Обоснование методов и технических средств геолого-маркшейдерского мониторинга гидроотвалов

По оценкам специалистов, в мире ежегодно извлекается из недр свыше 100 млрд. т горной массыизымается из сельскохозяйственного оборота примерно примерно 8−9 млн. га земельных угодийрасходуется на водопотребление (безвозвратно) около 150 км³ воды, синтезируется более 250 тыс. новых химических соединений, из которых около 300 используется в производстве и являются вредными для человека [1−10].

В промышленности по производству минеральных удобрений отходы образуются при вскрытии месторождений и при обогащении. В 1985 г. их количество составило 135 млн. т, в том числе галитовые отходы калийных производств — 36%, фосфогипс — 25%, хвосты флотации апатитового концентрата — 19%, фосфоритовых и серных руд — 19%- используется в настоящее время 7% общих отходов [11].

В цветной металлургии выход отходов на единицу продукции несопоставимо выше, чем в угольной и железорудной промышленности (100−200 т, а в отдельных случаях до 1000 т на 1 т металла). Отходы добычи цветных металлов достигают 80%, а отходы обогащения -10% добытой горной массы [11−14].

В результате складирования отходов горного производства образуются тектонические массивы, имеющие свойства, резко отличающиеся от природных, и влияющие на окружающую среду. При формировании техногенных массивов к числу негативных последствий необходимо отнести ухудшение состояния атмосферы, сокращение площадей земель, пригодных в большинстве случаев для сельскохозяйственного использования, изменение природного ландшафта и загрязнение почвенного покрова, изменение состояния и свойств горных пород, слагающих основания техногенного массива, изменение режима и загрязнение подземных и поверхностных вод, носящих порой катастрофический характер.

В РФ и странах СНГ при освоении железорудных месторождений нарушаются тысячи гектаров плодородных земель из-за складирования гидровскрыши, отходов обогащения и золошлаков ТЭЦ. Например, на КМА объемы гидровскрыши, уложенные до конца 1995 г., составляют 350 млн. м3 (комбинаты «КМАруда», «Лебединский», «Стойленский», «Михайловский») и занимают около 2000 га плодородных земель [табл. 1].

Возрастающая угроза водно-земельным ресурсам от инженерной деятельности требует принятия незамедлительных мер по обоснованию и регламентированию мероприятий по рациональному использованию недр и охране окружающей среды.

Своевременное и правильное решение вопросов обеспечения безопасного формирования и консервации намывных сооружений, заблаговременное предупреждение возникновения деформаций дамб и намывных массивов невозможно без постоянного контроля за их состоянием геолого-маркшейдерской службы горных предприятий.

Для гидроотвалов и хвостохранилищ повышение плотности укладки складируемого материала и ускорение начала рекультивационных работ может обеспечиваться путем управления свойствами и состоянием намывных толщ в ходе их формирования [15].

Поэтому для эффективного предотвращения негативного воздействия горной промышленности на окружающую среду на хвостохранилищах и гидроотвалах необходим мониторинг («слежение») — проведение наблюдений, изучение и контроль за изменением состояния техногенных отложенийк мониторингу необходимо отнести оценку и прогноз происходящих в массиве процессов, а также управление и регулирование ими [5,16] .

Таблица 1.

Карьер, гидроотвал Параметры гидроотвала Укладываемый годовой объем, млн. м3.

Площадь, га Максимальная высота, м Уложено грунтов, млн. м3.

Лебединский.

1 116 36 30,5 1−6.

2 40 9Д 37 1−5.

3 25 3 0,5 0,5.

Березовый Лог 1128 75 250 2−22.

Балка Чуфичева 207 45 31 1−6,5.

Михайловский 90 3,1 1,8 0,8−0,1.

Шамаровский Лог 218 24 18 1−2,5.

Стойленский.

Симонова пасека 30 20 3 1−2.

Под инженерно-геологическим мониторингом Ю. Ф. Захаров понимает слежение, оценку и анализ происходящих в геотехнических системах геосферы процессов и негативных последствий в элементах техносферы, а также инженерное обоснование превентивных и восстановительных мероприятий и других управляющих решений. Аналогичный подход у В. К. Епишина, Ф. Ф. Котлова, А. А. Григорьева [17−20].

В.В.Ржевский отмечал: «к особым обязанностям „корпуса горных инженеров“ относится требование комплексного использования недр, соблюдение экологического равновесияудовлетворение потребности народного хозяйства при общем минимуме отвода земель для горных работ».

Исследования по технологическим и специальным методам воздействия на природные ресурсы недр выполнены М. И. Агошковым, М. Е. Певзнером,.

A.М.Гальпериным, Я. М. Адигамовым, Д. М. Казикаевым, Е. И. Панфиловым,.

B.Н.Поповым, В. И. Стрельцовым, С. Э. Минингом, В. А. Мироненко и др [21−40, 5- 110−112].

Анализ проектных решений рекультивационных работ для намывных горнотехнических объектов показывает:

1. Необходимость проведения дренажных мероприятий во внутренних зонах гидроотвалов (отсыпка или намыв дренажных дамб), создание таких техногенных рельефов при рекультивации, которые обеспечивают направленный сток и предотвращают эрозию.

2. Необходимость корректировки результатов расчетов уплотнения намывных массивов на основе сопоставления с данными инструментальных наблюдений за осадками.

3. Недостаточность изученности свойств и состояния внутренних зон намывных массивов недостаточна для обоснования надежных решений по наращиванию и рекультивации гидроотвалов.

4. Потребность в инженерно-геологическом районировании намывных территорий.

Разработка и внедрение природоохранной технологии формирования ответственных намывных горнотехнических сооружений (гидроотвалов и хво-стохранилищ) невозможны без специальных инженерно-геологических исследований намывных массивов, обеспечивающих получение информации о вещественном составе и пространственно-временной изменчивости показателей физико-механических свойств техногенных водонасыщенных грунтов.

Для достижения цели, поставленной в данной работе, необходимо выполнять комплекс мероприятий, включающий:

— производство инженерно-геологических и маркшейдерских полевых экспериментов и инструментальных наблюдений;

— производство лабораторных исследований;

— производство инженерно-геологических расчетов (определение 8(1),.

Су, Рдоп? 80СТ),.

— инженерно-геологическое районирование объекта по данным геолого-маркшейдерских расчетов.

Для решения этих задач обычно применяют инженерно-геологические и маркшейдерские методы исследований.

Инженерно-геологические исследования включают, в основном, следующие методы:

— статистическое зондирование;

— динамическое зондирование;

— крыльчатое зондирование;

— виброзондирование;

— прессиометрияа также их комбинации.

Особенностью методов зондирования является совмещение проходки пород с одновременной регистрацией показателей их состояния и свойства. Целью маркшейдерского контроля является:

— установление границ распространения и вид деформаций;

— определение деформаций (их величины) и скорость деформаций;

— определение критической величины смещений предшествующих началу активной стадии, для различных инженерно-геологических комплексов и т. д.

Для наблюдений за деформациями гидроотвалов, хвостохранилшц и т. д. применяют разные виды инструментальных наблюдений:

— способ профильных линий;

— фотограмметрический метод;

— аэрофотограмметрический метод;

— способ засечек;

— космический способа также их комбинации.

Каждый из этих способов имеет свои особенности, достоинства и недостатки.

Для определения конструкций дамб, способа инженерной подготовки и порядка рекультивации намывных территорий требуется получить достоверную и оперативную информацию о состоянии техногенных массивов. Поэтому обоснование методов и технических средств оперативного контроля намывных горнотехнических сооружений является актуальной научно-практической задачей.

Цель работы — заключается в совершенствовании методов и технических средств получения оперативной информации о механических свойствах техногенных отложений для инженерно-геологического и геомеханического обеспечения рекультивации гидроотвалов.

Идея работы состоит в установлении пространственно-временной изменчивости механических свойств намывных грунтов посредством совмещения инструментальных маркшейдерских наблюдений за деформациями и комплексного зондирования техногенных массивов.

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

1. Анализ современного состояния геолого-маркшейдерского обеспечения при формировании, консервации и рекультивации гидроотвалов.

2. Определение показателей вещественного состава, водно-физических и механических свойств намывных отложений по результатам натурных наблюдений, полевых и лабораторных экспериментов.

3. Инженерно-геологическое районирование намывных территорий для оценки во времени деформаций и несущей способности техногенных массивов.

4. Разработка рекомендаций по способам и режиму рекультивационных работ на основе геолого-маркшейдерского мониторинга.

Объектами исследования являются намывные техногенные массивы гидроотвалов горнорудных предприятий крупнейшего железорудного бассейна КМА.

Основные научные положения, разработанные лично диссертантом, и новизна:

1. Характеристики деформируемости намывного массива для прогноза его осадок и несущей способности во времени определяются из обратных расчетов через определенные при комплексном зондировании фактические значения степени уплотнения и полученные с помощью инструментальных маркшейдерских наблюдений значения вертикальных деформаций слоев намывных грунтов, что позволяет устанавливать инженерно-геологическую зональность техногенного массива.

— //2. В качестве дополнительного критерия оценки инженерно-геологической зональности намывных территорий используется величина относительных осадок и динамика их развития во времени, через которые определяется несущая способность техногенных-отложений.

3. Направления использования намывных территорий, технология и режим рекультивационных работ выбираются на основе материалов инженерно-геологического районирования, отличающихся тем, что наряду с инженерно-геологической картой и инженерно-геологическими разрезами и они включают таблицы значений во времени осадок и допустимых внешних нагрузок на намывное основание.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются: использованием методов предельного напряженного состояния сыпучей среды, теории фильтрационной консолидации, математической статистикихорошей сходимостью расчетных значений несущей способности намывных оснований и фактической проходимостью гусеничного и колесного оборудования (ДЭТ-250, Т-100, БТК- 5 м (Т-130) Р= 0,35 — 0,8 кг/см2, УГБ-100 на базе ГАЗ-66, МАЗ, ЗИЛ-131, УРАЛ Р= 0,8 — 1,3 кг/см2 ВАЗ-2121, УАЗ Р= 0,5 — 0,75 кг/см2) на различных участках намывной территории гидроотвала Михайловского горно-обогатительного комбината (расхождения до 10%) — хорошей сходимостью прогнозных и фактических осадок различных зон намывного массива в период его «отдыха» (с учетом коэффициента бокового распора техногенных грунтов расхождения не превышают 5%) — опытом рекультивационных работ на гидроотвалах Михайловского и Лебединского ГОКов КМА. Научное значение диссертационной работы определяется: — установлением характера пространственно-временной изменчивости физико-механических свойств техногенных отложений с учетом истории формирования намывного массиваг.

— уточнением критериев выделения инженерно-геологических участков гидроотвала с использованием результатов систематических измерений осадок с помощью инструментальных наблюдений и полученных при комплексном зондировании значений сопротивления сдвигу, пенетрации и степени уплотнения намывных отложений;

— обоснованием многоцелевого последующего использования намывной территории с учетом свойств и состояния техногенных отложений пляжной, промежуточной и прудковой зон.

Практическое значение работы заключается в уточнении возможностей применения комбинированных зондов для оперативной оценки механических свойств намывных грунтов, использовании результатов инструментальных маркшейдерских наблюдений при инженерно-геологическом районировании заполненных гидроотвалов, разработке рекомендаций по геолого-маркшейдерскому обеспечению рекультивации намывных территорий и выбору технологии и режима восстановительных работ.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанная методика геолого-маркшейдерского мониторинга намывных массивов использована АО «Центрогипроруда» при проектировании рекультивации гидроотвала МГОК, а также П/К «Гидромехпроект при корректировке проекта гидроотвала разреза „Таллинский“ (Кузбасс)» .

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-технических симпозиумах «Современное горное дело: образование, наука, промышленность» (Москва, МГГУ, 1996 г.) — «Ресурсосбережение и охрана окружающей среды при открытых горных работах» и «Методика и техника производства маркшейдерских работ» (Москва, МГГУ, 1997 г.) — 4-ом Международном Симпозиуме по освоению месторождений минеральных ресурсов (г.Белгород, ВИОГЕМ, 1997 г.).

Автор выражает глубокую признательность за помощь, оказанную в процессе исследований и постоянное внимание к работе проф., д.т.н. Гальперину А. М., доц., к.т.н. Кириченко Ю. В., доц., к.т.н. Зайцеву B.C. и коллективам кафедр геологии и маркшейдерского дела и геодезии, а также выражает признательность за помощь в организации полевых и лабораторных исследований и сбора фактического материала коллективу института ВИОГЕМ и МГОКа: проф., д.т.н. Стрельцову В. И., к.т.н. Киянцу А. В., Дыхлину В. В., Стрелкову П. А., Завьялову П. Д.

Выводы к главе 4.

1. Для намывных территорий наиболее эффективны дистанционные методы геолого-маркшейдерского мониторинга, т.к. их использование позволяет оценивать состояние техногенных отложений на всей контролируемой территории посредством дешифрирования фотопланов и дистанционного контроля определения осадок слабых искусственных оснований методом аэрофотограмметрии. В реальных условиях современного горного производства оценка деформаций и несущей способности намывных массивов следует выполнять с преимущественным использованием наземных геодезических наблюдений и зондирования техногенных толщ с применением комбинированных зондов МГГУ-ДИГЭС.

2. На основе полученных с помощью мониторинга материалов инженерно-геологического районирования гидроотвала МГОКа разработаны рекомендации по порядку и направлениям рекультивации намывной территории. Эти рекомендации предусматривают отсыпку плодородного слоя при доставке его колесным транспортом на территории пляжной зоны и применение гидромеханизированного способа при горнотехнической рекультивации части промежуточной и прудковой зон, а также создание орнитологических прудов в пределах прудковой зоны.

Заключение

.

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи обоснование методов и технических средств получения оперативной информации о механических свойствах техногенныхотложений для инженерно-геологического и геомеханического обеспечения рекультивации гидроотвалов. Работа вносит определенный вклад в теорию и практику геомеханики открытых горных работ.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Достоверная информация о состоянии намывных массивов для прогноза во времени их деформаций и несущей способности может быть получена в результате зондирования намывных грунтов с применением комбинированных зондов МГГУ-ДИГЭС.

Геомеханические расчеты по полученным в результате зондирования данным должны подтверждаться результатами маркшейдерских измерений осадок намывных массивов.

Эффективным средством для получения геолого-маркшейдерской информации является применение аэрофотограмметрических методов, которые дают возможность оперативного определения несущей способности и контроля уплотнения намывных массивов.

2. Установлена необходимость повышения точности измерений первичными устройствами комбинированных зондов МГГУ-ДИГЭС на основе применения типоряда зондов различной чувствительности и обеспечивающих измерения в следующих диапазонов: qc — Ith (10 кН) — Зтн (30 кН) — 5тн (50 кН) — т-0,1 Мпа- 0,15 Мпа- 0,25 МпаPw — 0,15 Мпа- 0,3 Мпа- 0,6 МПа.

3. На основании анализа результатов проведенных экспериментальных исследований в пределах территории гидроотвала МГОКа выделены шесть инженерно-геологических участков в пределах пляжной, промежуточной и прудковой зон. С учетом инженерно-геологической зональности дана оценка во времени несущей способности и остаточных осадок намывного массива.

4. На основе полученных с помощью мониторинга материалов инженерно-геологического районирования гидроотвала МГОКа разработаны рекомендации, которые предусматривают отсыпку плодородного слоя при доставке его колесным транспортом на территории пляжной зоны и применение гидромеханического способа при горнотехнической рекультивации части промежуточной и прудковой зон, а также создание орнитологических прудков в пределах прудковой зоны.