Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ изученности гидрогеомеханичесикх процессов и опасных горно-геологических явлений при разработке месторождений полезных ископаемых 15
1.1 Опасные геологические явления, осложняющие технологические процессы горного производства 15
1.2 Гидрогеомеханические процессы в водонасыщенных массивах 27
1.3 Обзор методов прогноза гидрогеомеханических процессов 42
1.4 Актуальные гидрогеомеханические задачи 54
1.5 Выводы и постановка задач исследований 69
2 Теоретическое и экспериментальное обоснование типизации водонасыщенных горных пород 73
2.1. Инженерно-геологические свойства водонасыщенных пород 73
2.2. Закономерности деформирования водонасыщенных скальных и полускальных пород 83
2.3 Закономерности деформирования глинистых пород 107
2.4. Выводы 139
3 Типизация горных пород для целей прогноза гидрогеомеханических процессов 144
3.1 Гидрогеомеханическая модель горной породы 144
3.2 Типы деформационного поведения водонасыщенных пород 156
3.3 Типизация горных пород по деформационному поведению 164
4. Инженерно-геологическое обоснование прогноза гидрогеомеханических процессов и деформаций земной поверхности при затоплении шахт и карьеров 175
4.1 Задачи и методика исследований 175
4.2 Изучение закономерностей развития гидрогеомеханических процессов при затоплении горных выработок 177
4.3 Обоснование принципов гидрогеомеханической схематизации и расчетных параметров свойств пород 193
4.4 Методика прогноза деформаций породных массивов при затоплении горных выработок 214
4.5 Выводы 237
5 Инженерно-геологическое обоснование прогноза оползневых явлений на естественных склонах в горнодобывающих районах 243
5.1 Изучение гидрогеомеханической обстановки оползневых склонов в сфере влияния подземных горных работ 244
5.2 Изучение гидрогеомеханических условий оползневых склонов в районах расположения гидроотвалов 265
5.3 Теоретическое и экспериментальное обоснование методики прогноза деформаций пород на склонах с учетом проявления ими реологических свойств 273
5.4 Методика прогноза оползневых процессов на естественных склонах с учетом воздействия природных и техногенных факторов 297
5.5 Выводы и результаты исследований 307
6 Инженерно-геологическое обоснование прогноза гидрогеомеханических процессов в намывных массивах объектов промышленной гидротехники 313
6.1 Технолитогенез пород отвалов и гидроотвалов 313
6.2 Изучение влияния гидрогеомеханических процессов на устойчивость намывных сооружений на различных этапах их существования 328
6.3 Изучение влияния гидрогеомеханических процессов на безопасность горных работ при формировании технологических насыпей 345
6.4 Прогноз порового давления в намывных массивах и основаниях горнотехнических сооружений 353
6.5 Методическое обеспечение изучения гидрогеомеханических процессов в намывных массивах 358
6.6 Выводы 367
7 Система научно-методического обеспечения безопасности при ведении горных работ в условиях развития гидрогеомеханических процессов 369
7.1 Общие закономерности развития гидрогеомеханических процессов при ведении горных работ 369
7.2 Методологические принципы функционирования системы научно-методического обеспечения безопасности при ведении горных работ 373
7.3 Пример организации системы обеспечения безопасности на промышленных гидротехнических сооружениях 380
7.4 Выводы 403
Заключение 406
Список литературы 409
- Опасные геологические явления, осложняющие технологические процессы горного производства
- Гидрогеомеханическая модель горной породы
- Изучение гидрогеомеханических условий оползневых склонов в районах расположения гидроотвалов
- Пример организации системы обеспечения безопасности на промышленных гидротехнических сооружениях
Введение к работе
Актуальность проблемы. Разработка месторождений полезных ископаемых оказывает мощное преобразующее воздействие на геологическую среду, изменяя рельеф, структуру, состояние и свойства породных массивов, гидрогеологический режим подземных вод и другие ее компоненты. Масштабы данных изменений зависят от глубины отработки месторождений, объемов извлекаемого полезного ископаемого и вскрышных пород, площадей занятых отвальными сооружениями, их высоты и интенсивности формирования, технологии горного производства и пр.
В настоящее время на предприятиях угольной отрасли Российской Федерации глубины открытых горных выработок превысили 500-метровую отметку, на шахтах отрабатывают уголь под километровой толщей пород, годовые объемы извлекаемой горной массы измеряются миллиардами кубометров, отвалы достигают высоты 150 м, а занимаемые ими площади - тысяч гектаров. Например, за столетний период эксплуатации Анжеро-Судженского месторождения извлечено более 150 млн. тонн угля с нарушением 800 - метровой толщи пород на площади 3500 га и оставлением в недрах земли 60 млн. м3 пустот. В результате дренирования подработанного массива напоры подземных вод были снижены более чем на 500 м.
Реструктуризация угольной отрасли России, интенсивно проводимая с 1994 по 2002 гг., привела к закрытию 175 шахт и 12 разрезов. Прекращение горных работ сократило техногенные нагрузки на геологическую среду в угледобывающих районах, но не исключило возникновение новых экологических последствий - активизацию оползней, неравномерные движения земной поверхности, подтопление территорий, загрязнение поверхностных вод и почв. Все эти опасные явления обусловлены изменением гидрогеологических условий шахтных и карьерных полей в результате возвращения подземных вод на свой естественноисторический уровень.
Активное внедрение в верхние слои земной коры нарушает сложившееся здесь за миллионы лет равновесие, вызывая развитие гидрогеомеханических процессов – деформирование и движение геологической среды вследствие трансформации геофильтрационных и геостатических полей напряжений. Гидрогеомеханические процессы осложняют технологию горного производства, вызывая разрушение крепи шахтных стволов, развитие оползней на бортах карьеров, откосах отвалов и гидроотвалов, а иногда приводят к катастрофическим последствиям - прорывам воды в очистные выработки, гидродинамическим авариям на объектах промышленной гидротехники.
Обеспечение промышленной и экологической безопасности при ведении горных работ - проблема многоплановая, отдельные аспекты которой решались выдающимися учеными, исследователями, специалистами различных направлений естественных наук.
Результаты изучения экзогенных процессов в районах интенсивного техногенеза обобщены в монографиях и публикациях Ф.И. Котлова, Ф.П. Саваренского, В.Д. Ломтадзе, П.Н. Панюкова, Е.М. Сергеева, И.В. Попова, Г.С. Золотарева, Н.Н. Маслова, Г.К. Бондарика, И.П. Иванова, Н.В. Родионова, А.П. Нифантова, Г.И. Тер-Степаняна, Г.М. Шахунянца, А.И. Шеко, В.С. Круподерова, В.В. Кюнтцель, И.О. Тихвинского, А.Л. Рагозина, Г.П. Постоева.
Решение геомеханических проблем при открытой и подземной разработке МПИ нашло отражение в трудах Г.Л. Фисенко, В.Т. Сапожникова, А.М. Гальперина, В.Н. Стрельцова, В.Н. Попова, М.Е. Певзнера, Ю.И. Кутепова, А.Б. Фадеева, Б.Г. Афанасьева, М.И. Иофиса, И.В. Баклашова, В.Г. Зотеева, П.С. Шпакова, В.Н. Гусева, В.Н. Земисева, А.Г. Акимова, Ф.П. Стрельского и др. Гидрогеологическое обеспечение разработано усилиями В.А.Мироненко, В.Д. Бабушкина, И.И. Плотникова, Г.Н. Каменского, П.П. Сыроватко, Ю.А. Норватова, В.Г. Румынина, И.Б. Петровой и др.
Прогноз опасных горно-геологических явлений невозможен без понимания природы прочности и деформируемости водонасыщенных пород, которое раскрывается благодаря работам выдающихся ученых Е.М. Сергеева, В.И. Осипова, В.Т. Трофимова, Р.С. Зиангирова, Р.Э. Дашко, В.А. Королева, И.М. Горьковой, М.Ю. Абелева, Р.И. Злочевской, С.Р. Месчана, Н.Я. Денисова, Б.В. Дерягина, С.В. Нерпина. Изучению механических свойств скальных и полускальных посвящены работы М.Н. Гольдштейна, Ю.М. Карташева, С.А. Роза, Д.Д. Сапегина, П.Д. Евдокимова, М.В. Раца, К.В. Руппенейта, С.Е. Могилевской и многих других.
Таким образом, прогноз гидрогеомеханических при ведении горных работ в водонасыщенных породных массивах, является серьезной научной проблемой, которая решается с привлечением теоретических знаний и методов исследований различных направлений естественных наук. Впервые вопрос о необходимости объединения теоретических основ геомеханики и геофильтрации для прогноза гидрогеомеханических процессов и вызванных ими опасных горно-геологических явлений был поставлен В.А. Мироненко и В.М. Шестаковым. Настоящая диссертационная работа объединяет разнопрофильные методы изучения и прогноза поведения геологической среды в единую научно-методическую систему на базе инженерно-геологических знаний. Это расширяет возможности гидрогеомеханического подхода к решению проблемы обеспечения безопасности горного производства и определяет актуальность выполненных исследований.
Диссертационная работа выполнена в рамках научно-технических программ Министерства угольной промышленности СССР, Минестерства топлива и энергетики РФ, Федерального агентства по науке и инновациям (№№ Г.Р. 01830071738, 018670076225, 01880087, 0189045131, 01200706005), хоздоговорных работ по оказанию научно-технической помощи горнодобывающим и обогатительным предприятиям Кузбасса, Урала и Якутии.
Цель работы – разработка научно-методического обоснования прогноза гидрогеомеханических процессов для обеспечения безопасности горных работ в водонасыщенных породных массивах.
Основные задачи исследований.
-
Разработка критериев идентификации типа деформационного поведения водонасыщенных горных пород в рамках решения гидрогеомеханических задач.
-
Установление закономерностей развития гидрогеомеханических процессов на базе экспериментального изучения деформационного поведения водонасыщенных породных массивов в различных инженерно-геологических, гидрогеологических и горно-технических условиях.
-
Выполнение инженерно-геологического обоснования методики прогноза опасных горно-геологических явлений на базе гидрогеомеханических расчетов применительно к решениям различных инженерно-технических задач.
-
Совершенствование методов и технических средств изучения водонасыщенных породных массивов в полевых и лабораторных условиях.
-
Разработка методики обоснования расчетных параметров физико-механических свойств водонасыщенных горных пород для прогноза гидрогеомеханических процессов.
-
Разработка системы научно-методического обеспечения безопасности горных работ в условиях развития гидрогеомеханических процессов.
Идея работы – для обоснования методологии гидрогеомеханических прогнозов целесообразно использовать инженерно-геологический анализ экспериментальной информации, позволяющий установить закономерности изменения напряженно-деформированного состояния водонасыщенных породных массивов под влиянием природных и техногенных факторов и адекватно их учесть в математических построениях.
Методы исследований. В работе использован комплексный подход к решению проблемы, включающий системный анализ, естественноисторический и сравнительно-геологический методы; лабораторные и натурные исследования с применением инженерно-геологических, гидрогеологических и маркшейдерско-геодезических методов, аналитические методы механики грунтов для решения задач теории консолидации и ползучести, математическое моделирование напряженно-деформированного состояния с использованием метода конечных элементов, промышленные испытания разработанных методик и рекомендаций по ведению горных работ при развитии гидрогеомеханических процессов.
Научная новизна работы:
- обоснованы критерии идентификации деформационного поведения водонасыщенных горных пород, в соответствии с которыми разработана типизация пород для целей прогноза гидрогеомеханических процессов;
- установлены закономерности развития гидрогеомеханических процессов в техногенно-нарушенных массивах шахтных и карьерных полей, что позволяет выполнять прогноз деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок;
- обоснован механизм дестабилизации естественных склонов под воздействием подработки территорий и намыва гидроотвалов; доказано, что после прекращения горных работ оползневые процессы продолжают развиваться, и их масштабность и интенсивность со временем возрастает;
- экспериментально установлена и теоретически обоснована связь между интенсивностью нагружения намывного массива и формированием в нем зональности по механизму изменения напряженно-деформированного состояния и физико-механических свойств намывных пород.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Методология решения гидрогеомеханических задач должна адекватно отражать тип деформационного поведения водонасыщенных пород, который предлагается определять с учетом структурно-механических особенностей, фазового состава и фазо-физического состояния горных пород на базе разработанной типизации.
2. Затопление горных выработок сопровождается декомпрессионным расширением вмещающих породных массивов, которое в техногенно-нарушенных зонах протекает на фоне разупрочнения пород. Поэтому деформации земной поверхности проявляются как в виде поднятий, так и оседаний, и их распределение по площади затопляемых шахтных и карьерных полей закономерно увязано с природно-техногенной структурой массивов, деформационным поведением пород и режимом восстановления напоров подземных вод.
3. Изменение гидрогеомеханической обстановки в пределах шахтных и карьерных полей является причиной дестабилизации покровных отложений на естественных склонах, что выражается на начальных этапах ведения горных работ в виде повсеместного развития процессов ползучести, переходящих со временем в локальные оползнепроявления, масштабность и интенсивность которых постепенно возрастает вследствие необратимых породных структурно-механических и фазо-физических преобразований.
4. При обосновании устойчивости гидроотвалов следует учитывать, что нагружение намывных массивов сопровождается изменением напряженно-деформированного состояния слагающих их пород не только в зоне сжатия, но и в непригруженной части массива – зоне влияния. Размеры зон, величина и динамика развития в них порового давления, характер изменения состояния и свойств пород зависят от площади и интенсивности технологического воздействия.
5. С целью обоснования оптимальных горнотехнических решений следует комплексно использовать специализированные методы изучения, прогнозирования и мониторинга гидрогеомеханических процессов в соответствии с их функциональным назначением в рамках единой научно-методической системы обеспечения безопасности при ведении горных работ в водонасыщенных массивах.
Практическое значение работы – разработано научно- методическое обеспечение, которое может быть использовано при изучении и прогнозировании поведения водонасыщенных массивов в сфере влияния горных работ, проектировании и эксплуатации горнотехнических сооружений и обосновании мер защиты инженерных объектов, включающее:
- типизацию водонасыщенных горных пород;
- методику инженерно-геологического обоснования прогноза гидрогеомеханических процессов с целью оценки деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок;
- методику оценки степени оползнеопасности естественных склонов в сфере влияния подземных и открытых горных работ;
- методику и технические средства изучения порового давления и компрессионно-фильтрационных свойств пород намывных техногенных массивов;
- методику и технические средства гидрогеомеханического мониторинга безопасности на объектах промышленной гидротехники.
- методологические принципы функционирования единой система научно-методического обеспечения безопасности горных работ.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается: применением натурных методов изучения напряженно-деформированного состояния породных массивов; представительным объемом исследований, проведенных на различных горнодобывающих предприятиях России и бывшего СССР; положительными результатами внедрения рекомендаций по безопасным условиям ведения горных работ на различных объектах.
Реализация работы. Результаты работы использовались для обоснования экологической безопасности при затоплении шахт в г. Анжеро-Судженске, карьеров «Южный» на Урале и трубки «Мир» в Якутии; для разработки рекомендаций по предотвращению оползней на площадях шахтных и карьерных полей Кемеровской области; для обоснования безопасных параметров гидротехнических и горнотехнических сооружений. Методические разработки в части обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабом основании вошли в состав трех нормативно-методических документов угольной отрасли, один из которых - «Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах», утвержден Госгортехнадзором (Ростехнадзором) РФ.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на: - третьем Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988);- четвертом съезде гидромеханизаторов России (Москва, 2006); - международных симпозиумах «Проблемы прикладной геологии, горной науки и производства» (Санкт- Петербург,1993) и «Геотехнология: нетрадиционные способы освоения МПИ» (Москва, 2003); - II международном рабочем совещании “Проблемы геодинамической безопасности” (Санкт-Петербург, 1997); - научных конференциях: посвященной 85-летию В.Д. Ломтадзе (Санкт-Петербург, 1999), «Сергеевские чтения» (Москва, 2005, 2010), «Неделя горняка» (Москва, 2004, 2007 - 2010 г.), «Технический прогресс на открытых горных работах Кузбасса» (Кемерово, 1987, 1988 и 2001), «Прогнозная оценка инженерно-геологических условий при открытой разработке Урала» (Свердловск, 1989), «Экологические проблемы горного производства» (Москва, 1999) и др.
Личный вклад автора заключается в постановке научной проблемы, разработке программ и методик натурных и лабораторных экспериментов и непосредственном участии в проведении всех исследований, результаты которых приведены в диссертации; разработке рекомендаций по безопасным условиям ведения горных работ на шахтах, разрезах, карьерах, отвалах, гидроотвалах и хвостохранилищах. Автор принимал участие в разработке отраслевых нормативно-методических документов.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 60 печатных работ, в том числе 12 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получено 4 авторских свидетельства.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 424 странице компьютерного текста, состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 246 наименований, содержит 109 рисунков, 28 таблиц и 7 фотографий.
Опасные геологические явления, осложняющие технологические процессы горного производства
В последнее столетие человек активно внедряется в геологическую среду, нарушая сложившееся за миллионы лет равновесие в земной коре и, провоцируя тем самым развитие различных экзогенных процессов, которые в последующем негативно отражаются на условиях его жизнедеятельности. По выражению академика А.Е. Ферсмана: «Человек видоизменяет природу, но и сам зависит от нее» [212]. Меткую характеристику взаимоотношений человека с геологической средой в условиях интенсивного техногенеза дают авторы одной из последних работ по инженерной геодинамике: «...последствия этого взаимодействия часто становятся угрозой для общества и несут в себе определенный риск для его жизнедеятельности. По многим признакам пораженности территорий техногенным воздействием, нарушения устойчивости инженерных сооружений и контроля за происходящим мы находимся ... уже в запредельном состоянии, если пользоваться строгим языком геомеханики» [70].
Ф.И. Котлов, рассмотрев практически все возможные виды техногенных процессов и явлений (94 вида), пришел к выводу, что наиболее значимое техногенное воздействие на геологическую среду связано с горным делом и со строительством промышленных и гражданских зданий и сооружений, включая гидротехнические и транспортные сооружения [86]. Это воздействие приводит к активизации существующих экзогенных геологических процессов и возникновению новых - техногенных, обусловленных взаимодействием технологических процессов с геологической обстановкой. Те и другие представляют опасность для жизнедеятельности людей, осложняют ведение технологических процессов, наносят вред окружающей среде.
Изучение и прогнозирование техногенных процессов и явлений, возникающих в процессе горнодобывающей и строительной деятельности, осуществляется в рамках различных научных направлений, основными из которых являются инженерная геодинамика и прикладная-геомеханика. Инженерная геодинамика - научно-прикладное направление инженерной геологии, изучающее движение геологической среды на всех уровнях организации, ее взаимодействие с инженерными конструкциями, с целью прогнозирования ожидаемых изменений, предотвращения возможных негативных последствий и управления ходом развития геологических процессов [41, 67]. Прикладная геомеханика решает вопросы количественного исследования механических процессов, возникающих в результате крупномасштабной строительной и горной деятельности людей, а также под воздействием массовых гравитационных, сейсмических и других природных процессов [220].
Первоначально объектами исследований инженерной геодинамики были природные геологические процессы и явления — «экзогенные», в изучении которых большую роль сыграли работы Ф.П. Саваренского, В.А. Приклонского, Н.В. Коломенского. Заслуга этих выдающихся исследователей состоит в обобщении огромного фактического материала, описании условий проявления, закономерностей развития и типизации различных природных процессов и явлений. В классификации «физико-геологических» процессов и явлений Ф.П. Саваренского впервые в качестве основного признака разделения процессов была принята причина их возникновения, что имеет огромное значение для развития методов прогнозирования экзогенных процессов.
В последующем И.В. Попов, который основной задачей инженерной геологии считал изучение «динамики верхних слоев земной коры в связи с инженерной деятельностью человека» [159], аналогичным образом систематизировал инженерно-геологические процессы, связанные с инженерной деятельностью, сопоставляя их с природными геологическими аналогами. Практическая ценность такого подхода заключается в том, что он позволяет выделить основной фактор, определяющий развитие процесса, и наметить конкретные меры по ограничению его влияния.
Приоритетным направлением развития инженерной геодинамики в конце XX века стали исследования техногенных геологических процессов и явлений, вызванных строительством зданий, возведением крупных гидротехнических сооружений, горными работами, осушением или увлажнением пород. Основные из них - осадки оснований зданий и сооружений; оседание земной поверхности вокруг водозаборных скважин; деформации искусственных откосов плотин; выемок, котлованов - оползни, оплывины, обвалы, осыпи. Результаты этих исследований нашли отражение в обобщающих монографиях инженерно-геологического направления, принадлежащих перу выдающихся ученых и исследователей Е.М. Сергеева [185], В.Д. Ломтадзе [ПО], Г.С. Золотарева [67], Н.Н. Маслова [114], Шеко А.И. и B.C. Круподерова [224, 225], Г.К. Бондарика [14], И.П. Иванова [70], М.В. Чуринова [190], Е.П. Емельяновой [51], а также в научных трудах ВСЕГИНГЕО, ПНИИИС, Гидропроекта, РАН и других крупных научных организаций России.
К настоящему времени совместными усилиями специалистов в области инженерной геодинамики разработаны теоретические основы инженерной гео--динамики как самостоятельного научного направления: система исходных понятий, категориальный базис (объект, предмет, определение и т.д.), логическая структура науки, отношения ее с другими научными направлениями. Выполнены классификации экзогенных процессов и явлений, обусловленных различными видами техногенных воздействий на геологическую среду, и их последствий в виде аварий, нарушений условий эксплуатации инженерных сооружений, изменений экологической обстановки. Начата разработка методологических основ мониторинга окружающей среды в геологическом аспекте (литомонито-ринга), в рамках которого инженерно-геологические процессы рассматриваются как объекты локального геодинамического мониторинга. Современное содержание инженерной геодинамики в качестве объектов исследований включает техногенные процессы, сопровождающие разработку месторождений полезных ископаемых, которые в данном случае принято называть «горно-геологическими». Термин «горно-геологические явления» введен П.Н. Панюковым (1956 г.) для обозначения разнообразных видов деформаций горных пород, возникающих вначале в непосредственной близости от искусственного обнажения, а затем - распространяющихся в глубь массива. Им же предложена классификация горно-геологических явлений для условий подземной разработки угольных месторождений [157], которая во многом применима и для других видов месторождений. Наиболее значимыми среди них традиционно принято считать гравитационные явления (сдвижение горных пород над выработками, горные удары, выбросы пыли и газа, пучение, отжим пород в зоне опорного давления и др.), поскольку они оказывают непосредственное влияние на технологию и безопасность подземных горных работ.
Приоритет в изучении этих процессов принадлежит специалистам в области прикладной (горной) геомеханики (С.Г. Авершин, И.М. Бахурин, А.А. Борисов, В.Д. Слесарев, Г.Л.Фисенко, Г. Кратч, В.И. Борщ-Компонийц, И.А.Турчанинов, М.А. Иофис, и др.). Это и понятно: геомеханические методы-имеют практический выход на прогноз и предупреждение опасных деформаций, обоснование безопасных технологических схем ведения горных работ.
Ведение горных работ в водонасыщенных массивах сопровождается рядом явлений, связанных с нарушением гидрогеологических условий месторождения, которые в классификации П.Н. Панюкова названы «гидродинамическими», что подчеркивает основную причину их возникновения — изменение гидродинамического режима подземных вод. К таким явлениям относят прорывы подземных вод и плывунов, депрессионные деформации пород в поле водопо-нижения, фильтрационный выпор, суффозионный размыв пород.
Изучение гидродинамических процессов при подземной разработке МПИ выполнялось по двум параллельным направлениям: с позиций горной геомеханики - с целью выбора мер защиты горных выработок от вредного влияния подземных вод (В.Д.Слесарев, Б.Я.Гвирцман, В.Н.Земисев, Н.Ф.Шалагинов, В.Н. Гусев и др.) и специалистами гидрогеологами - с целью прогноза водопритоков в горные выработки, разработки эффективных дренажных систем и технических средств защиты выработок от негативного влияния подземных вод (В.А. Мироненко, И.И. Плотников, В.Д. Бабушкин, Г.Н. Каменский, П.П. Сыроватко, Ю.А. Норватов, В.Г. Румынии, Ф.П. Стрельский, М.С. Газизов, СП. Прохоров). Среди работ зарубежных ученых наиболее известные принадлежат Г.Бриггсу, В.Гоуски, Г.Кратчу, А.Лабассу, К.Трояновски.
Гидрогеомеханическая модель горной породы
Развитие гидрогеомеханических процессов в водонасыщенных массивах горных пород является следствием оказанного на них механического или гидродинамического воздействия. Механическое воздействие обусловлено внешней нагрузкой или разгрузкой породного слоя (массива) на его границах, оно воспринимается, прежде всего, твердым скелетом, вызывая структурные деформации пород. В полностью водонасыщенных породах структурные деформации всегда протекают во взаимодействии с изменениями напряжений в жидкой фазе, заполняющей в породе пустоты — поры и трещины. Влияние воды на механизм и динамику развития деформаций при механическом воздействии в различных ли-тогенетических типах горных пород имеет свои специфические особенности, и это необходимо учитывать при выборе геомеханических методов прогноза напряженно-деформированного состояния пород.
Гидродинамическое воздействие проявляется в виде, изменений давлений в жидкой фазе (гидростатического или порового давления) — как реакция на изменение условий фильтрации подземных вод. Одновременно с изменением гидростатического (порового) давления возрастают или снижаются напряжения в твердой фазе, что сопровождается структурными деформациями породы, которые по своему характеру могут быть такими же, как и при механическом воздействии. Снижение гидростатического (порового) давления равносильно воздействию на породу дополнительной внешней нагрузки (депрессионной), которая в общем случае вызывает деформации сжатия. И наоборот, повышение давлений в воде равносильно разгрузке пород — декомпрессии, что влечет за собой возможность увеличения объема породы, а в глинистых породах — развитие процессов набухания.
Изменение напряженно-деформированного состояния пород в условиях затопления массивов может сопровождаться переходом пород из трехфазного (воздушного сухого или не полностью водонасыщенного) в двухфазное состояние (полностью водонасыщенное), что обусловливает неоднозначный характер направленности возникающих деформаций, вызванных разгрузкой пород, с одной стороны, и адсорбционным понижением механических характеристик, с другой стороны.
Учитывая характер внешних воздействий, вызывающих развитие гидро-геомеханических процессов, в основу методологии прогноза деформаций водо-насыщенных породных массивов должно быть положено представление о горной породе, во-первых, как о структурированном минеральном образовании, которое благодаря своей механической прочности способно воспринимать внешние нагрузки без разрушения, а вследствие структурной дискретности- обладает водопроницаемостью и способностью деформироваться при изменении напряженного состояния, и, во-вторых, как о неоднородной фазовой системе, в которой твердые и жидкие компоненты находятся во взаимодействии друг с другом, и от характера этих взаимодействий зависят закономерности их деформационного поведения. Следовательно, при решении гидрогеомеханических задач следует учитывать структурно-механические особенности, фазовый состав и фазо-физическое состояние горных пород.
Как структурированное дискретное твердое тело горная порода характеризуется той или иной структурой; соответствующей ее генезису и испытанных постгенетических преобразований природного или техногенного характера. При инженерно-геологической характеристике пород часто используют петрографическое понятие о структуре, как о совокупности признаков, отражающих размер, форму, характер поверхности, количественное соотношение структурных элементов пород (зерен, частиц, агрегатов) и характер взаимосвязи между ними. Необходимой характеристикой пород является также их текстура, под которой понимают особенности строения, обусловленные ориентацией и пространственным расположением структурных элементов. Безусловно, петрографические структурные и текстурные признаки пород являются важными показателями, определяющими свойства пород, которые следует учитывать при решении любых инженерных задач, в том числе и гидрогеомеханических. Однако в данном случае наиболее значимым является представление о структуре породы, характеризующее ее с точки зрения основного фактора, определяющего поведение породы под воздействием внешних нагрузок (изменении давления, влажностно-го режима, геохимических условий, температуры и др.). Как известно, механические свойства структурированных систем зависят не столько от свойств отдельных элементов (частиц, агрегатов, зерен или блоков), сколько от прочности структурных связей, соединяющих эти элементы между собой.
Структурные связи в дисперсных системах реализуются не по всей межфазовой поверхности частиц, а только в местах их наибольшего сближения - на контактах. Несмотря на разнообразие химической природы, размера и форм структурных элементов, слагающих породы, выделяют четыре основных типа контактов в дисперсных системах: фазовый (кристаллизационный или цементационный), переходный, коагуляционный и механическое зацепление минеральных зерен [201, 170, 133]. С учетом типа структурных связей В.И. Осиповым [133] было предложено разделять структуры пород на следующие виды: 1) кристаллизационная; 2) цементационная; 3) коагуляционная; 4) переходная; 5) смешанная (коагуляционно-цементационная, коагуляционно-кристаллизационная); 6) несвязная (сыпучая). Разделение пород по типу структурных связей положено в основу современной инженерно-геологической классификации горных пород (ГОСТ 25100-95), которое целесообразно использовать также при рассмотрении горной породы как среды развития гидрогеомеханических процессов.
Структурные связи в породе не всегда однородны, однако среди них можно выделить эффективные связи, которые прежде всего воспринимают на себя внешние нагрузки и оказывают сопротивление разрушению структуры породы как целостного образования. Поскольку при решении гидрогеомеханических задач рассматривается поведение горных пород в водной среде, то, выделяя эффективные связи, следует учитывать их отношение к воде. При этом качественными характеристиками могут служить предложенные Г.К. Бондариком определения: водоустойчивые, размягчаемые, растворимые и гидрофильные структурные связи [14]. Количественным показателем, интегрально характеризующим степень понижения механических параметров пород при изменении их физического состояния пород (главным образом, при переходе из воздушно-сухого в водонасыщенное состояния), является коэффициент размягчения (kSOf). Использование этого показателя наиболее актуально при решении задач, связанных с затоплением массивов горных пород.
Как твердое образование (жесткое или пластичное) горная порода обладает механической прочностью, которая во многом определяется ее структурой. Количественными характеристиками прочностных свойств горных пород, как известно, являются различные показатели, и в том числе прочность на одноосное сжатие (сгс). Этот параметр определяется простым способом, методически доступным практически для всех видов пород (за исключением текучих), тесно увязан с лито-генетическими признаками пород, хорошо коррелируется с деформационными параметрами и другими- свойствами, поэтому его следует признать наиболее объективным классификационным параметром для разделения пород по механическим свойствам. Учитывая, что в большинстве гидрогеомеханических задач горные породы рассматриваются как полностью - водонасыщен-ные, для характеристики механических свойств пород следует определять их прочность в полностью водонасыщенном состоянии (a J.
Механические свойства одной и той же разновидности пород могут варьировать в довольно широкомдиапазоне, поэтому определение и выбор параметров для геомеханических расчетов следует производить с учетом факторов, изменяющих свойства пород в ту или иную сторону. К числу наиболее важных из них относятся: степень трещиноватости, особенности вещественного состава пород (минералогического, гранулометрического состава, типа цемента), выраженность структурных жестких связей и степень их нарушенности, показатели физического состояния (степень уплотнения, влажности). Влияние этих факторов на механические свойства проявляется в большей или меньшей степени для-различных литогенетических типах пород, что отражено при типизации пород по деформационному поведению в условиях развития гидрогеомеханических процессов (см. р.3.3).
Изучение гидрогеомеханических условий оползневых склонов в районах расположения гидроотвалов
Оползневая ситуация на поле Ерунаковского угольного разреза При ведении открытых горных работ оползневые проблемы весьма актуальны в связи с необходимостью обеспечения промышленной безопасности и обеспечения длительной устойчивости бортов карьеров, откосов отвалов и гидроотвалов. Если в данном аспекте закономерности оползневых процессов изучены достаточно хорошо, то вопросы влияния горных работ на состояние устойчивости естественных склонов в пределах карьерных полей и безопасности функционирования находящихся на них инженерных объектов изучены весьма слабо. В этой связи рассмотрим закономерности развития оползневых процессов в районах расположения гидроотвалов на примере оползневой ситуации, произошедшей в 2007 г. на поле Ерунаковского угольного разреза в Кузбассе.
Рельеф территории карьерного поля относится, к увалисто-долинной зоне с широкими заболоченными долинами, крупными увалами и расчлененными склонами. Оползневая территория представляет собой лог с падением тальвега под углом 5; левый борт крутой (8-12); правый борт - более пологий (5-6.5). Относительное превышение отметок рельефа составляет 45 м.
В нижней части лога намыт гидроотвал (отметка поверхность +296 м). По верху левого борта проходит ЛЭП и автомобильная дорога с отметками +339ч-+341 м.
Оползневые тела образовались неожиданно в начале лета 2007 г. на левом борту лога (рис. 5.7). Визуально выделяются два оползневых участка. Более крупное (первое) тело имеет длину 125 м, ширину - от 100 м по трещинам отрыва до 50 м к середине тела и до 75 м в нижней части; площадь около 9,5 тыс. м". Оползневой цирк захватывает ЛЭП и автомобильную дорогу на участке длиной почти 100 м. Оползень распространяется вниз по борту лога почти на две трети по его длине от отметок +340=-+ 320 м. Угол заложения борта лога на оползневом участке 10. Второе оползневое тело расположено в средней (по высоте) части борта лога от отметок +325 м до 310 м. Его размеры: длина 75 м, ширина по верху - почти 150 м, по низу - менее 50 м; площадь примерно 5,6 тыс. м . Угол заложения борта на оползневом участке — 13 .
Для наблюдений за динамикой развития склоновых процессов на борту лога оборудована маркшейдерская наблюдательная сеть, включающая поперечный створ опорных реперов, ориентированный по простиранию борта, и три продольных створа - вкрест простирания в пределах имеющихся оползневых тел (рис.5.8). Результаты наблюдений характеризуют динамику развития оползневого процесса в период активной стадии его развития - основного смещения (с 13.06. по 15.06. 2007). Максимальная скорость движения первого оползневого тела составила 124 мм/сут (по Rp3) в направлении полного вектора смещения. Максимальная скорость смещения второго тела - 508 мм/сут (по Rp4).
По мере затухания деформаций скорость смещений снижалась довольно интенсивно и на конец выполненных наблюдений (18.06.2007) на верхнем теле не превышала 31 мм/сут (по Оп.2), а на нижнем оползневом участке составляла 10-90 мм/сут (кроме ОП.З - 330 мм/сут).
Направление векторов смещения ориентировано примерно параллельно поверхности склонов, что указывает на характерное для покровных оползней расположение поверхности скольжения, которое приурочено к одной из поверхностей напластования в толще покровной песчано-глинистой толщи. Совпадение во времени периодов нарастания и снижения скоростей смещений по площади каждого отдельного тела и обоих тел вместе, говорит о том, что сформировалась единая оползневая зона, объединяющая два отчленившихся тела. В пределах этой зоны инженерно-геологические условия не одинаковы, поэтому отдельные участки смещаются с различной интенсивностью.
В районе повсеместно на склонах коренных пород пермского возраста (песчаниках, аргиллитах, алевролитах, конгломератах) залегают четвертичные песчано-глинистые отложения, своим положением и характером отвечая древнему коренному рельефу. Покровные отложения на склонах представлены лессовидными суглинками и глинами делювиально-пролювиального генезиса, характеризующимися макропористой структурой. Их мощность изменяется от нескольких десятков сантиметров на водоразделах до 15-20 ближе к тальвегу-лога. В тальвеговой зоне залезают аллювиальные отложения; в виде переслаивания глинистых разновидностей и песчано-гравийно-галечниковых. Их мощность максимальна в тальвеге — до 8 м и уменьшается.в бортах лога.
Оползневые тела распространены в делювиальных отложениях. Это породы довольно прочные, их сцепление составляет примерно 0,05 МПа, угол внутреннего трения более 30. При таких параметрах сопротивления сдвигу нарушения устойчивости пород на склоне с углом заложения 10-12 быть не может. Для установления причин деформаций были проведены специальные исследования, которые показали, прежде всего, что практически все породы в .ненарушенном состоянии характеризуются наличием жесткого цементационного структурного сцепления, величина которого зависит от консистенции. Для пород тугопластичной, полутвердой и твердой консистенции структурное сцепление составляет 50% и более, для мягкопластичных пород оно уменьшается до 20-30%, а в текучих разновидностях (аллювиальных) - практически пропадает.
В качестве иллюстрации приведем результаты испытаний делювиальных отложений, отобранных из толщи ненарушенного оползнями участка склона. Испытания выполнены по схеме неконсолидированно-недренированного сдвига пород при естественной структуре и по подготовленной поверхности среза. Разница в получаемых параметрах сопротивления сдвигу характеризует долю структурного сцепления, которое необратимо утрачивается при формировании в массиве поверхности скольжения (табл.5.6).
В результате исследований также установлено, что свободное водонасы-щение глинистых пород приводит к повышению их плотности и снижению прочности, причем это проявляется как в породах с ненарушенной структурой, так и. в перемятых, но в последних более существенно выражено падение прочности. Так, водонасыщение ненарушенных образцов при очень маленьких ступенях вертикальной нагрузки (0,025-0,075 МПа) привело к существенному по-вышению плотности с, 1,70 до 1,90 г/см , что в естественных условиях выражается в увеличении веса покровных масс на склоне, а, следовательно, и действующих на них сдвигающих сил. Увеличение влажности пород от 10-11 % до 22-26 % сопровождалось,существенным падением обеих составляющих сопротивления сдвигу - и сцепления (от 0,05 МПа до 0,012 МПа) и угла внутреннего трения (от 32 до 24). Следует заметить, что свободное водонасыщение ненарушенных пород не привело к их значительному размягчению, так, при влажности 25% глина перешла из твердого в полутвердое состояние. Сильному впитыванию воды и набуханию глин до пластичного состояния препятствуют действующие в них жесткие структурные связи.
Произошедшие оползневые смещения по механизму своего образования ближе всего соответствуют типу оползней скольжения. Оползневое тело захватывает часть покровной толщи, поверхность скольжения проходит в основном согласно падению склона и приурочена, вероятно, к поверхности напластования в толще делювиальных пород (к контакту более слабых суглинков с плотными твердыми глинами). Мощность оползших масс предположительно по результатам, бурения составляет менее 8 м.
Отсутствие сведений о динамическом режиме подземных и грунтовых водоносных горизонтов, существенным образом затрудняет однозначное определение причин произошедших деформаций. Однако» опыт изучения оползневых процессов в Кузбассе позволяет утверждать, что произошедшие оползневые смещения нельзя рассматривать как случайное явление. Скорее наоборот, они являются закономерным следствием ухудшения гидрогеомеханических условий устойчивости склона под воздействием намыва гидроотвала.
Пример организации системы обеспечения безопасности на промышленных гидротехнических сооружениях
Промышленные гидротехнические сооружения (ГТС) угольной отрасли — накопители промышленных отходов, предназначенные для складирования вскрышных пород, разрабатываемых средствами гидромеханизации, жидких отходов, образующихся при добыче и обогащении угля, аккумуляции и осветления воды с использованием ее в системе оборотного водоснабжения. К ним относятся гидроотвалы вскрышных пород и хвостохранилища обогатительных фабрик. В состав ГТС входят: намывные и насыпные ограждающие и подпорные дамбы и плотины; грунты основания ГТС в зоне влияния; системы гидротранспорта и оборотного водоснабжения (включая прудки-отстойники); природоохранные сооружения, предназначенные для предотвращения вредного влияния накопителя.
При разработке мер по обеспечению безопасности необходимо учитывать следующие особенности гидроотвалов и хвостохранилищ угольной отрасли:
- под накопители промышленных отходов отводятся земельные участки с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями: поймы рек, ручьев, лога, овраги, балки, заболоченные территории, поэтому естественные основа-ния ГТС представлены в основном-водонасыщенными.песчано-глинистыми отложениями повышенной сжимаемости с низкими значениями прочности;
- гидроотвалы и хвостохранилища расположены зачастую в пределах горных отводов угледобывающих предприятий, попадая в зоны влияния открытых и подземных горных выработок;
- в пределах упорной призмы внешних откосов гидроотвалов и хвостохранилищ формируются водонасыщенные грунты пылевато-глинистого состава, склонные к значительным вертикальным деформациям и нелинейному изменению физико-механических свойств с увеличением нагрузки, развитию избыточного порового давления вследствие технологических нагрузок,
-значительная протяженность сооружений предопределяет непостоянство инженерно-геологических условий на различных участках внешних откосов;
-эксплуатация сооружений ведется длительное время (20-30 лет и более), в течение которого изменяются инженерно-геологические условия;
- после завершения эксплуатации гидроотвалы и хвостохранилища должны быть законсервированы, рекультивированы, частично или полностью удалены; на них могут размещаться отвальные или прочие сооружения.
Аварийные ситуации на гидроотвалах и хвостохранилищах происходят главным образом по причине нарушения устойчивости внешних откосов из-за недостаточной обоснованности их безопасных параметров, реже - по причине перелива воды и пульпы через гребень плотины.
Нарушение устойчивости внешних откосов гидроотвалов и хвостохрани-лищ вызвано превышением допустимых технологических параметров гидроотвальных работ: высоты и угла заложения откоса сооружения, интенсивности намыва, а также технологии формирования дамб наращивания, нарушением работы дренажных устройств. При этом снижение степени устойчивости внешних откосов сооружения обусловлено увеличением сдвигающих усилий, падением прочности пород вследствие появления дополнительных гидродинамических сил, в.том числе, избыточного-порового давления. Подобное изменение напряженно-деформированного состояния пород в откосах гидроотвалов и хвосто-хранилищ ведет к образованию оползней и фильтрационных деформаций.
К наиболее катастрофическим последствиям приводят оползни внешних откосов намывных сооружений. Смещение гребня плотины при оползании оставляет без подпора верхнюю часть намывного массива из текучих пород. Последние, устремляясь в образовавшийся проран, растекаются по плотине, частично разрушая ее своим давлением, создавая тем самым условия для выхода более глубоких слоев намывных пород. Намывные массы и технические воды растекаются за пределы сооружения, загрязняя окружающую среду.
Фильтрационные деформации на откосах гидротехнических сооружений возникают при несоблюдении предусмотренного проектом положения депрес-сионной поверхности в теле плотины вследствие превышения допустимого уровня воды в сооружении, выхода из строя или проектного режима противо-фильтрационного экрана или дренажного элемента. Выходы фильтрационных вод на поверхность внешних откосов, приводят к разуплотнению и оплыванию слагающих их пород. Циклический характер деформаций этого типа может привести к снижению общей устойчивости откоса на участке оплывания с последующим образованием оползня.
Гидродинамические аварии на гидротехнических сооружениях могут быть вызваны землетрясениями и массовыми взрывами. Влияния сейсмики на устойчивость гидроотвалов и хвостохранилищ заключается в первую очередь в дополнительном воздействии на откосы техногенных массивов инерционных сейсмических сил, приводящих обычно к увеличению действующих на них сдвигающих усилий. В водонасыщенных слабоуплотненных намывных грунтах подобное изменение напряженно-деформированного состояния сопровождается также возрастанием порового давления, снижающего сопротивляемость пород сдвигу, и приводя тем самым к нарушению устойчивости откосов сооружения.
Гидротехнические сооружения, расположенные в пределах горных отводов угледобывающих предприятий, могут быть вовлечены в процессы, сопровождающие ведение горных работ, такие как: оползни бортов разрезов и отвалов, сдвижение массива пород при подземной выемке угольных пластов. Эти обстоятельства могут привести к серьезным нарушениям упорных призм гидроотвалов и развитию гидродинамических аварий.
Переполнение емкости гидротехнических сооружений вызвано нарушением гидрологического режима. Требования по безопасным условиям намыва предусматривают меры, предотвращающие перелив пульпы и технических вод через гребень ограждающих сооружений:.соблюдение предусмотренных проектом графика и; схемы заполнения емкости хранилища, поддержание определенного объема, воды, превышения гребня плотины над намытым пляжем, длины пляжной зоны, наличие аварийных водосбросных сооружений. При нарушении данных мер происходит размыв ограждающих дамб с образованием прорана.
Рациональная система обеспечения безопасности на гидротехнических сооружениях предусматривает выполнение следующих работ и исследований: 1) изучение инженерно-геологических условий гидротехнического сооружения 2) обоснование оптимальных параметров и критериев безопасности гидротехнического сооружения; 3) мониторинг (контроль) состояния гидротехнического сооружения; 4) разработка и осуществление мероприятий по повышению уровня надежности и безопасности сооружения.
