Инженерно-геологическое обеспечение экологической безопасности формирования техногенных массивов

Человек — единственный представитель биосферы, который, являясь составляющим окружающей среды, старается не подстроиться под нее, а переделать под себя, то есть создать вокруг обстановку, которая позволяет ему чувствовать себя наиболее комфортно на данном этапе существования. Темпы и объемы такого рода воздействия не поддаются оценке. «Судорожно и нервно идет использование вещества: грандиозные горные и инженерные работы перераспределяют вещество по земной поверхности по своим собственным законам, столь отличным от естественных законов геологии и геохимии», — отмечал акад. Ферсман А. Е., предложив назвать совокупность геоморфологических процессов, вызванных производственной деятельностью человека, техногенезом [1].

Одним из самых значительных объектов воздействия на окружающую среду является земная кора, как источник полезных ископаемых и биосфера, как место основного приложения нагрузки от производственной и бытовой деятельности человека. Смещение реальных приоритетов государственной политики в сторону экстенсивной эксплуатации природных ресурсов и решения текущих экономических проблем в ущерб долгосрочным национальным интересам наносит природе вред, имеющий зачастую необратимый характер. Причем, техногенные изменения окружающей среды при разработке месторождений полезных ископаемых обладают большой инерционностью (продолжаются и после окончания горных работ) и «эффектом домино» (малое воздействие вызывает крупномасштабные последствия).

На настоящем этапе техногенной эволюции конечной целью при добыче полезных ископаемых должно являться обеспечение воссоздания в горнодобывающих регионах окружающей среды если не в первозданном виде, то хотя бы в качестве объекта, имеющего ценность в хозяйственном и экологическом отношении. Поэтому перед горнодобывающей промышленностью стоят две взаимоисключающие задачи:

— 5- наращивание объемов добычи с максимально возможным извлечением полезного компонента (высокий уровень обогащения) — - минимизация отчуждаемых для этой цели площадей. Анализ результатов работы обогатительного оборудования в горнодобывающей промышленности показывает, что положительных сдвигов в этой области за последнее десятилетие не произошло (рис.1). Снижение полноты и комплексности извлечения полезных и попутных ископаемых из руд, а также использования техногенных отложений (вскрышных пород, отходов обогащения и т. п.) ведет к увеличению размеров экологического ущерба, наносимого горными работами, за счет увеличения общих объемов вовлекаемых в разработки горных пород, подземных и поверхностных вод и нарушения экосистем.

Из общего земельного фонда Российской Федерации, оцениваемого в 1709,8 млн. га, предприятия добывающей и перерабатывающей промышленности, энергетики занимают земли площадью 2,7 млн. га [2].

В структуре нарушенных земель более 40% общей площади занимают земли, нарушенные при добыче полезных ископаемых открытым способом, занятые отвалами вскрышных и вмещающих пород, золо~, шлакои гидроотвалами, хвостохранилищами. Всего в России на 01.01.1999 г. учтено 1186,3тыс. га нарушенных земель, распределение которых по категориям приведено на рис. 2 [2−5].

В среднем при добыче 1 млн. т угля нарушается от 3 до 43 га земель, железной руды — от 14 до 600 га, марганцевой руды — от 76 до 600 га, известняка — от 60 до 120 га, фосфоритов — от 22 до 77 га. Самая высокая землеем-кость добычи угля на разрезах Кузбасса, она достигает при добыче 21,2 га на 1 млн. т и при отвалообразовании — 25,3 га [6,7]. Объемы нарушаемых и рекультивируемых земель в горнодобывающих отраслях представлены в табл. 1, причем более 50% нарушенных земель заняты под размещение горнопромышленных отходов.

Рис. 1. Динамика извлечения основных полезных компонентов из минерального сырья, % к количеству полезных компонентов в перерабатываемом сырье 7.

Таблица 1.

Динамика рекультивации нарушенных земель в горнодобывающих отраслях промышленности.

Нарушено.

Отрасль горнодоНарушено / рекультивировано земель за год, га земель, га бывающей На 1 января промышленности 1994 г. 1995 г. 1996 г. 1997 г. 1998 г. 1999 г.

Угольная 3503 2580 2619 3985 1949,7 110 944 промышленность 27 935 2095 1600 2821 1763.

Черная 918.3 934,0 471 465 360 51 545 металлургия 574,0 549,0 411 274 1055.

Цветная 22 066,2 15 040,0 14 888 14 632 11 803,6 175 016 металлургия 14 486,9 23 233,0 22 661 20 891 28 678.

Нефтедобывающая 44 200 29 770 23 904 22 705 16 073 56 521,5 промышленность 31 728 30 617 17 902 19 375 22 064,5.

Газовая 8832 7706 9272 3957 1942 72 646 промышленность 9322 37 380 3273 4075 2826.

Торфяная 1339 1261 5036 363 143 95 197 промышленность 24 879 9208 4121 6801 3740.

Промышленность 2944,7 2211,0 1558 1279 1280,2 52 566,1 строительных 2816,8 2515,0 3040 2117 1250,3 материалов.

Итого: 23 803.2 59 502,0 57 748 47 386 33 551,5 614 435,6.

111 741,7 106 597,0 53 008 56 354 61 376,8.

Одной из основных причин деградации окружающей среды является захоронение и складирование отходов. К настоящему времени количество только учтенных горнопромышленных отходов (вскрышные породы, хвосты обогащения и т. п.), хранящихся в отвалах на территории России, превышает 36 млрд.т. [2,5,7].

По данным Федеральной целевой программы «Отходы» ежегодно в России образуется около 7 млрд. т промышленных и бытовых отходов, из которых используется лишь 2 млрд.т. На территории нашей страны накоплено около 90 млрд. т твердых отходов, в том числе около 1,7 млрд. т токсичных. Для складирования их ежегодно отчуждается около 10 тыс. га земель [2,5,7]. Только Москва вырабатывает более 12,5 млн. т в год твердых отходов (из них около 3 млн. т бытовых), из которых перерабатывается не более 20% промышленных и 8% бытовых. Остальная масса отходов вывозится и складируется на полигонах (свалках), два из которых расположены в пределах Москвы, а 164 — на территории Московской области [8,9]. Кроме того, существует более 200 незарегистрированных («пиратских») полигонов, на которых складируется еще более 1 млн. т твердых бытовых отходов (ТБО). Строительство мусоросжигающих заводов (МСЗ), от которых отказались на цивилизованном Западе из-за их экологической опасности, проблемы не решит, хотя и складирование на открытых полигонах с 2005 г. в странах ЕС будет запрещено.

Не менее остро стоит проблема утилизации промышленных и бытовых отходов, попадающих в систему канализации г. Москвы, которая является единственным крупным городом в мире, где промышленные и бытовые сточные воды сбрасываются в единую очистную систему.

На станциях аэрации (СА) г. Москвы ежедневно образуется около 30 тыс. м3 осадков объемной влажностью 97% (более 10 млн. м3 в год). Обработка осадка включает сбраживание в метантенках при термофильном режиме (Г = 50−53°С) и далее обезвоживание — механическое на вакуум-фильтрах и фильтр-прессах, а также в естественных условиях на иловых площадках, которые занимают в Москве около 900 га земель.

Вследствие техногенного воздействия человека на окружающую среду нарушается природное равновесие, видоизменяется комплекс природных компонентов, так как подвергаются отрицательному, в основном, воздействию рельеф, геологические и гидрогеологические условия, атмосферная циркуляция, что ведет к новому, техногенному ландшафту.

Со временем первоначальная степень отрицательного воздействия несколько снижается вследствие залесения или задернения нарушенных земель, но, имея в виду современное состояние нарушенных территорий, англичане иронизируют: «Хотя будущие поколения, без сомнения, не заметят наших разрушительных действий, нынешнее поколение все же предпочитает иметь природу такой, какая она есть».

Восстановление нарушенных земель производится в незначительных объемах, в среднем ежегодно рекультивируется менее 80 тыс. га (1997;79,2 тыс. га- 1998 — 79,5 тыс. га- 1999 — 76,9 тыс. га). В то же время только в пределах населенных пунктов расположены земли, требующие проведения специальных восстановительных инженерных мероприятий (овраги, болота, мелкие карьеры и т. п.), общей площадью 1,7 млн. га (8,1% из общего отвода городов, поселков и т. п.) [2,7].

Глобальный характер воздействия человека на окружающую среду определил становление новой междисциплинарной науки о Земле — геоэкологии, в которой рассматривается комплексный характер геоэкологических проблем и интегрируется геология, горные науки, география и т. д. в единую систему знаний. У истоков становления и развития новой науки стояли Вернадский В. И., Ферсман А. Е., Мельников Н. В., Ржевский В. В., Сергеев Е. М., Осипов В. И., Мироненко В.А.

Решение большинства перечисленных проблем невозможно без инженерно-геологического обоснования с элементами гидрогеологического и геомеханического обеспечения. Разработка природоохранных технологий должна базироваться на комплексном изучении схематизации техногенных массивов. Эффективность решений по охране водно-земельных ресурсов, полноте извлечения полезных ископаемых, сокращению затрат, восстановлению и последующему использованию нарушенных территорий невозможно без наличия достоверной и всеобъемлющей инженерно-геологической, гидрогеологической и геомеханической информации. С этой точки зрения инженерно-геологические исследования необходимо рассматривать в контексте геоэкологической оценки литосферы при решении следующих задач геоэкологии: анализ изменений геосфер под влиянием природных и техногенных фактороврациональное использование водных, земельных, минеральных и энергетических ресурсов Землиснижение ущерба окружающей среде от техногенной деятельности и природных катастрофобеспечение безопасного проживания людей в промышленных регионах и районах, подверженных возникновению природных и природно-техногенных катастроф.

Исходя из вышеизложенного, экологическую опасность представляют следующие экзогенные геологические процессы, происходящие при формировании техногенных массивов в горнодобывающей промышленности и при складировании отходов городского хозяйства: депрессионное уплотнение пород, слагающих массив, вследствие понижения уровней подземных воддеформации упорных дамб намывных массивов и отходов отваловконсолидация отвальных насыпей, хранилищ отходов и намывных массивов гидроотвалов и хвостохранилищфильтрация загрязненных вод из гидроотвалов, хвостохранилищ и хранилищ илового осадка в подземные водоносные горизонтывыброс продуктов брожения в атмосферу из массивов хранилищ отходов городского хозяйстваизменение физических полей.

Как показывает опыт и анализ аварий и катастроф, ни одно из существующих предприятий не имеет замкнутого цикла переработки сырья на основе безотходных технологий [10−14]. Окружающая среда не терпит не замкнутых естественным путем природных и техногенных циклов, поэтому там, где природа не справляется с переработкой результатов человеческой деятельности, эта задача остается за человеком.

Обеспечению экологической безопасности на открытых горных работах, разработке новых безотходных технологий и проблемам комплексного использования сырья посвящены работы Мельникова Н. В., Ржевского В. В., Трубецкого К. Н., Осипова В. И., Пучкова Л. А., Шешко Е. Ф., Гальперина.

A.M., Томакова П. И., Кашпара JI.H., Коваленко B.C., Певзнера М. Е., Горлова.

B.Д., Хохрякова B.C., Русского И. И., Виницкого К. Е., Медникова H.H., Аксенова В. И., Анистратова Ю. И., Ермолова В. А. и др.

— 11.

Геомеханическое обеспечение ведения горных работ, комплексное изучение массивов горных пород, как объекта инженерной деятельности, разработка способов снижения вредного влияния техногенеза на окружающую среду являлись темами исследований Панюкова П. Н., Фисенко Г. Л., Мироненко В. А., Русского И. И., Гальперина A.M., Стрельцова В. И., Шпакова П. С., Фромма В. В., Крячко О. Ю., Зотеева В. Г., Малюшицкого Ю. П., Галустьяна Э. Л., Попова С. И., Норватова Ю. А., Туринцева Ю. И. и др.

Особого внимания заслуживают исследования в области проектирования, эксплуатации и снижения вредного воздействия намывных горнотехнических сооружений Нурок Г. А., Гальперина A.M., Волнина В. А., Меламута Д. А., Харина Н. И., Хныкина В. Ф., Ялтанца И. М., Бубиса Ю. В., Добрецова В. Б., Дьячкова Ю. Н., Кононенко Е. А., Кутепова Ю. И., Павле. нко В.М., Каминской В. И., Мелентьева В. А., Дергилева М. А. и др.

В то же время необходимо отметить, что при разработке научных основ безопасности формирования техногенных массивов как в горной промышленности, так и в коммунальном хозяйстве не учитывалась «жесткость» окружающей среды, т. е. способность природы самостоятельно противостоять техническим нагрузкам. С учетом этого все районы, подвергающиеся технологическому воздействию по степени нарушения природного равновесия можно разделить на 4 типа: природно-техническая система, в которой формируется новое состояние равновесия в связи со снятием активных техногенных нагрузок (окончание горных работ, производство рекультивационных работ) — природно-техническая система, подвергшаяся воздействию горнодобывающей промышленности, но в силу своих природных особенностей обладающая достаточным запасом устойчивости к данному уровню техногенных нагрузок и поэтому практически не измененнаяприродно-техническая система стабилизировавшаяся после изменений под воздействием инженерной деятельности человека, в большей мере техническая, чем природнаяприродно-техническая система, находящаяся в процессе формирования нового состояния равновесия.

Исходя из вышеизложенного, основной задачей охраны окружающей среды должно являться исключение техногенного воздействия (той его ступени), которое способно вывести природно-техническую систему из состояния установившегося равновесия в негативную сторону.

Актуальность темы

обусловлена необходимостью обеспечения экологической и производственной безопасности формирования техногенных массивов, а также неизбежностью накопления и утилизации промышленных и коммунальных отходов, вызывающей деградацию окружающей среды.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Федеральной научно-технической программой «Уголь России» (1994;1996, 1997;1998 гг.), отраслевыми заказами Государственного Комитета РФ по науке и технологиям в рамках государственных научно-технических программ «Ресурсосберегающие и экологически безопасные процессы горно-металлургического производства (Экогорметкомплекс будущего)» (1997;1998 г.) и «Экогоркомплекс будущего» (1996;2000 гг.), отраслевым заказом Роскомметаллургии по важнейшим НИОКР по проекту «Разработка рациональных технологий рекультивации территории техногенных массивов действующих горнорудных предприятий» (1995;1997 гг.), заказами Минтопэнерго России и планами НИР МГИ-МГГУ по объектам КМА.

Цель работы заключается в разработке инженерно-геологических основ формирования техногенных массивов, обеспечивающих снижение, стабилизацию или исключение вредного влияния объекта на окружающую среду.

Идея работы состоит в представлении техногенных массивов как локальных (объектных) природно-технических систем, находящихся в условии предельного экологического равновесия, и разработке мероприятий по дальнейшему использованию этих объектов.

Структура диссертации определяется следующим кругом задач, решаемых для достижения поставленной цели:

1. Обоснование выбора направлений исследований на основании анализа опыта обеспечения экологической безопасности при складировании отходов горной промышленности и городского хозяйства.

2. Изучение закономерностей развития геомеханических процессов при формировании намывных и насыпных массивов и оценка состояния техногенных отложений во времени.

3. Изучение особенностей развития геомеханических процессов при формировании техногенных массивов в горнотехнической практике.

4. Оценка во времени состояния массивов техногенных илов и разработка мероприятий по обеспечению экологически безопасного складирования илового осадка.

5. Инженерно-геологическое и геомеханическое обоснование восстановления нарушенных территорий.

6. Разработка технологического регламента мониторинга техногенных массивов и обоснование путей совершенствования геомеханического контроля на объектах горного производства и коммунального хозяйства.

Объектами исследований являлись проектируемые, действующие, заполненные и рекультивируемые гидроотвалы карьеров КМА и разрезов Кузбасса, а также породные отвалы и хвостохранилища горнорудной промышленности, техногенные массивы отходов городских агломераций и намывные площади под строительство. результатов. В диссертации использован следующий комплекс методов: анализ опыта возведения и рекультивации техногенных массивов в различных отраслях народного хозяйстваанализ строения техногенных массивов и особенностей их поведения во временигидрогеомеханический анализ процессов изменения во времени техногенных массивов с позиций их уплотняемо-сти, несущей способности и устойчивостиграфоаналитическое моделирование техногенных массивовтеории фильтрационной консолидации и ползучести грунтовтеория предельного равновесия сыпучих сред со сцеплениемполевые и лабораторные экспериментытеория вероятностей и математической статистикиинженерно-геологическое районирование и управление состоянием техногенных массивовопытно-промышленная проверка результатов исследований. Достоверность научных положений подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов расчетов и натурных экспериментов и наблюдений, а также положительным эффектом от внедрения разработок на объектах КМА, Кузбасса, Урала и Западной Сибири.

Основные научные положения, выносимые на защиту: 1. Для обеспечения экологической и производственной безопасности техногенных массивов необходима реализация комплекса мероприятий по прогнозу, контролю и целенаправленному изменению состояния массива на всех стадиях существования объекта. На стадии проектирования техногенного массива должно производиться его моделирование с учетом вероятных негативных экологических последствий с целью определения границ природ-но-технической системы и характера негативного воздействия на окружающую среду. Эксплуатация, консервация и рекультивация техногенных массивов должна производиться с учетом разработанных критериев экологически безопасного их формирования.

2. Выбор направления дальнейшего использования техногенных массивов необходимо осуществлять на основе разработанного метода специального инженерно-геологического районирования, обеспечивающего выделение зон и участков по признакам вещественного состава, физико-механических свойств, несущей способности, осадок техногенных отложений на заданный момент времени или времени достижения необходимых несущей способности, осадок и т. п.

3. Формирование техногенных массивов в природных понижениях рельефа или старых выработках с установившимся природно-техническим равновесием необходимо сопровождать созданием дренажной сети, обеспечивающей режим подземных вод, близкий к естественному. Формирование техногенного рельефа следует осуществлять по картам инженерно-геологического районирования с учетом остаточных осадок (3ост)> обеспечивающих создание слабовыпуклого противоэрозионного рельефа и сети поверхностного стока, способствующих беспрепятственному доступу оборудования на территорию массива.

4. Повышение экологической и производственной безопасности техногенного массива обеспечивается созданием сети насыпных и намывных дренажных элементов во внутренних зонах, в том числе по расчетной поверхности оползания. Темпы их возведения, геометрические размеры и количество определяются с учетом изменения показателей уплотняемости и сопротивляемости сдвигу во времени по зонам намывных массивов, а также направления дальнейшего использования этих массивов. Конструкция и параметры упорной призмы намывных массивов должны устанавливаться на основе расчетов некомпенсированного оползневого давления.

5. Экологическая и производственная безопасность техногенных массивов обеспечивается применением новых методов объектного инженерно-геологического и геомеханического мониторинга внутренних зон, включающих маркшейдерские наблюдения, комплексное зондирование зондами.

— м.

МГГУ-ДИГЭС с компьютерной обработкой комплекса показателей сопротивления задавливанию вращательному срезу (г) и порового давления (Ри), создание контрольных профилей датчиков порового давления по расчетным линиям скольжения. Мониторинг техногенных массивов должен являться неотъемлемой частью проектных решений всех стадий существования объекта.

Научная новизна:

— произведена оценка намывных и насыпных техногенных массивов как экологически опасных локальных природно-технических систем;

— разработана методика и определены принципы инженерно-геологического изучения массивов водонасыщенных слабых отложений, на основании результатов которого установлены закономерности пространственно-временной изменчивости инженерно-геологических параметров техногенных массивов;

— определены физико-механические свойства илового осадка станций аэрации г. Москвы и намывных отложений, на основании которых обоснованы параметры и порядок рекультивационных работ на намывных объектах и хранилищах техногенных иловполучены величины остаточных и стабилизированных осадок массивов, с использованием значений которых проектируется форма техногенного рельефа;

— разработана концепция формирования массивов водонасыщенных слабых пород на основе моделирования геомеханических процессов на различные периоды существования сооружения и обоснована необходимость создания в ложах сооружений дренажных элементов, имитирующих естественный режим подземных и поверхностных вод, что обеспечивает экологическую и производственную безопасность полученной природно-технической системы;

— 17- разработана методика геомеханического мониторинга техногенных массивов на всех стадиях существования объекта.

Практическая ценность работы:

— разработана новая конструкция упорной призмы намывных массивов, учитывающая некомпенсированное оползневое давление на заключительных этапах существования гидроотвалов и хвостохранилищ и обеспечивающая повышение вместимости и уменьшение землеемкости сооружения;

— разработана новая конструкция гидравлически связанных с упорной призмой рассредоточенных в плане и профиле дренажных элементов, пространственное положение которых приурочено к поверхности скольжения на период достижения массивом неустойчивого состояния;

— разработан и изготовлен комбинированный зонд, позволяющий одновременно получать непосредственно в массиве показатели сопротивлению задавливания (q3), срезу (т) и порового давления (Ри), что существенно сокращает объем полевых работ (Патент РФ № 2 025 559 от 30.12.94 г.);

— произведена оценка устойчивости откосных сооружений намывных массивов КМА и Кузбасса, позволившая разработать и осуществить мероприятия по их оперативному контролю и выбрать оптимальные параметры дамб;

— разработаны технологическая схема подготовки и подачи илового осадка на обезвоживание (Патент РФ № 2 132 951 от 10.07.99 г.) и схемы складирования техногенных илов в выработанных пространствах карьеров, природных понижениях рельефа и специально устроенных хранилищах;

— на основании комплекса полевых и лабораторных исследований гидроотвала «Лог Шамаровский» МГОКа произведено районирование его территории по несущей способности Рдоп и остаточным осадкам S0CT, позволившее разработать мероприятия по рекультивации объекта;

— разработан метод геомеханического контроля состояния техногенных массивов, включающий комплексное зондирование отложений, наземный и аэрофотограмметрический способы фиксации осадок, позволяющие осуществлять безопасное формирование гидросооружений;

— разработан способ рекультивации откосов внешних отвалов с применением гидромеханизированных технологий (Патент РФ № 2 088 760 от 27.08.97 г.).

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Разработанные технические решения, предложения, научные положения по обеспечению экологической и производственной безопасности формирования техногенных массивов внедрены при рекультивации пляжной зоны гидроотвала «Лог Шамаровский» Михайловского ГОКа, инженерной подготовке микрорайона «Сипайлово» г. Уфы, месторождениях нефти «Холмо-горы» и «Сугмутское» в Западной Сибири, оборудовании контрольных профилей на плотине «Песочная» и разделительной дамбе № 4 хвостохранилища Михайловского ГОКа, регулировании темпа намыва струенаправляющей дамбы Шатурской ГРЭС, а также при производстве гидромеханизированных работ на гидроотвалах «Бековский» разреза «Бачатский» и «Талдинский» разреза «Талдинский». Разработки по организации намывных работ, геомеханическому контролю, конструкции откосных сооружений использованы при проектировании намывных объектов организациями: «Центрогипрору-да», ПК «Гидромехпроект» треста «Энергогидромеханизация», «Союзводо-каналпроектом», АО «КМАгидромеханизация, ЗАО «Баштрансгидро-механизация» и ЗАО «Уренгойгидромеханизация». Предложение по организации хранилищ илового осадка использовались институтом «Мосводока-налНИИпроект» и АО «ТК «Люблино»».

Результаты исследований использованы при подготовке студентов МГГУ специальностей 90 500 — «Открытые горные работы» и 330 200.

Инженерная защита окружающей среды (в горной промышленности)" и ВНИМИ при составлении «Инструкции по маркшейдерскому, геодинамическому, гидрогеологическому обеспечению безопасных условий строительства, эксплуатации и консервации гидротехнических сооружений угольной промышленности».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзном научно-техническом совещании «Научно-технические проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны» (Свердловск, 1984), ежегодных научных конференциях МГИ-МГГУ «Неделя горняка», второй научно-технической конференции «Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов» (Москва, 1995), вторых Ершовских чтениях по горнопромышленной геологии (Москва, 1999), 4, 5 и 6-ом Международных симпозиумах «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (Белгород, 1997,1999,2001), I и II съездах гидромеханизаторов России (Москва, 1998,2000), научно-практической конференции «Потенциал Московских вузов и его использование в интересах города» (Москва, 1999), IV Международной экологической конференции «Роль науки и образования для устойчивого развития на пороге третьего тысячелетия» (Москва, 2000), международном симпозиуме «Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2001), на научно-технических советах: ПО «Кемеровоуголь» (концерн «Кузбассразрезуголь»), АО «Михайловский ГОК», ГУП «Мосводоканал», Курьяновской и Люберецкой СА, ЗАО «Баш-трансгидромеханизация», АОЗТ «ТК „ЛЮБЛИНО“», а также опубликованы в материалах 8-го Международного конгресса МАИГ «Инженерная геология и окружающая среда» (Ванкувер, 1998).

— 20.

По теме диссертации опубликовано 40 работ, основополагающими являются 25, в том числе 3 патента на изобретения.

Автор выражает благодарность за постоянную помощь и внимание к работе научному консультанту профессору Гальперину Анатолию Моисеевичу и сотрудникам кафедры геологии: проф. Ермолову В. А., доц. Щекиной М. В., ведущим инженерам-программистам Зервандовой В. П., Зую В. Н., Честной И. А., зав.лаб.Саркисяну А. Х. и Мастеру Савицкому A.B. за обеспечение исследований, обработку результатов и оформление диссертации.

— 21.

Выводы.

1. Экологическая безопасность объекта обеспечивается экологическим контролем его состояния. Контроль должен включать геомеханические на.

— 356блюдения, маркшейдерские наблюдения за осадками поверхности, гидрогеологические — за состоянием и режимом подземных вод в районе массива, геохимические — за состоянием почвы и воды в районе массива, и за составом газов, выделяемых техногенными отложениями.

2. Эффективность геомеханического контроля достигается реализацией принципов: непрерывности, адаптации и обратной связи. Контроль позволяет корректировать мероприятия по адаптации техногенного массива в окружающую среду и оценивать уровень экологической безопасности объекта.

3. Наиболее представительные и эффективные схемы геотехконтроля были реализованы МГГУ на гидроотвалах «Березовый Лог» ЛГОКа, «Беков-ский» (Кузбасс), «Лог Шамаровский» и хвостохранилище на р. Песочной МГОКа. При этом контролю подвергались как внутренние зоны намывных массивов, так и откосные сооружения.

4. На хвостохранилище на р. Песочной в 1999;2000 гг. были оборудованы два контрольных профиля устойчивости, позволившие геомеханически обосновать дальнейшую эксплуатацию сооружения и разработать мероприятия по предотвращению подтопления гидроотвала «Лог Шамаровский».

5. Результаты геомеханического контроля опытного участка складирования осадка свидетельствуют о неоднородности процессов уплотнения и их зависимости от влажности и температурного режима депонируемого осадка. Для иловых площадок рекомендуется вынос измерительных сетей на борт сооружения.

6. Мониторинг техногенных массивов должен обеспечивать устойчивое состояние инженерного сооружения, выявление потенциально опасных участков и процессов, способных нарушить устойчивость экологического равновесия в негативную сторону, прогнозирование негативных процессов и разработку рекомендаций по предупреждению их.

7. Система геомеханического мониторинга техногенных массивов на всех стадиях их существования, разработанная на кафедре геологии МГГУ с.

— 357участием соискателя и апробированная на объектах КМА, включает в себя комплекс лабораторных и полевых исследований внутренних зон, основания и откосных сооружений, наземные, аэрои космические инструментальные наблюдения, гидрологические наблюдения с применением оригинальных методик и оборудования.

8. Перспективными направлениями совершенствования системы геомеханического контроля является применение тензорезисторных датчиков в комбинированных зондах, компьютерная обработка и считывание информации, оборудование переносной буровой установки ВНИМИ автономным силовым приводом, применение аэрокосмических методов контроля состояния массива. Для контроля откосных сооружений целесообразно применение контрольных профилей из датчиков-пьезодинамометров струнного типа, заложенных по расчетной плоскости скольжения с определением текущего коэффициента запаса устойчивости по компьютерной программе МГГУ.

9. Разработанные методы мониторинга техногенных массивов и откосных сооружений позволяют с высокой степенью вероятности прогнозировать состояние намывных и насыпных массивов, оценивать степень из воздействия на окружающую среду и принимать действенные решения по использованию сооружений и снижению вредного влияния объекта на экологическую обстановку в регионе.

— 358-ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В диссертации дано решение актуальной научной проблемы создания научно-методических основ инженерно-геологического обеспечения экологически безопасного формирования техногенных массивов, что вносит существенный вклад в теорию и практику горнопромышленной геологии и технологии открытых горных работ.

Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации, полученные при выполнении исследований и внедрении разработок, заключаются в следующем:

1. Основными геомеханическими критериями при оценке экологической безопасности техногенных массивов являются коэффициент запаса устойчивости откосных сооружений (г|), несущая способность техногенных отложений (Рлоп) и их осадки (8) на различные периоды времени, с учетом которых производится эксплуатация, консервация и рекультивация объекта.

2. Выбор мероприятий по управлению состоянием техногенных массивов в процессе их формирования следует производить с учетом динамики геомеханических процессов уплотнения, изменения во времени прочности и несущей способности техногенных отложений.

На основании инженерно-геологических исследований намывных массивов КМА и Кузбасса определены текущие, стабилизированные и остаточные осадки, а также несущая способность во времени для различных зон намывных территорий.

На основании анализа полученных прочностных и деформационных характеристик илового осадка станций аэрации установлено, что техногенные илы имеют механические свойства, близкие к свойствам связных отложений гидроотвалов, что дает основание использовать горные гидромеханизированные технологии для подготовки и подачи илового осадка для переработки.

3. Техногенный рельеф хранилищ горнопромышленных и городских отходов следует формировать на основе материалов инженерно-геологического.

— 359районирования с учетом остаточных осадок для создания слабовыпуклого противоэрозионного рельефа и сети поверхностного стока.

4. При отвалообразовании на слабых водонасыщенных основаниях необходимо исключить непосредственную отсыпку глинистых пород на поверхность массива, так как в этом случае образуется «закрытая система» и рассеивание порового давления практически прекращается.

Выполнено геомеханическое обоснование возможности ведения экскаваторного и бульдозерного отвалообразования на намывных основаниях, при котором отвальное оборудование переводится на вновь отсыпанный отвал после завершения активных деформаций в зоне отсыпки, продолжительность которых достигает 1−2 суток.

5. Установлено, что предлагаемые технологии складирования илового осадку позволяют формировать массивы техногенных илов мощностью до.

2 2.

15−20 м, снижают землеемкость подобных сооружений с 1 м до 0.1−0.2 м на 1 м³ складируемого осадка и обеспечивают рекультивацию их территории с высокой степенью экологической защищенности окружающей среды с одновременным уменьшением себестоимости работ в 1.5−2 раза.

Разработаны технологическая схема подготовки и подачи илового осадка на обезвоживание (Патент РФ № 2 132 951 от 10.07.99 г.) и схемы складирования техногенных илов в выработанных пространствах карьеров, природных понижениях рельефа и специально устроенных хранилищах.

6. Установлено, что экологическая безопасность объекта депонирования (захоронения) отходов обеспечивается в том случае, когда конструкция основания, степень и покрытие хранилища выполняют следующие функции: исключают попадание в тело массива инфильтрационных атмосферных осадков и поверхностного стокапрепятствуют водной и ветровой эрозии депонированных отложенийсобирают и отводят в безопасное место формирующиеся в массиве газыисключают попадание фильтрата из массива в окружающую средуобеспечивают рекультивацию техногенного массиваформируют эс.

— 360тетически восприимчивый техногенный рельеф. Формирование массивов техногенных илов в природных понижениях рельефа или старых выработках с установившимся природно-техническим равновесием необходимо сопровождать созданием дренажной сети, обеспечивающей режим подземных вод, близкий к естественному.

7. Установлено, что создание сети насыпных и намывных дренажных элементов во внутренних зонах, в том числе по расчетной поверхности оползания обеспечивает повышение экологической и производственной безопасности техногенного массива за счет снижения землеемкости объекта и ускоренной подготовки его к рекультивациии. Вид, темпы возведения, геометрические размеры и количество дренажных элементов определяются с учетом изменения показателей уплотняемости и сопротивляемости сдвигу во времени по зонам намывных массивов, а также направления их дальнейшего использования. Конструкция и параметры упорной призмы намывных массивов необходимо устанавливать на основе расчетов некомпенсированного оползневого давления (реакции последнего блока Еп б) по нескольким профилям при заданном результирующем угле заведомо неустойчивого откоса. С учетом Епб определяется конструкция нижнего яруса призмы и параметры контрфорса.

Разработанный способ строительства и возведения намывных массивов овражно-балочного типа с созданием системы гидравлически взаимосвязанных дренажных элементов (в том числе рассредоточенных в плане и профиле линз по плоскости скольжения) использован при проектировании гидроотвала «Лог Еланный Нарык» разреза «Талдинский», что позволило значительно увеличить вместимость сооружения (до 10% сверх проектного), снизить зем-леемкость и ускорить рекультивацию объект.

8. Разработаны новые методы объектного инженерно-геологического и геомеханического мониторинга внутренних зон, включающего определение осадок техногенных массивов, комплексное зондирование зондами МГГУ.

— 361дигэс с компьютерной обработкой комплекса показателей сопротивления задавливанию срезу (х) и порового давления (Ри) (Патент РФ № 2 025 559 от 30.12.94 г.) и мониторинга откосных сооружений, оборудованных контрольными профилями датчиков порового давления по расчетным линиям скольжения. Мониторинг техногенных массивов должен являться неотъемлемой частью проектных решений всех стадий существования объекта.

Наиболее представительные и эффективные схемы контроля были реализованы на гидроотвалах «Березовый Лог» ЛГОКа, «Бековский» (Кузбасс) и «Лог Шамаровский» и хвостохранилище на р. Песочной МГОКа. При этом контролю подвергались как внутренние зоны намывных массивов, так и откосные сооружения.

На хвостохранилище на р. Песочной в 1999;2000 г. г. были оборудованы два контрольных профиля устойчивости, позволившие обосновать дальнейшую эксплуатацию сооружения и разработать мероприятия по предотвращению подтопления гидроотвала «Лог Шамаровский».

9. Рекомендации по управлению состоянием намывных массивов посредством создания дренажных элементов из отходов углеобогащения реализованы в 1998;2001 г. г. на гидроотвале «Бековский» разреза «Бачатский» с экономическим эффектом 2799.3 тыс. руб.

Метод прогноза осадок внедрен при производстве гидромеханизированных работ на нефтяных месторождениях «Холмогоры» и «Сугмутское» и Западной Сибири (1986;1991 г. г.) и микрорайоне «Сипайлово» в г. Уфе с общим экономическим эффектом 6266.0 тыс. руб. Разработанная схема рекультивации намывных массивов внедрена на гидроотвале «Лог Шамаровский» Михайловского ГОКа в 1996;1998 г. г.

Результаты научных исследований автора используются в учебном процессе при преподавании дисциплин «Гидрогеология и инженерная геология» и «Геомеханика» студентам горнотехнологических специальностей.