15 мая 2016г.
Гидроотвалы разрезов Кузбасса сложены в основном водонасыщенными слабыми породами, поэтому их поверхность длительное время не доступна для оборудования и выполнения специальных работ [2,3]. Решение вопроса использования намывных сооружений под отвалы «сухой» вскрыши требует разработки рекомендаций по обоснованию параметров и технологии отвальных работ, что невозможно без специального изучения инженерно- геологических условий формирования и функционирования природно-технических систем (ПТС) «отвал- гидроотвал».
Необходимость ликвидации гидромеханизации возникла на разрезе «Талдинский» в связи с отработкой основных объемов вскрыши, пригодных для гидравлической выемки, а также со сдерживанием данной технологией развития других горных работ на предприятии [7, 10]. При этом из основных технологических процессов производства исключается гидроотвалообразование – складирование гидровскрыши в гидроотвал на реке Еланный Нарык, который является гидротехническим сооружением 1-ого класса, имеет высоту в тальвеге лога более 50 метров, площадь около 127,5 га и находится в непосредственной близости от горных выработок разреза. Кроме того, на разрезе для складирования вскрышных пород существует определенный дефицит площадей. Поэтому необходимость размещение отвалов на данном намывном сооружении предопределена сложившимися природно-техническими и экономическими условиями.
Планирование горных работ на разрезе сделало необходимым обоснование возможности размещения на гидроотвале значительных объемов (около 90 млн. м3) «сухих» пород за относительно короткий промежуток времени (до 10 лет) с применением бульдозерно-автомобильной схемы отвалообразования и использованием автосамосваловов грузоподъемностью до 320 тонн [8, 4]. Следует отметить, что ранее в отечественной практике отвалы на гидроотвалах не отсыпались с подобной интенсивностью горных работ [5]. В этой связи, научная задача инженерно-геологического обоснования параметров и технологии отвалообразования на гидроотвалах при высокой интенсивности горных работ является актуальной.
Инженерно-геологическое обеспечение функционирования ПТС «отвал-гидроотвал» необходимо осуществлять в соответствии с системой инженерно-геологического обеспечения (СИГО), которая включает комплекс работ и исследований, по трем направлениям: 1 – изучение инженерно-геологических условий отвалообразования; 2 – обоснование оптимальных параметров ПТС; 3 – мониторинг состояния ПТС. Данная система использовалась при эксплуатации гидроотвала на реке Еланный Нарык (Рисунок 1). В дальнейшем ее планируют применять при отсыпке здесь «сухих» отвалов. Гидроотвал представляет собой сооружение овражно- балочного типа с двухсторонним обвалованием высотой более 50 м, площадью 127,5 га, емкостью 62 млн. м3; намывался с 1997 по 2013 год.
В инженерно-геологическом строении гидроотвала принимают участие техногенные намывные и насыпные отложения, а также породы естественного основания. К насыпным отложениям относятся породы дамб первичного и последующего обвалования, экранов и пригрузов, обеспечивающих устойчивость плотин. Они представлены в основном дресвяно-щебенистыми образованиями из вскрышной толщи. Противофильтрационные экраны отсыпаны из четвертичных суглинков эолового и делювиально-пролювиального генезиса.
Породы основания гидроотвала в тальвеге лога представлены субаквальными суглинками и глинами, в них встречаются линзы и прослои галечников, песков и супесей, характерных для долин рек. По бортам лога встречены лессовидные и делювиально-пролювиальные суглинки и глины неоген-четвертичного возраста.
Намывные техногенные отложения - наиболее важный элемент гидроотвала, поэтому их изучение является достаточно серьезным научным вопросом. При его решении для конкретного намывного объекта следует использовать схему технолитогенеза намывных отложений [6], которая отражает последовательность формирования состава, состояния и свойств техногенных пород гидроотвалов, определяющие природные и технологические факторы, их роль и взаимосвязь на различных этапах. Одним из важнейших элементов данной схемы является состав намывных пород, который закономерно изменяется в массиве в результате фракционирования частиц из потока пульпы по мере ее продвигания по поверхности гидроотвала. Это приводит к закономерной смене в намывном массиве гидроотвала зон песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых пород. Установлены
для условий
гидроотвала на реке Еланный
Нарык протяженности зон: - песчано-супесчаных – 0,1L, суглинистых – 0,4L и глинистых пород – 0,5L, где L – длина гидроотвала.
Нестабильное напряженное состояние намывных массивов сказывается на физико-механических свойствах слагающих их отложений. Выполнено изучение закономерностей изменения свойств при наращивании гидроотвалов и отсыпке на них «сухих» отвалов [1,9]. Лабораторные исследования параметров плотности, влажности, сжимаемости, сцепления производились при нормальных нагрузках уплотнения от 0,1 до 1,5 МПа (Рисунок 2).
Установлен диапазон 0-0,5 МПа с интенсивным изменением изучаемых свойств. Лабораторные исследования физико-механических свойств намывных отложений
при нагрузках in situ подтверждают установленные зависимости параметров прочности от эффективных напряжений (Табл.1). Они позволяют сделать вывод об уплотнении-упрочнении намывных пород при возрастании эффективных напряжений и рассеивании порового давления, а также их разуплотнении-разупрочнении в случаях возрастания порового давления и снижения эффективных напряжений. Установленная зависимость напряженного и физического состояний позволяет осуществить разделение намывного массива гидроотвала на реке Еланный Нарык в разрезе на подзоны по консистенции, выделив породы текучей, мягкопластичной, тугопластичной консистенции.
Таблица 1
Физико-механические свойства намывных пород глинистой зоны гидроотвала
|
Консистенция пород
|
sэф
в месте отбора
образцов, МПа
|
Влажность,
%
|
Плотность, г/см3
|
Угол внутреннего трения, град
|
Сцеп-
ление, МПа
|
|
Тугопластичная
|
0,43
|
19,5-21,5
|
1,95
|
14
|
0,04
|
|
Полутвердая
|
0,49
|
18-20,5
|
1,97
|
12
|
0,058
|
Не менее важным вопросом при инженерно-геологической оценке ПТС «отвал-гидроотвал» являются свойства насыпных пород, которые выполняет активную роль в переформировании намывного
массива. Породы «сухих» отвалов Талдинского месторождения представлены обломочным материалом из вскрышных полускальных угленосных отложений кольчугинской (Р2) серий, а также мягкими связанными отложениями неоген-четвертичного возраста. Основную долю среди них составляют песчаники (31-80%) и алевролиты (14- 57%). Выполнены определения показателей физико-механических свойств, используемых в геомеханических расчетах
и при численном моделировании методом конечных элементов (МКЭ). Установлено, что для песчаников, алевролитов и их смесей углы внутреннего трения составляют 28-34о, сцепление – 0,015-0,025 МПа, плотность – 1,8-1,85 т/м3. Для суглинков, смесей полускальных пород и суглинков, а также выветрелых разностей полускальных пород (техногенный элювий) углы внутреннего трения могут снижаться до 10о в зависимости от состава, влажности и соотношения различных фракций пород.
Произведены наблюдения за опытной отсыпкой отвального яруса на гидроотвале на реке Еланный Нарык и анализ подобных исследований на других объектах Кузбасса. Установлены основные закономерности деформационного поведения откосов высотой от 7 до 50 м, которые сводятся к следующему:
протяженность оползающего блока по фронту определяется шириной участка, на котором ведутся интенсивные отвальные работы; ширина призмы возможного оползания изменялась от 8 до 50 м в зависимости от высоты отвала, составляя 1 - 3 Н (где Н - высота отвала), и интенсивности подвигания отвального фронта; глубина внедрения насыпных пород в намывной массив определяется прочностью пород основания и составляет для относительно прочных су- песчаных и суглинистых разностей величину менее 0,5Н, а для более слабых глинистых осадков более 0,5Н, достигая в отдельных случаях Н; скорость деформаций в период активной стадии зависит от прочности намывных пород, высоты отвала и интенсивности подвигания отвального фронта на заходке; в процессе наблюдений за оползневыми смещениями установлены скорости, достигающие в отдельных случаях 0,6 -1 м/сут; получена следующая зависимость: V=0,015H м/сут, где Н-высота отвала, м.
Прогноз избыточного порового давления в нагружаемом намывном массиве выполнен численным моделированием МКЭ в двухмерной (плоской) постановке с использованием программного комплекс Abaqus. Полученное в результате моделирования распределение избыточного порового давления в намывном массиве использовалось для оценки устойчивости откосов ПТС «отвал-гидроотвал» на различных этапах формирования. Для геомеханических расчетов применялись методики ВНИМИ и программа «Galena», позволяющие учитывать изменение гидродинамических условий на основных профилях при различных интенсивностях формирования отвала. Установлено, что устойчивость
откосов ПТС «отвал-гидроотвал» в районе плотины №1 обеспечивается с учетом рекомендованных пригрузов и последовательной отсыпки четырех ярусов (отметки +320; +340; +360 и + 390 м) при результирующем угле откоса 15°. Устойчивый результирующий угол откоса ПТС в районе плотины №2 зависит от интенсивности отвальных работ и изменяется от 12° при высокой интенсивности (за 5 лет) и 15° для интенсивности, соответствующей 10 годам отсыпки.
Список литературы
1. Гальперин А.М. Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях. - М., Недра, 1988.
2. Горная энциклопедия. Месторождения. Кузнецкий угольный бассейн [Электронный ресурс]. - 2015. – Режим доступа: http: //www.mining-enc.ru/k/kuzneckij-ugolnyj-bassejn.
3. Дьяков Ю.И. и др. Угольный Кузбасс: страницы истории / Ю.И. Дьяков. - Администрация Кемеровской области, департамент ТЭК Кемеровской области. - Кемерово, 2005. – 428 с.
4. Колесников В.Ф. и др. Технические решения по вскрытию рабочих горизонтов разрезов Кузбасса / В.Ф. Колесников, В.И. Кузнецов, А.С. Ташкинов. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 1998. - 172 с.
5. Крячко О.Ю. Управление отвалами открытых горных работ. - М.: Недра, 1980. - №2.
7. Программа развития угольной промышленности России на период до 2030г.: [утв. распоряжением
Правительства РФ от 21 июня 2014г.N 1099-р]. [Электронный ресурс] // ИПП Гарант.ру. – 2014. – Режим доступа: http: //www.garant.ru/products/ipo[prime/doc/70584602.
8. Ржевский В.В. Проектирование контуров карьеров. - М.: Металлургиздат, 1956.
9. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. - М.: Недра,-1965. - 378 с.
10. Ялтанец И.М. Проектирование гидромеханизации открытых горных работ. – М.: МГГУ, 1994. - 680 с.
