Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния проблемы рационального размещения солеотходов калийного производства и охраны геологической среды 8
1.1. Возникновение и формирование проблемы и результаты ее научных исследований. Новый объект инженерной геологии месторождений полезных ископаемых 8
1.2. Анализ исследований на отвалах калийных предприятий 17
Глава 2. Характеристика строения, состава и свойств пород пюмышленных пластов калийных местоюждений 28
2.1. Строение и состав промышленных пластов калийных месторождений 28
2.2. Физико-механические свойства соляных пород 30
Глава 3. Исследование процессов формирования состава, состояния и свойств нового техногенного геологического тела (по результатам экспериментальных исследований и наблюдений) 45
3.1. Исследование физических свойств техногенных пород солеотвалов 47
3.2. Исследование прочности и деформируемости техногенных пород солеотвалов 50
Глава 4. Геологические процессы и явления на солеотвалах 73
4.1. Формирование рассолового горизонта в теле солеотвала и его динамика 75
4.2. Развитие соляного карста 76
4.3. Образование глинистой корки и эрозионных форм на поверхности солеотвалов 78
4.4. Возникновение гравитационных явлений на откосах солеотвалов 80
4.5. Механизм оползневого процесса и оценка устойчивости откосов солеотвалов 86
Глава 5. Организация и функционирование инженерно-геологического мониторинга 104
5.1. Обоснование необходимости инженерно-геологического мониторинга и его задачи на калийных рудниках 104
5.2. Обоснование мероприятий по снижению негативного воздействия солеотвалов на геологическую среду 106
5.3. Виды, методика и последовательность работ и наблюдений в рамках инженерно-геологического мониторинга 117
Заключение 125
Список литературы 126
- Возникновение и формирование проблемы и результаты ее научных исследований. Новый объект инженерной геологии месторождений полезных ископаемых
- Исследование прочности и деформируемости техногенных пород солеотвалов
- Механизм оползневого процесса и оценка устойчивости откосов солеотвалов
- Виды, методика и последовательность работ и наблюдений в рамках инженерно-геологического мониторинга
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. В отличие от многих других отраслей горно-химической промышленности, калийная характеризуется большим количеством отходов, получаемых в результате переработки и обогащения калийных руд, которые с момента ввода в строй в 40-х годах нашего столетия первого в стране калийного комбината в г.Соликамске, складируются на дневной поверхности. Количество отходов постоянно растет, но способы складирования их в основном остались те же — твердые галитовые отходы, состоящие более чем на 90% из NaCl, размещаются в солеотвалы, глинисто-солевые шламы в виде пульпы подаются в шламохранилища. Это приводит к формированию специфических техногенных массивов, представляющих определенный теоретический и прикладной интерес при прогнозе изменений геологической среды.
Вопросам изучения состава и свойств солеотходов, устойчивости солеотвалов, степени влияния их на геологическую среду и мерам по его сокращению посвящены работы А.И.Дзенс-Литовского, Э.В.Лехтимяки, И.П. Иванова, Р.Э. Дашко, Г.В. Богомолова, СМ. Ротькина, Н.М.Головина, Е.Я.Алексеенко, В.П. Клементьева, В.В.Сланевского, С.П.Вострецова, Н.Е. Schroth, J. Thomas, О. Lenz и др. Однако для предотвращения отрицательного воздействия отходов калийного производства на геологическую среду необходимо внедрение комплекса научно обоснованных природоохранных мероприятий, что требует проведения дополнительных исследований.
Цель работы — инженерно-геологическое обоснование мероприятий для снижения негативного воздействия солеотходов на геологическую среду.
Задачи исследований:
-исследование условий формирования физико-механических
свойств.пород техногенного массива — солеотвала;
- установление закономерностей пространственного и времен
ного изменения состояния и свойств пород в массиве солеотвала;
-исследование механизма и динамики оползневого процесса на откосах солеотвалов;
- обоснование сокращения землеемкости солеотвалов и
способов их рекультивации;
- разработка рекомендаций по организации и функциониро
ванию локального инженерно-геологического мониторинга.
Методика исследований. Научные исследования проводились на геологической основе с использованием лабораторных и полевых методов изучения структуры, состояния и физико-механических свойств пород солеотвалов и с применением аналитических методов оценки и прогноза свойств солеотходов и оползневых процессов на откосах солеотвалов.
Достоверность научных положений и выводов обоснована результатами: теоретического анализа роли природных процессов, сопровождающих отвалообразование и приводящих к формированию специфического техногенного осадка; комплекса полевых и лабораторных экспериментов и большого объема проанализированных материалов; промышленной и опытной проверкой при внедрении разработок на предприятиях АО «Уралкалий» и АО «Сильвинит».
Научная новизна заключается в установлении закономерностей пространственного и временного изменения физико-механических свойств техногенных пород в массиве солеотвала, прогнозе развития оползневых процессов и научном обосновании организации и функционирования инженерно-геологического мониторинга на калийных рудниках.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1) получены показатели физико-механических свойств пород
массива солеотвала, которые могут быть использованы на предварительных стадиях исследований Лі в отдельных проектных
рёШеНИЯХ; Л '.:.....-':" ._.;
-
оценено влияние противофильтрационных экранов на устойчивость солеотвалов с целью разработки безопасной технологии складирования отходов обогащения калийного производства.
-
разработаны оптимальная конструкция солеотвалов - и способ их рекультивации с целью значительного сокращения^ землеемкости отчуждаемых территорий и уменьшения количества образующихся рассолов; і
4) разработаны и внедрены в производство ведомственные
строительные нормы по возведению сооружений на соляных
насыпных отложениях.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на научно-технической конференции (г.Минск, 1982 г.), на семинаре «Охрана окружающей среды при производстве минеральных удобрений» (ВДНХ СССР, 1987 г.), на 1-ой конференции «Проблемы охраны геологической среды» (Минск, 1995 г.), на заседаниях горно-геологической секции Ученого Совета ВНИИГа-лургии (Ленинград, 1987, 1988 гг.), на семинарах кафедры инженерной геологии СПГГИ (1996—1998 гг.).
Основные результаты исследований опубликованы в 10 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, изложенных на 135 страницах текста, содержит 37 рисунков, 11 таблиц, список литературы содержит 93 наименования.
Возникновение и формирование проблемы и результаты ее научных исследований. Новый объект инженерной геологии месторождений полезных ископаемых
На территории Евразии расположены крупнейшие месторождения калийных солей - Верхнекамское (Пермская обл.) и Старобинское (Республика Беларусь), на базе которых построены 11 подземных рудников производственных объединений "Уралкалий", "Сильвинит" и "Беларуськалий", Сильвинитовая руда представляет собой сростки сильвина (КС1) с каменной солью (NaCl) и содержит примеси карналлита (КО Mg026H20), ангидрита (CaS04), гипса (CaS042H20), кизерита (MgS04H20), карбонате» кальция и магния, а также глин, представленных алюмосиликатами, гидрослюдами и другими соединениями.
Производство калийных удобрений на отечественных предприятиях основано на переработке сильвинитовой руды флотационным или галургическим методами. С учетом состава исходного сырья, содержащего 23-27% КС1, при получении одной тонны продукта образуется 0,1-0,5 т глинисто-солевых шламов и 3,5-4,5 т твердых галитовых отходов (солеотходов). Образующиеся ежегодно на калийных предприятиях миллионы тонн жидких и твердых отходов складируются на дневной поверхности. Глинисто-солевые шламы, размещаемые в пшамохранилищах равнинного или овражно-балочного типов, представляют собой 69-82-процентную суспензию зерен галита и сильвина и глинистых частиц в насыщенных рассолах с минерализацией порядка 200-250 г/л. Твердые галитовые отходы размещаются вблизи обогатительных фабрик в солеотвалы, при этом под складирование ежегодно дополнительно изымаются десятки гектаров сельскохозяйственных и лесных угодий. Только в 1996 году на АО "Уралкалий" переработано 11325 тыс.т сильвинитовой и карналлитовой руды, в результате чего образовалось 7148 тыс.т твердых галитовых отходов и 839 тыс.т глинистых шламов, из которых использовано 2932 тыс.т (производство рассола, закладка горных выработок, отгрузка соли с карьера). Всего же к концу 1996 года в отвалах и пшамохранилищах этого объединения накоплено 192812 тыс.т твердых солеотходов и 29241 тыс.т шламов.
Рыхлые солеотходы отсыпаются на дневной поверхности конусами с углами откоса, зависящими от угла внутреннего трения складируемого материала (рис. 1.1). Под действием различных процессов они превращаются из рыхлой массы в плотное монолитное образование, которое по своим характеристикам можно отнести к породам V группы по классификации В.Д. Ломтадзе, т.е. породам особого состава, состояния и свойств. Однако. материал солеотвалов подвержен интенсивному воздействию пресных атмосферных осадков (за счет выщелачивания ежегодно с 1 га образуется 6 тыс. м избыточных рассолов, перекачиваемых в шламохранилища и рассолосборники) и ветровой эрозии (ореолы загрязнений распространяются на расстояние 1,5-2 км [84]). Следует отметить, что борьба с химическим загрязнением, к которому относится загрязнение под воздействием отходов калийного производства, сложная и трудоемкая, поскольку самоочищения подземных и поверхностных вод не наступает даже в случае уничтожения источника засоления, как при бактериологическом загрязнении.
В связи с возникшей опасностью химического загрязнения на калийных рудниках с 60-х годов в различных организациях (Госгорхимпроект, БелНИГРИ, БФВНИИГ, УФВНИИГ, ВНИИГ, ЛГУ, ЛГИ), а также за рубежом проводятся исследования по определению степени засоления и изучению механизма этого процесса (Дзенс-Литовский А.И., Лехтимяки Э.В., 1967; Ларионов А.К. и др., 1970; Колпашников Г.А., Еременко Ю.П. и др., 1970; Богомолов Г.В., РотькинСМ. и др., 1979; Дашко Р.Э., Мольский Е.В. и др..
1980-1986; Schroth Н.Е.,1978; Thomas J., 1972 и др.,) a с 70-х годов - изучение строения солеотвалов, состава и свойств слагающих их образований (Клементьев В.П.и др., 1973,1979; Ротькин СМ., Алексеенко Е.Я., 1976; Головин Н.М., Иванов И.П., 1976; Клементьев В.П., Шемет С.Ф., 1987; Lenz О., 1983 и др.). Рост высоты отвалов обусловил необходимость обеспечения их устойчивости и безопасного складирования. Эта проблема рассматривалась рядом исследователей (Алексеенко Е.Я., Ротькин СМ., 1974,1976,1977; Иванов И.П. и Головин Н.М., 1973, 1974, 1976, 1977, 1980, 1987; Вострецов СП., 1983, 1987,1989; Фредлунд Д.Г.; Барбур СЛ. и Янг П., 1991; и др.).
Проведенные на солеотвалах калийных комбинатов исследования определили основные природоохранные мероприятия, направленные на уменьшение масштабов засоления окружающей среды и сокращение площадей под складирование отходов в калийной промышленности, ряд которых выполняется в настоящее время;
сооружение в основании солеотвалов экранов из полиэтиленовой пленки;
использование солеотходов в народном хозяйстве;
закачка избыточных рассолов в глубокие горизонты;
закладка отходами выработанного пространства рудников;
высотное складирование солеотходов.
На всех комбинатах схемы отсыпки солеотвалов предусматривают ограждение их невысокими земляными дамбами в целях ликвидации поверхностного распространения образующихся рассолов за пределы выделенных площадок. Фильтрующиеся рассолы собираются и отводятся дренажными канавами в рассолосборник, откуда перекачиваются в шламохранилище или на обогатительную фабрику. Для предотвращения фильтрации рассола в почву в основании солеотвалов устраиваются экраны. До начала 80-х годов сооружали глинистые экраны. При этом, предполагалось, что засоление на 3-5% экранирующих пород повлечет за собой заметное снижение их Проницаемости. Однако изучение характера засоления глинистых пород (Дашко Р.Э. и др., [18,19]) показало, что оно влияет на их агрегатное и физическое состояние и свойства, в результате чего значительно увеличивается фильтрационная способность пород. По некоторым данным [12], интенсивность фильтрации в основание солеотвала Второго Березниковского рудоуправления за 5 лет составила 3-4 тыс. м в год с 1 га. Исследованиями ЛГИ и наблюдениями в скважинах [89] в районе солеотвальной площадки этого рудника установлен ореол загрязнения подземных вод пестроцветной толщи, наблюдается расширение его. Минерализация вод колеблется от 30 до 1 г/л.
Это потребовало пересмотра конструктивного решения противофильтрационной защиты и замены глинистых экранов пленочными, которые включают полиэтиленовую пленку толщиной 0,2 мм, а также подстилающий и перекрывающий (защитный) пленочный элемент слои, формируемые преимущественно из местных песчано-глинистых грунтов. Разработанные конструкции пленочных противофильтрационных экранов внедрены на всех отечественных калийных предприятиях.
Значительное внимание уделяется использованию отходов в народном хозяйстве. Из гагатовых отходов производится техническая очищенная соль, рассолы для нужд содового производства, солебрикеты, с солеотвалов отгружается техническая неочищенная соль, В настоящее время мощности производств по использованию гагатовых отходов не достаточно велики, чтобы существенно снизить их объемы на дневной поверхности.
Эффективным способом, снижающим вредное влияние избыточных рассолов на окружающую среду, является сброс их в глубокие поглощающие горизонты. В сложных геологических условиях глубинный сброс избыточных рассолов в промышленном масштабе не получил распространения на калийных рудниках. Поэтому наряду с подземным захоронением промстоков необходимо внедрение в практику малоотходных технологий по переработке минерального сырья с созданием замкнутых циклов водопотребления и многократным использованием рассолов для технологических нужд.
Исследование прочности и деформируемости техногенных пород солеотвалов
Прочностные и деформационные характеристики пород солеотвалов определялись методами одноосного сжатия и кольцевого разрыва при кратковременных и длительных испытаниях.
Исследование характера деформирования и количественная оценка предела прочности на одноосное сжатие агсж осуществлялись в лаборатории на искусственно сформированных образцах с соотношением h/d=1-f-З с применением ручного пресса Результаты приведены в табл 3 2 Передача нагрузки осуществлялась через тзедуктор и регистрировалась индикатором динамометра Вертикаль-ные десЬоомаїїии замерялись индикаторами часового типа с точностью 0 01 мм За ОЛНУ ступень нагрузки ггоинималось перемещение штока на 0 25 мм что со-ГУГВ?ТСТВОВЯЛО НЯТТУУЧКб 39 1 кгс. Замеры деформаций проводились через 1 и 2 МИНУТЫ Численные значения разрушающей нагрузки определялись как срел-нее между последней ступенью и предшествующей разрушению (рис.3.4 табл 3 2)
Образцы ненарушенного сложения, отобранные на солеотвале в интерва ле глубин 13-26 м, испытывались на прессе УМЭ-ЮТМ с автоматической записью деформаций. Они имели размеры: диаметр д=2,9 3,0 см, высота h=4,4 4,7 см, h/d=l,5-rl,6. При этом их влажность составила 0,03-0,04, плотность-1,83-2,00 г/см . В результате установлено, что при скорости дефор мирования 1 мм/мин для данных пород предел прочности на одноосное сжатие изменяется от 1,85 до 3,00 МПа (табл.3.3). На рис.3.5 приведены деформационные кривые испытанных образцов пород солеотвала, указывающие на хрупкий характер их разрушения.
Предел прочности на растяжение стр образцов естественного сложения с аналогичными параметрами и физическими характеристиками, определялся методом кольцевого разрыва [2,3]. Методика испытаний заключается в следующем. Образец твердых солеотходов в виде полого цилиндра подвергается разрушению путем сжатия его по образующей. Разрыв происходит по вертикали между точками приложения сил. Такое разрушение вызывается возникновением растягивающих усилий в плоскости разрушения, которое в первом приближении можно рассматривать как сцепление. Сопротивление разрыву определяется по формуле где к-коэффициент концентрации напряжений к=-0,4+32(г/К); г-радиус отверстия; К - радиус образца; Р - разрушающая нагрузка; 1 - толщина стенки цилиндра.
Экспериментами [2] установлено, что для испытания на разрыв целесообразно использовать кольца с соотношением г/К 1/5, когда по линии действия нагрузки возникают только растягивающие напряжения. Численные значения коэффициента к в зависимости от соотношения радиусов отверстия и образца приведены ниже:
По результатам испытаний рассчитаны значения величин угла внутреннего трения ф и удельного сцепления С образцов по формулам [33]:
Результаты обработки экспериментальных данных по определению временного сопротивления кольцевому разрыву и рассчитанные значения Си ф приведены в табл.3.3.
По деформационным кривым образцов упрочненных солеотходов (рис.3.5, табл.3.3), а также искусственно сформированных (рис. 3.4, табл. 3.2) определен модуль деформации по формуле где dA«=Ah/Ь - изменение относительной продольной деформации образца высотой Ь в интервале нагрузок dp, Ah -величина абсолютной общей деформации.
Характер деформирования техногенных соляных грунтов при длительных испытаниях исследовался на искусственно сформированных образцах как при ступенчатом нагружении, так и при постоянной нагрузке.
Постоянные нагрузки, составляющие 20-60% от асж=1,0МПа, прикладывались к неизолированным образцам. Резкое кратковременное увеличение скорости деформирования от 0,002 до 0,2-0,4 мм/сут, вызванное увлажнением при увеличении атмосферной влажности, приводит к последовательному разрущению образцов, нагруженных 0,6асж, 0,5асж и 0,4осж на 22-ые, 40-е и 63-тьи сутки соответственно (рис.3.6). В тех же условиях разрушения образцов в течение 85-и суток, нагруженных 0,3асж и ОДсТсж, не происходит. По-видимому, существенную роль в процессе разрушения ряда образцов играет возникновение микротрещин на их поверхности под действием внешнего давления с последующим развитием каналов для проникновения влаги внутрь образцов.
Длительные испытания сформированных из солеотходов образцов на одноосное сжатие ступенчатым нагружением производились на рычажных приборах с соотношением плеч рычагов 1:10 ступенями по 0,1 МПа. Каждая сту пень выдерживалась до полного затухания деформации, регистрируемой индикаторами часового типа с точностью до 0,01 мм. Длительность опытов составила 60 суток. По их результатам были построены графики зависимости изменения продольных деформаций от времени при различных ступенях нагружения (рис.3.7), из которых видно, что для техногенных соляных грунтов характерна деформация ползучести, скорость которой в среднем составляет 0,01 мм/сут при внешней нагрузке 0,3 МПа. Величина установленного предела длительной прочности при одноосном сжатии незащищенных от воздействия атмосферной влаги образцов находится в пределах 0,3-0,4 МПа.
Зависимость величины предела прочности на одноосное сжатие от влажности солеотходов изучалась нами на искусственно сформированных образцах солеотходов.
Для четырех образцов из этой серии (№№ М) было определено стсж- Передача нагрузки и ее регистрация выполнялись с использованием динамометра ДОСМ-3-1. Величина стсж составила 0,98 -г1,19МПа (рис.3.4, табл,3.2). Испытанные образцы имели воздушно-сухое состояние, разрушение их носило хрупкий характер.
Остальные 7 образцов были помещены в гидраторы, где насыщались в течение различного времени парами воды. У образцов №№ 5 и 6 боковая поверхность не изолировалась. Образец № 5 находился в гидраторе 50 час, при этом масса сухого образца (р = 1,29 г/см ) увеличилась на 4,26 г, что соответствует повышению влажности до 0,008. Прочность образца определить не удалось, т.к. он разрушился до начала испытания. Влажность распределялась по высоте образца следующим образом: верх - 0,01, середина - 0,012, низ - 0,014. При увлажнении плотность образца изменилась до 1,30 г/см .
Образец № 6 (рнач= 1,29 г/см ) насыщался водяными парами на протяжении 113 час, в результате чего его плотность достигла 1,34 г/см . При установке динамометра образец разрушился. Определена влажность по высоте образца: верх - 0,019, середина - 0,022, низ - 0,032.
Механизм оползневого процесса и оценка устойчивости откосов солеотвалов
Устойчивость пород в природных склонах и искусственных откосах рассматривается как результат взаимодействия сил, стремящихся сместить породы, и сил, сопротивляющихся этому. Оползание возникает при нарушении равновесия между этими двумя группами сил. Смещение (оползание) в одних случаях может происходить в виде перемещения блока или блоков горных пород (структурные оползни), либо в виде течения (пластические оползни).
Оползни высоких откосов отвалов, карьеров и других выемок имеют много общих черт с оползнями природных склонов, и одной из важнейших задач изучения механизма возникновения оползней является выяснение геологических условий, к которым они приурочены: горных пород, в которых преимущественно происходит сдвиг, их условий залегания и предельной мощности, предельной нагрузки на них и т.д.
Многочисленными авторами [7,15,36,18,20 и др.] описываются оползни на естественных склонах, проявляющиеся в виде серии идущих параллельно склону скальных блоков или глыбовых валов, разделяемых зияющими трещинами или заполненными обломочным материалом. Зачастую в профиле они образуют оползневые ступени из блоков пород, отделившихся от коренного склона и опустившихся на более низкий уровень. Смещение масс происходит без вращения или значительного наклона так, что залегание пород сохраняет положение, близкое к первоначальному. Такие явления именуются блоковыми онолзнями. Они пользуются широким распространением почти во всех оползневых районах (Одесса, Поволжье, Кавказ, Байкал, Прикамье и др.) и характеризуются рядом общих особенностей:
- оползневой склон слагают прочные, зачастую скальные породы, способные к хрупкому разрушению;
- сползание масс горных пород происходит в виде блока или блоков без существенного нарушения их внутреннего строения по наклонным, плоскоступенчатым или волнистым поверхностям, приуроченным к поверхностям или зонам ослабления (консеквентные оползни по Ф.П.Саваренскому), которыми могут являться моноклинально наклоненные поверхности напластования пород, наклонные слои или прослойки слабых пород и др.;
- в основании оползневого блока залегает слой слабых глинистых пород, деформирующихся во времени и являющийся очагом оползнеобразования. В них, по мнению Е.П.Емельяновой [18], возникает предельное состояние от действия вышележащих пород и последующее раздавливание. Постепенное накопление сдвиговых деформаций провоцирует изменение напряженного состояния склона в целом. Залегающие на слабом слое породы не оказывают сопротивления сдвигу - в них преодолевается только сопротивление разрыву, в результате чего в первую очередь разрушается первый от поверхности наиболее прочный и хрупкий слой, в котором наблюдаются вертикальные трещины отрыва.
Подобные оползневые проявления отмечаются и на искусственных склонах. Анализом фактических нарушений устойчивости открытых горных выработок и отвалов установлено, что главную роль в развитии этих нарушений играет наличие и расположение поверхности или зоны разрушения в приоткосном массиве. Г.Л.Фисенко [55] связывает возникновение оползней, названных им подошвенными, на отвалах при условии наличия наклонного основания. Согласно этому признаку разработана классификация деформаций откосов оползнями в карьерах и на отвалах [40], в которой выделен тип деформаций с поверхностью разрушения полностью или частично предопределенной условиями залегания пород или формирующейся в процессе отсыпки отвалов. В таких контактных оползнях, так же как и в оползнях природных склонов, поверхностями ослабления являются тектонические нарушения, трещины, контакты слоев и слабые пропластки.
Среди дополнительных факторов, способствующих возникновению оползней подобного типа, следует назвать следующие:
- увеличение крутизны склона или откоса при их подрезке, подработке или подмыве, а также искусственное увеличение угла откоса;
-ослабление прочности пород вследствие изменения их физического состояния;
- изменение напряженного состояния горных пород в зоне формирования склона и строительства откоса;
-загрузка склона или откоса, а также участков, прилегающих к их бровкам и др.
Анализ строения и залегания пород оползневого массива и его основания, характера их деформирования, формы поверхности скольжения и механизма смещения в оползнях блокового типа на естественных склонах позволяет предположить аналогичный механизм оползневого процесса в хрупко разрушающихся породах массива солеотвала на слабом глинистом основании.
На примере ступенчатых оползней, представляющих определенный теоретический и практический интерес для решения конкретных задач устойчивости солеотвалов на слабом основании, И.П. Иванов [22] показал механизм деформирования двух сред: хрупко разрушающегося солеотвала и пластичного глинистого основания. Учитывая характер деформационных кривых при сдвиге этих двух разновидностей (рис.4.3) и условия их совместного деформирования, можно установить, что поверхность скольжения образуется неодновременно. Первым разрушится хрупко деформирующийся материал солеотвала, для которого характерен ярко выраженный эффект "пиковой" прочности, поскольку его критическое состояние по деформациям наступит раньше, чем грунтового основания.
Механизм деформирования поясняет рис.4.4. Две точки располагаются на наиболее опасном участке поверхности скольжения: точка М находится в теле соляного отвала, а точка N - в грунтовом основании. Из-за близости положения этих двух точек можно принять, что с ростом высоты солеотвала распределение напряжений в них будет одинаковым. При этом, как видно из рис.4.3, деформации, вызываемые одинаковым соотношением напряжений, будут разными. В сравнительно слабом пластичном грунтовом основании (точка К) при прочих равных условиях могут проявиться большие по величине деформации, чем в сравнительно прочном солевом материале. Но поскольку обе точки деформируются совместно, то в верхней (М) наступает концентрация напряжений, а в нижней (М) - релаксация. Это приведет к тому, что деформации солевого материала возрастут и давление на точку N увеличится, что опять вызовет деформации в грунтовом основании с последующей релаксацией напряжений в точке N и их концентрацией в точке М.
Виды, методика и последовательность работ и наблюдений в рамках инженерно-геологического мониторинга
Согласно выбранному объекту исследований реализация намеченных природоохранных мер на калийных предприятиях должна проводиться в рамках регионального (охватывая территории вероятного техногенного воздействия), локального (на территории отвального хозяйства и земельного отвода) и детального мониторинга (в пределах отдельного солеотвала) на различных стадиях освоения территории и эксплуатации солеотвала:
- проектирование солеотвала;
- эксплуатация солеотвала и подготовка его к рекультивации;
- рекультивация солеотвала.
Стадия проектирования солеотвала
На стадии проектирования солеотвала мониторинг должен быть направлен на определение сферы негативного влияния отходов переработки калийных руд на геологическую среду, С этой целью на базе крупномасштабной инженерно-геологической съемки должны быть выполнены ретроспективные и инвентаризационные наблюдения; определены места расположения и развернуты наблюдательные пункты за состоянием поверхностных и подземных вод, почв и грунтов; определены фоновые значения концентрации солей в них. В качестве объекта исследований инженерно-геологического мониторинга должна рассматриваться площадка для размещения проектируемого солеотвала комплекс наблюдений на которой имеет направленность аналогичную вышеуказанной. Помимо этого необходимо предусмотреть мероприятия по:
1) инженерно-геологическому исследованию физико-механических свойств пород основания проектируемого солеотвала;
2) исследованию (включая сбор и анализ фондовых материалов) свойств солеотходов;
3) метеорологическим наблюдениям, подкрепленным сбором фондовых материалов, включающим определение средних за различные периоды температур воздуха, значений влажности, количества выпадающих и испаряющихся атмосферных осадков и т.д.
Обобщение и анализ результатов наблюдений позволят оценить геологическую, гидрогеологическую, инженерно-геологическую обстановку на объекте и дать прогноз изменения состояния геологической среды под влиянием складируемых на дневной поверхности легкорастворимых солеотходов. На основании прогнозных оценок будут предложены меры, направленные на уменьшение (и полное исключение) негативного воздействия техногенных соляных грунтов отвалов на почвы, грунты, поверхностные и подземные воды. Система инженерной защиты должна предусмотреть способы, предотвращающие проникновение в основание солеотвалов и, следовательно, подземные воды рассолов и предполагающие использование противофильтрационных экранов, дренажей, рассолоотводящих систем и т.п. сокращение солеотвальных площадей путем уменьшения их землеемкости а также противозрозионные мероприятия заключающиеся в консервации поверхности отвшюв. В период строительства противофильтрационной защиты основания солеотвала, в частности, полиэтиленового экрана, контроль за качеством его выполнения следует осуществлять геофизическими методами.
Управление состоянием геологической среды на калийных предприятиях и минимизация негативного воздействия на нее отходов производства будут обеспечены реализацией предложенных природоохранных мероприятий. Оценка состояния на всех этапах существования и функционирования системы и со-леотвала в ней осуществляется через вновь создаваемые или существующие банки данных, в которые заносятся сведения о фоновых характеристиках на каждом объекте исследований и системы в целом и отмеченных в них изменениях.
Стадия эксплуатации солеотвала и подготовки его к рекультивации
Детальный инженерно-геологический мониторинг на стадии эксплуатации и подготовки солеотвала к рекультивации необходимо разбить на два этапа, объектами наблюдений на которых будут являться:
- сопеотвал на этапе эксплуатации (сооружения),
- солеотвал на этапе оптимизации конфигурации.
Сооружения солеотвала по традиционной фронтальной схеме отсыпки на изолирующем экране должен сопровождаться комплексом наблюдений:
1) за концентрацией солей в поверхностных и подземных водах и почвах; исследование влияния засоления грунтов на их физико-механические и фильтрационные характеристики;
2) за формированием и изменением физического состояния техногенной породы солеотвала; исследование ее физико-механических свойств;
3) за положением уровня рассолового горизонта в теле солеотвала и его динамикой;
4) за геологическими процессами и явлениями в теле и на поверхности солеотвала:
- образование эрозионных форм в теле и откосах и их влияние на устойчивость солеотвала;
- гравитационные явления на откосах отвала (частота наблюдений должна быть увеличена в периоды повышенной влажности);
5) за вътолаживанием откосов и оседанием поверхности солеотвала в результате выщелачивания и уплотнения.
На основе оценки выполненных наблюдений за инженерно-геологической, гидрогеологической и геодинамической обстановками на объекте составляется прогноз его состояния и геологической среды на настоящий момент и период дальнейшей эксплуатации. Особое внимание следует уделить мерам регулирования геодинамической обстановки на откосах солеотвала (его устойчивость в зависимости от технологии ведения отвальных работ, изменения влажностного режима атмосферы и уклона рельефа дневной поверхности) и в его основании (обеспечение целостности лротивофильтрационного экрана в процессе развития по фронту отсыпки).
На этапе сооружения солеотвала оптимальной конфигурации (оптимизация предполагается по критериям уменьшения его землеемкости и возможности производства рекультивационных работ) производится засыпка тыловой грани отвала (рис.5.8), что приводит к увеличению доли горизонтальных участков, и строительство капитальных сооружений магистрального конвейерного тракта (перегрузочных узлов) непосредственно на его поверхности (рис.5.9). Сформированный по предлагаемой технологии и достигший проектной высоты солеотвал готов для выполнения на нем рекультивационных работ.
Специфика свойств техногенных соляных пород, а также отсутствие практики возведения сооружений на них требуют принятия специальных проектных решений [41] и применения особых методов наблюдений за отдельными компонентами системы "солеотвал-сооружение".
