Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Актуальные направления инженерно-геологических исследований в области обеспечения промышленной и экологической безопасности гидроотвалов вскрышных пород на угольных месторождениях кузбасса 10
1.1 Применение гидромеханизации на угольных месторождениях Кузбасса и современное состояние гидроотвалов вскрышных пород 10
1.2 Анализ изученности инженерно-геологических условий гидроотвалов вскрышных пород 19
1.3 Правовые и нормативные требования к объектам промышленной гидротехники, предъявляемые в части инженерно-геологического обоснования безопасных параметров намывных сооружений 26
1.4 Цели и задачи диссертационных исследований 36
ГЛАВА 2 Инженерно- геологические факторы, определяющие условия устойчивости и оптимальные параметры гидроотвалов вскрышных пород на угольных месторождениях кузбасса .
2.1 Характеристика конструктивно-компоновочных особенностей и технологических условий эксплуатации гидроотвалов вскрышных пород ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» 39
2.2 Общие закономерности формирования состава, состояния и свойств техногенных намывных отложений при эксплуатации гидроотвалов 52
2.3 Изменение состояния и физико-механических свойств пород в основании гидроотвалов. 66
2.4 Оптимальные параметры гидроотвалов вскрышных пород на угольных месторождениях Кузбасса 75
2.5 Выводы по главе 2 88
ГЛАВА 3 Инженерно-геологическое обоснование максимальных параметров гидроотвалов вскрышных пород на стадии эксплуатации 92
3.1 Расчетные исследования закономерностей изменения состояния устойчивости откосов гидроотвалов при увеличении высоты сооружений 92
3.2 Экспериментальное обоснование гидрогеомеханических критериев предельного состояния откосов высоких гидроотвалов 101
3.3 Лабораторные исследования влияния порового давления на прочностные характеристики намывных пород 111
3.4 Выводы по главе 3 125
ГЛАВА 4 Закономерности изменения инженерно-геологических условий устойчивости гидроотвалов на этапах консервации и возобновления намыва после технологического перерыва 128
4.1 Результаты натурных наблюдений за развитием гидрогеомеханических процессов в намывном массиве гидроотвала «Бековский» в период консервации 128
4.2 Результаты изучения инженерно-геологических условий гидроотвала на реке Прямой Ускат разреза «Краснобродский» на начало расконсервации сооружения 147
4.3 Закономерности изменения инженерно-геологических условий устойчивости гидроотвала на реке Прямой Ускат при возобновлении его эксплуатации после расконсервации 162
4.4 Выводы по главе 4 182 Заключение 188
Список литературы 190
- Анализ изученности инженерно-геологических условий гидроотвалов вскрышных пород
- Характеристика конструктивно-компоновочных особенностей и технологических условий эксплуатации гидроотвалов вскрышных пород ОАО «УК «Кузбассразрезуголь»
- Расчетные исследования закономерностей изменения состояния устойчивости откосов гидроотвалов при увеличении высоты сооружений
- Результаты изучения инженерно-геологических условий гидроотвала на реке Прямой Ускат разреза «Краснобродский» на начало расконсервации сооружения
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Гидромеханизация при открытой разработке угля в Кузбассе применяется с 1951г. для удаления покровных неоген-четвертичных пород, залегающих сплошным чехлом на продуктивной угленосной толще месторождений. За шесть десятилетий было смыто около 1 млрд. м3 пород с размещением в гидроотвалы. Общее количество зарегистрированных гидроотвалов составляет 57 объектов. В настоящее время гидромеханизация применяется филиалами ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», в эксплуатации находятся 5 многоярусных гидроотвалов высотой более 50 м, которые относятся к гидротехническим сооружениям I класса ответственности.
Сооружения промышленной гидротехники являются опасными объектами, аварии на которых сопряжены с причинением тяжелых материальных, экологических и социальных ущербов. Деятельность, связанная с эксплуатацией гидроотвалов, регламентируется Федеральным законом «О безопасности гидротехнических сооружений» и контролируется органами государственного надзора. Нормативными документами Ростехнадзора определены требования к периодичности пополнения инженерно-геологической информации на объектах промышленной гидротехники - не реже чем раз в 5 лет или через 10 м наращивания. Однако динамичное изменение состояния и свойств намывных пород в процессе эксплуатации гидроотвалов обусловливает неопределенность текущих оценок устойчивости сооружений, выполняемых на базе информации, получаемой в соответствии с нормативными требованиями. Это предопределяет необходимость обоснования устойчивости гидроотвалов по результатам ведения мониторинга безопасности с учетом знания закономерностей изменения их инженерно-геологических условий при реализации различных технологических мероприятий.
Сооружения промышленной гидротехники – гидроотвалы, хвостохранилища, золоотвалы - являются объектами многолетних исследований специалистов различных организаций. Разработке научно-методического обоснования безопасных технологических параметров и управления устойчивостью намывных сооружений посвящены исследования Аксенова С.Г., Афанасьева Б.Г., Бахаевой С.П., Гальперина А.М., Дашко Р.Е., Демченко А.В., Ермошкина В.В., Жарикова В.П., Зотеева В.Г., Иванова И.П., Каминской В.И., Кириченко Ю.В., Киянца А.В., Клейменова Р.Г., Кононенко Е.А., Кутепова Ю.И., Кутеповой Н.А., Лутовинова А.Г., Мироненко В.А., Могилина А.Н, Морозов М.Г., Мосейкина В.В., Норватова Ю.А., Нурока Г.А., Пантелеева В.Г., Протасова С.И., Сольского С.В., Стрельцова В.И., Фисенко Г.Л., Фролова А.Н., Шпакова П.С. и др.
Сформированная к настоящему времени инженерно- геологическая база знаний отражает в основном состояние изученности гидроотвалов из глинистых пород высотой до 50 метров и не в полной мере удовлетворяет требованиям современных актуальных задач, к числу которых относятся определение максимальной безопасной высоты намыва гидроотвалов, обоснование оптимальных параметров сооружений при возобновлении их эксплуатации после длительного технологического перерыва. Решение этих задач базируется на изучении закономерностей изменения инженерно-геологических условий устойчивости высоких гидроотвалов, находящихся на этапах эксплуатации, консервации и расконсервации.
Цель работы. Обоснование устойчивости высоких гидроотвалов с учетом закономерностей изменения их инженерно - геологических условий на различных этапах функционирования сооружений.
Идея работы. Знание закономерностей изменения инженерно- геологических условий гидроотвалов на различных технологических этапах позволяет корректировать параметры внешних откосов по результатам ведения гидрогеомеханического мониторинга, обеспечивая устойчивость, безопасность и максимальную отвалоемкость сооружений.
Основные задачи исследований:
- выявление основных технологических и инженерно-геологических факторов, определяющих устойчивость и оптимальные параметры гидроотвалов в Кузбассе;
- установление причин нарушения устойчивости намывных сооружений и гидрогеомеханических критериев наступления предельного состояния откосов высоких гидроотвалов;
- оценка характера изменения напряженно-деформированного состояния и свойств намывных пород на этапе консервации гидроотвалов;
- изучение гидрогеомеханических процессов, определяющих устойчивость гидроотвалов на этапе расконсервации;
- проведение лабораторных исследований по изучению прочности намывных пород с учетом влияния порового давления.
Методы исследований. Анализ и обобщение материалов изысканий прошлых лет и результатов ведения мониторинга безопасности; лабораторные и натурные исследования с применением инженерно-геологических, гидрогеологических и геодезических методов; аналитические расчеты с использованием методов предельного равновесия и решений теории консолидации грунтов.
Научная новизна:
1. Обоснованы гидрогеомеханические критерии предельного состояния устойчивости откосов высоких гидроотвалов, при достижении которых возможность дальнейшей безаварийной эксплуатации сооружений исчерпана.
2. Установлены закономерности изменения напряженного состояния и физико-механических свойств намывных отложений в ходе развития процесса фильтрационной консолидации, обусловливающие повышение устойчивости внешних откосов гидроотвалов на этапе консервации.
3. Установлены закономерности развития гидрогеомеханических процессов в системе «намывной массив + естественное основание», определяющие состояние устойчивости гидроотвалов при возобновлении их эксплуатации после длительного технологического перерыва.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Гидроотвалы вскрышных пород на угольных месторождениях в Кузбассе характеризуются схожими конструктивно- компоновочными, технологическими и инженерно-геологическими условиями, что позволяет при обосновании их устойчивости использовать обобщенную зависимость между высотой и результирующим углом откоса, полученную на основании безаварийного опыта эксплуатации сооружений.
2. Предельное состояние устойчивости высоких гидроотвалов наступает в верхних частях откосов, сложенных текучепластичными породами мощностью до 20 м, за счет роста избыточного порового давления до критических значений, соответствующих коэффициенту порового давления 0.9, при котором эффективные напряжения снижаются практически до нуля, внутреннее трение не реализуется, а сопротивление разрушению пород обусловлено только сцеплением связности, не превышающим 15 кПа.
3. Устойчивость гидроотвалов на стадии консервации улучшается благодаря рассеиванию избыточного порового давления и повышению прочности намывных пород, что обеспечивает возможность безопасной расконсервации сооружений и последующего намыва при более высоких параметрах, чем при непрерывной эксплуатации сооружений.
Практическая значимость работы.
1. Выполнена оценка показателей физико-механических свойств техногенных намывных грунтов и четвертичных отложений естественного основания для гидроотвалов, находящихся на различных этапах своего существования.
2. Получена зависимость между высотой и результирующим углом откоса гидроотвалов, которая может быть использована для определения оптимальных параметров на всех аналогичных объектах Кузбасса.
Реализация результатов работы. Полученные результаты использовались в Проекте №5.6047.20.11 по заданию министерства образования и науки РФ.
Апробация работы. Основное содержание диссертации докладывалось на 5-й международной научно-практической конференции на базе AGH (Краков, 2011), на международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2012, 2013), на всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в горном деле, геологическом и маркшейдерско-геодезическом обеспечении горных работ» (СПб, 2012) и на заседаниях Научного Центра геомеханики и проблем горного производства.
Личный вклад автора. Автор самостоятельно выполнил анализ научно-технической литературы по теме диссертационных исследований, лабораторные эксперименты, обработал и интерпретировал результаты мониторинга безопасности на действующих гидроотвалах Кузбасса, построил гидрогеомеханические модели объектов исследований, произвел расчеты устойчивости.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (105 литературных источников), изложенных на 201 странице машинописного текста, содержит 26 таблиц, 49 рисунков.
Анализ изученности инженерно-геологических условий гидроотвалов вскрышных пород
Проектированием и исследованием гидроотвалов в каждом из горнопромышленных регионов занимались различные научно-исследовательские, проектные и изыскательские организации. Так, в Кузбассе обоснованием параметров гидроотвалов и технологий гидроотвалообразования занимались в разные годы: ВНИМИ, МГГУ, УкрНИИПроект, Сибгипрошахт, Гипроуголь, Кузбассгипрошахт, НПФ «КАРБОН», НФ «НУЗБАСС-НИИОГР» и др; на предприятиях КМА - МГГУ, ВНИМИ, НИИКМА, ВИОГЕМ и др.; на разрезе «Назаровский» - ВНИМИ, МГГУ и др.; в Семилуках при добыче огнеупорных глин - ВНИИГС, МИСИ, грунтовая лаборатория Треста гидромеханизации, ВТИСИЗ. Одними из пионеров изучения гидроотвалов вскрышных пород являлся институт ВНИМИ, где в середине 50-х годов под руководством Г.Л. Фисенко создается лаборатория устойчивости бортов карьеров. В рамках деятельности лаборатории проводилось изучение инженерно-геологических условий гидроотвалов вскрышных пород с целью обоснования их оптимальных параметров. Первые инженерно-геологические исследования намывных пород и маркшейдерские наблюдения за деформациями откосов гидроотвалов сотрудники ВНИМИ выполняли в 1960-62 гг. на гидроотвале “Южный” Назаровского разреза. В последующем деятельность, связанная с изучением гидроотвалов, осуществлялась сотрудниками лаборатории гидрогеологии и оползней, руководимой в разные годы В.А. Мироненко, Ю.А. Норватовым и Ю.И. Кутеповым. Институт ВНИМИ принимал участие в изучении намывных сооружений КМА и Кузбасса для решения различных задач: увеличение высоты намывных сооружений, размещение на гидроотвалах отвалов “сухой” вскрыши, подработка гидроотвалов подземными горными работами. Итогом этих работ является разработка нескольких нормативно-методических документов ведомственного уровня, в которых рассмотрены методы инженерно 20 геологического изучения намывных пород, гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов, мониторинга безопасности гидро- и отвалообразования. Ниже приведен перечень документов, разработанных ВНИМИ для угольной отрасти СССР:
Методические указания по определению параметров угольных разрезов, 1975 г (авт. О.Ю. Крячко, Ю.А. Норватов);
Рекомендации по инженерно-геологическому обоснованию параметров сухих пород, отсыпаемых на гидроотвалах (авт. Кутепов Ю.И., Норватов Ю.А., Кутепова Н.А., Крячко О.Ю.) [85];
Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях (авт. Кутепов Ю.И., Норватов Ю.А., Кутепова Н.А., Хашин В.Н.) [93,94].
В 1980 году по результатам исследований ВНИМИ О.Ю. Крячко подготовил монографию “Управление отвалами открытых горных работ” [47]. В период 1981-2010 гг. по тематике инженерно-геологического изучения гидроотвалов на угольных месторождениях защищены две кандидатские и две докторские диссертации (Ю.И. Кутепов [55,53]; Н.А. Кутепова [61,62]). Учениками Ю.И. Кутепова по вопросам изучения формирования намывных и насыпных техногенных массивов подготовлен ряд диссертационных работ: В.В. Ермошкин [29], А.В. Могилин [68], В.П. Жариков [30], А.И. Федосеев [97] и А.Х. Саркисян [86].
Следует отметить выполняемые одновременно с ВНИМИ работы кафедры геологии Московского горного института (ныне МГГУ) под руководством А.М. Гальперина, посвященные инженерно-геологическому изучению намывных массивов с целью обоснования оптимальных параметров гидроотвалов при их строительстве, эксплуатации и рекультивации. По их результатам написан ряд монографий, среди которых наиболее важное практическое и научное значение имеют следующие: «Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях» (1988) [12], «Техногенные массивы и охрана окружающей среды» (1997) [15], «Геомеханика открытых горных работ» (2012) [9]. В монографии «Управление состояния намывных массивов на горных предприятиях» рассмотрены исходные положения к оценке состояния намывных массивов, проанализированы геомеханические процессы в намывных массивах и их основаниях, дана оценка устойчивости намывных массивов; описаны экспериментальные исследования намывных тонкодисперсных грунтов, разработаны направления воздействия на состояние намывных массивов и методика геомеханического контроля. В монографии «Техногенные массивы и охрана окружающей среды» авторы в главе II рассмотрели вопросы направленного изменения состояния намывных массивов, а также рекультивации гидроотвалов и хвостохранилищ. В монографии «Геомеханика открытых горных работ» охватывает весь комплекс инженерно-геологических проблем, возникающих при формировании техногенных массивов различного типа при ведении открытых горных работ. По тематике гидроотвалообразования сотрудниками кафедры геологии МГГИ были защищены кандидатские и докторские диссертации: В.В. Мосейкин [69], В.С. Зайцев [32], Б.К. Лапочкин [63], Ю.В. Кириченко [44], С.Е. Жданов [31], Е.П. Щербакова [103] и др. Кроме того, в МГГУ под научным руководством А.М. Гальперина были защищены диссертации инженерно-техническими работниками угольных и рудных предприятий, использующих гидравлическое складирование вскрышных пород: В.Е. Павленко [76], С.М. Марченко, А.В. Демченко [26] и др. Изучение гидроотвалов Семилукских рудников длительное время выполнялись лабораторией гидромеханизации института ВНИИГС (г. Ленинград), руководимой В.И. Каминской. Данная лаборатория в конце 40 –х начале 50-х годов в Ленинграде активно вела научно-исследовательские работы по намыву территорий в акватории р. Невы. По их рекомендациям созданы намывные территории в различных районах города, в том числе, территория стадиона им. Кирова. В дальнейшем сотрудники лаборатории принимают участие в создании средствами гидромеханизации линейных сооружений – дорог на территориях распространения болот в Западной Сибири. Много внимания при выполнении научно-исследовательских работ уделяется инженерно геологическому изучению намывных пород. По результатам исследований подготовлен ряд нормативно-методических документов, книг, и статей.
В числе монографий, содержащих сведения об изучении инженерно-геологических условий намывных массивов, следует также отметить работу Ю.Д. Дмитриенко и И.М. Левченко “Гидроотвалы из глинистых грунтов», в которой авторы рассматривают организацию вскрышных работ на Семилукских рудниках, свойства грунтов в гидроотвалах, закономерности формирования гидроотвалов. Большое практическое значение имеет монография, подготовленная Г.А. Нуроком, А.Г. Лутовиновым и А.Д. Шерстюковым “Гидроотвалы на карьерах” [73]. В ней рассмотрены различные вопросы формирования намывных сооружений при открытой разработке МГИ - как сугубо технологические, так и специальные гидрогеологические, посвященные дренажу откосов гидроотвалов. В книге присутствуют разделы, рассматривающие условия консолидации применительно к обоснованию устойчивости намывных массивов.
Большая работа по изучению условий эксплуатации и обоснованию безопасности гидроотвалов Кузбасса в настоящее время осуществляется сотрудниками ГУКузГТУ и экспертной организации НФ «КУЗБАСС-НИИОГР» (С.И. Протасов, С.П. Бахаева и др.). С их участием подготовлены методические указания по контролю геомеханических и фильтрационных процессов в техногенных массивах гидротехнических сооружений; рекомендации по безопасному ведению горных работ, которые используются на горных предприятиях ОАО "Кузбасская топливная компания", ОАО "УК "Кузбассразрезуголь". По результатам выполненных исследований С.П. Бахаева защитила докторскую диссертацию [3], посвященную оценке и прогнозу устойчивости водонасыщенных техногенных грунтовых массивов угольных разрезов на основе комплексного мониторинга, которая, в частности, рассматривает инженерно-геологические условия гидроотвалов вскрышных пород.
Характеристика конструктивно-компоновочных особенностей и технологических условий эксплуатации гидроотвалов вскрышных пород ОАО «УК «Кузбассразрезуголь»
При проектировании, эксплуатации, реконструкции и рекультивации объектов промышленной гидротехники руководствуются экономическими и природоохранными принципами, смысл которых сводится к обеспечению максимальной технико-экономической эффективности работ по складированию жидких отходов горнодобывающей деятельности при минимальном нарушении естественной природной обстановки района. При обосновании конструкции, параметров намывных сооружений и технологии гидравлического складирования также должны быть выполнены следующие условия:
обеспечение устойчивости сооружения на предельном контуре;
обеспечение максимальной отвалоемкости используемой территории;
последующая рекультивируемость гидроотвала с минимальными трудовыми и материальными затратами;
безопасность работы людей и оборудования, занятых в производственном процессе, а также инженерных объектов и населенных пунктов, расположенных на прилегающих территориях.
Выполнение этих требований достигается путем выбора в конкретных горно-геологических условиях оптимального местоположения, конструкции и технологии формирования сооружения [53].
При разработке угольных месторождений в Кузбассе под гидроотвалы вскрышных пород отводились площади, непригодные или малопригодные для ведения сельского хозяйства, строительства населенных пунктов - овраги, балки, поймы ручьев и небольших рек, заболоченные участки, так называемая, «неудобица». В последние годы для складирования гидровскрыши стали использоваться старые горные выработки с отработанными запасами полезного ископаемого.
По рельефу занимаемой местности выделяют следующие типы намывных сооружений [28, 73]:
- овражно-балочный (с одно- или двухсторонним обвалованием);
- косогорный (с трехсторонним обвалованием);
- равнинный (с четырехсторонним обвалованием);
-котлованный (намывной массив формируется в выработанном
пространстве карьеров или в естественных впадинах).
Большинство гидроотвалов в Кузбассе (48 объектов) сформированы в оврагах и балках посредством создания емкости строительством ограждающих дамб из привозного материала; два намыты на косогоре и имеют трехстороннее обвалование, два – на равнине при обваловании с четырех сторон; пять – в старых горных выработках. Следует заметить, что в настоящее время при эксплуатации высоких гидроотвалов овражно-балочного типа, двухстороннее обвалование постепенно трансформирует в трехстороннее ввиду наращивания дамб сверх отметок естественного рельефа по бортам логов. Местоположение гидроотвалов во многом предопределяет их конструкцию и технологическую схему эксплуатации. Конструкция объектов промышленной гидротехники определяется комплексом гидротехнических сооружений (ГТС), образующих емкость накопителя, обеспечивающих технологический процесс эксплуатации, защищающих объект от внешних воздействий. В состав ГТС гидроотвалов вскрышных пород входят:
- ограждающие сооружения (плотины, дамбы);
- емкость (чаша) накопителя, образованная плотиной и возвышениями рельефа местности; - сооружения систем гидротранспорта и оборотного водоснабжения (напорные пульпопроводы, водоводы и насосные станции);
- сооружения водоотведения (нагорная канава и дренажный канал в нижнем бьефе плотины).
Ограждающие сооружения гидроотвалов в Кузбассе часто называются «плотиной», учитывая напорный характер этих сооружений. Фактически они представлены пионерной дамбой (первичного обвалования) и несколькими дамбами последующего наращивания. Пионерная дамба имеет небольшую высоту от 5 до 15 м, она перегораживает русло водотока или нижнюю часть лога, создавая тем самым первичную емкость для складирования грунтов. После полного заполнения первичной емкости отсыпается следующая дамба обвалования (наращивания), посредством которой увеличивается емкость накопителя. Дамба наращивания формируется уже на намытой поверхности гидроотвала с отступлением от гребня нижней дамбы (рисунок 2.1). В зависимости от потребностей предприятия наращивание производится неоднократно до тех пор, пока работает гидромеханизация или не будет Таким образом, намыв гидроотвалов осуществляется поэтапно и все гидроотвалы Кузбасса представляют собой многоярусные сооружения с общим количеством дамб от 2 до 15. Наибольшее количество дамб 15 имеет гидроотвал «Бековский». На объектах промышленной гидротехники емкость накопителя может состоять из одной или нескольких секций, используемых поочередно. Практически все гидроотвалы вскрышных пород, за редким исключением, односекционные. В пределах емкости гидроотвалов выделяют две технологические зоны - пляж намыва и пруд-отстойник. Пляж намыва - это надводная часть гидроотвала, которая находится в непосредственной близости от мест выпуска пульпы, в связи с чем в откладываемых здесь грунтах содержатся наиболее крупные фракции, формируется намывная поверхность под определенным уклоном, обеспечивающим равномерное растекание пульпы в нужном направлении. Во избежание перелива пульпы через гребень ограждающих дамб, ширина пляжа (расстояние от дамбы до уреза воды) поддерживается не менее 100 м для сооружений I класса. При этом отметка гребня дамбы должна быть выше уровня воды в пруде-отстойнике не менее чем на 1,5 м для сооружений I класса [77].
Прудом-отстойником называют водоем, образующийся в емкости гидроотвала и используемый для осаждения мелких фракций, осветления технической воды в цикле замкнутой системы оборотного водоснабжения гидроустановок. Между пляжем и прудком имеется переходная зона, образующаяся из-за колебания уреза воды на различных этапах намыва. Для гидроотвалов наиболее распространенного в Кузбассе овражно-балочного типа, характерно, что пруд- отстойник расположен далеко от ограждающих сооружений и примыкает к возвышенностям естественного рельефа, что исключает возможность развития гидродинамической аварии по причине перелива воды через гребень плотины.
Емкость гидроотвалов Кузбасса изменяется в широких пределах от 0,6 до 100 млн. м3. По емкости наибольшими сооружениями являются: «Сагарлыкский» (100 млн. м3), «Бековский» (80 млн. м3), «Черниговский» №1 (60 млн. м3) и №2 (52 млн. м3) и «Прямой Ускат» (57,5 млн. м3).
Система гидротранспорта намывных сооружений состоит из пульпопроводов, по которым пульпа от гидрозабоя в карьере доставляется в гидроотвал. Пульпопроводы разделяются на карьерные, магистральные, разводящие, распределительные и намывные. Разводящие подают пульпу от магистральных к участкам намыва, распределительные - к намывным пульпопроводам, которые непосредственно или с помощью выпускных устройств передают пульпу в накопитель.
Расчетные исследования закономерностей изменения состояния устойчивости откосов гидроотвалов при увеличении высоты сооружений
Разработка угольных месторождений в Кузбассе ведется в условиях дефицита площадей под отвалы, природоохранных, экономических и других ограничений, что предопределяет необходимость увеличения отвалоемкости существующих сооружений за счет повышения их высоты. Одним из актуальнейших вопросов при эксплуатации гидроотвалов является определение их максимальной безопасной высоты. Решение этого вопроса требует инженерно-геологического обоснования критериев наступления предельного состояния сооружения, при которых дальнейшие технологические нагрузки приведут к нарушению устойчивости откосов с развитием гидродинамической аварии.
Из практики гидротехнического строительства хорошо известно, что причины гидродинамических аварий на гидротехнических сооружениях (ГТС) различны в зависимости от времени эксплуатации объектов. Обычно частота возникновения аварий на накопителях жидких промышленных отходов наиболее высока в первые пять лет эксплуатации. Основные причины аварий из-за нарушения устойчивости внешних откосов в этот период объединяют в две группы:
- неправильные проектные решения из-за недостаточности достоверных инженерно-геологических, гидрологических данных изысканий, отсутствия обоснованных методик расчета устойчивости откосов дамб обвалования;
- некачественное строительство ограждающих сооружений (подготовка основания, несоблюдение качества материалов противофильтрационных устройств и отсыпаемого в дамбы грунта и др.). В последующее годы аварийность на накопителях по этим причинам резко снижается, т.к. в практической эксплуатации сооружений постепенно уточняются характеристики напряженного состояния и свойств грунтов элементов ГТС, корректируются геометрические параметры внешних откосов сооружений, внедряются противооползневые мероприятия.
На длительно эксплуатируемых объектах аварийность вновь возрастает после 25 лет из-за развития «внутренних деструктивных процессов» по терминологии, принятой в области гидротехники. Снижение степени устойчивости откосов происходит вследствие изменения инженерно геологических и гидрогеологических условий (снижение прочностных характеристик и проницаемости грунтов дамб, развитие реологических процессов, подтопление низовых откосов, образование полостей и пустот вследствие суффозионного выноса). Развитие этих процессов носит в основном неуправляемый характер, что постепенно создает условия, опасные для продолжения эксплуатации объектов. При невозможности организации защитных мероприятий (противооползневых, дренажных, конструктивных) или их экономической нецелесообразности, сооружение подлежит консервации или ликвидации. Характер проявления тех или иных деструктивных процессов, которые ведут к прекращению эксплуатации накопителя, могут быть различны в зависимости от типа сооружения (намывные, наливные и т.д.), месторасположения, от его индивидуальных инженерно-геологических условий.
В 1987 г. при наращивании высоты откоса гидроотвала «Бековский» от 40 до 45 м произошла серьезная аварийная ситуация, поставившая под сомнение возможность продолжения эксплуатации сооружения. Она была вызвана внезапным развитием оползневой деформации откоса гидроотвала во время строительства 7-й дамбы наращивания [74, 82]. Формирование дамбы по технологическим параметрам мало, чем отличалось от предыдущих отсыпок, в процессе которых осложнений не возникало. Строительство дамбы общей высотой 5 м осуществлялось двумя слоями по 2,5 м с развитием фронта горных работ в направлении от краев к центру плотины во встречном направлении. Во время отсыпки второго слоя произошло смещение верхней части откоса в центре плотины на участке протяженностью 250 м. Оползень захватил помимо отсыпаемой дамбы еще три нижние дамбы наращивания, что по высоте составило около 15 м. В результате деформации гребень плотины опустился на 3 м и сдвинулся в сторону низового откоса на 5 м. Для анализа причин данной аварии и выявления дестабилизирующих факторов в рамках настоящей работы проведены расчетные исследования закономерностей изменения состояния устойчивости откосов намывных сооружений при повышении их высоты до 40 м.
Приведенные в главе 2 результаты исследований показывают, что устойчивость внешних откосов гидроотвалов определяется взаимодействием элементов сложной природно-технической системы «намывной массив + естественное основание», причем параметры данной системы (характеристики свойств и напряженного состояния) переменны во времени. К числу факторов, дестабилизирующих состояние внешних откосов со временем и с увеличением высоты откосов, можно отнести: формирование избыточного порового давления в грунтах намывного массива, снижение прочностных характеристик пород основания дамб гидроотвала, изменение гидродинамического режима естественных водоносных горизонтов. Эксплуатация гидроотвалов осуществляется на протяжении десятилетий, очевидно, что в течение этого периода значимость тех или иных факторов в общем балансе сил, определяющих устойчивость откосов, тоже изменяется. В целях выявления закономерностей, определяющих влияние дестабилизирующих факторов на устойчивость гидроотвалов в зависимости от их высоты, проведены расчетные исследования. Рассмотрены четыре варианта откосов гидроотвала высотой 10, 20 и 40 м, расчетные схемы представлены на рисунках 3.1 - 3.3. Расчетные параметры физико-механических свойств грунтов приведены в таблице 3.1. Расчеты устойчивости выполнены, исходя из следующих предпосылок, вытекающих из рассмотрения конструктивных особенностей гидроотвалов, инженерно-геологического строения намывных массивов и основания, обобщенных параметров свойств грунтов:
- на начальном этапе эксплуатации ограждающие сооружения представлены дамбой первичного обвалования из вскрышных полу скальных грунтов высотой 10 м, отсыпанной на естественные отложения без предварительной подготовки основания; в последующем - наращивание ограждающих сооружений производится строительством дамб наращивания высотой по 5 м из тех же полускальных пород; - результирующий угол откоса а изменяется по мере увеличения его высоты (Н) в соответствии с графиком оптимальных параметров (рисунок 2.10), составляя 250 (угол откоса дамбы первичного обвалования) при высоте 10 м; и далее снижается до а =150 при Н=20 м; а =120 при Н=40 м;
- инженерно-геологическое строение намывного массива принято одно-, двух- и трехслойным в соответствии с установленными закономерностями дифференциации намывной толщи по консистенции в зависимости от роста уплотняющих нагрузок;
- расчетные параметры свойств намывных пород (плотности и сопротивления сдвигу) приняты минимальными для каждого слоя соответствующей консистенции для пород суглинистого состава (таблица 2.2);
- строение естественного основания принято в наиболее неблагоприятном сочетании слоев, характерном для русловой части логов, а именно верхняя часть представлена слоем аллювиальных глин, склонных к изменению прочности при увлажнении фильтрационными водами, нижняя - слоем песчано-гравийных отложений, в которых возможно формирование напорного водоносного горизонта;
- расчетные параметры свойств пород основания приняты в двух вариантах для 1 схемы: первоначально они соответствуют грунтам полутвердой консистенции (с=40 кПа; =120), а затем под влиянием увлажнения пород сцепление их снижается до минимального установленного значения (с=15 кПа);
Для других схем (2,3,4) расчеты ведутся в предположении, что все изменения свойств основания реализованы в течение первых лет и свойства не меняются, оставаясь сниженными относительно естественных (уплотнения не происходит);
- к нижнему слою основания приурочены грунтовые воды, первоначально с безнапорным режимом фильтрации; далее между намывным массивом и грунтовым основанием устанавливается гидравлическая связь, и в системе «намывной массив + основание» начинает функционировать единый техногенный водоносный горизонт с безнапорно - напорным режимом фильтрации.
Результаты изучения инженерно-геологических условий гидроотвала на реке Прямой Ускат разреза «Краснобродский» на начало расконсервации сооружения
Гидроотвал на р. Прямой Ускат построен в 1967 г. по проекту организации «Сибгипрошахт», в соответствии с которым и дополнительными проектами по наращиванию высоты сооружения (1980, 1983, 1986 г) эксплуатировался до 1996 г. В период с 1996 по 2004 годы гидроотвал находился на стадии консервации.
Гидроотвал овражно-балочного типа с трехсторонним обвалованием, расположен в долине р. Прямой Ускат (рисунок 4.9). На момент консервации емкость гидроотвала составляла 54,8 млн. м3 (по проекту - 57,5 млн. м3), площадь - 228 га (при отметке заполнения + 325,3 м). Емкость гидроотвала обеспечена основной и ограждающей дамбами (плотины), перегораживающими долину р. Прямой Ускат, общей протяженностью 4975 м. Дамбы гидроотвала за срок эксплуатации сооружения неоднократно наращивались и на момент консервации имели максимальную высоту 54,3 м (отметка гребня дамбы +325,3 м). Гидроотвал эксплуатировался с использованием безэстакадного торцевого намыва из двух одновременно работающих выпусков, расположенных на расстоянии 300-350 м. Характеристика отстойных прудов: 1) водохранилище: объем 1,85 млн. м3, площадь 109 га, глубина 3,7 м; 2) пруд-отстойник гидроотвала: объем 312 тыс. м3, площадь 22,8 га, глубина 0,3 м.
По плану технического перевооружения разреза «Красный Брод» в 2004 г. вновь введена гидромеханизация для отработки 60 млн. м3 четвертичных грунтов Новосергеевского поля месторождения. Для размещения смываaемых пород был расконсервирован гидроотвал на р. Прямой Ускат. С учетом годового объема укладки грунтов 4 млн. м3 требуемое повышение дамб обвалования соответствует абс. отметке +375,0 м при отметке заполнения чаши гидроотвала +373,0 м.
При этом высота дамб в западной и южной частях составит 60-65 м, а в восточной - 80-90 м. Предполагаемый срок эксплуатации сооружения - до 2022 г. Инженерно-геологические исследования на гидроотвале с целью обоснования устойчивости дамб проводились на различных стадиях его эксплуатации (до 1986 г.) организациями Кузбассгипрошахт, Сибгипрошахт и ВНИМИ [81]. Основное содержание инженерно-геологической информации сводится к следующему [83]. Намывной массив в пределах откосных частей гидроотвала представлен слоистыми бурыми суглинками с прослоями песка и супеси, текучей и мягкопластичной консистенции со следующими расчетными показателями: /7=1.85-1.96 т/м3, ф=10-170, с=0.15-0.20 кг/см2. Дамбы обвалования сложены из обломков песчаника и аргиллита с суглинистым заполнителем. Их прочностные свойства изучались в сдвиговом приборе с большой плоскостью среза; были установлены параметры сопротивления сдвигу: Ф=30.350, c=0.1кг/см2; плотность насыпных пород 1,75-1,85 т/м3. Естественное основание представлено слоистой толщей покровных суглинков четвертичного возраста, залегающей на скальных и полускальных породах. Четвертичные отложения охарактеризованы следующими расчетными параметрами: р=1,95 т/м3, ф=220, с=0.25 кг/см2 [83].
В 2004 г. силами организаций ОАО «Запсибгеология» и НПФ «Карбон» после 8-летнего срока консервации гидроотвала выполнены изыскания, ориентированные на установление возможности возобновления эксплуатации сооружения. Они включали бурение 11 скважин, комплекс лабораторных испытаний намывных грунтов и отложений естественного основания; полевые исследования - измерение порового давления в намывных породах (в 2 скважинах); электромагнитное сканирование откосов сооружения вдоль ограждающих дамб.
Рассмотрение результатов инженерно-геологических исследований целесообразно начать с данных электромагнитного сканирования откосов сооружения [83], которые дают общее представление об изменчивости пород и степени их консолидации пород гидроотвала по всей протяженности ограждающих дамб. Эти исследования позволили определить структуру разреза откосных частей гидроотвала с регистрацией границы пород естественного основания, а также выделить «ослабленные» зоны (с повышенной влажностью). Электромагнитное обследование выявило зональность, проявляющуюся в неоднородности намывного массива как по глубине, так и в плане вдоль ограждающих дамб. По глубине в основном наблюдается повышение степени консолидации намывных грунтов и уменьшение их влажности. Исключение составляет юго-западный участок ограждающей дамбы, где выделены зоны с повышенной влажностью пород, иначе говоря, - распространены слабоуплотненные грунты, прослеживаемые почти по всей глубине разреза гидроотвала до естественного основания. Рассматривая изменчивость условий по периметру гидроотвала вдоль дамб, можно отметить постепенное уменьшение степени консолидации намывных пород в направлении от поперечной (основной) дамбы к юго-западу - с одной стороны сооружения и с северо-запада к юго-западу – с другой стороны. По результатам электромагнитного сканирования проведена схематизация откосной части гидроотвала с выделением в плане сооружения четырех участков с различным типом инженерно-геологических условий: западный, юго-западный, южный и восточный (рисунок 4.10).
Инженерно-геологическое бурение и опробование пород проводилось на трех участках: восточном, юго-западном и западном. Скважины расположены в четырех профилях, пройденных приблизительно вкрест простиранию дамбы: на западном участке - профиль 4-4, на юго-западном – 12-12, на восточном - 28-28 и 33-33. В каждом профиле одна из скважин пробурена с гребня дамбы (отм. +325м), а другие - ниже по откосу на межъярусных бермах плотины. Скважины вскрывают полностью насыпные породы дамб, намывной массив и частично естественное основание гидроотвала. Определение физико-механических свойств намывных пород, отобранных из скважин, подтвердили данные электромагнитного сканирования о неоднородности строения откосов по глубине и в плане, в частности тенденцию в изменении степени консолидации отложений на выделенных участках. На южном участке исследования не производились ввиду ограниченного финансирования. Сделано предположение, что по свойствам пород эта часть намывного массива характеризуется условиями, близкими к восточному участку. По гранулометрическому составу все отложения относятся к пылеватым суглинкам и глинам, содержание пыли иногда достигает 86% при среднем значении около 65% как для суглинков, так и для глин (таблица 4.6).
