Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние горных работ на разрезах Кузбасса, анализ изученности проблемы мониторинга состояния горнотехнических объектов открытой разработки угольных месторождений 9
1.1 Краткая характеристика открытой разработки угольных месторождений в Кузбассе 9
1.2 Обеспечение промышленной безопасности при открытой разработке угольных месторождений в Кузбассе 12
1.3 Анализ вопроса изученности мониторинга геологической среды и мониторинга состояния горнотехнических объектов при разработке угольных месторождений 17
1.4 Цели и задачи исследований 30
Глава 2 Характеристика природно-технических систем открытой разработки угольных месторождений на примере «Кедровского разреза» 31
2.1 Современные представления о формировании и функционировании природно-технических систем 31
2.2 Горно-геологические и гидрогеологические условия Кедровско Крохалевского месторождения, разрабатываемого «Кедровским разрезом» 35
2.3 Инженерно-геологические условия прибортовых и отвальных массивов разреза 45
2.4 Краткая характеристика технологических процессов открытой разработки угольного месторождения 61
2.5 Формирование подземного горного массива и функционирование технологических коммуникаций в районе открытой разработки угольного месторождения 71
2.6 Типизация природно-технических систем открытой разработки угольных месторождений для условий «Кедровского разреза» 72
2.7 Выводы по главе 2 81
Глава 3 Разработка и совершенствование методики комплексного мониторинга состояния природно-технических систем открытой разработки угольных месторождений 85
3.1 Основные принципы мониторинга состояния 85
3.2 Требования к изучению инженерно-геологических условий природно-технических систем (инженерно-геологический мониторинг состояния ИГМС) 93
3.3 Гидрогеологический мониторинг состояния (ГМС) 100
3.4 Деформационный мониторинг состояния (ДМС) 106
3.5 Технологический мониторинг состояния (ТМС) 112
3.6 Пример организации мониторинга состояния природно-технической системы особой сложности 116
3.7 Выводы по главе 3 124
Глава 4 Обоснование критериев безопасности функционирования природно-технических систем открытой разработки угольных месторождений 126
4.1 Общие положения 126
4.2 Разработка статических и динамических двумерных и трехмерных моделей природно-технических систем для определения оптимальных параметров системы и определения значений критериев безопасности 129
4.3 Определение коэффициента запаса устойчивости откосов природно-технических систем
4.4 Гидрогеологические критерии безопасности 140
4.5 Деформационные критерии безопасности 143
4.6 Организация безопасного формирования природно-технических
систем 144
4.7 Выводы по главе 4 149
Заключение 152
Список сокращений 154
Список литературы
- Анализ вопроса изученности мониторинга геологической среды и мониторинга состояния горнотехнических объектов при разработке угольных месторождений
- Горно-геологические и гидрогеологические условия Кедровско Крохалевского месторождения, разрабатываемого «Кедровским разрезом»
- Требования к изучению инженерно-геологических условий природно-технических систем (инженерно-геологический мониторинг состояния ИГМС)
- Определение коэффициента запаса устойчивости откосов природно-технических систем
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие угольной отрасли Кузбасса является приоритетной задачей промышленности Российской Федерации, базирующейся на наличии разведанных запасов высококачественных углей, хорошо развитых инфраструктуры и транспортных магистралей. Горно-геологические условия месторождений данного региона обеспечивают использование наиболее экономически целесообразного и безопасного открытого способа добычи. Его интенсификация здесь связанна с вводом в эксплуатацию новых и увеличением мощности ранее существующих разрезов, что позволило в последние годы обеспечить рост открытой добычи угля до 140 млн. тонн из общего объема в 211 млн. тонн.
Большинство предприятий открытой разработки угля Кузнецкого бассейна эксплуатируются более 50 лет. За это время площади и глубины горных выработок существенно выросли, рядом с ними сформировались отвальные массивы значительных размеров, были построены инженерные сооружения различного назначения, возведены транспортные и энергетические коммуникации и т.д. Горнотехнические сооружения в комбинации с природной средой образовали природно-технические системы (ПТС), обеспечение безопасности функционирования которых является важнейшей задачей горного производства. Горные ПТС являются опасными промышленными объектами и подпадают под действие ФЗ №116 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», так как при их эксплуатации существует вероятность возникновения аварий с человеческими жертвами и значительными материальными ущербами.
Надежность работы угольной отрасли, горных предприятий и их структурных элементов (участков, отдельных горнотехнических сооружений и пр.) во многом зависит от своевременной и достоверной оценки пространственно-временных параметров ПТС и процессов, определяющих их функционирование. Одним из основных способов контроля и управления безопасностью горных работ является мониторинг состояния ПТС.
Основы геоэкологического и геотехнического мониторинга в
конце прошлого века заложили Ю.И. Израэль, И.П. Герасимов,
В.К. Епишин, В.Т. Трофимов, Г.К. Бондарик, Л.А. Ярг,
Е.М. Сергеев, В.А. Королев, В.А. Мироненко, А.Г. Гамбурцев, М.Е. Певзнер, и др. В горных отраслях разработке методических основ мониторинга безопасности горнотехнических сооружений посвящены исследования Бахаевой С.П., Гальперина А.М., Даш-ко Р.Э., Жарикова В.П., Зотеева В.Г., Зотеева О.В., Иванова И.П., Киянца А.В., Клейменова Р.Г., Кутепова Ю.И., Кутеповой Н.А., Мо-гилина А.Н., Мосейкина В.В., Норватова Ю.А., Протасова С.И., Середина В.В., Стрельцова В.В., Ческидова В.В., Шабарова А.Н., Шпакова П.С. и др. Благодаря многолетней деятельности этих специалистов разработано инженерно-геологическое, гидрогеомехани-ческое, маркшейдерское обеспечение безопасности горнотехнических сооружений. Однако современные потребности горного производства выдвигают новые задачи, требующие совершенствования научно-методического обеспечения безопасности открытой разработки угольных месторождений (ОРУМ) к числу которых относятся позиционирование взаимодействующих сооружений как единой ПТС и разработка структуры мониторинга состояния таких систем.
Целью диссертационной работы является разработка научно-методического обеспечения мониторинга состояния природно-технических систем открытой разработки угольных месторождений в Кузбассе.
Идея работы. Программа и методика комплексного монито
ринга состояния горнотехнических сооружений должны соответ
ствовать типу ПТС, а его выполнение осуществляться на критери
альной основе с использованием комплекса инженерно-
геологических, гидрогеологических и маркшейдерско-геодезических
методов.
Основные задачи исследований:
1. Анализ современного состояния открытых горных работ в
Кузбассе, оценка инженерно-геологических, гидрогеологических и
горнотехнических условий разработки Кедровско-Крохалевского
месторождения угля.
2. Теоретический анализ закономерностей взаимодействия гор
нотехнических сооружений в рамках единых ПТС ОРУМ. Разработ-
ка типизации ПТС и прогнозирование сценариев развития негативных последствий аварий.
3. Разработка программы и методики комплексного мониторинга
состояния ПТС ОРУМ.
4. Обоснование критериев безопасности функционирования
ПТС ОРУМ.
Методы исследований. В работе использован комплексный подход к решению задач, включающий системный анализ научной и нормативно-методической литературы, лабораторные и натурные методы исследований, аналитические методы механики грунтов и математическое моделирование НДС пород, опытно-промышленные испытания.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Типизация ПТС ОРУМ должна учитывать виды горных работ, применяемых при их формировании, состав горнотехнических сооружений, инженерно-геологическое и гидрогеологическое строение техногенных и природных массивов, а также развивающиеся при этом геомеханические процессы.
-
Мониторинг состояния ПТС должен осуществляться с использованием комплекса инженерно-геологических, гидрогеологических, технологических и маркшейдерско-геодезических наблюдений и исследований, программа и методика выполнения которых выбираются в зависимости от типа ПТС и наиболее вероятного сценария аварии.
3. Безопасность функционирования ПТС контролируется вы
полнением комплексного мониторинга состояния горнотехнических
сооружений по обоснованным критериям двух уровней, при дости
жении которых изменяются программа, методика и режим наблюде
ний, выполняются технологические мероприятия по предупрежде
нию негативных последствий, либо остановка горных работ до лик
видации аварийной ситуации.
Научная новизна состоит в: - разработке типизации ПТС и обосновании сценариев развития негативных последствий для выделенных типов; - в зависимости от типа ПТС и возможного сценария аварии обоснованы принципы организации мониторинга и выбор критериев безопасности.
Практическая значимость заключается в: - оценке инженерно-геологических, гидрогеологических и технологических условий «Кедровского разреза» в Кузбассе; - обосновании параметров и технологии безопасного формирования и функционирования бортов, отвалов и гидроотвалов в рамках различных ПТС; - разработке программы и методики комплексного мониторинга состояния горнотехнических сооружений.
Реализация результатов работы. Полученные результаты использовались при разработке рекомендаций по параметрам и ведению мониторинга безопасного функционирования горнотехнических сооружений на «Кедровском разрезе» ОАО «УК «Кузбассраз-резуголь».
Личный вклад автора заключается в: - постановке цели и задач исследований; разработке принципов типизации ПТС, программ и методики мониторинга состояния ПТС; - организации и выполнении мониторинга на «Кедровском разрезе»; - анализе и интерпретации результатов исследований.
Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: симпозиумы «Неделя горняка» (МГГУ, Москва, 2012, 2013, 2014 и 2015 гг.), международная научно-техническая конференция «Современное состояние, тенденции и перспективы развития гидрогеологии и инженерной геологии (к 100-летию со дня рождения В.Д. Ломтадзе» (Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, 2012 г.), всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Мониторинг природных и техногенных процессов при ведении горных работ» (Горный институт Кольского научного центра РАН, Апатиты, 2013 г.), юбилейная конференция «Шестнадцатые Сергеевские чтения. Развитие научных идей академика Е.М. Сергеева на современном этапе» (Институт Геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН, Москва, 2014 г.), всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Геомеханика в горном деле» (Институт горного дела Уральского отделения РАН, Екатеринбург, 2014 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 5 опубликованных статьях, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки РФ.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 165 страницах, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 104 наименований, содержит 38 рисунков, 29 таблиц.
Автор выражает благодарность научному руководителю профессору Кутепову Ю.И., доктору технических наук Кутеповой Н.А., кандидатам технических наук Ивочкиной М.А и Карасеву М.А., инженеру Практика С.В. за помощь при выполнении исследований. Автор благодарит специалистов ОАО «УК «Кузбассразрезуголь»: начальника управления горных работ, кандидата технических наук Клейменова Р.Г., начальника маркшейдерского отдела Беккера Э.В., а также специалистов «Кедровского разреза»: первого заместителя директора Абрамова В.В., главного маркшейдера Щупаковского Н.В., главного геолога Подтяжкина А.В. за предоставленную возможность участвовать в натурных экспериментах и использовать материалы по объектам, ценные советы и поддержку.
Анализ вопроса изученности мониторинга геологической среды и мониторинга состояния горнотехнических объектов при разработке угольных месторождений
Система управления промышленной безопасностью горных предприятий обеспечивает сохранность и безопасное функционирование ОПО, не рассматривая его влияние на природную среду и взаимосвязь между соседними горнотехническими объектами. Взаимодействием техногенных и природных факторов занимаются такие науки как геотехнология, горнопромышленная геология и геоэкология, а качественно и количественно оценивается это взаимодействие с помощью наиболее рационального и экономически эффективного способа получения информации – мониторинга безопасности (МБ), а применительно к горнотехническим объектам – мониторинга состояния (МС). Понятие МБ появилось только в последние годы и еще практически не укоренилось в инженерной практике для всех опасных промышленных объектов. Далее рассмотрим историю возникновения мониторинга на предприятиях недропользования.
При хозяйственной деятельности человека издавна применяется в силу простого любопытства и необходимости осуществления контрольных функций используются специальные наблюдение, как особый способ познания, основанный на относительно длительном, целенаправленном и планомерном восприятии предметов и явлений окружающей действительности. Примеры организации наблюдений за природной средой встречались еще в первом веке нашей эры.
Много позднее, в XX веке, в науке возник термин «мониторинг» для обозначения повторных целенаправленных наблюдений за одним или несколькими элементами окружающей среды в пространстве и времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой. В такой формулировке термин «мониторинг» официально введен в науку в 1972г. Н. Мэнном на Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде. Там же было принято решение о создании Межгосударственной системы мониторинга окружающей среды (МГСМОС) [15].
В последующие годы теория мониторинга окружающей среды получила значительное развитие в России в трудах Ю.И. Израэля, И.П. Герасимова, Ф.Я. Ровинского, В.Е. Соколова, В.К. Епишина, В.Т. Трофимова, Г.К. Бондарика, Л.А. Ярга, Е.М. Сергеева, Л.В. Бахиревой, В.А. Королева, В.А. Мироненко, Е.А. Козловского, К.И. Сычева, А.А. Бондаренко, А.Г. Гамбурцева, Г.А. Голодковской, А.Г. Емельянова, Ю.Ф. Захарова, М.Е. Певзнера. Академик Ю.И. Израэль дополнил представление о мониторинге, указав, что мониторингу присуще не только наблюдение, но и оценка и прогноз. Так в 1974г. им введено в геологическую литературу понятие мониторинга окружающей среды как комплексной системы наблюдений, оценки и прогноза, которая позволяет выделить частные изменения окружающей среды, происходящие только под влиянием антропогенной деятельности (рисунок 1.3) [16, 17]. Под окружающей средой понимается среда обитания и производственной деятельности человека.
Дальнейшее развитие теории мониторинга окружающей среды шло по пути разделения общей системы мониторинга на подсистемы. Наиболее подробно рас 19 смотрим литомониторинг, при котором выполняются наблюдения только литосферы, и он нацелен на решение задач по обеспечению функционирования системы «инженерное сооружение + литосфера». Часть литосферы, которая взаимодействует с инженерным сооружением, геологи назвали «геологической средой» (академик Е.М. Сергеев [18]), а совокупность инженерного сооружения и геологической среды – «природно-технической системой (ПТС)» (Г.К. Бондарик, А.Л. Ревзон, О.Н. Толстихин, В.К. Епишин). По Г.К. Бондарику [19] «ПТС – целостная, упорядоченная в пространственно-временном отношении совокупность взаимодействующих компонентов, включающая орудия, продукты и средства труда, естественные и искусственно измененные природные тела, а также естественные и искусственные поля».
Основные научные работы по проблеме литомониторинга относятся ко 2-й половине 1980-х – 1990-м гг. Согласно В.К. Епишину и В.Т. Трофимову (1985г.) литомониторинг это система наблюдений, оценки, прогноза и управления природными и техногенными изменениями состояния геологической среды. Система, включающая блок контроля (режимные наблюдения) и блок управления (автоматизированная информационная система и система защитных мероприятий) (рисунок 1.4). В этом определении видна направленность литомониторинга не только на фиксирование параметров, но и на управление [20]. В этот же период Г.К. Бондарик и Л.А. Ярг отметили, что мониторинг должен информационно обеспечивать процесс управления ПТС [21]. Принципы и понятия мониторинга геологической среды
На смену понятию литомониторинг пришло понятие мониторинг геологической среды и схожее с ним понятие – инженерно-геологический мониторинг. Обобщенное определение мониторинга геологической среды дано В.А. Королвым в 1995 г. Согласно этому определению, мониторингом геологической среды называется «система постоянных наблюдений, оценки, прогноза и управления геологической средой или какой-либо ее частью, проводимая по заранее намеченной программе в целях обеспечения оптимальных экологических условий для человека в пределах рассматриваемой ПТС» [15]. Состав мониторинга геологической среды приведен на общей структурной схеме мониторинга окружающей среды, разработанной Королевым (рисунок 1.5).
Суть и содержание мониторинга геологической среды составляет система целенаправленной инженерно-геологической и инженерной деятельности, состоящей из упорядоченного набора процедур, организованного в циклы: наблюдений, оценки состояния среды по результатам наблюдений, прогноза развития геологической среды и управления. Затем наблюдения дополняются новыми данными, на новом цикле, и далее циклы повторяются на новом временном отрезке и т.д. (рисунок 1.6).
Горно-геологические и гидрогеологические условия Кедровско Крохалевского месторождения, разрабатываемого «Кедровским разрезом»
Рассмотрев физико-механические свойства пород сухих отвалов для условий разрезов компании «Кузбассразрезуголь», определенных ВНИМИ в 197490гг. прошлого века, были установлены средние значения смесей, рекомендованные для выполнения расчетов устойчивости, а именно: угол внутреннего трения – 32 град; сцепление – 1,5 т/м2; плотность – 1,85 т/м3 [48].
На отвалах разреза в различные годы имели место оползневые деформации. Наиболее частые и опасные оползни происходили на отвалах на глинистом водонасыщенном основании (отвалы на гидроотвалах №2 и №3; южный участок внутреннего отвала №3, расположенный на гидроотвале №1) и на отвалах на слабом наклонном основании (северные участки внутренних отвалов №1 и №3, отсыпанные на почву пласта (углистый аргиллит) имеющую угол падения в сторону выработанного пространства 10-14. Инженерно-геологическая характеристика пород гидроотвалов
Гидротехнические сооружения в отличие от прибортовых массивов и отвалов «сухих» пород имеют более сложное строение, так как сформированы в основном из двух техногенных отложений – насыпных пород ограждающих дамб сооружение и намывных образований. В некоторых случаях, а именно, при намыве в старые горные выработки, в строении ГТС принимают массивы, сложенные естественными скальными и полускальными породами ненарушенного сложения. На «Кедровском разрезе» такими условиями характеризуется гидроотвал, намываемый в выработке участка №5. Гидроотвалы и другие ГТС разреза относятся к детальным ПТС открытой разработки угля.
На территории разреза расположено 10 ГТС, находящихся на различных стадиях существования, из них: шесть сооружений являются гидроотвалами, один из которых принимают вскрышные породы разреза; два – илонакопителями обогатительной фабрики, еще два – прудом технической воды и затопленной горной выработкой (таблица 2.5, рисунок 2.6). Подробно рассмотрим инженерно-геологические условия гидроотвалов, так как в последние десятилетия они все чаще попадают в зону влияния горных работ: частично отрабатываются открытым способом; на их поверхности формируются отвалы, прокладываются коммуникации; под ними проводятся подземные горные выработки и т.п. В результате начинают функционировать сложные ПТС, в которых намывные техногенные породы являются «слабым звеном», из-за своих низких прочностных свойств. При частичном удалении гидроотвала, или при его нагружении породами «сухих» отвалов в намывном массиве развивается поровое давление, которое снижает эффективные напряжения в скелете намывных пород, ухудшая условия ПТС.
На «Кедровском разрезе» за 60 лет эксплуатации намыто 6 гидроотвалов: один является действующим; пять намыты до проектных отметок, два из которых рекультивированы и сданы, а три на сегодняшний день входят в состав сложных ПТС. Таблица 2.5 – Характеристика ГТС «Кедровского разреза», а также ГТС соседних предприятий, входящих в состав детальных ПТС Название ГТС Состояние РазряддетальнойПТС Площадь, га Отм. заполнения Гидроотвал №1 Частично смыт, на оставшейся части расположены технологические авто и ж/д дороги, линии ЛЭП, Щебеночный склад, внутренний автоотвал №3. Средней сложности 31,8 +180,0
Гидроотвал №2 На площади гидроотвала расположен внешний автоотвал и технологический ж/д путь, восточная сторона частично отработана открытым способом, под гидроотвалом находятся подземные горные выработки ш. Владирской, которые в настоящее время ликвидируются «мокрым» способом. Особой сложности 117,3 197,0
Гидроотвал №3 Южная часть отрабатывается открытым способом, на его площади формируется автоотвал и расположены технологические автодороги и линия ЛЭП Особой сложности 292 220,0 Гидроотвал №4 Рекультивирован и сдан Средней сложности 160,8 246,5 Гидроотвал на реке Бусалаиха Рекультивирован и сдан Средней сложности 109,4 226,5 Г/отвал в выработ. простр. уч. №5 Эксплуатируется Сложная 64,5 188 Илонакопитель ОФ Эксплуатируется Средней сложности 6,6 215,0 Пруд тех.воды ОФ Эксплуатируется Сложная 17,5 170,6 Илонакопитель разрез «Черниговец» Эксплуатируется Сложная 4,8 224,0 Смежная затопл. горная выработка разрез «Ровер» Эксплуатируется Особой сложности 10,6 209,0 Самой сложной и опасной ПТС на разрезе на сегодняшний день является «Открытая добыча угля под гидроотвалом №3, нагруженным отвалом «сухих» пород». Далее рассмотрим состав, строение и свойства намывных пород гидроотвала №3.
Формирование свойств намывных грунтов происходит под влиянием большого количества как природных, так и антропогенных факторов. В геоморфологическом плане участок расположения гидроотвала № 3 представлен увалистой лесостепной равниной, расчлененной глубоко врезанной долиной реки с широкими, почти плоскими, водоразделами.
Начиная с 1988г., с момента принятия решения о добыче угля под гидроотвалом №3, в рамках мониторинга состояния специалистами ВНИМИ, ОАО «Куз 57 бассТИСИЗ», ООО «Геотехника», МГГУ и НПФ «Карбон» проведен ряд ИГИ [49-61]. Анализ исследований показал, что намывные породы характеризуются неоднородным составом, состоянием и свойствами, как по глубине, так и площади, их физико-механические характеристики изменяются в широком диапазоне. Специалистами ВНИМИ и НПФ «Карбон» установлены закономерности состава в пределах намывного сооружения, которые позволили выполнить районирование намывного массива с выделением зон и подзон пород. Песчано-супесчаная зона (I) распространилась полосой 400м вдоль основной дамбы в северо-восточной части объекта. Отложения суглинистой зоны (II) распространены в центральной части сооружения, осадки глинистой зоны (III) сформированы в районе пруда-отстойника. В вертикальном разрезе намывной толщи выделены подзоны пород текучей (а), мягкопластичной (б) и тугопластичной (в) консистенции (рисунок 2.8, 2.9 а). Положение зон соответствует моменту прекращения эксплуатации гидроотвала в 1990 г. и началу периода консервации. Физико-механические свойства изученных в тот период времени намывных пород приведены в таблице 2.6.
В дальнейшем по мере выполнения на гидроотвале вскрышных работ большая часть гидроотвала, представленная песчано-супесчаными и суглинистыми породами, была смыта. Оставшаяся часть намывного массива сложена глинистыми породами (рисунок 2.9 б, в). В процессе отдыха гидроотвала, происходящего уже 23 года, большая часть избыточного порового давления в намывных отложениях уже рассеялась, что привело, в свою очередь, к уменьшению их влажности и возрастанию плотности и прочности. Буровые работы последних лет показали отсутствие пород текучей консистенции, хотя на момент завершения намыва значительная часть разреза (до 35 м) была сложена текучими осадками. В таблице 2.7 приведены данные последних изучений пород глинистой зоны гидроотвала.
Требования к изучению инженерно-геологических условий природно-технических систем (инженерно-геологический мониторинг состояния ИГМС)
Разработка месторождений полезных ископаемых осуществляется на основании определенных разрешительных документов, особое место среди которых занимает «Технический проект на РМПИ». Данный документ в соответствии с Постановлением Правительства РФ №118 «Об утверждении Положения о подготовке, согласовании и утверждении технических проектов РМПИ …» [68], должен включать мероприятия по: безопасному ведению работ, связанных с пользованием недрами; рациональному использованию и охране недр; обеспечению требований в области охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности при пользовании недрами.
Для обеспечения экологической безопасности РМПИ в проектной документации предусматриваются мероприятия по охране окружающей среды, включающие экологический мониторинг и разработку проекта рекультивации нарушенных земель. Вопросы промышленной безопасности, особенно в части мониторинга состояния горнотехнических объектов или ПТС, в проектной документации практически не рассматриваются. Отдельно «Проект МС ПТС» не разрабатывается. Исключением из правил является документация на гидротехнические сооружения, при разработке которой руководствуются иными нормативно-методическими документами и законами [36, 39, 40, 41]. В составе «Технического проекта на РМПИ», а зачастую в виде самостоятельных документов, разрабатывается «Проект МБ ГТС» и «Инструкции о порядке ведения МБ», а также обосновываются критерии безопасности. Необходимость обеспечения безопасности функционирования других горнотехнических сооружений (бортов и уступов, отвалов и пр.) продиктована ухудшением горно-геологических условий РМПИ в связи с увеличением глубин разработки, возрастанием мощности и производительности механизмов и транспорта, увеличением интенсивности работ, обводненностью массивов, развитием геодинамических процессов и пр.
Горнотехнические сооружения ОРУМ являются ОПО, подпадающими под действие ФЗ №116 «О безопасности ОПО» [7], поэтому их функционирование должно осуществляться при обязательном выполнении специальных мониторинговых наблюдений. В настоящее время на предприятиях угольной промышленности отсутствует нормативная база на организацию и производство работ данной направленности.
В предыдущей главе нами рассмотрены ПТС, формируемые при ОРУМ, которые выделены по принципу внутреннего и внешнего единства отдельных элементов горного производства. Нарушение устойчивости одного из них ставит под угрозу безопасность существования других и всей системы в целом. Поэтому одной из основных задач наших исследований является разработка методики мониторинга состояния ПТС (МС ПТС) открытой разработки применительно к угольным месторождениям Кузбасса.
В «Технических проектах на ОРУМ» организация наблюдений за безопасностью формирования горнотехнических объектов приводится в разделах «Устойчивость бортов и уступов» и «Устойчивость отвалов», где отражены некоторые контролируемые параметры горнотехнических объектов и обобщенные рекомендации по организации наблюдений за их изменением, разработанные в заключениях «Экспертиз промышленной безопасности», «Геомеханических экспертиз» и отчетах «Научно-исследовательских работ», а так же регламентируемые «Правилами по обеспечению устойчивости откосов…» [32], «Инструкцией по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов …» [30], «Методические указания по наблюдениям за деформациями бортов разрезов и отвалов…» [31], «Методическими указаниями по определению оптимальных углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов…» [69], «Рекомендациями по инженерно-геологическому обоснованию параметров отвалов…» [70].
Проектом сложно выделить все необходимые контролируемые параметры, рассчитать для них критерии безопасности, предусмотреть виды наблюдений и разработать регламент мониторинговых наблюдений для формируемых объектов, по причине изменения технологии, состава и интенсивности горных работ. Следовательно, методику мониторинга состояния необходимо разрабатывать отдельным документом на стадии проектирования объекта и корректировать его по мере формирования.
МС ПТС – наиболее рациональный и экономически эффективный способ получения информации о безопасности функционирования ПТС, включающий наблюдения за параметрами системы на основе сравнения измеренных их значений с обоснованными ранее критериями безопасности, накопление и обобщение данных, анализ и экспериментальное моделирование процессов, прогноз и рекомендации по управлению состоянием ПТС.
В соответствии с современными представлениями о ПТС и мониторинге оценка взаимодействия природных и техногенных факторов, обеспечивающих устойчивость системы на всех стадиях ее существования от создания до функционирования, осуществляется на базе сочетания геоэкологического и геотехнического анализов, данные которых формируют информационную основу для разработки мероприятий по экологической и технической безопасности производства, природы и общества, а также рационального природопользования [71]. В горной промышленности вопросы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов поднимаются достаточно давно и некоторые отрасли в данном направлении преуспели. В первую очередь, это касается богатейших отраслей горного производства – нефтяной и газовой промышленности, воздействие которых на природу осуществляется в пределах огромных территорий.
Определение коэффициента запаса устойчивости откосов природно-технических систем
Как уже отмечалось в предыдущем разделе, на стадии проектирования ПТС разрабатывается «Проект мониторинга», одной из задач которого является обоснование критериев безопасности, необходимых для осуществления МБ ПТС. Критериями безопасности ПТС можно назвать предельные значения количественных и качественных показателей состояния системы и условий ведения горных работ, соответствующие допустимому уровню снижения устойчивости внешних откосов системы. Критерии безопасности определяются с целью оценки состояния ПТС и уровня безопасности ведения горных работ по результатам мониторинговых наблюдений. Оценка выполняется путем сравнения измеренных и рассчитанных значений параметров системы с критическими значениями. Значения критериев безопасности принимаются на основании расчетов, выполненных по геомеханической модели, лабораторных испытаний пород и результатов натурных наблюдений в аналогичных инженерно-геологических условиях [32].
За основу, при разработке критериев безопасности ПТС, принимаем нормативно-методические документы Ростехнадзора, действующие в гидротехнике и при ОРУМ – «Инструкция о порядке определения критериев безопасности …(РД 03-443-02)» [41], «Методические рекомендации по составлению проекта мониторинга безопасности… (РД 03-417-01)» [40] и «Правила безопасности ГТС…(ПБ 03-438-02)» [36], СНиП 33-01-2003 [89], «Правила обеспечения устойчивости откосов…» [32] устанавливающие процедуру и последовательность действий при разработке критериев безопасности, выборе контролируемых показателей эксплуатационного состояния и их значений.
ПТС по уровню опасности возникновения аварии или чрезвычайной ситуации можно прировнять к ГТС. Из чего следует, что для ПТС ОРУМ необходимо устанавливать двухуровневую систему назначения критериев безопасности, неза 127 висимо от того есть в составе системы ГТС или нет. В соответствии с п.2.3, 2.4 «Инструкции о порядке определения критериев безопасности…(РД 03-443-02)» [41], устанавливаем два уровня критериев безопасности: в виде количественных и качественных показателей состояния и условий функционирования ПТС.
К критериям 1-ого уровня относим значения показателей состояния ПТС, определяемые при основном сочетании нагрузок, при достижении которых устойчивость, механическая и фильтрационная прочность откосных участков ПТС соответствуют условиям их нормального функционирования. За критерии 2-го уровня принимаем значения показателей состояния ПТС, устанавливаемые при особом сочетании нагрузок, при превышении (уменьшении) которых функционирование ПТС в проектном режиме не допустимо, состояние системы может перейти в предаварийное.
Количественные контролируемые параметры оказывают определяющее и непосредственное влияние на состояние устойчивости откосов системы. Основным критерием оценки общей статической устойчивости откосов ПТС является коэффициент запаса устойчивости (kst), который на всех этапах формирования ПТС должен быть выше критерия безопасности 2-го уровня, принимаемого в зависимости от стадии формирования ПТС, параметров, строения и состава откоса системы. Для выделенных типов ПТС, помимо коэффициента запаса устойчивости, мы выделили гидрогеологические и деформационные критерии безопасности. К гидрогеологическим критериям относятся: величина порового давления в слабопроницаемых горных породах, уровни и напоры в водоносных горизонтах, превышение гребня ограждающего сооружения над уровнем воды или пляжа в накопителе. К деформационным критериям относятся горизонтальные и вертикальные смещения поверхности и внешних откосов системы, а также транспортных магистралей и коммуникаций, находящихся на горнотехническом объекте или попадающих в зону его влияния. Помимо критериев безопасности контролируется соблюдение технологических параметров системы: геометрические параметры объектов (высота яруса, борта, отвала; ширина межъярусных берм и берм безопасности; угол откоса яруса, уступа, борта, отвала); скорость формирования насыпных, намывных и прибортовых массивов; расстояние между соседними горнотехническими объектами. В случае изменения параметров откоса ПТС (увеличение высоты, угла откоса) значения критериев безопасности должны быть пересчитаны с учетом новых параметров.
Дополнительные качественные контролируемые параметры оказывают влияние на изменение количественных параметров или являются признаком снижения степени безопасности системы. К ним отнесли наблюдения: – появления и развития трещин, заколов на поверхностях земли и откосах; – подъемов земли, выпучивания в основании насыпей; – наличия гидроразрывов, выходов воды и ее скопления на земной поверхности и откосах и пр.
По мере формирования ПТС, в соответствии с программой мониторинга выполняется оперативная оценка состояния безопасности. Для сложных и особой сложности ПТС составляются «Отчеты о результатах мониторинга состояния» или «Отчет о техническом состоянии системы»: при формировании ГТС каждые 10 метров наростки дамбы [36], при удалении намывного массива каждые 15-30м углубки, при формировании отвалов каждые 30м наростки, при формировании борта каждые 50м углубки [32]. На стадии отдыха системы «Отчеты...» составляется один раз в 10 лет.
Оценка состояния безопасности системы осуществляется, силами эксплуатирующей или экспертной организации, путем сравнения измеренных, или вычисленных на основе измерений значений количественных контролируемых показателей, а также качественных показателей с соответствующими критериями безопасности. В соответствии с «Инструкцией о порядке определения критериев безопасности… (РД 03-443-02)» [41], состояние ПТС может быть оценено как «надежное», «удовлетворительное» или «предаварийное». Надежное состояние ПТС – состояние, при котором система соответствует критериям безопасности 1-го уровня, можно продолжать формирование системы без разработки каких-либо мероприятий, повышающих безопасность ее функционирования. Удовлетворительное состояние ПТС – состояние, при котором значения контролируемых параметров находятся между значениями критериев безопасности 1-го и 2-го уровня, и система находится под действием нагрузок и воздействий, не превышающих предусмотренные проектом. При этом ПТС может функционировать при условии разработки и выполнения в определенные сроки необходимых мероприятий. Предаварийное (предельное) состояние ПТС – состояние, при котором система имеет признаки прогрессирующего развития деструктивных процессов, необратимо ведущих к аварии. При таком состоянии нельзя продолжать формирование ПТС в проектном режиме.
На основе результатов мониторинга, и анализа фактического состояния ПТС, с такой же периодичностью, либо по окончании очередного этапа формирования ПТС, выполняется оценка устойчивости откосов ПТС [98-100] и корректировка критериев безопасности, а также определение безопасных параметров системы. [41].