Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние отвальных работ и анализ изученности вопроса размещения отвалов на территориях гидроотвалов 9
1.1. Анализ изученности вопроса использования гидроотвалов в качестве основания отвалов "сухой" вскрыши 9
1.2. Характеристика отвальных работ на разрезе «Бачатский» 17
1.3. Выводы по главе 1, цели и задачи исследований диссертационной работы 24
2. Инженерно-геологические условия отвалообразования на разрезе "Бачатский" 26
2.1. Инженерно-геологическая характеристика неоген-четвертичных отложений Бачатского месторождения 26
2.2. Характеристика пород вскрыши Бачатского месторождения и физико-механические свойства пород отвалов "сухой" вскрыши 33
2.3. Инженерно-геологическая характеристика пород гидроотвалов 41
2.4. Изучение напряженного состояния намывных массивов, нагружаемых отвалами "сухих" пород 65
2.5. Изучение деформаций отвалов "сухих" пород при их отсыпке на гидроотвалах 77
2.6. Выводы по главе 2 88
3. Инженерно-геологическое обоснование технологических схем отвалообразования на гидроотвалах 91
3.1. Общие положения 91
3.2. Изучение инженерно-геологических условий гидроотвалов 94
3.3. Прогноз порового давления в намывных массивах 103
3.4. Оценки устойчивости отвальных сооружений на гидроотвалах 112
3.5. Выводы по главе 3.. 116
4. Обоснование технологии отвалообразования на гидроотвалах 119
4.1. Общие положения 119
4.2. Технологическая схема отвалообразования с применением бульдозеров и автомобильного транспорта 124
4.3. Технология отвалообразования с применением экскаваторов и железнодорожного транспорта 129
4.4. Технологическая схема отвалообразования
на откосах гидроотвалов с применением драглайна и железнодорожного транспорта 138
4.5. Выводы по главе 4 140
5. Мониторинг безопасности ведения отвальных работ на гидроотвалах 145
5.1. Основные положения 145
5.2. Гидрогеомеханический мониторинг безопасности 147
5.3. Маркшейдерский контроль безопасности отвалообразования на гидроотвалах вскрышных пород 155
5.4. Технологический контроль 158
5.5. Организация мониторинга безопасности на гидроотвале "Бековский" 159
5.6. Гидрогеомеханический мониторинг на гидроотвале "Сагарлыкский" 165
5.7. Выводы по главе 5 169
Заключение 171
Литература 173
- Характеристика отвальных работ на разрезе «Бачатский»
- Характеристика пород вскрыши Бачатского месторождения и физико-механические свойства пород отвалов "сухой" вскрыши
- Изучение инженерно-геологических условий гидроотвалов
- Технологическая схема отвалообразования с применением бульдозеров и автомобильного транспорта
Характеристика отвальных работ на разрезе «Бачатский»
На разрезах Центрального Кузбасса, разрабатывающих угольные пласты балахонской серии, принята практически единая транспортная система разработки с транспортировкой угля автомобилями, а вскрыши -автомобильным, железнодорожным и гидравлическим транспортами. При этом, как правило, углевмешающие вскрышные породы транспортируются либо автомобилями, либо по железной дороге, а четвертичные отложения -гидротранспортом.
Состав вскрышных пород всех месторождений практически одинаков: углевмещающие породы представлены песчаниками и алевролитами с карбонатным и карбонатно-сидеритовым цементом, верхняя часть разреза сложена неоген-четвертичные суглинки и глины.
Рассмотрим отвальные работы на примере наиболее типичного разреза, разрабатывающего Бачатское угольное месторождение. На современном этапе разрез «Бачатский» добывает 7,5 млн. т угля и осуществляет вскрышные работы в объеме около 40 млн. м3 пород.
Отвальные работы за время эксплуатации разреза велись на 5 отвалах и 4 гидроотвалах (рис. 1.1), при этом использовались следующие технологии: - экскаваторное отвалообразование в комплексе с железнодорожным транспортом; - бульдозерное отвалообразование с использованием автомобильного транспорта большой грузоподъемности; - отвалообразование с помощью гидромеханизации.
Общая площадь земель, занятых под отвальными сооружениями, составляет почти 2000 га, около 60% из них заняты площадями бывших и действующих гидроотвалов. Эксплуатация большинства из них к настоящему времени прекращена. Так, гидроотвалы "Сагарлыкский", "Западный", и "Свободный" выведены из работы соответственно в 1975, 1962, 1955 годах. Кроме того, на разрезе эксплуатируется гидроотвал "Бековский", который в последующем планируется использовать для отсыпки "сухих" железнодорожных отвалов. Гидроотвал «Сагарлыкский» Самым крупным из эксплуатируемых является гидроотвал "Сагарлыкский" площадью 625 га с заполненной емкостью гидровскрыши 100 млн.м3. Территория отвала расположена на западном борту разреза. Гидроотвал намывался в верховьях трех ответвлений Сагарлыкского лога с отметками по тальвегу +260 м. Первоначальная емкость гидроотвала была создана дамбой первичного отвалообразования высотой 12 м, которая отсыпана из местных суглинистых пород. В дальнейшем плотина неоднократно наращивалась и на конец намыва состояла из 9 дамб общей высотой 45 м и длиной около 3 км. Гидроотвал эксплуатировался с 1957 по 1976 годы и в настоящее время служит основанием отвалов "сухих" пород.
Отвалообразование на площади гидроотвала было начато в 1972 году с отсыпки пионерной насыпи на плотине гидроотвала. Затем фронт отвалообразования, развиваясь от плотины к центру гидроотвала, перемещался на пляжную и переходную зоны. В настоящее время отвалами занято примерно 65% намывной площади (уложено более 180 млн.м-3 вскрыши), при этом в пределах Прудковой зоны работы ведутся весьма ограниченно. Во избежание растекания глинистых гидроотвальных масс за пределы намывного сооружения по его контуру с двух сторон (с северо-запада и с юга) отсыпана предохранительная дамба высотой 10-15 метров.
Отвальные работы ведутся бульдозерным способом с доставкой пород на отвал автосамосвалами большой грузоподъемности (БелАЗ 75215 - 180 т, БелАЗ 75303 - 200 т). Отвалообразование первым ярусом на площади распространения намывных пород осуществляется с применением так называепмой технологии "контролируемых деформаций", при которой допускаются оползни на внешних откосах отвального яруса с учетом их плавного и медленного характера развития во времени. Высота первого яруса на начальных этапах отвалообразования составляла 10 м, затем она неоднократно пересматривалась в сторону увеличения и сейчас достигает 50 м.
Гидроотвал и отвал «сухой» вскрыши «Западный» Не меньший интерес представляет Западный отвал, который расположен за пределами поля разреза в долине реки Малый Бачат на геологическом участке Западный-1. Площадь гидроотвала составляет 270 га, гидроотвал эксплуатировался с 1951 по 1962 годы, в его емкость было уложено 14 млн. м3 суглинистого грунта. Развитие на площади гидроотвала сухих отвалов дополнительно было осложнено тем, что основанием для гидроотвала являются водонасыщенные «слабые» аллювиальные пылеватые суглинки, верхняя часть которых мощностью слоя около 0,5 м заторфована. Суглинки имеют различную мощность, которая достигает в пойме реки М. Бачат 8-11 метров. В водонасыщенном состоянии суглинки не обеспечивают устойчивость отвала, что предопределило необходимость проведения дренажных мероприятий перед укладкой сухих пород.
Характеристика пород вскрыши Бачатского месторождения и физико-механические свойства пород отвалов "сухой" вскрыши
Вскрышная толща месторождения согласно инженерно-геологической классификации включает две разновидности пород: мягкие связные покровные отложения , скальные и полускальные углевмещающие толщи.
Углевмещающие породы месторождения представлены отложениями нижнебалахонской (Сі-Сз) и верхнебалахонской (Р2) подсерии балахонской серии. Нижнебалахонская подсерия представлена Острогановской (Сі), Мазуровской (Сг) и Алыкаевской (С3) свитами. За нижнюю границу подсерии приняты конгломераты; выше по разрезу залегают аргиллиты, углистые аргиллиты и песчаники. В отложениях Мазуровской и Алынаевской свит содержится 10 пластов угля рабочей мощности.
Верхнебалахонская подсерия (Pi) представлена четырьмя свитами: Промежуточной (Ріпр), Ишановской (Piuh), Кемеровской (Рцщ,) и Усятской (Ріш). Ишановская и Промежуточная свиты не расчленены и составляют нижний горизонт верхнебалахонской подсерии, включающей толщу от угольного пласта "Двойной" до пласта "Мощный". Кемеровская свита включает основную группу угольных пластов от "Мощного" до "Характерного". Усятская свита включает X пластов рабочей мощности, среди которых самым мощным является "IV Внутренний".
Углевмещающие отложения месторождения представляют собой толщу переслаивания песчаников, алевролитов, угля и аргиллитов. Песчаники обычно имеют мелко - и среднезернистый состав, образуют мощные пачки до нескольких десятков метров с чередующейся слоистостью от косой до горизонтальной. Алевролиты вместе другими породами нередко образуют пачки переслаивания с горизонтальной слоистостью.
Анализируя инженерно-геологические характеристики углевмещающих пород вскрытой толщи месторождения, следует отметить достаточно высокие значения плотности (2,4-2,6 т/м20, временного сопротивления сжатию (30-120 МПа) и растяжению (7-26МПа), углов внутреннего трения (28-35), сцепления (2,5-15,5МПа) и относительно низкие показатели влажности (0,6-7%) и пористости (3-11%). Достаточно высокие прочностные показатели пород связаны с высокой степенью метаморфизма, соответствующей углям марок К и СС, при которой происходит замещение образования карбонатного и карбонатно-сидеритового цемента. Следует отметить, что в литологическом составе вскрышной толщи Бачатского месторождения наибольшее распространение имеют песчаники (до 80%), алевролиты (до 20 %), аргиллиты (до 5 %), суглинки и глины (до 30 %). При ведении вскрышных работ применяются буровзрывные работы с последующей экскавацией материала в автомобили и думпкары. Формирование состава, состояния и свойств пород отвалов "сухой" вскрыши зависят от многих факторов, главными среди которых являются: литология вскрышных пород, технологические схемы разработки месторождения и ведения отвальных работ. Так, при одновременной отработки нескольких уступов пород, разных по литологии (например, песчаников и суглинков), могут возникнуть условия их перемешивания в отвале, и образование крупнообломочных отложений с глинистым заполнителем, либо глинистых пород с включением дресвы и щебня. Технология отвальных работ определяет процессы происходящие в отвальных массивах. Среди процессов, определяющих формирование состава пород на этапе переноса материала от мест его залегания в естественном массиве до места размещения в отвал, одним из основных является дифференциация (сегрегация) породных частиц при движении по откосу отвала, при этом мелкие фракции задерживаются в верхней части откоса, а наиболее крупные скапливаются у основания сооружения. Это приводит к тому, что нижние слои каждого отвального яруса формируются из более крупных кусков горной массы, характеризующихся повышенными фильтрационными свойствами. Другими важнейшими факторами, определяющими состояние и свойства пород отвальных массивов, являются: высота сбрасывания материала, плотность отвальной массы, геометрические параметры сооружения, интенсивность отсыпки и последовательность формирования. Так, установлено, что при увеличении высоты сбрасывания материала с 3 до 25 м возрастает плотность обломочных пород на 7 %, песка 9 % и суглинка 22 %.
Интенсивность ведения отвальных работ оказывает влияние при формировании отвалов из водонасыщеных слабопроницаемых пород или на "слабом" водонасыщенном основании, т.к. при определенных условиях здесь появляется избыточное поровое давление, которое препятствует процессам уплотнения техногенных массивов. Плотность материала, поступающего в отвал, и геометрические параметры определяют напряженно-деформированное состояние в отвальных сооружениях и, естественно, степень уплотнения пород.
На состав, состояние и свойства пород оказывают влияние физико-географические факторы (атмосферные осадки, температура, колебание воздуха). Особенно это характерно для северных районов, где отвальные работы ведутся при низких отрицательных температурах и наличии снежного покрова. В отвалах, отсыпаемых в зимнее время, формируются линзы и прослои с замершей водой в качестве цемента или чистого снега и льда. Влияние климатических факторов на формирование техногенных пород заключается также в эрозионных процессах, которые наблюдаются откосах отвалов, отсыпка которых давно завершена. Так, при отсыпке в Западные и Восточные отвалы разреза произошли оползни с формированием поверхности скольжения по границе старой и новой заходок, т.е. по плоскости, приуроченной к старому откосу. Изучение прочностных свойств образцов, отобранных с поверхности откосов, установлены показатели прочности, близкие суглинку нарушенного сложения (ф=8-120.; с=0,005-0,01 МПа).. Инженерно-геологические исследования отвальных массивов разреза "Бачатский" включали работы по изучению прочности; параметров плотности и деформационных свойств. Плотность крупнообломочных пород отвалов, являющаяся одним из основных расчетных показателей устойчивости, определялись в лаборатории и натурных условиях. В первом случае, отвальные массы содержали: 52-77% песчаника, 10-40% алевролита и 2-18% глинистого наполнителя влажностью от 9,80 до 20,4%. На рисунке 2.1 приведена зависимость плотности пород от уплотняющей нагрузки, из которой видно, что плотность отвальных масс может изменяться в достаточно широких пределах от 1,55 (оупл = 0,05 МПа) до 2 т/м3 (аупл = 0,13 МПа).
Изучение инженерно-геологических условий гидроотвалов
Специфика гидроотвалов при формирование на них отвалов "сухой" вскрыши определяется изменчивостью состава, состояния и свойств намывных пород в пространстве и времени. Поэтому традиционные подходы к изучению техногенных пород обоснованию параметров отвалообразования и технологических схем ведения отвальных работ на гидроотвалах не годятся.
Ю.И. Кутеповым /29/ основана система инженерно-геологического обеспечения отвальных работ в условиями развития гидрогеомеханических процессов (СИГО), которая включает комплекс работ, выполненных в рамках трех направлений: 1) изучение инженерно-геологических условий отвалообразования; 2) обоснование оптимальных параметров отвалов; 3) мониторинг состояния отвальных сооружений. Данная система характеризуется определенной цикличностью в выполнении указанных видов работ, связанной с ведением отвалов отдельными технологическими целиками - ярусами.
С учетом общих принципов данной системы, предлагается СИГО (рис. 3.1) применительно к условиям ведения отвалов "сухих" пород на гидроотвалах, включающая выполнение работ и исследований по трем направлениям.
Работа первого направления имеет целью изучить инженерно-геологические условия отвалообразования: строение, состав, состояние и свойство пород отвалов, гидроотвалов и естественных оснований; гидрогеомеханические процессы, сопровождающие отвальные работы на территориях гидроотвалов. модель объекта с выделением неоднородностей пород: по составу, состоянию и свойствам; характеристики пород массива, а также закономерности их эволюции во времени под действием природных и технологических факторов. ГГМС является основой для обоснования параметров отвалообразования, порядка и интенсивности формирования сооружения, а также прогноза гидрогеомеханических процессов и явлений, возникающих при отсыпке отвалов на территориях гидроотвалов.
Обоснование оптимальных параметров производится с учетом технологических и природных ограничений методом сравнения экономической эффективности по минимуму затрат на отвалообразование в течение установленного срока эксплуатации. Основным используемым методом обоснования параметров является расчет устойчивости сооружения при различных условиях нагружения. Расчеты обычно выполняются с использованием аналитических решений механики грунтов или методами математического моделирования. Для инженерных расчетов разработаны программы на ПЭВМ, учитывающие переменное напряженное состояние и физико-механические свойства пород. Прогнозирование изменения инженерно-геологических условий отвалообразования производится на основе закономерностей, полученных при изучении состояния и свойств пород (см. р.2). Для прогноза изменения напряженного состояния используются решения теории фильтрационной консолидации.
В рамках третьего направления - мониторинга состояния отвальных массивов - выполняются работы по гидрогеомеханическому, маркшейдерскому и технологическому контролю. Гидрогеомеханический контроль включает наблюдения за изменением инженерно-геологических условий отвалообразования с применением натурных и лабораторных методов исследований. Оперативность выполнения работ предопределяет приоритет натурных методов оценки состояния и свойств техногенных массивов. Маркшейдерский контроль обеспечивает наблюдение за изменением геометрических параметров объекта и его деформаций по закрепленным меткам-реперам.
Данные о геометрии отвала, гидроотвала и естественного основания, а также элементов их слагающих используются при построении гидрогеомеханической модели сооружения. Кроме того, система включает работы по контролю соблюдения проектной технологии формирования отвала и параметров отвалообразования Таким образом, предложенная система инженерно-геологического обеспечения отвальных работ на территориях гидроотвалов включает комплекс работ, и исследований, направленных на получение информации о инженерно-геологических условиях отвалообразования в течение всего срока существования отвала, оценку и прогноз устойчивости сооружения на различных этапах его возведения, а также контроль состояния техногенных массивов, выполняемых с целью достижения технико-экономической эффективности, промышленной и экологической безопасности отвальных работ.
Технологическая схема отвалообразования с применением бульдозеров и автомобильного транспорта
Работа по технологической схеме отвалообразования на отвалах с использованием бульдозеров и автомобильного транспорта начинается с формирования пионерной насыпи на породах естественного основания и на дамбах обвалования параметры пионерной насыпи должны обеспечивать ее устойчивость. При этом учитывается возможность прокладки на верхней площадке транспортных магистралей и организации отвальных заходок. Так, при формировании отвалов на гидроотвале «Сагарлыкский» высота насыпи составляла 10-15 м, ширина по верху - 40-50 м, углы откоса - 35-38.
После отсыпки пионерной насыпи на породах естественного основания отвальные работы переносятся на гидроотвал, при этом высота яруса увеличивается до параметров обеспечивающих выдавливания намывных пород из-под насыпи. Для гидроотвала «Сагарлыкский» высота первого яруса на начальном этапе формирования отвала принималась 25 метров, а затем постепенно увеличивалась до 50 м.
На низовом откосе гидроотвала отсыпка отвала должна производится параллельными заходками, при этом первая заходка высотой 10-15 м формируется на породах естественного основания вдоль дамбы первичного обвалования. Следующие заходки отсыпаются частично на поверхности ранее отсыпанных заходок с перемещением оси в сторону откоса. Высота последующих заходок расчитывается из условия обеспечения устойчивости насыпей.
Таким образом, на первом этапе развития отвальных работ на откосе гидроотвала формируется многоярусный отвал, а в остальных частях производится отсыпка пионерной насыпи.
На поверхности отвала дальнейшее складировани вскрышных пород можно вести в режиме контролируемых деформаций с развитием фронта работ в направлении от периферии к центру. При этом весь отвальный фронт разбивается на блоки, последовательная смена которых обеспечивает запас времени для затухания деформаций (рис. 4.2). Ширина блока зависит от моделей автосамосвалов и производительности участка по вскрыше и составляет обычно 60-100 м. Каждый отвальный блок разбивается на две части: зону разгрузок автосамосвалов и зону планировки бульдозеров, работ на которых ведут раздельно.
Работа на каждом блоке ведется до критического состояния, после чего они переносятся на соседний и т.д. Последовательное перемещение рабочих блоков по периметру гидроотвала обеспечивает необходимый фронт работ и запас времени для затухания деформаций. Критическое состояние определяется следующими условиями: 1) полным оконтуриванием оползневого тела трещиной отрыва на верхней площадке и образования вала выпирания у нижней бровки откоса; 2) прогрессирующим характером деформирования откосов (значительное нарастание скоростей смещения).
При формировании первого яруса бульдозерного отвала необходимо соблюдение следующих правил безопасности: а) бульдозер, выполняя планировочные работы, передвигается лишь перпендикулярно верхней бровки яруса; б) на верхней площадке отвального блока должны иметься буксировочные средства (канаты) для аварийной транспортировки автосамосвалов, попавших в зону распространения оползня; в) для уменьшения динамического воздействия автосамосвалов допускается одновременная разгрузка не более трех автосамосвалов; г) обязательно наличие телефонной или радиосвязи отвала с горным участком или начальников смены разреза. д) осуществлять мониторинг безопасности. После завершения строительства первого формируются второй и последующий ярусы. Они могут отсыпаться одновременно, но для исключения статического и динамического влияния ярусов друг на друга от между ними предусматривается берма безопасности. Параметры системы двух ярусов выбираются исходя из условий устойчивости. При возведении второго и последующих ярусов направление подвигания отвального фронта работ в геомеханическом отношении не играет роли и может быть параллельным, веерным, криволинейным.
Общая высота и результирующий угол внешних откосов определяется расчетами устойчивости с учетом процессов консолидации намьюных пород под нагрузкой от отвальной насыпи.
Применительно к условиям гидроотвала "Сагарлыкский" расчетами устойчивости обосноана высота отвалов 150 м (до отметки +450 м) с учетом их формирования тремя отвальными горизонтами: +350 м (первый ярус), +400 м (второй ярус), +450 м (третий ярус). Результирующие углы внешних откосов при этом должны составлять: - в пляжной зоне - 21; - в переходной промежуточной зоне -18; - в зоне пруда-отстойника - 16; Рекомендуемая схема развития отвальных работ на гидроотвале предусматривает развитие отвальных работ при формировании первого яруса в направлении от периферии к центру сооружения (рис. 4.3), направление формирования второго и третьего ярусов может быть любым в зависимости от технологической целесообразности.
Для гидроотвала "Свободный" расчетами устойчивости обоснована отсыпка двух ярусов по 15 м каждый при результирующих углах откосов 18. Рекомендуемый порядок развития первого отвального яруса на намывной поверхности - от периферии к центру, второго - любой.
