Введение к работе
Актуальность работы. Освоение некоторых месторождений в Кузбассе при недостатке геологической информации породило ситуации, когда под гидроотвалами оказались законсервированы промышленные запасы углей. Для их отработки требуется удаление намывных массивов, сложенных водонасыщенными осадками с низкими показателями прочности и несущей способности, относящимися к категории так называемых «слабых» пород. Такая ситуация сложилась на четырех разрезах Кузбасса и, в частности, на поле филиала ОАО УК «Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез», где под гидроотвалом №3 доразведаны запасы угля в объеме 50 млн. м3, пригодные для отработки открытым способом. Их извлечение требует выполнения вскрышных работ по частичному удалению гидроотвала, что предопределяет необходимость обоснования параметров намывного массива на различных этапах производства ликвидационных работ.
Исследования инженерно-геологических условий объектов промышленной гидротехники угольной и горнорудной промышленности выполняли С.Г. Аксенов, С.П. Бахаева, А.М. Гальперин, Р.Э. Дашко, В.Г. Зотеев, О.В. Зотеев, И.П. Иванов, Ю.В. Кириченко, В.С. Круподеров, Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, В.А. Мироненко, В.В. Мосейкин, Ю.А. Норватов, В.Е. Ольховатенко, В.В. Середин, С.В. Сольский, В.И. Стрельцов, В.П. Жариков, В.Н. Зайцев, А.Н. Киянец, Р.Г. Клейменов, О.Ю. Крячко, С.И. Протасов, А.И. Федосеев и др. Исследования выполнялись в основном для определения оптимальных параметров гидроотвалов при их строительстве и эксплуатации; обоснования возможности использования намывных массивов в качестве оснований отвальных сооружений.
Таким образом, актуальность работы, направленной на изучение инженерно-геологических условий частичной отработки гидроотвалов, обусловлена настоятельной необходимостью обеспечить технико-экономическую эффективность и безопасность горных работ на угледобывающих предприятиях с минимальными экологическими последствиями. Актуальность данной задачи подтверждается Федеральным Законом “О безопасности гидротехнических сооружений” (№117-Ф-3), регламентирующим нормы безопасности при осуществлении деятельности, связанной с проектированием, строительством, консервацией, эксплуатацией и ликвидацией гидротехнических сооружений, в том числе, гидроотвалов - объектов промышленной гидротехники.
Цель работы. Оценка инженерно-геологических условий гидроотвалов вскрышных пород для обоснования технологических решений по их частичной отработке, обеспечивающих безопасность и технико-экономическую эффективность горных работ.
Основные задачи исследования:
– изучить инженерно-геологические условия природно-технической системы филиала «Кедровский угольный разрез» ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», включающей гидроотвал, находящийся на стадии отработки;
– выявить определяющие факторы формирования состава, состояния и свойств намывных пород гидроотвалов;
– выполнить инженерно-геологическое обоснование технических решений по частичному удалению гидроотвала № 3 филиала «Кедровский угольный разрез»;
– установить основные закономерности формирования порового давления в намывных породах и изменения их физико-механических свойств при отсыпке разделительной насыпи на намывном массиве;
– разработать методические принципы организации мониторинга безопасности при ведении горных работ, связанных с ликвидацией гидроотвалов.
Методы исследований: в работе использован комплексный подход к решению проблемы, включающий геологический методы, лабораторные и натурные методы изучения физико-механических свойств отложений намывных массивов и условий развития гидрогеомеханических процессов, решение теоретических задач методами фильтрационной консолидации и предельного напряженного состояния, опытно-промышленные испытания разработанных рекомендаций на объектах Кузбасса.
Научная новизна:
1. Установлено, что под воздействием горных работ по переформированию гидроотвалов, в намывном техногенном массиве образуется новая инженерно-геологическая зональность, при этом выделяются зоны с различным характером изменения наряженно-деформированного состояния и физико-механических свойств намывных пород.
2. Выявлена взаимосвязь между изменением порового давления в намывном массиве и интенсивностью развития деформаций откосов разделительной дамбы.
3. Установлено, что увеличение порового давления, инициированного отсыпкой насыпей, происходит в значительной области намывного массива, превышающей контур нагружения, и приводит к уменьшению параметров сопротивления сдвигу в зоне влияния отсыпки.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Расконсервация запасов угля под гидроотвалами сопровождается трансформацией сформированной ранее природно-технической системы, безопасность функционирования которой определяется «слабым» ее элементом – гидроотвалом, являющимся специфическим инженерно-геологическим объектом, представляющим наибольшую опасность для горного производства и окружающей среды.
2. При частичном удалении гидроотвалов нарушается характерный для сформированных ранее техногенных массивов ход технолитогенетических преобразований намывных пород; закономерности изменения их состояния и свойств определяются видом и интенсивностью технологического воздействия - гидромеханизационного смыва намывных пород и их нагружения сухими отвалами на остающейся части сооружения.
3. Безопасность горных работ при ликвидации гидроотвала обеспечивается посредством инженерно-геологического мониторинга, включающего комплексные наблюдения за поровым давлением в нагружаемой и разгружаемой частях намывного массива, деформациями поверхности формируемого вторичного техногенного рельефа с помощью маркшейдерских методов и определения прочности пород в приборах трехосного нагружения с регулируемым и контролируемым поровым давлением.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается:
– натурными исследованиями гидроотвала №3 Кедровского угольного разреза (мониторинг изменения порового давления в теле гидроотвала и наблюдения за деформациями формируемой насыпи с помощью маркшейдерских методов);
- исследованиями физико-механических свойств намывных пород и пород основания отвала;
- расчетами устойчивости дамбы (использовались программы «Stability» института ВНИМИ и «Galena» австралийской компании BHP Engineering).
Практическая значимость работы:
- получены характеристики состояния и свойств намывных отложений гидроотвала на различных стадиях существования объекта, которые использованы для обоснования технических решений по ликвидации и переформированию гидроотвала.
- разработаны методические принципы организации инженерно-геологического мониторинга безопасности при частичной ликвидации гидроотвала №3 Кедровского угольного разреза, которые могут быть использованы при разработке проектов мониторинга на других подобных объектах промышленной гидротехники.
Личный вклад автора заключается: в выполнении натурных измерений порового давления по станции мониторинга на гидроотвале №3 филиала «Кедровский угольный разрез»; интерпретации результатов мониторинга; исследований физико-механических свойств намывных отложений в лабораторных условиях; анализа результатов исследований с целью установления влияния гидрогеомеханических процессов на формирование и изменение физико-механических свойств намывных пород.
Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: симпозиум «Неделя горняка-2010» (МГГУ, Москва, 2010 г.), конференция «Двенадцатые Сергеевские чтения» (Институт Геоэкологии им. Е. М. Сергеева РАН, Москва, 2010 г.), Международный форум молодых ученых «Проблемы недропользования» (СПГГИ (ТУ), Санкт-Петербург, 2010 г), I Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире» (Пермский государственный университет, г. Пермь, 2010г), Молодежный форум в рамках горно-металлургической конференции (Фрайбергская горно-металлургическая академия, г.Фрайберг, Германия, 2010 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 6 опубликованных статьях, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки РФ.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 184 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 88 наименований, содержит 55 рисунков, 23 таблицы.
