Содержание к диссертации
Введение
Общая характеристика работы 4
1 Состояние вопроса 20
1.2 Негативное влияние терриконов на окружающую природную среду 20
1.3 Механизм возникновения и факторы, вызывающие оползневые деформации 26
1.4 Методы исследований деформаций породных отвалов 32
1.5 Меры технического и технологического характера для обеспечения устойчивости породных отвалов, снижения их вредного воздействия и предупреждения деформаций на озелененных отвалах угольных шахт 34
2 Программа, объекты, методика исследований .
2.1 Цель и задачи исследования 43
2.2 Основные методы и методики исследований 44
2.2.1 Методики изучения деформационных явлений на породных отвалах и методы изучения факторов, влияющих на возникновение деформаций
2.2.2 методы обработки экспериментальных данных 50
2.3 Характеристика исследуемых объектов 56
3 Основные факторы деформаций рекультивированных породных отвалов угольных шахт 64
3.1 Климатические особенности района исследований 64
3.2 Анализ форм породных отвалов угольных шахт Луганской области как причины возникновения деформационных явлений на их поверхности
3.2.1 Анализ породных отвалов на типичность 68
3.2.2 Наличие очагов горения как причина деформаций 72
3.2.3 Исследование углов откосов склонов озелененного породного отвала 73
4 Лесорастительные условия рекультивированных породных отвалов угольных шахт Донбасса 80
4.1 Характеристика лесорастительных условий 80
4.1.1 Химические свойства пород отвала 80
4.1.2 Радиоактивность 83
4.1.3 Физико-механические свойства пород
4.1.3.1 Объемная плотность 86
4.1.3.2 Механический состав 93
4.1.4 Водно-физические свойства 99
4.1.4.1 Водопроницаемость 101
4.1.4.2 Влажность породы 107
4.2 Влияние лесорастительных условий на формирование растительности на породном отвале 117
5 Физическое моделирование водных процессов на поверхности озелененных породных отвалов 125
5.1 Зависимость показателей водного режима от механических свойств породы 125
5.2 Моделирование водных свойств породы и эрозионных процессов при дождях различной обеспеченности 131
5.2.1 формирование стока и смыва со стоковых участков 131
5.2.2 влияние растительности на водный режим породного отвала 141
5.3 Меры по предотвращению оползневых явлений на породных от валах 143
6 Эколого-экономическая оценка разработанных природоохранных мероприятий 155
6.1 Показатели эколого-экономической эффективности природоохранных мероприятий по предотвращиению деформаций породных отвалов 155
6.2 Расчет эколого-экономического ущерба от воздействия терриконов угольных шахт на окружающую среду 156
6.3 Расходы на природоохранные мероприятия 161
6.4 Оценка эколого-экономической эффективности предложенных мероприятий 162 Заключение 165
Библиографический список
- Механизм возникновения и факторы, вызывающие оползневые деформации
- Методики изучения деформационных явлений на породных отвалах и методы изучения факторов, влияющих на возникновение деформаций
- Анализ форм породных отвалов угольных шахт Луганской области как причины возникновения деформационных явлений на их поверхности
- Водно-физические свойства
Введение к работе
Актуальность темы. Высокая интенсивность добычи угля в Донбассе привела к накоплению большого количества отходов в виде породных отвалов. На поверхности отвалов происходят различные процессы, оказывающие негативное воздействие на окружающую среду и прилежащие территории, загрязняя атмосферу, водные объекты, почвенный покров, в том числе пригодных для использования в сельском хозяйстве земель.
Выявление наиболее весомых причин деформаций на недействующих озелененных породных отвалах угольных шахт и разработка технических решений, обеспечивающих равномерное распределение стока на поверхности плоской вершины, для их предупреждения позволяет создать более благоприятные условия для формирования устойчивых фитоценозов, близких к естественным. Снижение риска возникновения и минимизация негативных последствий вредного воздействия отвалов и повышение эффективности защитных лесомелиоративных мероприятий недействующих отвалов является актуальной научно-практической задачей.
Диссертационная работа выполнена в Луганском университете им. Владимира Даля по результатам исследований, проведенных в соответствии с госбюджетной НИР БПР-4-06 «Разработка теоретических и прикладных основ повышения гидроэкологической безопасности урбанизированных и аграрных ландшафтов Донбасса», подпрограмма «Исследование влияния терриконов угольных шахт на состояние водных объектов и обеспечение экологической безопасности терриконовых ландшафтов». А также использованы результаты исследований по заданию 01.02.01-021 «Разработать теоретические основы и компьютерную технологию оценки эрозионной опасности и почвозащитной оптимизации агроландшафтов Украины», являющейся составной частью научно-технической программы 01.02.01-021 «Плодородие, охрана и экология почв» (№ ДР 0106U004781). Автор принимал участие в работах как исполнитель.
Степень разработанности. Изучению негативного воздействия породных отвалов в результате тепловых явлений, водной и ветровой эрозии уделено значительное внимание в работах: Бакланова В.И., Зборщика М.П., Сухаревского В.М., Зубовой Л.Г., Проскурни Ю.А., Гавриленко Ю.М., Осокина В.В. где также рассмотрены отдельные виды деформационных явлений на отвалах.
Для предотвращения и минимизации вредного воздействия породных отвалов проводятся работы по их рекультивации и лесомелиорации. Эти направления широко раскрыты в работах Логгинова Б.И., Ревы М. Л., Моториной Л.В., Панкова Я.В., Ма-наенкова А.С., Келеберды Т.Н., Кулика Н.Ф., Левит С.Я., Трещевского И.В. Создание защитных лесов повысит устойчивость техногенных ландшафтов и преобразует их в квазиприродные. Таким образом, изучение состояния рекультивированных породных отвалов позволит разработать мероприятия, улучшающие лесорастительные условия и повышающие эффективность лесомелиоративных работ.
Цель работы – улучшение экологического состояния поверхности породных отвалов угольных шахт Донбасса путем их фитомелиорации.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи:
1) Проанализировать возможность улучшения экологического состояния
поверхности породных отвалов угольных шахт;
2) Исследовать состояние старых недействующих породных отвалов Дон
басса и распространенность процессов деформации таких объектов;
-
Изучить механизм и факторы деформационных явлений на старых недействующих породных отвалах, на которых была проведена лесная мелиорация;
-
Исследовать влияние физико-механических показателей на водно-физические свойства отвальной породы недействующих озелененных шахтных отвалов;
5) Осуществить физическое моделирование процесса выпадения жидких
осадков, формирования их поверхностного стока как причины оползней и овраго-
образования на склонах и выявить зависимость свойств породы и эрозионных
процессов на породном отвале при ливнях различной обеспеченности.
-
Изучить роль защитных лесонасаждений на породном отвале в предотвращении деформационных явлений.
-
Разработать инженерные мероприятия по регулированию поверхностного стока с породных отвалов угольных шахт и улучшению условий произрастания растительности, определить их эколого-экономическую эффективность.
Объект исследования – породные отвалы угольных шахт и фитоценозы, сформировавшиеся после окончания их эксплуатации и рекультивации.
Научная новизна полученных результатов
1. Впервые изучены факторы, влияющие на формирование и развитие
деформационных явлений на недействующих породных отвалах, построена их
математическая модель, позволяющая прогнозировать склонность породных отвалов
к деформациям;
2. Впервые получены зависимости водно-физических показателей отвальной
породы от ее физико-механических показателей, позволяющие оценить возможность
возникновения деформационных явлений озелененных породных отвалов;
3. Впервые изучены закономерности формирования поверхностного
ливневого стока на озелененных породных отвалах, отличающиеся тем, что для
их получения была использована дождевальная установка с регулируемым
графиком дождя заданной обеспеченности, и позволяющие делать прогноз
возникновения стока и его величины.
Теоретическая значимость результатов исследования. Методика, разработанная на основе проведенных исследований, дает возможность прогнозировать и оценивать величину поверхностного стока с породного отвала. Установленные закономерности позволяют усовершенствовать инженерные мероприятия по формированию плоской вершины и увеличить эффективность озеленения повышением равномерности распределения стока на её поверхности, что позволит создать более благоприятные условия для роста растительности и формирования устойчивого фитоценоза, близкого по видовому составу к природному.
Практическая значимость результатов исследования. Разработанные мероприятия рекомендуется использовать в практике лесомелиорации породных отвалов угольных шахт. Метод расчета количества воды, улавливаемой путем сбора стока атмосферных осадков дает возможность дальнейшего ее использования с целью орошения зеленых насаждений, высаживаемых на этапе биологической рекультивации.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс факультета
естественных наук Луганского университета им. В.Даля в курсе лекций по дисциплинам: «Эрозиоведение» и «Мелиоративное почвоведение», акт от 24.02.15 г.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы следующие методы: натурное наблюдение – для выявления деформаций; методы полевого исследования; лабораторно-аналитический - для определения свойств породы и почвы; физическое моделирование - для изучения закономерностей изменения свойств породы; методы математической статистики - для оценки однородности и достоверности данных наблюдений и экспериментов; математическое моделирование - для разработки модели процесса формирования стока с плоской вершины породных отвалов.
На защиту выносятся следующие положения:
- деформации старых недействующих отвалов угольных шахт являются очень
распространенным явлением, характерные и для озелененных породных отвалов.
- наиболее распространенной причиной деформации породных отвалов
конической и усеченной конической форм является незарегулированный сток,
поскольку мероприятия, проводимые на инженерном этапе рекультивации, не
обеспечивают равномерное распределение влаги по поверхности их плоской
вершины и склонов.
- наряду с обязательным созданием лесозащитных насаждений на породных
отвалах дополнительно необходимо разработать инженерные мероприятия по
регулированию поверхностного стока, что создаст благоприятные условия для
роста растительности на их плоской верхушке и предотвращения
деформационных явлений на склонах.
Личный вклад соискателя заключается в подборе и анализе литературных источников, выполнении полевых и лабораторных исследований, разработке математической модели и методики, используемых при моделировании процесса формирования стока с плоской вершины породных отвалов, статистической обработке данных, апробации материалов диссертации и подготовке к печати научных работ. С участием научного руководителя сформулированы цель, задачи и выводы работы, проведен анализ и обсуждение результатов исследований.
Степень достоверности и апробация результатов диссертации. Достоверность диссертационного исследования базируется на применении статистических методов обработки результатов, в том числе корреляционно-регрессионного анализа.
Основные научные положения работы и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на: IV международной научно-практической конференции «Экономические, экологические и социальные проблемы угольных регионов СНГ» (Краснодон, 2011); VII научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Молодежь. Экология -2011» (Житомир, 2011); II международной конференции «Инженерная биология в современном мире» (Майкоп, 2013); XXIII Международной конференции аспирантов и студентов «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» (Донецк, 2013); Всеукраинской научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Экологическая безопасность государства» (Киев, 2013); Научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Молодежь. Экология -2013» (Житомир, 2013); ІІІ международной научно-практической конференции
молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности-2014» (Москва, 2014); IX съезде Украинского общества почвоведов и агрохимиков (Николаев, 2014).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ с долей участия автора 10,62 п.л., личное участие автора – 50%, в том числе 7 статей, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 монография, 7 в тезисах докладов научных конференций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы из 115 наименований на 11 страницах. Объем диссертации составляет 197 страницы, в том числе 66 рисунков, 45 таблиц.
Механизм возникновения и факторы, вызывающие оползневые деформации
Реструктуризация угольных предприятий, проведенная в последние десятилетия, практически не коснулась уже существующих породных комплексов. Нехватка финансирования природоохранных мероприятий привела к тому, что на сегодняшний день контроль органами Минприроды ведется только за теми породными отвалами, которые отсыпаются, а отсыпанные десятки лет назад недействующие породные отвалы передаются с баланса одного предприятия другому. Контроль же ведется только за породными отвалами, которые представляют значительную опасность для прилегающих территорий. Такие породные отвалы рекультивируются с целью снижения их негативного воздействия в плоские и озеленяются. В настоящее время, в соответствии с законодательством, отсыпка конических породных отвалов не проводится. Отсыпаемые породные отвалы должны иметь плоскую форму и отсыпаться согласно разработанного и утвержденного проекта, что значительно повышает их безопасность [9].
Породные отвалы влияют на все компоненты окружающей среды и на качество жизни людей. Так, одним из главных видов негативного воздействия породных отвалов является изъятие плодородных земель под их размещение. Кроме того, значительную площадь вокруг них занимают защитные зоны. Породные отвалы, которые находятся на балансе угледобывающих и углеобогатительных предприятий Луганской области занимают площадь более чем 3100 га [91]. Это приводит к сокращению сельскохозяйственных угодий, а в результате ветровой и водной эрозии – к загрязнению прилегающих земель и водных источников. В настоящее время установлено, что с 1 га поверхности террикона ветром сдувается до 10 тонн пыли, водными потоками сносится более 35 тонн мелкозема, значительное количество водорастворимых солей, радионуклидов и тяжелых металлов. На расстоянии 0,5 км по периметру отвалов черноземы полностью утрачивают свои свойства на глубину до 0,6 м, в зоне до 5 км происходит накопление тяжелых металлов, потеря гумуса, деградация почв [64]. Изучению вопросов выноса компонентов породы в результате ветровой и водной эрозии их поверхности посвящен ряд современных работ [41-45, 31, 67]. Эти исседования являются наиболее полными, рассматривающими вопросы загрязнения окружающей среды в результате ветровой и водной эрозии поверхности породных отвалов.
Не менее существенным негативным воздействием является самовозгорание и горение породного отвала, вследствие содержания в отвальной массе горючих веществ. Горящие породные отвалы являются одним из основных источников загрязнения атмосферы вредными газами. Среди 234 действующих породных отвалов в 2007 году горело 63, то есть 26,9%. По экспертной оценке, [91] только один интенсивно горящий отвал является источником выделения в атмосферу от 25 до 250 тонн загрязняющих веществ в год: оксида углерода, диоксида серы, сероводорода и оксидов азота, которые в десятки раз превышают допустимые нормы.
Проблема предотвращения самовозгорания осадочных горных пород и тушения пожаров является одной из наиболее актуальных в жизни и производственной деятельности густонаселенных углепромышленных районов Донбасса. В настоящее время нет единого мнения о природе самовозгорания осадочных горных пород. Многие специалисты считают, что причиной самовозгорания пород является их взаимодействие с кислородом атмосферного воздуха. Изучение причин возникновения и развития процессов, сопровождающих горение породных отвалов, является достаточно актуальным. В работах Скочинско-го А.А. [99], Леонова П.А. [55], Саранчука В.М. [96,97], Зборщика М.П. [38,39], Осокина В.В. [39], Проскурни Ю.А. [88], Алехина В.И. [2,3] рассматривается широкий спектр вопросов, связанных с этим процессом.
Основными причинами самовоспламенения и горения породных отвалов считают следующие [55,88]: - наличие в отвале горючих материалов (угля, углистых сланцев, древе сины, соединений серы, в основном пирита и др); - склонность угля и угольных пород к самовозгоранию; - поступление достаточного количества воздуха для окисления горючего материала и аккумуляция тепла окисления.
В работе Проскурни Ю.А. [88] изложены условия, особенности и закономерности самонагревания и возгорания горных пород, их взаимная связь. Определены пути и новые способы предотвращения и пресечения этих опасных и вредных природных явлений на шахтах углепромышленных районов.
Все породы в действующих и недействующих породных отвалах угольных шахт и обогатительных фабрик непрерывно подвергаются воздействию приземного слоя воздуха, в результате чего физико-химические свойства отвальных пород меняются, что приводит к их деформации [104].
В исследованиях, проведенных в последние два десятилетия, вопросам деформации породных отвалов угольных шахт уделялось незначительное внимание, что можно объяснить спадом производства и уменьшением финансирования в угольной промышленности, а также значительным вниманием и ужесточением требований к отсыпке новых крупных породных отвалов. Однако проблема деформации породных отвалов не отодвинулась на второй план, поскольку деформации свойственны не только вновь отсыпаемым отвалам, но и отвалам, давно переведенным в разряд недействующих, на которых была проведена лесомелиорация.
Кроме того, горящие породные отвалы являются потенциально опасными из-за возможности возникновения на них оползневых деформаций в результате горения. Процесс возникновения деформаций на горящих породных отвалах освещается только в работе ученых Леонова П.А. и Сурначева Б.А. [55], в которой рассмотрены основные причины и закономерности возникновения таких деформаций. Вопросы возникновения деформаций на породных отвалах, на которых тепловые явления не происходят, в этой работе не анализируются.
Методики изучения деформационных явлений на породных отвалах и методы изучения факторов, влияющих на возникновение деформаций
Для изучения вопроса о возможности объединения выборок проводили проверку статистической гипотезы об однородности данных выборок случайных величин. С этой целью использованы ранговый критерий типа %2 - критерий Крускала-Уоллиса [14]. Суть этого метода заключается в построении на основе нескольких выборок одной общей. При создании объединенной выборки определяется ранг для каждого значения полученной объединенной выборки. Критерий Крускала-Уоллиса использует статистику Q вида:
Этот критерий является односторонним Q %2кр. Таким образом, если статистика критерия, рассчитанная по экспериментальным данным, больше, чем соответствующее критическое значение кр (a, v), то гипотеза Н0 об однородности выборок на заданном уровне значимости отклоняется и принимается альтернативная Нь В случае двух выборок критерий Крускала-Уоллиса эквивалентен двустороннему критерию Вилкоксона [14,89]. Проверка гипотезы об однородности двух выборок по критерию Вилкоксона проводится аналогично. Рассчитывается нижняя критическая точка сонижн.кр. по справочным данным, верхняя критическая точка сэверхн.кр.(формула 2.20), по исследуемым данным расчитывается Wm6n.- Полученное значение ЖШбЛ сравнивается с критическими точками. Если сонижн.кр WHa6jl соверхн.кр., то гипотеза об однородности является справедливой, в других случаях гипотеза об однородности исследуемых выборок отклоняется и принимается альтернативная: СО верхн.кр = (Щ+П2+\)Щ - СО нижн.кр., (2.20)
В ходе работы был также использован метод математического моделирования, который позволяет установить количественные зависимости факторов в виде математических уравнений. Установление вероятностных зависимостей полученных в ходе исследований данных проведилось методом корреляционно-регрессионного анализа. Анализ уравнения регрессии был проведен с помощью программы Microsoft Excel [46,54]. Данный метод достаточно прост и позволяет быстро и просто с использованием встроенного пакета анализа провести построение графика зависимости параметров и на основании этого графика вывести уравнение регрессии и построить его график (линию тренда). В ходе анализа были построены несколько трендов и выбран в качестве основы прогнозирования такой из них, для которого значение R2 (коэффициента детерминации) было максимальным.
К настоящему моменту за время работы угольных предприятий почти 15400000 т породы складировано в отвалы.
Породные отвалы занимают значительную площадь. Кроме того, значительную площадь занимают защитные зоны вокруг них. На балансе угледобывающих и углеобогатительных предприятий Луганской области насчитывается около 537 породных отвалов, которые занимают площадь более 3100 га [64]. Изъятие площадей для размещения отвалов приводит к сокращению сельскохо 57 зяйственных угодий, а в результате ветровой и водной эрозии поверхности породных отвалов, к загрязнению прилегающих земель и водных источников. На сегодня установлено, что с 1 га поверхности террикона ветром сдувается до 10 т пыли, водными потоками сносится больше 35 т мелкозема, значительное количество водорастворимых солей, радионуклидов и тяжелых металлов. На расстоянии 0,5 км по периметру отвалов черноземы полностью теряют свои свойства на глубину до 0,6 м, в зоне до 5 км происходит накопление тяжелых металлов, потеря гумуса, деградация почв [64].
В работе использованы данные о состоянии породных отвалов угольных предприятий Луганской области, составленные по материалам государственных инспекций охраны труда в угольной промышленности [27].
Горящие породные отвалы являются одним из основных источников загрязнения атмосферы вредными газами. Среди 234 действующих породных отвалов в 2007 году горело 63, то есть 26,9%. По экспертной оценке [64] только один интенсивно горящий отвал является источником выделения в атмосферный воздух от 25 до 250 т в год загрязняющих веществ – оксида углерода, диоксида серы, сероводорода и оксидов азота, которые в десятки раз превышают допустимые нормы. А загрязняют атмосферный воздух в Луганской области 63 горящих отвала. Лесорастительные условия таких породных отвалов практически полностью исключают возможность роста и развития растительности.
Кроме того, эти отвалы представляют повышенную опасность из-за возможности возникновения на них оползней.
Анализ форм породных отвалов угольных шахт Луганской области как причины возникновения деформационных явлений на их поверхности
Луганская область расположена в восточной части Украины в лесостепной и степной зонах с умеренно-континентальным климатом.
Крупнейшая река области Северский Донец. Она берет начало на склонах Курского плато возле города Белгорода и протекает через Белгородскую, Донецкую, Луганскую, Ростовскую области [71].
Рельеф поверхности области имеет вид волнистой равнины, которая начинается с долины Северского Донца и плавно возвышается в северном и южном направлении, переходя в Донецкий кряж, сложенный осадочными породами существовавших здесь древних морей. В долинах рек Миус и Нагольной высота Донецкого кряжа снижается, и восточные склоны сменяются Приазовской равниной. В левобережной части области простирается Старо-бельская равнина. В северные пределы области заходят отроги Среднерусской возвышенности.
Климат Луганской области умеренно-континентальный с выраженными засушливыми и суховейными явлениями. Зима малоснежная, нередко наблюдаются сильные метели и частая смена погоды. Весна ранняя непродолжительная, переходящая в жаркое лето. Осень поздняя и относительно короткая. Средняя годовая температура +7,2 C на севере области и +8,8 C на юге. Средняя температура самого теплого месяца – июля составляет +21,0 C. Средняя температура самого холодного месяца – января достигает –7, 0 C. Длительность безморозного периода составляет 250 дней, а длительность вегетационного периода со среднесуточной температурой воздуха выше +5С – 200 дней. Годовое количество тепла, получаемого земной поверхностью, составляет около 103-104,1 ккал/см2 рассеянной радиации.
В условиях Луганской области характерным является неоднородное распределение осадков по сезонам (общее среднегодовое количество составляет 550 мм). На рисунке 3.1 приведены данные о распределении количества осадков в году по месяцам.
Как видно на рисунке 3.1, летом выпадает до 50% среднегодового количества осадков (в июне, июле 12-15%). Количество осадков уменьшается с запада на восток области.
Среднегодовая интенсивность ливней 2,73 мм/мин., абсолютная – 7,8 мм/мин. [71]. По Луганской области расчетный ливневый сток 10% обеспеченности составляет 15 мм, талый – 53 мм [71].
Общее число дней с осадками колеблется от 130 до 150 в год, причем максимум их приходится на зимний период. Зимой осадки происходят чаще, но интенсивность их мала. Кроме того, отмечаются значительные кратковре 66 менные ливневые дожди, особенно в летнее время, что в значительной степени влияет на возникновение и развитие эрозионных процессов. Снежный покров сохраняется от 90 до 110 дней. Его мощность изменяется на отдельных участках и зависит от рельефа поверхности. На открытых участках средняя высота около 20-26 см.
Средняя скорость ветра в течении года в пределах области составляет 3,5-5,0 м/сек. В холодный период времени преобладают ветры восточного румба со скоростью около 5 м/сек. Восточные ветры содержать очень малое количество влаги, что обычно приводит к весенним суховеям. Среднегодовое содержание влаги колеблется от 6 до 7,5 мм.
На породных отвалах формируется специфический микроклимат. Это связано с их значительной приподнятостью над земной поверхностью (высота терриконов составляет 20-80 м и более). Откосы отвалов имеют крутизну 30-37 . Поверхность отвала в большей степени нагревается под действием солнечных лучей, в летний период поверхность отвалов имеет температуру 60-70С. Также установлено, что скорость ветра у подножия отвала меньше в 4-6 раз, чем на самом отвале [71]. На породных отвалах имеет место дефицит влаги, вызванный значительной крутизной склонов, кроме того под действием воздушных потоков склоны быстро иссушаются.
Породы в отвалах постоянно испытывают воздействие различных факторов, в результате чего происходят деформации различной степени, затрагивающие поверхность, а также более глубокие слои отвала. Наиболее распространенным видом деформаций являются осыпи и размывы, наиболее масштабными являются оползни и обвалы.
В ходе анализа литературных источников и фактических данных о деформациях на отвалах Донбасса были выявлены основные факторы, влияющие на их возникновение и развитие. Эти факторы можно разделить на следующие группы: климатические, геологические (форма, высота, угол откоса и др.), а именно изменение физико-механических свойств породы, горнотехнические и наличие тепловых явлений в массиве отвала. Также был изучен вопрос неоднородности растительного покрова на породном отвале в качестве причины возникновения деформаций поверхности.
Анализ форм породных отвалов угольных шахт Луганской области как причины возникновения деформационных явлений на их поверхности
Согласно литературным данным, оползневые деформации наиболее часто возникают на действующих и недействующих терриконах и хребтовых отвалах [55]. В работе проведен анализ зафиксированных случаев деформаций породных отвалов. Объектами наших исследований были выбраны отвалы с деформационными явлениями Луганской области, типичной для Донбасса. В работе использованы данные о состоянии породных отвалов угольных предприятий Луганской области, составленные по материалам Государственных инспекций охраны труда в угольной промышленности. Из всех породных отвалов, расположенных в Луганской области, были выбраны 27, на которых были зафиксированы деформации.
В ходе работы проведен количественный анализ распространенности оползневых явлений на отвалах различной формы, как одной из причин возникновения их деформаций. Результаты анализа приведены на рисунке 3.2.
На рисунке 3.2 видно, что деформации преобладают на породных отвалах конической формы и отвалах формы усеченного конуса. Наибольший процент отвалов с деформациями конической формы получен для регионального объединения Донбассантрацит (50,0 %), а для формы усеченного конуса и плоских породных отвалов – для объединения Луганскуголь (45,0 % и 45,8 % соответственно).
Водно-физические свойства
Таким образом, можно предположить, что возникновению деформаций способствует сток воды атмосферных осадков на поверхности плоской верхушки отвала, вызывающий избыточное увлажнение породы на отдельных ее участках. Для установления обстоятельств этого явления проведено исследование водопроницаемости и влажности на исследуемом отвале. Водопроницаемость играет большую роль как в жизни почв, так и в сохранении почвенного плодородия. Высокая водопроницаемость обеспечивает впитывание влаги в породу после ливней, таяния снега. Однако излишнее увлажнение отвальных пород может стать причиной возникновения и развития оползневых деформаций породного комплекса. Напротив, низкая фильтрация уплотненных горизонтов способствует образованию поверхностного стока воды, эрозионных процессов, непродуктивному испарению влаги в атмосферу. С целью установления наличия возможного наклона плоской вершины был проведено ее обследование. Были измерены географические координаты и высота породного отвала с использование GPS-навигации и карт Google Еarth Рlanet.
На основании данных обследования и замеров коодинат и высоты участков отвала установлено наличие общего уклона плоской вершины в сторону северного склона и в сторону восточного склона (Приложение 2).
На заранее подготовленных площадках в породу были забиты металлические трубки, в которые заливалась вода в соответствии с методикой Н.А.Качинского [85]. Результаты наблюдений за ее впитыванием фиксировались через 1, 5, 10, 20, 30, 60 мин. По ним были рассчитаны средние значения водопроницаемости за 1, 10, 30 и 60 минут впитывания.Для оценки водопроницаемости породы использована шкала Н.А.Качинского, результаты оценки приведены в таблице 4.13 и на рисунке 4.15.
Водопроницаемость мм/час Участок за время мин. Уравнение зависимости R2 10 20 30 60 с редняя ЗО 10 60 Тело оползня северного 469 273 217 156 86,6 386 276 233 Y = -92,21п(х)+476,2 0,993 склона Тело оползня южного склона 528 311 232 169 89,3 379 310 266 Y=-106,31n(x)+537,8 0,993 Контрольный участок оползня северного 341 120 83,6 59,9 27,0 324 133 116 Y=-20,lln(x)+l 16,62 0,936 склона Контрольный участок оползня южного 482 298 222 165 81,4 362 286 249 Y=-96,21n(x)+495,82 0,986 склона Линия отрыва оползня северного 93,6 71,1 48,2 41,3 22,6 71,0 56,7 45,6 Y=-16,91n(x)+98,632 0,961 склона Как видно из таблицы 4.13 и рисунка 4.15, максимальное значение величины водопроницаемости на линии отрыва зафиксировано в первую минуту наблюдений с последующим стремительным спадом и наступлением стабилизации. Теснота связи между величиной водопроницаемости и временем фильтрации воды подтверждается высоким значением коэффициента детерминации R2.
При выпадении жидких осадков на сухую поверхность водопроницаемость в начальный момент времени играет определяющую роль при их впитывании. Впитывание происходит до тех пор, пока поры почвы не заполнятся водой, а фильтрация – после их заполнения и образования сплошного потока жидкости. Однако в природе эти два процесса нельзя отделить, поэтому понятие водопроницаемости включает оба процесса. В случае, когда интенсивность выпадающих ливней превышает интенсивность впитывания, возникает поверхностный сток воды и разрушение склонов в результате водной эрозии [85].
Наиболее высокие значения водопроницаемости в первый час наблюдений зафиксированы для участка тела оползня оползневой зоны южного склона – 266 мм/ч, водопроницаемость данного участка может быть охарактеризована как наилучшая, а в первую минуту – 528 мм/ч – как излишне высокая. Наименьшее значение величины водопроницаемости за первый час зафиксировано на линии отрыва (поверхности скольжения) оползневой зоны северного склона – 45,6 мм/ч и может быть охарактеризовано как удовлетворительное. Средние величины водопроницаемости за первые 10 минут приведены на рисунке 4.16. Рисунок 4.16 – Средние значения водопроницаемости на исследуемых участках Для дальнейшего анализа и оценки полученных данных была проведена проверка данных на однородность и рассчитаны статистические показатели выборок данных для каждого исследуемого участка. В таблице 4.14 приведены основные статистические показатели, рассчитанные для выборок данных величин водопроницаемости на исследуемом породном отвале. Значение коэффициента вариации для выборок данных не превышает 13 %, что говорит об очень высокой однородности полученных результатов.
Проверка данных на однородность была проведена с использованием t-критерия Стьюдента [111], в результате чего установлено, что все элементы выборок относятся к генеральной совокупности данных.
Место измерения Статистические показатели телооползняюжногосклона контрольныйучастокоползняюжного склона телооползнясеверногосклона линияотрываоползнясеверногосклона контрольныйучастокоползнясеверногосклона
Для дальнейшего анализа и оценки полученных данных была проведена проверка данных на достоверность. Данные о величине водопроницаемости были сгруппированы и разбиты на интервалы, кроме того были определены пределы частичных интервалов и соответствующие им эмпирические частоты. Для проверки полученных данных на соответствие нормальному закону распределения были выдвинуты прикидочная (на основе значения коэффициента вариации) и основная (использовались значения асимметрии и эксцесса) гипотезы [14]. Как видно из таблицы 4.14, значения коэффициента вариации не превышают 33%, следовательно, нет оснований отвергать гипотезу о нормальном распределении анализируемых данных.
Тело оползня южного склона -0,07 -1,59 1,78 3,56 + - + Контрольный участок оползня южного склона -0,38 -1,34 1,78 3,56 + - + Тело оползня северного склона 0,32 -0,76 1,78 3,56 + - + Линяя отрыва оползня северного склона -0,08 -0,51 1,73 3,46 + - + Контрольный участок оползня северного склона -0,01 -1,28 1,73 3,46 + - + На рисунках 4.17 и 4.18 приведены эмпирические и теоретические частоты нормального распределения значений водопроницаемости. Согласно полученным результатам, сравниваемые эмпирические и теоретические распределения близки. Для подтверждения данной гипотезы рассчитан критерий х2 (таблица 4.16) и найдено его критическое значение х2кр (, n).
Таким образом, в ходе исследований выявлены закономерности изменения водопроницаемости породы отвала во времени и построена математическая зависимость процесса водопроницаемости от времени просачивания воды. Кроме того, установлено, что наиболее высокие значения водопроницаемости в первый час наблюдений зафиксированы для участка тела оползня оползневой зоны южного склона и она может быть охарактеризована как наилучшая, а в первую минуту как излишне высокая. Наименьшее значение величины водопроницаемости за первый час зафиксировано на линии отрыва (поверхности скольжения) оползневой зоны северного склона и может быть охарактеризовано как удовлетворительное.