Инженерно-геологическое обеспечение безопасности горных работ при ликвидации гидроотвалов

Актуальность работы. Освоение некоторых месторождений в. Кузбассе при недостатке геологическойинформации 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 филиалаОАО УК «Кузбас-сразрезуголь» «Кедровский угольный разрез», где под гидроотвалом-№Здоразве-даны 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, A.M. Гальперин, Р. Э. Дашко, В.Г. ЗотеевО.В. Зотеев, И. П. Иванов, Ю. В. Кириченко, B.C. Круподеров, Ю. И. Кутепов, H.A. Кутепова, В. А. Мироненко, В. В. Мосейкин, Ю: А. Норватов, В. Е. Ольховатенко, В. В. Середин, C.B. Сольский, В. И. Стрельцов, В. П. Жариков, В. Н. Зайцев, А. Н. Киянец, Р. Г. Клейменов, О.Ю. КрячкоС.И.Протасов, А. И. Федосеевой др. Исследования выполнялись" в основном для определения оптимальных параметров гидроотвалов-при их строительстве и эксплуатацииобоснования 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, строительствомконсервацией, эксплуатацией и ликвидацией гидротехнических сооружений, в том числе,'гидроотвалов — объектов промышленной гидротехники.

Цель работы. Оценка инженерно-геологических условийгидроотвалов 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 изучения1 физико-механических свойств отложений намывных массивов^ 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 напряженно-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 массивапревышающей 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 объектомпредставляющим наибольшую опасность для" горного производства иокружающей среды.

2. При частичном удалении гидроотвалов нарушается характерный для сформированных ранее техногенных массивов ход технолитогенетических преобразований намывных породзакономерности изменения их состояния и свойств определяются видом и интенсивностью технологического воздействия*- гидроме-ханизационного 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 массивадеформациями 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:

— натурными1 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 породи пород основания отвала;

— расчетами устойчивости дамбы (использовались программы «Stability» института ВНИМИ и «Galena» австралийской компании ВНР Engineering).

Практическаязначимость 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 «Кед-ровский угольный разрез" — интерпретации результатов мониторингаисследований физико-механических свойств намывных отложений в лабораторных условияханализа результатов исследований с целью установления влияния гидрогео-механических процессов наформирование 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, 20 Юг), 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.

5.5. Выводы по главе 5.

1. Система инженерно-геологического обеспечения безопасности вскрышных и отвальных работ при частичной отработке гидроотвалов и переформировании ПТС включает комплекс работ и исследований по изучению, обоснованию, управлению и контролю состояния пород техногенных массивов, выполняемых в течение всего срока переформирования ПТС с целью обеспечения безопасности и экономической эффективности горных работ. Данная система позволяет выполнить разработку и осуществление мероприятий по повышению уровня надежности и безопасности технологических процессов, характеризуется цикличностью и определенной последовательностью в выполнении указанных видов работ, обусловливая поэтапное переформирование гидроотвала и ПТС, включающее его.

2. Изучение порового давления — один из наиболее важных и необходимых видов инженерно-геологических исследований на объектах промышленной гидротехники, позволяющий получать достоверную информацию о напряженно-деформированном состоянии и свойствах намывных пород для решения технических задач, возникающих при ликвидации намывных сооружений. Для этих целей разработаны и апробированные на гидроотвалах методы и средства измерения порового давления, способы и схемы размещения приборов, методика наблюдений и интерпретации результатов измерений. Экспериментальные методы изучения порового давления по целевому назначению разделяются на две группы: методы опробования (периодическое зондирование, опытно-промышленные эксперименты) и мониторинговые исследования.

3. Изучение прочностных свойств намывных пород с целью обоснования устойчивости откосов намывных массивов и отсыпаемых на них дамб должно осуществляться с применением современных лабораторных инженерногеологических приборов. Применяемые в отечественной практике одноплоскостные сдвиговые приборы не позволяют моделировать напряженное состояние нагружаемого и разгружаемого намывного массива с переменным поровым давлением. В наибольшей степени это требование обеспечивает метод трехосного сжатия (испытание в стабилометрах), который позволяет разрушить породы в объемном напряженном состоянии. При испытаниях намывных пород на стабило-метре Digital Tritest 50, который позволяет задавать при подготовке образца к испытаниям различные близкие к реальным намывным массивам комбинации внешних нагрузок и порового давления внутри образца, а также проводить сдвиговые испытания при деформациях близких к натурным, получены значения углов внутреннего трения и сцепления, достаточно близко совпадающими с полученными обратными расчетам по реальной оползневой ситуации.

4. Обеспечение безопасности горных работ при реализации технологических процессов по ликвидации гидроотвала достигается посредством организации нженерно-геологического мониторинга безопасности, который включает: -наблюдения за поровым давлением в намывном массиве и естественном основании- - измерения деформаций поверхности- - периодические определения физико-механических свойств отложений отсыпаемого массива, гидроотвала и естественного основания- - учет объемов и динамики вскрышных работ по частичному удалению гидроотвала и формирования отвальных насыпей.

5. Разработанная система обеспечения безопасности при ликвидации гидроотвалов внедрена на гидроотвале № 3 филиала ОАО «УК» Кузбассразрез-уголь" «Кедровский угольный разрез», из-под которого производится извлечение законсервированных запасов угля.

Заключение

.

Основные научные и практические результаты исследований:

1. Выполнен анализ геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических и, технологических условий ПТС в пределах «Основного поля» филиала «Кедровский угольный разрез», включающей борт карьера, гидроотвал и отвал «сухих» отложений. Установлено, что «слабым» звеном в системе является намывной массив гидроотвала, характеризующийся специфическими условиями формирования. Рассмотрены две другие ПТС на разрезах Кузбасса, на одной из которых (Новосергеевское поле филиала «Краснобродский угольный разрез») произошла деформация отвала на гидроотвале «Бахтыхтинский», сопровождающаяся выдавливанием отложений намывного массива на борт и дно горной выработки.

2. Определяющими факторами формирования намывных отложений в гидроотвале являются фракционирование и гравитационное уплотнение. Это создает неоднородный намывной массив с образованием в плане зон песчано-супесчаных, суглинистых, глинистых отложений, в пределах которых в разрезе выделяются осадки текучей, мягкопластичной и реже тугопластичной консистенции. Гравитационное уплотнение намывных отложений во времени связано с рассеиванием избыточного порового давления.

3. Инженерно-геологическое обоснование частичного удаления гидроотвала включает решение двух основных вопросов: 1) технологии удаления части гидроотвала, перекрывающей продуктивный пласт угля- 2) конструкции и технологии формирования дамбы, разделяющей гидроотвал на участки — подлежащий и не подлежащий удалению.

4. При частичном удалении гидроотвала в намывном массиве между разделительной насыпью и гидромониторными забоями формируется новая инженерно-геологическая зональность. По характеру развития процессов консолидации выделены: зона влияния гидромеханизации, буферная зона и зона влияния отсыпки отвалов:

5. Решение вопроса создания новой устойчивой конструкции откоса обосновано осуществлять, используя установленный при отсыпке отвалов механизм выдавливания пород из-под насыпи с замещением выдавленных масс наиболее прочными породами сухих отвалов. В Кузбассе натурными наблюдениями установлены глубины внедрения отвальных насыпей в намывные массивы от (0,5-=-0,6) Н при отсыпке на супесчаных и суглинистых отложениях до (0,6^ 1,0) Н — на более слабых глинистых разновидностях (Н — высота отвала).

6. Обоснована оптимальная конструкция разделительной насыписостоящая из трех ярусов, отсыпаемых в режиме обеспечения устойчивости трехъярусной системы, обращенной в сторону удаляемой части намывного массива, и при развитии оползневых деформаций с внедрением насыпных пород в намывную толщу на противоположной стороне насыпи. Обеспечение безопасности горных работ при формировании насыпи достигаетсявыполнением контроля избыточного порового давления и деформаций поверхности отвальной насыпи.

7. Одним из основных видов работ при выполнении ликвидационных работ и переформировании, гидроотвала является инженерно-геологический мониторинг безопасности, включающий: — наблюдения за поровым давлением в намывном массиве и естественном основании- - измерения деформаций поверхности- - периодические определения физико-механических свойств отложений отсыпаемого массива, гидроотвала и естественного основания- - учет объемов и динамики вскрышных работ по частичному удалению гидроотвала и формирования отвальных насыпей.

8. Результаты исследований рекомендованы для использования при вы.