Инженерно-геологические особенности формирования отвальных массивов

Ю.В.Кириченко, доц, д.т.н., МГГУ

Наиболее распространенным видом техногенных массивов в горнодобывающей промышленности являются отвалы вскрышных пород. Отвалы являются типичным продуктом техногенеза в горном деле, и их породы претерпевают изменения, подобные природным геологическим процессам литогенеза. Однако отличительной их особенностью от природных процессов является мгновенная (с геологических позиций) скорость протекания.

Основными требованиями, предъявляемыми к отвалам, являются: достаточная вместимость при незначительных размерах занимаемых земельных площадей, минимальное расстояние от мест погрузки породы (вскрышных забоев), расположение на безрудных (безугольных) площадях для постоянных отвалов, отсутствие помех развитию горных работ при обязательном обеспечении производственной и экологической безопасности.

К наиболее характерным инженерно-геологическим особенностям пород отвалов и их оснований относятся: нарушенность структуры пород в теле отвала, обусловливающим снижение прочности (по сравнению с естественным залеганием); фракционирование пород и самовыполаживание отвальных откосов; существенное изменение прочности отвальных пород во времени (сопротивление сдвигу увеличивается в связи с уплотнением или снижается при увлажнении пород насыпи и основания); возникновение в водонасыщенных глинистых породах отвалов и их оснований порового давления, являющегося существенным фактором развития оползней различных типов.

В процессе отвалообразования основную угрозу для безопасности работ представляет деформация отвалов, которая обусловливается свойствами пород вскрыши, и поэтому отвальные работы принято разделять на две группы:

•    отвалообразование с обеспечением устойчивости отвальных ярусов на всех этапах формирования массива;

•    отвалообразование в условиях управляемого деформирования.

В последнем случае оборудование должно располагаться вне призмы возможного обрушения или обладать достаточной мобильностью для вывода его за пределы призмы до начала деформаций, допускаемая скорость протекания которых J250 мм/сут. [1, 2]. В общем случае на отвальных массивах различают два основных вида деформации: затухающее во времени оседание (за счет уплотнения пород) и возрастающее, часто переходящее в обрушение, сдвижение.

Негативное воздействие отвальных массивов выражается в следующем: занятие значительных площадей и переоформление рельефа местности; нарушение гидродинамического режима поверхностного стока в месте расположения отвала; возможное перекрытие рек и ручьев вследствие оползания уложенных пород; возможное перекрытие подземного стока из-за оседания основания отвала; аккумуляция воды и заболачивание прилегающих территорий; неравномерные осадки поверхности, появление мульд оседания с последующим образованием болот на территории отвала; интенсивное пыление поверхности отвалов вследствие ветровой эрозии; изменение химического состава подземных вод за счет растворения минеральных составляющих отвальных отложений инфильтрующими водами; изменение физических полей.

Основные геометрические параметры внешних отвалов определяются из условий обеспечения устойчивости техногенного массива. Естественно, чем выше отвал и круче угол его откоса, тем меньше он занимает земель, больше вмещает породы и, в конечном итоге, экономически выгоднее и экологически безопаснее. Геомеханические ограничения влияют на форму откоса: в зависимости от литологического состава отсыпаемых пород отвалы бывают одноярусные, отсыпаемые под углами естественного откоса и имеющие высоту до 90 м, и многоярусные – высотой до 150 м и результирующими углами откоса до 36°. Важным фактором, определяющим параметры внешних отвалов, является рельеф основания и тип породы, залегающей в подошве отвального массива [2, 3]. Устойчивость отвалов, размещаемых на прочном основании, определяется прежде всего сопротивлением сдвигу слагающих их пород.

После отсыпки отвал сжимается постепенно под действием собственного веса, причем уплотнение отвала идет наиболее интенсивно в первый период за счет заполнения воздушных пустот. По мере перехода в двухкомпонентную среду (порода + вода) в нижней части отвала развивается поровое давление. Интенсивность осадки снижается, и дальнейшее ее прохождение происходит за счет рассеивания порового давления в течение нескольких месяцев. В результате более интенсивного оттока воды из приоткосной зоны верхняя бровка отвала имеет большую осадку по сравнению с основной [4]. Наличие в основании водонасыщенных слабоструктурных связных пород также провоцирует возникновение в них порового давления, которое возникает практически сразу после приложения нагрузки Р от отвального массива. При этом внешняя нагрузка частично воспринимается поровой водой, а частично – минеральным скелетом:

P=Pэи


где Рэ – давление в скелете грунта или эффективное давление, действующее на минеральные частицы, уплотняя и упрочняя породу); Ри – поровое или нейтральное давление, которое создает напор в воде, вызывающий ее фильтрацию.

В нестабилизированном состоянии порода плохо сопротивляется сдвигу, но по мере уплотнения и оттока поровой воды к зонам с пониженным давлением или дренажем сопротивление сдвигу возрастает. Сопротивление сдвигу t по любой площадке может быть принято равным (рис. 1):

t = (s – Ри) · tg j’ + С’


где s – полное нормальное напряжение; Ри – поровое давление; j’ и С’ – угол внутреннего трения и сцепление, определенные для консолидированных образцов (по эффективным напряжениям).

Поровое давление возникает при коэффициенте водонасыщения глинистых пород G I 0.8–0.6 (в зависимости от плотности), когда воздух в поровой воде находится в виде защемленных пузырьков, расположенных в межконтактных областях пор. Если же водные оболочки частиц в этих областях не смыкаются (воздух остается незащемленным), то поровое давление не возникает [2]. Деформации отвалов свидетельствуют, что поровое давление является одной из основных причин возникновения оползней различных типов.

Прочность глинистых пород уменьшается также и при увеличении их влажности. В частности, у пестроцветных пластичных глин Никопольского марганцевого бассейна при увеличении их влажности до 0.5 (против естественной Wе = 0.4) происходило снижение сопротивления сдвигу в 3–4 раза [2]. В процессе отсыпки рыхлых пород на обводненное основание происходит переувлажнение тела отвала за счет капиллярного поднятия воды, что также приводит к снижению прочности отвальных масс и образованию просадок и оползней.

Исследования ИГД Минчермета (Екатеринбург), проведенные на Качарском ГОКе, показали, что высота капиллярного поднятия всего на 1.5–2.0 м не достигает верхней границы отвала как на первом, так и втором ярусах (рис. 2). Влажность в теле отвала начинает резко расти с глубины 1.5 м от верхней границы отвала и достигает величины Wе = 0.38, что лишь на 0.04 доли единиц менее, чем в неогеновых глинах основания [5].

По различным данным до 15% оползней на отвалах вызвано возникновением порового давления в основании техногенного массива [2, 3, 4, 6]. На внешних экскаваторных и бульдозерных отвалах Лебединского и Михайловского ГОКов деформации откосов проявлялись в виде простых оползней и оползней оплывания (рис. 3). На Михайловском карьере экскаваторные отвалы №1, 3 а и 7, расположенные в пойменных участках рек Чернь, Рясник и Речица, деформировались в результате выдавливания оснований, представленных илистыми суглинками, торфами и песками аллювиального происхождения (рис. 3 в). На отвале №7 пришлось оборудовать другой участок вне зоны деформаций (рис. 3б).

По данным к.т.н. А.В.Киянца (ФГУП ВИОГЕМ) средние деформации отвала №7 достигали 200 мм/сут. Инструментальные наблюдения ВИОГЕМ (1998–2000 гг.) на южном и юго-западном флангах отвала №7 показали, что по глубине отвального массива деформации имели дифференцированный характер (рис. 4 б). Причем наибольшие значения деформаций приурочены к основанию отвала, представленному слабыми породами. Произошедший оползень в южной части отвала сопровождался формированием вала выпирания слабых грунтов пойменной части р.Речица и грозит перекрытием перенесенного русла этой реки (рис. 3в). В настоящее время для прекращения деформаций планируется отсыпка упорной призмы в пределах нижней бровки техногенного отвального массива.

На большинстве разрезов Кузбасса основания внешних отвалов представлены песчано-глинистыми и суглинистыми отложениями четвертичного возраста. Возникновение порового давления при их нагружении отвальными насыпями из полускальной вскрыши привело к деформациям отвалов на разрезах «Новосергеевский», «Краснобродский», «Сибиргинский» (объем оползня более 0.5 млн.м3), «Бачатский» (им. 50-летия Октября) и т.д. На разрезах Южного Кузбасса при проходке разрезных траншей с укладкой обводненных пород вскрыши на нерабочем борту происходят оплывины. Экскавируемые водонасыщенные породы, попадая на наклонное основание, текут в виде потоков, повторяя рельеф местности. Подобные деформации наблюдались на разрезах «Ольжерасский», «Моховский», «Талдинский», «Сибиргинский» и др.

Рельефом местности определяется также характер поверхностного стока. В случае скопления атмосферных вод у нижней бровки отвалов, подтапливания дождевыми и паводковыми водами или размещения отвалов во впадинах, не имеющих стока, происходит увлажнение пород отвалов и их оснований, снижение сопротивления пород сдвигу, уменьшение высоты и угла откоса устойчивых отвальных откосов.

Из климатических факторов на устойчивость отвалов наибольшее влияние оказывают атмосферные осадки и колебания температуры воздуха.

Гидрогеологические условия определяют возможность возникновения деформаций откосов и оснований отвалов в связи с гидродинамическим или гидростатическим давлением подземных вод. Эти воды могут вызвать гидростатическое взвешивание пород или создание в них ослабленных поверхностей. Давление подземных вод на глинистые породы основания отвалов уменьшает эффективные напряжения в них или может вызвать гидравлический разрыв глинистого слоя с прорывами напорных вод или плывунов [2, 4].

Из технологических факторов, влияющих на устойчивость отвалов важнейшими являются высота и конфигурация отвальных откосов, длина и скорость подвигания отвального фронта, темп отсыпки отвала. Схемами отсыпки (фронтальной или блоковой) предопределяется характер процессов уплотнения породных масс отвалов и их прочностные свойства.

Проектирование отвалообразования необходимо осуществлять с учетом всех возможных факторов и особенностей вскрышного массива месторождения, состояния основания, которые могут оказать влияние на устойчивость отвала, степень его воздействия на окружающую среду. Например, для исключения капиллярного поднятия в теле отвала необходимо изолировать контакт обводненного основания с укладываемыми в отвал глинистыми породами, дренирующим слоем скальной или полускальной вскрыши, который также осушает тело отвала в процессе консолидации глинистых грунтов. Варьируя мощностью дренирующего слоя можно регулировать высоту отвального яруса, а также планировать развитие многоярусных отвалов. Отсыпку дренажного слоя при дефиците скальной горной массы можно вести не по всему фронту отвального яруса, а на участках повышенной обводненности. При отсыпке отвалов на слабых основаниях целесообразно создание предотвала (упорной призмы), предупреждающего оползневые деформации и выдавливание пород основания из-под техногенного массива.

Учет скорости подвигания отвального фронта, через которую выражается продолжительность периода консолидации пород, позволяет обосновывать расчетные режимы отвалообразования. Устойчивость откосов (зависящую от времени стояния отвала) необходимо обеспечивать варьированием величины производительности отвального оборудования, высоты и длины фронта отвала, создания предотвала и т.п.

Формирование отвала должно осуществляться с учетом его последующей рекультивации при непрерывном геомеханическом контроле за устойчивостью, несущей способностью и осадками техногенного массива.

Журнал "Горная Промышленность" №3 2002