Гидрогеомеханическое обеспечение формирования отвальных сооружений из водонасыщенных пород

И.В. Пелагеин, аспирант кафедры геологии МГГУ

При намыве гидроотвалов, хвостохранилищ и создании отвальных насыпей на слабых водонасыщенных основаниях большое значение приобретают вопросы устойчивости откосных сооружений для обеспечения промышленной и экологической безопасности и эффективности работ с позиций охраны водно-земельных ресурсов. Задачи гидрогеомеханики в горном деле рассмотрены в многочисленных публикациях В.А. Мироненко, его коллег и последователей.

Выполненный В.А. Мироненко гидрогеомеханический анализ охватывает три главных аспекта влияния подземных вод на устойчивость откосов карьеров и отвалов:

1. Изменение напряженного состояния массива;

2. Процессы механического выноса;

3. Изменение прочностных свойств пород.

Для оценки устойчивости обводненных откосов В.А. Мироненко предложен принцип сведения объемных гидродинамических сил к эквивалентным контурным, благодаря которому силовое воздействие подземных вод учитывается наиболее просто – через значения пьезометрической высоты по контуру оползающего блока [1]. Этот эффективный расчетный прием широко используется также при оценке устойчивости откосных сооружений гидроотвалов и хвостохранилищ.

В задачи гидрогеомеханического обеспечения входят:

а) инженерно-геологическая схематизация отвальных массивов и их оснований;

б) оперативная оценка устойчивости откосных сооружений по данным стационарных наблюдений и комплексного зондирования техногенных отложений;

в) определение деформаций откосных сооружений и техногенных массивов;

г) внедрение автоматизированных систем контроля устойчивости ограждающих дамб намывных сооружений и откосов отвальных насыпей на слабых водонасыщенных основаниях.

Кафедрой геологии МГИ-МГГУ внедрены в практику мониторинга намывных горнотехнических сооружений и отвальных насыпей на слабых основаниях систематические замеры порового давления с помощью стационарных датчиков и штанговых пьезодинамометров конструкции Гидропроекта, а после 1974 г. – специальных комбинированных зондов [2]. В последние 20 лет на гидроотвалах разрезов Кузбасса крупномасштабные работы по обоснованию параметров ограждающих дамб и отвальных насыпей на намывных основаниях выполнялись лабораторией гидрогеологии ВНИМИ и НПФ «Карбон» [4].

Станция СПКТ в условиях полевых работ (гидроотвал «Берёзовый Лог», 2010 год)

Станция СПКТ в условиях полевых работ
(гидроотвал «Берёзовый Лог», 2010 год)

В МГИ-МГГУ разработаны и внедрены новые способы и средства зондирования техногенных массивов и дистанционного контроля их состояния. Большое распространение на гидроотвалах получил метод вращательного среза, который для части ядерных зон применяют с непосредственным задавливанием крыльчатого зонда (без бурения скважин).

В МГИ-МГГУ совместно с ДИГЭС разработан ряд внедренных на объектах КМА и Кузбасса модификаций комбинированных зондов для определения прочностных свойств и величины порового давления, защищенных патентами РФ №1649035 (1993 г.), №2025559 (1994 г.).

Для контроля за состоянием труднодоступных зон гидроотвалов и хвостохранилищ предложен способ дистанционного определения несущей способности намывного массива по данным аэрофотограмметрической съемки, в соответствии с которым допустимая нагрузка Рдоп определяется в зависимости от относительной осадки массива Δh/h (патент РФ №1188322 (1993 г.)).

С целью предупреждения эрозионных процессов на восстанавливаемых (рекультивируемых) намывных территориях данные мониторинга осадок техногенных массивов используются для прогнозных расчетов остаточных осадок, которые учитываются при формировании слабовыпуклого (обеспечивающего сток дождевых и талых вод) техногенного рельефа и определении положения и глубины сети дренажных канав.

Необходимость исследования состояния, состава и физико-механических свойств горных пород возникает при решении многих инженерно- геологических задач, геоэкологических исследованиях, изучении различных видов загрязнений геологической среды, изучении свойств техногенных отложений, радиоэкологических исследованиях и другое.

Отечественная пенетрационно-каротажная станция, разработанная ВСЕГИНГЕО и СКБ «Геотехника», представляет собой вдавливающее устройство на транспортном шасси высокой проходимости и аппаратурный комплекс, состоящий из измерительного зонда, приемопередающего устройства и полевого вычислительного комплекса [5]. За рубежом статическое зондирование выполняется установками «Гоуда» (Голландия), «Фугро» (Норвегия), «Боррос» (Швеция), «Геомил» (Финляндия, Швеция), «Ван-ден-Берг» (Голландия, США), «Пагани» (Италия) и др. Однако стоимость этих установок существенно превышает стоимость российского оборудования при схожих технических характеристиках. На объектах ЛГОКа и СГОКа работала установка СПК-Т со сцинцилляционным детектором гамма-каротажа, определяющим естественный радиоактивный фон (см. фото).

С использованием станции СПК-Т проведено зондирование естественных оснований хвостохранилищ Лебединского и Стойленского ГОКов КМА, намывного массива гидроотвала «Березовый Лог» и насыпного массива мелового отвала Стойленского ГОКа.

Обобщение результатов лабораторных и полевых испытаний техногенных и естественных отложений позволило получить надежные характеристики сопротивления сдвигу и оценить устойчивость откосных сооружений и несущую способность слабых оснований. С использованием материалов районирования разработаны предложения о поэтапном размещении на намывном основании «сухой» вскрыши общим объемом более 100 млн. м3, что обеспечит достижение значительного экономического эффекта за счет сокращения дальности транспортирования и исключения изъятия дополнительных площадей плодородных земель из сельскохозяйственного оборота.

Состояние откосных сооружений эффективно контролируется комплексным зондированием приоткосных зон и данными стационарных датчиков-пьезодинамометров, заложенных по расчетным профилям в теле и основании дамбы на различных этапах формирования намывного массива.

Датчики позволяют измерять давление воды в раздельнозернистых и глинистых (тонкодисперсных) отложениях, тогда как традиционные пьезометры предназначены для определения высоты водяного столба лишь в раздельнозернистых породах. Текущий коэффициент запаса устойчивости дамб определяют в зависимости от площади эпюры давления воды путем снятия с пьезодинамометров показаний, приводимых к вероятной поверхности скольжения.

В настоящее время получили большое распространение устройства контроля и управления удаленных объектов через сотовую связь стандарта GSM в нескольких режимах(GPRS, SMS и т.д.). Устройство для удаленного контроля состояния намывных плотин, в которых установлены струнные датчики давления воды системы ДИГЭС (ранее «Гидропроект» (Москва)) разработано во ВНИМИ и НПФ «Карбон» (Санкт-Петербург). Скважинный автоматический периодомер САП-1М/GSM предназначен для измерения в автоматическом режиме периодов колебаний струнных датчиков давления типа ПДС, накопления результатов измерения в энергонезависимой памяти и передаче данных по сотовой GSM сети в компьютер [6].

Принцип измерения заключается в подаче короткого высоковольтного импульса на обмотку возбуждения датчика и измерении периода свободных затухающих колебаний, наводимых струной датчика в обмотке, после снятия импульса возбуждения. Период колебаний зависит от внешнего давления на мембрану датчика. При достижении критических значений давления воды предусматривается подача аварийного сигнала на приемное устройство.

К настоящему времени описанная автоматизированная система контроля внедрена на гидроотвале №3 разреза «Кедровский» для контроля безопасности при гидромеханизированной выемке намывного массива, на гидроотвалах разрезов «Талдинский», «Бачатский», «Краснобродский», «Черниговский» (Кузбасс), на головных дамбах хвостохранилищ Лебединского и Стойленского ГОКов (КМА).

Рис.2 Расчет коэффициента запаса устойчивости головной плотины хвостохранилища:

Опыт использования этой системы в 2009–2010 гг. на объектах КМА позволил выявить ее недостатки среди которых: недостаточная герметичность скважинного комплекта оборудования; наличие отклонений замеров периода колебаний струны датчиков; чувствительность к высоким температурам (июль 2010 г.). Следует также отметить необходимость и целесообразность исполнения скважинного комплекта в одном блоке.

Расчеты устойчивости дамбы производятся с использованием программного обеспечения, позволяющего оценивать устойчивость откосных сооружений методом алгебраического суммирования и многоугольника сил.

На рис. 2 даны результаты расчета устойчивости головных дамб хвостохранилищ Лебединского ГОКа и Стойленского ГОКа с использованием данных оперативного контроля в августе 2010 г.

В дополнение к этим методам был проведен анализ устойчивости головной дамбы хвостохранилища ЛГОКа методом конечных элементов, согласно которому производилось варьирование характеристиками сопротивления сдвигу (tg ϕ и С) с введением в них различных значений коэффициента запаса η. Получены близкие значения η при расчетах методом многоугольника сил (1.49) и конечных элементов (1.45).

Результаты удаленного контроля устойчивости головной дамбы хвостохранилища ЛГОКа использованы при гидрогеомеханическом обосновании наращивания головной дамбы до отметки 242 м (на 10 м сверх предусмотренной действующим проектом).

Предварительная оценка устойчивости ограждающих дамб при наращивании хвостохранилища выше отметки 232 м предусматривала: наращивание головной дамбы до отметки 242 м без усиления низового откоса; наращивание ограждающей дамбы на северо-западном и северном участках дамбы с использованием скальной вскрыши и окисленных железистых кварцитов; наращивание дамбы гидроотвала «Балка Безымянная» (отсек 7) с частичным использованием скальной вскрыши. Усиление низового откоса головной дамбы путем отсыпки скальной вскрыши связано с серьезными затруднениями из-за наличия концентратопровода, перекрытие которого недопустимо.

Ранее при проектировании хвостохранилища не были рассмотрены варианты использования скальной вскрыши в качестве строительного материала дамб и не учтен опыт возведения гидроотвалов и хвостохранилищ в Кузбассе и Кривбассе. Установлена возможность повышения вместимости хвостохранилища на 365 млн. м3, в т.ч. 273 млн. м3 хвостов и 92 млн. м3 гидровскрыши (гидроотвал располагается в одном из отсеков хвостохранилища).

Рассмотренные методы мониторинга позволяют оперативно получать информацию о состоянии отвальных сооружений, на основании которой возможно с высокой степенью вероятности прогнозировать состояние отвальных насыпей, гидроотвалов и хвостохранилищ, оценивать степень из воздействия на окружающую среду и принимать действенные решения по использованию этих сооружений и снижению вредного влияния объекта на экологическую обстановку в регионе.


ЛИТЕРАТУРА:

1. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Основы гидрогеомеханики. М., Недра, 1974.

2. Гальперин А.М., Дьячков Ю.Н. Гидромеханизированные природоохранные тех нологии. М., Недра, 1993.

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

4. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. Изучение порового давления в намывных масси вах. Геоэкология, №2, 2006.

5. Круподеров В.С., Титянин В.А. Пенетрационный каротаж при инженерногео логических исследованиях. МГГУ, ГИАБ, №1, 2007.

6. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Мильман Г.Л. Методика и технические средства гидрогеомеханического мониторинга безопасности промышленных гидротех нических сооружений. Инженерные изыскания, май, 2009.

Журнал "Горная Промышленность" №1 (95) 2011, стр.58