ХО" (2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из ведения, четырёх
глав, заключения, списка литературы из наименований, изложена на
страницах машинописного текста, включает таблиц, рисунков и при
ложения.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, члену-корреспонденту РАЕН, профессору, д.т.н. Ю.М. Овешникову и научному консультанту к.т.н. В.А. Бабелло, а также к.т.н. А.Е.Белякову, с.не. М.Р. Гильфанову за ценные советы и постоянную методическую помощь при выполнении работы, техническим руководителям ОАО "ШД ХО", главному маркшейдеру Б.А. Просекину, директору РУ "Уртуйский угольный разрез" В.Е. Трубилину, главному инженеру В.В. Лескову за содействие и оказанную помощь в проведении лабораторных и промышленных испытаний.
Обзор и анализ существующих методов расчета устойчивости откосов разрезов
С развитием открытой разработки месторождений полезных ископаемых в России и ближнем зарубежье заметное отрицательное влияние разрушающих деформаций бортов отмечалось уже с глубины карьеров, достигающей 50 м. С дальнейшим углублением горных работ количество разрушающих деформаций бортов резко возросло. К этому периоду относятся весьма крупные (по объему) оползни на Североуральских, Коркинском и Ба-туринском угольных карьерах, оползни лежачего бока на Высокогорском железорудном карьере, а также мелкие оползни на многих других рудных карьерах. Позднее, с ростом высоты, оползни откосов стали проявляться и на отвалах [77]. Решение проблемы устойчивости бортов карьеров в нашей стране проходило поэтапно. На первом этапе до середины 50-х годов устойчивость бортов по существу определялась качественными характеристиками горного массива. Второй этап относится к концу 50-х началу 60-х годов и связан с такими именами, как СИ. Попов, Г.Л. Фисенко, Ю.Н. Малошицкий и др. [32, 65-67]. В это время борт уже рассматривается как геотехническое сооружение, параметры которого можно рассчитать, используя физико-механические характеристики массива. Можно считать, что на этом этапе заложены основы для нового направления науки - механики горных пород при открытых разработках.
Третий этап характеризуется становлением механики горных пород при открытых разработках как самостоятельного направления науки, имеющего определенные цели и установившиеся методы исследования [74, 75, 80 - 84, 94 - 99]. Организуются лаборатории и группы исследований во ВНИМИ - во главе с Г.Л. Фисенко и Э.Л. Галустяном, в Унипромеди - с Ю.И. Турин-цевым, в СГИ - с В.В. Камшиловым, Н.Д. Ипполитовым, в КПИ - с М.П. Рудаковым, И.И. Поповым, в ИГД МЧМ - с В. Г. Зотеевым, в ИГД им. Скочин-ского - с A.M. Деминым, в ВИОГЕМе - с А. И. Ильиным, в ГИГХСе - с М.Е. Певзнером, в Укрниипроекте - с Н.Н. Куваевым и др. Теоретическая разработка и совершенствование методов расчета устойчивости бортов карьеров и откосов отвалов для реальных геологических условий развивались на основе результатов анализа известных методов расчета (В. Феллениуса, В.В. Соколовского, С.С. Голушкевича, Г.Т. Шахунянца) и результатов исследований деформаций откосов в натурных и лабораторных условиях. Механико-математической основой современных методов расчета устойчивости откосов является теория предельного равновесия «сыпучей среды», включающая также предельное равновесие связной среды с трением, к которой относится массив горных пород. В теории предельного равновесия сыпучей среды рассматривается два случая, имеющих принципиальные отличия в методах решения этих задач, когда условие предельного напряженного состояния удовлетворяется: 1) в каждой точке некоторой области; 2) не во всех точках некоторой области массива, а лишь по ее внутренней границе. Метод решения задач, в которых условие предельного равновесия удовлетворяется в каждой точке некоторой области прибортового массива (метод предельного напряженного состояния сыпучей среды) для расчета параметров равноустойчивых откосов вогнутого профиля и нагруженных откосов плоского профиля в условиях однородных пород разработан В.В. Соколовским и С.С. Голушкевичем [76, 93].
При дальнейшем развитии метода предельного напряженного состояния Г.Л. Фисенко и В.Т. Сапожников установили, что этим методом могут быть рассчитаны не только плоские нагруженные откосы, но также откосы выпуклого профиля при определенных контурных условиях. Проф. С.С. Голушкевич отмечал [93], что: «Случай, когда сыпучая среда находится в предельном напряженном состоянии во всех точках, следует рассматривать как иногда возможный, частный и притом крайний случай состояния предельного равновесия. Поэтому состояние предельного равновесия массива сыпучей среды лучше определять как состояние, при котором его внутренняя граница является поверхностью скольжения». Для практического использования в расчетах устойчивости откосов применяются методы, основанные на том, что предельное равновесие в откосе удовлетворяется не во всех точках некоторой области массива, а лишь по ее внутренней границе (по наиболее напряженной поверхности скольжения) . До недавнего времени оценка напряженного состояния прибортового массива (соотношение удерживающих и сдвигающих усилий по наиболее напряженной поверхности) практически во всех случаях определялась методом алгебраического сложения сил. Указанный метод не учитывает реакции между блоками и исходит из того, что призма возможного обрушения смещается как единое целое. Как правило, это не соответствует практике. В результате занижается рассчитанное соотношение удерживающих и сдвигающих сил (занижается определяемый коэффициент запаса устойчивости). Наиболее надежным и универсальным для расчета устойчивости откосов является усовершенствованный ВНИМИ метод многоугольника сил [51], или метод векторного сложения сил, учитывающий все силы, действующие по границам выделенных блоков, как внутренние, так и внешние (в том числе силы гидростатического давления). Направление сил, действующих на /-тый расчетный блок и соответствующий ему фрагмент многоугольника сил приведены на рис. 1.2. Нижней границей блоков является поверхность скольжения, которая в зависимости от структурного строения прибортового массива горных пород частично или полностью может проходить по естественным поверхностям ослабления, по которым сопротивление сдвигу значительно меньше, чем по другим направлениям. Границы между блоками принимаются подобно тому, как располагается второе семейство поверхностей скольжения при расчетах методом предельного напряженного состояния. Условие равновесия расчетного блока в проекции на его основание имеет следующий вид: ДГ, - JPf Silt(y, -ф -С. ССЙф, - СмДм« (їм+і - YI + ФІ)+ +Д sin ф, + DiS_i sin(y M,t - ТІ + Ф,) - где АТІ - разность сдвигающих и удерживающих сил; YJ; YU І_І; Yi, І+І -углы наклона соответствующих граней блока; (рь фі, и; ФІ, І+І - углы трения пород по соответствующим граням.
Анализ гидродинамических факторов, влияющих на устойчивость бортов разреза «Уртуйский»
В процессе анализа гидрогеологических условий отработки Уртуйского месторождения выявлено, что для западного борта разреза Уртуйский характерен разрыв уровней подземных вод в четвертичных образованиях и меловых породах. Связано это с тем, что, являясь водоупором для четвертичного водоносного горизонта, алевролиты надугольнои толщи препятствуют фильтрации подземных вод из четвертичных образований в угленосные породы и угли, которые обладают довольно хорошими фильтрационными свойствами (коэффициент фильтрации до 17 м/сут). При этом под толщей алевролитов сформировался водоносный горизонт со свободным уровнем в угле-вмещающих породах. Известные значения статических (в долине Уртуя) и динамических уровней подземных вод в карьере (для четвертичных пород по линии разгрузки на контакте с алевролитами, а для меловых пород - в зумпфе) позволяют рассчитать депрессионные кривые подземных вод в четвертичных образованиях по формуле 2.1. Следует отметить, при этом, что динамические уровни подземных вод в дренажных скважинах 1 - 4 в настоящее время ниже, чем уровни разгрузки четвертичного водоносного горизонта в западном борту карьера (604 и 610 м соответственно). Это свидетельствует, что в настоящее время работа водопо-низительных скважин не является эффективной. Они не полностью перехватывают поток подземных вод из долины Уртуя, что и приводит к обводнению борта по подошве четвертичных отложений. Расчетная формула для построения кривой депрессии подземного потока следующая: h,=ji?- ix, (2.1) где hx - расчетные отметки депрессионной кривой, hi и h2 - мощности потока (отметки) уровня подземных вод в верхнем и нижнем сечении, L - расстояния между сечениями с известными уровнями, х - расстояния между расчетными сечениями. Подставляя известные значения уровней и расстояний (hi = 644 м, Ъ.г =610 м, L=1600 м в формулу 1, получим расчетные отметки депрессионной кривой в четвертичных отложения, представленные в табл. 2. 3.
Учитывая неэффективную работу дренажа в качестве уровня верхнего сечения взят уровень по створу предполагаемой дамбы - 644 м. Аналогично рассчитывается и положение депрессионной кривой в. угленосных отложениях. Следует учесть, однако, что в долине р. Уртуй подземные воды четвертичных отложений и меловых пород имеют гидравлическую связь и общий уровень. Поэтому на данном участке реальное положение уровней может отличаться от данных табл. 2.3. В районе же западного борта разреза из-за наличия в породах на-дугольной толщи слабопроницаемых алевролитов и суглинков (коэффициент фильтрации 0,29 м/сут) гидравлическая связь отсутствует.Уровни здесь разорваны. Не исключено, тем не менее, что по отдельным ослабленным зонам (разломам) или линзам песчаников в толще алевролитов возможен переток подземных вод из четвертичных пород в меловые. На таких участках уровни подземных вод в четвертичных породах будут ниже расчетных, а в меловых наоборот выше. Расстояние до верхнего сечения (по створу дренажных скважин) от зумпфа - 1600 м, отметка уровня воды - 604 м.
В настоящее время разгрузка вод четвертичного водоносного горизонта в западном борту разреза Уртуйский происходит на горизонтах 600 - 610 м. При этом мощность обводненного слоя на участке выклинивания депресси-онной кривой составляет от 0,5 до 1,0 м, в зависимости от коэффициента фильтрации пород. При больших значениях коэффициента фильтрации мощность обводненного слоя на участке выклинивания депрессионной кривой меньше и наоборот. Отмечается, что разгрузка вод четвертичного горизонта в западном борту Уртуйского разреза приводит к его оплыванию и оползанию из-за резкого снижения устойчивости обводненных пород, находящихся практически в плывунном состоянии. В таких условиях дальнейшие горные работы на 610 горизонте проблематичны. Таким образом, основной задачей успешного ведения горных работ на западном (рабочем) борту разреза является осушение четвертичных отложений. Эта задача может решаться различными методами: - за счет эффективной работы водопонизительных скважин (глубинный дренаж); - созданием открытой дренажной системы в долине р. Уртуй (горизонтальный открытый дренаж) с откачкой и сбросом воды в руслоотвод; - созданием закрытой дренажной системы в долине р. Уртуй (горизонтальный закрытый дренаж) с откачкой и сбросом воды в руслоотвод; - созданием барражной (противофильтрационной) завесы в долине р. Уртуй с прямым сбросом воды в руслоотвод; - разнесение бортов карьера на уровне 610 горизонта и сбором разгружающихся здесь вод в водосборную траншею с последующим спуском воды в зумпф (решение предприятия). Произведем анализ повышения устойчивости бортов в результате эффективного применения той или иной системы для снижения уровней подземных вод и предотвращения обводнения западного борта разреза. Все рассмотренные системы снижения уровней подземных вод и их перехвата должны обеспечить предотвращение обводнения западного борта разреза и, тем самым, повышение его устойчивости. При этом должен быть перехвачен и отведен за пределы Уртуйского разреза весь поток грунтовых подземных вод, поступающих из пади Уртуй. Или же, по крайней мере, должна быть перехвачена и отведена та часть потока, которая не успевает дренироваться углевмещающими породами и по их кровле транспортируется к борту разреза. По нашим оценкам должно быть перехвачено не менее 140 м3/час вод подруслового потока в пади Уртуй. Это полностью гарантирует осушение четвертичного водоносного горизонта в борту разреза. Оставшаяся часть потока будет дренироваться углевмещающими породами. В настоящее же время за счет работы глубинного дренажа (данные разреза Уртуй) пере-хватывается максимально около 63 м /час подземных вод подруслового потока р. Уртуй, то есть не более 20%.
Технология перехвата вод подруслового потока глубинным дренажом горного массива
Глубинный дренаж - один из основных способов перехвата потоков подземных вод в районе действующих карьеров. Он исключает применение горной техники, перемещение значительных объемов горных масс, решает многие проблемы отвода подземных вод в зимнее время в условиях криоли-тозоны Забайкалья. Однако, в настоящее время, применение глубинного дренажа на Уртуйском разрезе не является эффективным по следующим причинам: - выход из строя большинства водопонизительных скважин в прикон-турной зоне карьера из-за существенного воздействия его депрессионной воронки или по техническим причинам (перемерзание и т.д.); - недостаточная длина фильтров скважин и их кольматация, заиливание скважин; отсутствие утепленных водоводов и перемерзание или остановка скважин в зимнее время; - неэффективное расположение скважин (на участках слабопроницаемых пород или вблизи заглинизированных, непроницаемых тектонических зон, играющих роль гидродинамических границ второго рода). Дополнительным неблагоприятным фактором является то, что устьевая часть долины р. Уртуй заполнена породами внешних отвалов. Причем складирование осуществлялось непосредственно на поды первого от поверхности водоносного горизонта. При мощности отвалов до 30 м нагрузка от их массы, очевидно привела к уплотнению пород и снижению фильтрационных свойств. В этих условиях работа дренажных скважин, закладываемых через тело отвалов будет еще более неэффективной, чем в настоящее время. 83 3.3. Создание барражной завесы в долине р. Уртуй В работах Абрамова С.К., Газизова М.С., Костенко В.И., Мироненко В.А., Шестакова В.М., Митрофанова Н.С. [1, 2, 103, 106 и др.] и других авторов показано, что создание горизонтальных барражей в траншеях целесообразно и экономически эффективно при мощности тампонируемого слоя не более 10-12 м. Однако использование этой технологии в Забайкалье ограничено только разрезом "Тигнинский", хотя при разработке россыпных месторождений золота, алмазов и других полезных ископаемых открытым способом в районах Крайнего Севера и Забайкалья применение экранов различного типа нашло довольно широкое применение [7,34,73,92].
В качестве противофильтрационных систем известны и получили научную проработку экраны из полимерных пленок, бентонитовых глин, битумов, цемента, грунто-полимерных смесей. Наибольшее применение при освоении месторождений нашли проти-вофильтрационные пленочные экраны из различных полимеров, рассмотренные в работах Глебова В.Д, Лысенко В.П., Рашкина А.В., Костромина MB., Соколовского В.В., Стафеева П.Ф. и других авторов, а также тампонаж пород различными реагентами, что нашло освещение в работах Батюка В.В., Безрука В.М., Карасева К.И., Максимова А.П., Евтушенко В.В., Рашкина А.В., Шувалова И.Г., Костромина М.В., Серова Н.М., Хилько, В.В., Ковальчука КХФ., Шуманова Б.Б., Зубова В.М. В большинстве случаев подобные экраны применяются при создании искусственных водоемов, например прудов-отстойников или при водно-тепловой мелиорации пород для уменьшения объемов фильтрации через тело земляных дамб. В последние годы противофильтрационные защиты используются в экологических целях - для предотвращения истощения водных ресурсов, снижения объемов карьерных вод и затрат на их очистку. Например, при разработке алмазных месторождений в Якутии, нашли применение противофильтрационные завесы, создаваемые цементацией пород (Е.Л. Артемьева, НИ. Строганова, F.B. Черкасов., Л.Д. Синкевич). На месторождениях Урала в подобных целях используются местные материалы - суглинки для уменьшения объемов фильтрации из отстойников карьерных вод, что нашло освещение в работе В.Г. Зотеева, Т.К. Костерова, С.Н. Тагильцева.
Опыт и технология применения завес, создаваемых по методу "стена в грунте" описан в работах А.Л. Филатова [64], Н.С. Митрофанова, Б.М. Козакова [44], В.М. Зубкова, М.И. Смородинова, Б.С. Федорова и других авторов. Однако опыт применения таких сооружений при открытой разработке место-рождений в Забайкалье весьма ограничен. Хотя экономический анализ показывает весьма высокую перспективность применения завес для экранирования потоков подземных вод к горным выработкам. Кроме существенного снижения водопритоков в карьеры и разрезы обеспечивается и экологичность горного производства за счет снижения объемов карьерных вод, затрат на их очистку, сохранения ресурсов поверхностных и подземных вод, что показано в работах А.Е. Белякова, В.А. Бабелло. Применение противофильтрационной завесы на разрезе Уртуйский для перехвата подземного подруслового потока из пади Уртуй, в соответствиии с анализом публикаций по данной проблеме ограничено по следующим причинам: - мощность четвертичных рыхлых пород достигает 50 - 60 м, что намного больше рекомендуемых значений для горизонтальных завес, как следствие возникает необходимость перемещения огромных объемов горных масс;- вертикальные непроницаемые завесы в условиях разреза Уртуйский практически неприменимы из-за пестрого литологического состава пород и невозможности создания однородного непроницаемого экрана; - перехват подземного потока у завесы требует эффективных меро приятий по отводу подземных вод, особенно в зимнее время; - подпор подземных вод в условиях узкой долины р. Уртуй (ширина 1000 - 1200 м) создает возможность обходной фильтрации в породах бортов долины. Кроме того, устьева часть долины р. Уртуй в настоящее время практически заполнена породами внешних отвалов высотой до 30 м, что требует значительных дополнительных затрат на перемещение горных масс.
, Таким образом, создание горизонтальной барражной завесы в условиях разреза Уртуйский требует использования нестандартных проектных решений. Исходя из гидрогеологических условий разреза Уртуйский эффективный перехват нодруслового потока может быть осуществлен за счет переноса барражной завесы вверх по Уртуйской долине на расстояние до 2 км от разреза. Здесь мощность рыхлых высокопроницаемых отложений не превышает 25 м, ширина долины составляет не более 1500 м, уровни грунтовых вод залегают на глубине 1,5 - 2,5 м.. При этом, как показано в главе 2 нет необходимости вскрытия рыхлых отложений на всю мощность, так как для решения задачи осушения западного борта разреза достаточным является перехват 50% объема подруслового потока. Дополнительным положительным фактором является то, что во вскрышных породах надугольного пласта присутствуют весьма слабопроницаемые породы - алевролиты, коэффициент фильтрации которых не превышает 0,09 м/сут. Они могут быть использованы для создания противофильтрационной завесы. При этом плечо доставки алевролитов к траншее не превышает плеча перевозки вскрышных пород во внешние отвалы. Кроме этого, высокопроницаемыми отложениями (средний коэффициент фильтрации около 60 м/ сут) являются только верхняя часть разреза подрусловых отложений долины р. Уртуй при мощности слоя около 12 м. Нижняя часть разреза представлена сравнительно плохо проницаемыми породами со средним коэффициентом фильтрации около 3,2 м/сут. Для оценки эффективности перехвата подрусловых вод горизонтальной барражной завесой несовершенного типа при ее мощности 10 и 12 м выполнен фильтрационный расчет по программе «Дамба», разработанной в ЧитГУ. Исходные параметры завесы следующие: мощность от 1 до 12 м; средняя ширина траншеи с экранирующим материалом 8 м; коэффициент фильтрации материала 0,09 м/сут. Результаты расчетов следующие. Фильтрационный расход подруслового потока при мощности экрана в 12 м снижается до 60 м /час, а его удельная производительность составляет 0,967 м /сут/м. При мощности экрана в 10 м «проскок» грунтовых вод под завесой составляет 125 м3/час. Как показано в главе 2 общий фильтрационный расход потока по до-лине р. Уртуй составляет около 270 м /час, разгрузка вод четвертичного го-ризонта в борту разреза до 120 м /час, переток в углевмещающие породы 150 м3/час. Таким образом, уже при глубине закладки экрана в 10 м обеспечивается осушение четвертичного горизонта, так как сложившаяся величина перетока в углевмещающие породы (150 м3/час) существенно (на 25%) превы-шает величину «проскока» под завесой (120 м /час). В графическом виде работа экрана представлена на рис .3.3.
Определение оптимальных конструктивных проектных параметров юго-западного борта Уртуйского разреза
Подробные инженерно-геологические и структурные исследования прибортового массива позволили уточнить геометризацию, гидрогеологические условия и прочностные характеристики контактной зоны прибортового массива. Анализ материалов полученных в результате выполненных исследований позволяет подтвердить предварительный вывод, сделанный нами в промежуточном отчете: одной из главных причин деформационных процессов на юго-западном борту разреза, является обводненный контакт четвертичных и меловых отложений. Этой же причиной можно объяснить и локальные деформации четвертичных отложений рассматриваемого борта. 4.5.1. Исходные данные для определения конструктивных параметров юго-западного борта Уртуйского разреза Для расчета были приняты следующие исходные данные: 1. Геометрические параметры проектного борта: верхняя отметка откоса борта + 648 м.; нижняя отметка откоса борта + 504 м.; высота борта разреза 150 м; высота уступа 12м; ширина бермы 15м.; форма откоса борта плоская; угол наклона откоса борта 29; протяженность участка по фронту -1000 м. 2. Структурное строение прибортового массива юго-западного борта: мощность четвертичные отложений - 50 м; мощность меловых отложений -100 м.; высотная отметка границы четвертичных и меловых отложений + 600-+588 м. Срок службы юго-западного борта разреза - 10 лет 3. Породы четвертичные отложений водонасыщенные.
Питание осуще ствляется из водоносных горизонтов прибортового массива и атмо сферными осадками. Уровень грунтовых вод в четвертичных отложе ниях будет зависеть от результативности инженерных мероприятий по перехвату и отводу грунтовых вод водонапорных горизонтов прибортового массива (Глава 2). Породы меловых отложений являются естественным водоупором верхних водоносных горизонтов. Питание осуществляется из нижних водоносных горизонтов. 4. Прочностные характеристики прибортового массива, полученные в результате экспериментальных исследований по определению прочностных свойств пород в натурных условиях с помощью полевых установок. Анализ структурного строения прибортового массива позволяет нам сделать вывод о раздельном деформировании борта разреза по высоте. Граница раздела при этом приурочена к контакту четвертичных и меловых отложений. Наклоненный в сторону выработанного пространства разреза обводненный контакт пород четвертичных и меловых отложений прибортового массива, лег в основу расчетных схем по определению и обоснованию проектных параметров юго-западного борта разреза. Схема расчета устойчивости при определении параметров борта разреза по четвертичным отложениям представлена однородным массивом с поверхностью ослабления в виде обводненного контакта, проходящего по границе четвертичных и меловых отложений. Ослабленный контакт формируется поверхностью скольжения параболической формы со средним углом падения)? -8. Схема расчета устойчивости при определении параметров борта разреза по меловым отложениям представлена однородным массивом с необвод-ненными поверхностями ослабления в виде субвертикальных тектонических нарушений с падением в сторону выработанного пространства.
Поверхность скольжения комбинированная. Расчетные схемы устойчивости при определении параметров юго-западного борта разреза представлены на рис. 4.13 — 4.15. Расчетные прочностные характеристики пород по четвертичным отложениям определены с учетом удельного веса сопротивления сдвигу каждого инженерно-геологического комплекса (слоя пород) в общем сопротивлении сдвигу по наиболее напряженной поверхности скольжения. Выполнена высотная привязка прочностных расчетных данных по высотным отметкам в прибортовом массиве. Введены коэффициенты ослабления с учетом обводненности. К расчету борта по четвертичному комплексу приняты следующие характеристики: угол внутреннего трения пород основного массива р= 29,8; угол внутреннего трения по контакту ф-25; сцепление в массиве с = 3,66 т/м2 сцепление по контакту с = 2,5 т/м2 Расчеты выполнены методом алгебраического сложения сил [81], Расчет параметров борта разреза по четвертичным отложениям выполнялся по схеме однородного массива с естественной поверхностью ослабления на границе четвертичных и меловых отложений в виде обводненного контакта параболической формы со средним углом падения Р 8. Результаты расчетов Результаты расчетов свидетельствуют о том, что нормативная устойчивость (п = 1,2) юго-западного борта разреза Уртуйский по четвертичным отложениям будет обеспечена при заданных расчетных прочностных характеристиках пород прибортового массива и прочих расчетных условиях если: - общий угол наклона борта разреза по четвертичным отложениям не будет превышать 23,5 .1 4.5.3. Определение проектных параметров юго-западного борта Уртуйского разреза по меловым отложениям Расчетные прочностные характеристики пород по меловым отложениям определены с учетом удельного веса сопротивления сдвигу каждого инженерно-геологического комплекса (слоя пород) в общем сопротивлении сдвигу по наиболее напряженной поверхности скольжения. Выполнена высотная привязка прочностных расчетных данных по отметкам в прибортовом массиве.
При анализе прочностных характеристик учтены результаты предыдущих исследований Уртуйского месторождения. К расчету приняты следующие характеристики: угол внутреннего трения пород основного массива р =38 ; сцепление в массиве с= 13,2 т/м Расчеты выполнены методом алгебраического сложения сил [81]. Схема расчета устойчивости борта разреза по меловым отложениям представлена однородным массивом с необводненными поверхностями ослабления в виде субвертикальных тектонических нарушений с падением в сторону выработанного пространства. Потенциальные поверхности скольжения строились исходя из критерия минимальности отношения удерживающих и сдвигающих усилий. Поверхность скольжения комбинированная, выходящая в нижнюю бровку откоса борта на высотную отметку + 504 м. Место начала расчетной кривой (гор. +600 м) выбрано исходя из наиболее вероятного положения поверхности скольжения в меловых отложениях юго-западного борта разреза. Выбранные расчетные схемы и метод расчета учитывает структурную тектонику прибортового массива. Схема расчета устойчивости при определений параметров борта разреза по меловым отложениям представлена на Рис. 4.12.
Для оценки условий равновесия массив, оконтуренный потенциальной поверхностью скольжение, разбивается на расчетные блоки, размеры которых определяются из условий, что участки поверхности скольжения их основания могут быть представлены прямолинейными отрезками. Для каждого из выделенных блоков составляется уравнение баланса сил. п = (4.32). Z7/ где: Ті — касательная составляющая веса расчетного блока (сдвигающее усилие); Fji силы сопротивления сдвигу; Расчет производился по усредненным значениям прочностных характеристик пород мелового комплекса, уточненных в процессе исследований. Расчетные прочностные характеристики горных пород были получены путем введения в исходные значения угла внутреннего трения -ф и сцепления - С нормативного коэффициента запаса п = 1,2. Результаты расчетов представлены в приложении (Таблица 2). Результаты расчетов: Результаты расчетов свидетельствуют о том, что нормативная устойчивость (п = 1,2) участка южного борта разреза по меловым отложениям будет обеспечена при заданных расчетных прочностных характеристиках пород прибортового массива и прочих расчетных условиях если: общий угол наклона южного борта разреза по меловым отложениям не будет превышать 37,2 .
