Комплексное зондирование намывных отложений гидроотвала №3 разреза «Кедровский»

В.В.Ческидов аспирант МГГУ

Управление процессами горных работ возможно лишь при наличии полной и достоверной информации о состоянии разрабатываемых и формируемых в результате техногенеза массивах пород. Мониторинг ннженерно-геологических явлений при открытых разработках наиболее значим для объектов, обладающих выраженной пространственной и временной изменчивостью, к которым, в первую очередь, относятся рабочие борта карьеров, откосы формируемых отвалов, намывные массивы гидроотвалов и хвостохранилищ. К ним также можно отнести прибортовые массивы, испытывающие депрессионное уплотнение, участки с погребёнными оползнями, блоки с высокой трещиноватостью и другое [1, 2].

Основным источником получения достоверной инженерногеологической информации о состоянии техногенных массивов служит комплексное зондирование, позволяющее определить основные физико-механические характеристики отложений (сцепление С, угол внутреннего трения ϕ, модуль деформации Е), степень уплотнения U и, как следствие, несущую способность Рдоп [3].

Проведённое районирование по вышеперечисленным характеристикам и прогнозирование их изменения во времени позволяют определить дальнейшее направление использования гидроотвала или хвостохранилища: дополнительный намыв, использование в качестве основания для складирования твёрдых горных пород, т.н. «сухого» отвала, переформирование при проведении мероприятий по подготовке к выемке полезного ископаемого, разработка в качестве техногенного месторождения, рекультивация и другое. В 2011 г. объектом исследований кафедры геологии МГГУ стал гидроотвал №3 разреза Кедровский ОАО УК «Кузбассразрезуголь». За время эксплуатации с 1958 по 1990 гг. в гидроотвал было уложено 47.81 млн. м3 вскрышных пород (преимущественно суглинков), максимальная его высота в тальвеге достигала 53 м. На момент завершения намыва гидроотваловражно-балочного типа представлял собой сооружение II класса с односторонним обвалованием. В 2000 г. для добычи угля, залегающего под гидроотвалом, был начат гидромониторный размыв намывных отложений (рис.1). Отработка гидроотвала позволит увеличить геологические запасы угля на 70 млн. т [3, 4].

С целью создания ёмкости для складирования пульпы на пляжной зоне была отсыпана ограждающая перемычка из скальных вскрышных пород. Транспортирование пульпы за перемычку осуществлялось до ноября 2002 г., объём складированных за этот период пород составил 6.8 млн. м3. В 2008 г. для разделения гидроотвала на участки, подлежащие и неподлежащие удалению, начато формирование бульдозерно-автомобильного отвала вскрышных пород в пределах пляжной зоны и северо-западной части тела ограждающей перемычки. Отсыпка отвала производилась с юга на север двумя ярусами шириной 70–90 м: первый ярус был отсыпан на отметку +240 м, протяженностью 700 м; второй ярус отсыпан до середины первого на отметку +270 м, в августе 2009 г. произошёл оползень подподошвенного типа. В апреле 2010 г. возобновились работы по формированию второго яруса, его высота снижена до отметки +255м. Затем будет отсыпаться дополнительный, третий, ярус на отметку +275м (результирующий угол откоса борта отвала снижен с 14° до 9–10°).

На сегодняшний день всего смыто более 25 млн. м3 пород. В настоящее время складирование пульпы осуществляется в выработанное пространство участка «Хорошеборский», расположенного юго-восточнее гидроотвала.

С целью обеспечения безопасности работ по переносу гидроотвала, необходимо ведение мониторинга за устойчивым состояниемсложной системы – «отвальная насыпь – намывной массив». В марте 2011 г. с целью уточнения физико-механических свойств техногенных отложений гидроотвала №3, сотрудниками кафедры геологии МГГУ было осуществлено комплексное зондирование (рис. 2). Всего было пробурено 6 скважин, в том числе 4 – зондировочных. Замеры и отбор проб производились со средним шагом 2 м.

Зондирование предусматривало совместные определения сопротивления вращательному срезу (τ), общего порового давления (Pw), сопротивления пенетрации (q3). На полевых работах применялся комбинированный зонд МГГУ-ДИГЭС (рис. 3), защищенный патентом РФ №1649035 (1993 г.).

Конструктивно зонд выполнен в виде полого-цилиндрического корпуса с наконечником, на котором закреплены четыре взаимно перпендикулярные продольные лопасти. Датчик порового давления, размещённый внутри корпуса и посредством приёмных фильтров и каналов в лопастях гидравлически связанный с внешней средой, воспринимает давление поровой жидкости.

Система каналов и фильтр заполнены невытекающей дегазированной жидкостью, что обеспечивает минимальное время передачи давления в порах грунта на датчик. При изготовлении опытных образцов комбинированного зонда учтены технические требования, предусмотренные в ГОСТ 21719-85 (Грунты. Метод полевого испытания вращательным срезом), а также метрологические условия, предъявляемые к аппаратуре подобного типа.

Срез породы происходит по цилиндрической поверхности. Во время испытания измеряется крутящий момент. Общее сопротивление сдвигу при полном заглублении лопастей определяется по формуле:

где М – максимальный крутящий момент; В – постоянная, параметр крыльчатки, отражающий её геометрические размеры.

Показатель τ обычно служит для определения значений сцепления и угла внутреннего трения, используемых в инженерных расчётах. Для глинистых отложений текучей и мягкопластичной консистенции из-за сложности, а в некоторых случаях – невозможности отбора ненарушенных образцов, крыльчатое зондирование остаётся практически единственным достоверным методом определения показателей их прочностных свойств. Результаты измерения сопротивлению сдвигу представлены на рис. 4 и 5. По полученным значениям показателя τ для техногенных отложений гидроотвала №3 графическим способом были рассчитаны усредненные значения С и ϕ (рис. 6).

Еще одним измеряемым параметром было поровое давление, необходимое для оценки нестабилизированного состояния водонасыщенных пород, получаемое при помощи датчиков порового давления.

Избыточное поровое давление Ри определяется из соотношения:

где γв·hw – гидростатическое давление на точке замера. В результате проведённых работ были получены результаты, отраженные на рис. 4 и 5. В юго-западной части гидроотвала №3 на момент проведения зондировочных работ были смыты техногенные отложения толщиной 25 м. Скважина №7 расположена в этой зоне, в связи с этим для расчёта степени уплотнения необходимо было произвести моделирование эпюры порового давления в начальном состоянии.

Степень уплотнения U рассчитывается как отношение площадей эпюр эффективных напряжений на рассматриваемый момент времени tω (Pэф(t)) и стабилизации осадки ω (Pст) [1, 4]:

где γ ′ – плотность намывных пород; h – мощность намывных отложений; ω (Ри) – площадь эпюры избыточного порового давления.

С учётом того, что формирование гидроотвала №3 завершилось в 1990 г., при обработке результатов зондирования использовалось решение задачи уплотнения намывного слоя для периода его «отдыха». Однако непосредственное использование графиков для обратных расчётов Сv не представляется возможным, так как степень уплотнения слоя определялась в зависимости от двух содержащих искомую величину параметров:

где t0 – продолжительность периода «отдыха».

Поэтому был применён способ, основанный на использовании решения задачи уплотнения расположенного на водоупоре слоя переменной мощности для периода «отдыха» (прекращения намыва) в следующем виде [1, 4]:

где принято

Обратными расчётами определялись через степень уплотнения значения коэффициента консолидации Сх и затем производились прогнозные расчеты допустимых нагрузок Рдоп (несущей способности) на намывной массив. На рис. 7 представлены расчётные значения степени уплотнения. Результаты расчетов свидетельствуют о нестабилизированном состоянии массива и его низкой несущей способности, на момент зондирования она составляет 0.8–0.86 кг/см2 (0.08–0.086 МПа).

Комплексное зондирование дополнено лабораторными испытаниями намывных отложений на пробах, отобранных из инженерно-геологических скважин. Усреднённые значения свойств намывных отложений: плотность минеральных частиц Δ = 2.7 г/см3; плотность породы γ = 1.92 г/см3; весовая влажность W = 30%; коэффициент пористости ε = 0.82 ед.; коэффициент водонасыщения G = 0.98 ед.

Сопротивление намывных отложений сдвигу определялось на универсальных стабилометрах ВИОГЕМ УСВ-2, снабжённых системой автоматизированного контроля осевых деформаций образцов, порового и бокового давления. Поровое давление измерялось на нижних торцах образцов диаметром 5 см и первоначальной высотой 10 см. Эти стабилометры относятся к приборам компрессионного типа, т.е. позволяют проводить компрессионные испытания с определением бокового давления.

Различают три основные схемы испытаний глинистых и раз-дельнозернистых пород на стабилометрах (по А. Бишопу и Д. Хенкелю):

- быстрое (неконсолидированно-недренированное) испытание, при котором влажность породы остаётся неизменной во всех стадиях опыта и поровое давление имеет максимальную величину;

- ускоренное (консолидированно-недренированное) испытание, когда породу сначала уплотняют всесторонним давлением до полной стабилизации, а затем доводят до разрушения при неизменной пористости;

- медленное (консолидированно-дренированное) испытание, при котором происходит свободное изменение пористости и влажности породы, находящихся в равновесии с действующей нагрузкой на всех стадиях испытания.

Как показывают исследования на стабилометре в режимах дренированных, недренированных и консолидированнодренированных испытаний, благодаря учёту порового давления можно, не проводя длительных испытаний для получения прочностных свойств отложений по методике консолидировано-дренированного сдвига, определить их по методике неконсолидированно-недренированного сдвига.

В процессе лабораторных исследований использовались два первых режима испытаний. В результате были получены графики сопротивления сдвигу (паспорта прочности) глинистых паст для условий быстрого и ускоренного испытаний. Установлена хорошая сходимость параметров сопротивления сдвигу (вращательному срезу) и результатов неконсолидированно-недренированных испытаний в стабилометре. Значения угла внутреннего трения и сцепления глинистых намывных отложений варьируют в пределах: ϕ = 8...9о; С = 0.09...0.14 кг/см2 (0.009...0.014 МПа).

С целью прогнозирования изменения физико-механических характеристик были установлены зависимости изменения С, ϕ и Сυ от степени уплотнения:

С = 0.065 + 0.06 U, кг/см2 (10–1 МПа);

ϕ = 3° + 8.2 U;

Сυ = 0.029 exp·(–0.095q), м2/сутки,

где q – внешняя нагрузка, кг/см2.

При этом, также были использованы результаты зондировочных работ, проведённых кафедрой геологии МГГУ на гидроотвале №3 в прошлые годы [1, 4].

Таким образом, в 2011 г. сотрудниками кафедры геологии МГГУ в рамках комплексного зондирования отложений гидроотвала №3 были выполнены следующие основные работы и исследования:

- бурение 2-х инженерно-геологических скважин с отбором образцов для лабораторных испытаний;

- комплексное зондирование в 4-х скважинах намывного массива гидроотвала комбинированными зондами с определением сопротивления сдвигу, порового давления и сопротивления пенетрации техногенных отложений по ГОСТ 20276-99;

- обратные и прогнозные расчёты уплотнения и несущей способности намывного массива для точек зондирования;

- трёхосные испытания намывных отложений в приборах трёхосного сжатия – стабилометрах УСВ-2 по ГОСТ 12248-96;

- расчёты остаточных осадок и несущей способности намывного массива;

- установлена низкая несущая способность опробованных отложений для участков зондирования (Рдоп 1.2 кг/см2).

Проведенные работы и исследования позволили определить физико-механические характеристики намывных отложений по состоянию на 2011 г. (время «отдыха» 20 лет).

Материалы инженерно-геологических исследований будут использованы при проектировании работ по переформированию гидроотвала с сохранением устойчивости рабочих уступов и ограждающей перемычки, что в конечном итоге обеспечивает доступ к запасам в обёме 70 млн. т угля, перекрытых намывным массивом.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Гальперин А.М. Управление состоянием намывных массивов. М., Недра, 1988.

2. Ческидов В.В. Разработка САПР инженерногеологических изысканий с использова нием кластерного анализа. М., МГГУ, ГИАБ №7, 2011

3. Полевые методы инженерногеологических изысканий. М., Недра, 1988. Авт.: В.И.Ле бедев, В.В.Ильичев, К.П.Шевцов, А.Т.Индюков.

4. Гальперин А.М. Геомеханика открытых горных работ. Изд. МГГУ, 2003.

5. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. Изучение порового давления в намывных массивах. Геоэкология, №2, 2006.

6. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. Техногенез намывных пород. М., Наука, Геоэкология, №5, 2003.