CC BY
46
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ “НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97"
МОСКВА, МГГУ. 3. 02. 97 — 7. 02. 97 СЕМИНАР 2 “РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТАХ"
Ю.В. Кириченко, А.А. Саркисян
Московский государственный горный университет
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ГИДРООТВАЛА “ЛОГ ШАМАРОВСКИЙ” МИХАЙЛОВСКОГО ГОКА
В 1994 - 1996 г.г. кафедрой геологии МГГУ проводились исследования по обоснованию подготовки территории гидроотвала “Лог Шамаровский” и других намывных объектов МГОКа к рекультивации при условии обеспечения экологической безопасности при производстве и после завершения работ.
В качестве основных задач были поставлены:
- минимальная продолжительность рекульгивационных работ;
- обеспечение экологической безопасности объекта на всех этапах его существования;
- использование основного технологического оборудования с целью минимизации капитальных затрат.
Решение поставленных задач достигается путем проведения инженерногеологического районирования техногенного массива на основании данных по составу, состоянию и свойствам намывных грунтов, их способности изменяться во времени и пространстве (в том числе под воздействием внешних сил) и восприимчивости намывных масс к целенаправленному воздействию для различных вариантов дальнейшего использования их территорий [1,2].
Формирование гидроотвала в логе “Шамаровский” производилось с 1977 г. по 1993 г. Гидроотвал овражнобалочного типа, образован в результате отделения части хвостохранилища на р. Песочной. Хвостохранилище отделено от гидроотвала намывной дамбой из хвостов обогащения с пригрузкой из окисленных некондиционных кварцитов.
Интенсивность намыва гидроотвала составляла порядка 1-2 м/год в зависимости от времени производства работ и объемов вскрышных пород. Состояние массива гидроотвала в логе “Шамаровский” характеризуется следующими специфическими особенностями:
формированием техногенной толщи тонкодисперсных грунтов за период около 15 лет при различной интенсивности намыва;
- слоистым фракционированием грунта при намыве, обусловленным различным местоположением выпусков пульпы, меняющейся дальностью транспортирования (до 4 км), технологиями намыва и др. факторами, что определило весьма сложную пространственно-временную изменчивость структуры, текстуры, прочностных и деформационных характеристик техногенных отложений;
концентрацией значительных объемов слабых водонасыщенных грунтов (более 60% от общего) во внутренних зонах гидроотвала (расстояние от дамбы более 800 м), что препятствует быстрому последующему использованию его территории.
За период производства гидровскрышных работ в гидроотвал общей площадью около 250 га уложено 21 млн м3 вскрышных пород - супесей и лессовидных суглинков четвертичного возраста.
Исходя из многолетнего опыта работ, проведенных кафедрой геологии МГГУ на аналогичных объектах горнодобывающей промышленности КМА, Кузбасса, Кривбасса, Вяземского ГОКа
Стройматериалов и др. был определен комплекс исследований, включающий:
- топо-геодезические работы;
- натурные исследования свойств намывных толщ;
- отбор проб и проведение лабораторных экспериментов.
Основной объем экспериментальных исследований выполнялся в полевых условиях на гидроотвале “Лог Шамаровский”, где в 1995 - 1996 г.г. было пройдено более 370 пог. м зондировочных, инженерно-геологических (с отбором образцов) и наблюдательных скважин.
В ходе натурных исследований использовались модификации комбинированных зондов конструкции МГГУ-ДИГЭС, позволяющие производить регистрацию показателей и ее первичную обработку в автоматическом режиме при помощи Устройства Сопряжения Пенетрометра (УСП) с компьютером типа “Ноутбук”.
В 1996 г. с использованием вычислительной техники проведены работы по автоматизации полевых измерений и обработки их результатов. Усовершенствована процедура определения частот колебаний струн, применяемых в зондах датчиков и вывода на экран и на принтер графиков значений измеряемых параметров в зависимости от глубины зондирования. Также разработано программное обеспечение для построения планов картируемых поверхностей.
Результаты исследований дополняются данными режимных наблюдений, поступающих со специально оборудованных стационарных скважин. Динамика осадок намывного массива определяется путем регулярного проведения топо-съемок поверхности гидроотвала.
В целях эффективного использования территорий гидроотвалов необходимо обладать исчерпывающей информацией о состоянии намывного массива и уметь прогнозировать поведение намывных оснований во времени, для чего надо располагать данными об уплотняемости тонкодисперсных масс. Важнейшими ха-
рактеристиками уплотняемости грунтов являются коэффициенты сжимаемости (а) и консолидации (Cv), с использованием которых выполняются расчеты избыточного порового давления (Ри) в отдельных точках массива, степени уплотнения (U) и осадок породных слоев (S) [3,4].
Зондированием 1995 - 1996 г.г. выявлено наличие избыточного порового давления в скважинах № 9, 10, 11 и других, расположенных на периферийных (по отношению к головной дамбе) участках гидроотвала.
При обработке результатов зондирования определены значения степени уплотнения U как отношение площадей эпюр эффективных напряжений на момент зондирования t и стабилизации осадки:
Т1_ ЧРэФ(0]
wM
где: w[P,$(t) = [Per] - w[P„];
w[P3<}>(t) = 0,5 у' h2; у ’ - плотность намывных грун тов; h - мощность намытого слоя; W[PH] - площадь эпюры избыточного порового давления ( по данным полевых измерений). Мощность намывного массива h определилась с учетом изменчивости всех трех измеряемых параметров (qcp, т, и
Р„).
Разработанная в МГГУ методика получения коэффициента консолидации Cv (м2/сут.) путем обратных расчетов через полученную по натурным наблюдениям величину степени уплотнения U, позволяет с достаточной достоверностью оценивать и прогнозировать состояние намывного массива во времени.
Для обратных расчетов Cv по данным натурных замеров использовалось полученное А.М. Гальпериным решение задачи об “отдыхе” намывного слоя на водоупоре (под действием собственного веса грунта) [ 5 ]. Значения Cv определялись через показатели
к = ю и А = И у„ ,
4Ь
где Ь - мощность намывных грунтов, м;
- время “отдыха” гидроотвала после окончания намыва, лет;
Ун - скорость намыва, м/сут. (в расчетах принято среднее значение Ун, равное 1,7 м/год = 4,66 103 м/сут.)
Применительно к условиям гидроотвала “Лог Шамаровский” на 1ВМ РС выполнялись обратные расчеты коэффициента консолидации Су для зондировоч-ных скважин полевых сезонов 1995 - 1996 г.г. Исходные данные и результаты обратных расчетов коэффициента консолидации намывных масс в виде функции Су = Г(и, К, А) представлены в табл. 1.
Наличие лишь одной измерительной точки (скв. 9) на границе пляжной и промежуточной зон не позволило определить точные параметры нелинейной фильтрационной консолидации (Су0 и X) для пляжно-промежуточной зоны. Однако, на основе полевых исследований в 1995 - 1996 г.г можно принять для пляжной и пляжно-промежуточной ЗОН Су «
0,13 м2/сут.
Эти данные необходимы при прогнозировании продолжительности “отдыха” намывных тонкодисперсных грунтов для оценки возможности дальнейшего использования территорий гидроотвалов. При этом большое значение имеет несущая способность намывных масс и ее изменение во времени. Под несущей способностью понимается способность намывных масс выдерживать дополнитель-
Обратный расчет коэффициента консолидации намывных масс
Таблица I
Зона Яг СКВ. Ьо, м .чет К, сут/мг А, м1/сут и V», м/сут с„ м2/сут
Пляжно-проме- жуточная 9 16 2.0 7.036 0.075 0.887 0,0047 0.132
Промежуточ- 10 13.8 2.0 9.458 0.065 0.670 0.0047 0.048 1
ная 20 8.0 2.5 35.180 0.038 0.930 0.0047 0.049
24 7.0 3.0 55.139 0.033 0.980 0.0047 0.050
Промежуточно- 11 13.6 2.5 12.173 0.064 0.610 0.0047 0.035
прудковая 12 12.5 2.5 14.410 0.059 0.660 0.0047 0.036
26 4.5 3.0 133.422 0.021 1.000 0.0047 0.037
Прудковая 13 10.5 2.5 20.422 0.049 0.660 0.0047 0.023
14 10.0 2.5 22.515 0.047 0.690 0.0047 0.0232
22 5.5 3.0 89.316 0.026 0.970 0.0047 0.024
На основании обратных расчетов установлены зависимости коэффициента консолидации Су (м2/сут) от уплотняющей нагрузки ц(кг/см2) вида СУ = Суо ехр(-хч) для зон (рис. 1):
промежуточный промежуточно-прудковый прудковый
СУ = 0,05 ехр<-0 06ч>
Су = 0,038 ехр<-" 09ч> Су = 0,025- ехр(-°'|4ч)
но нагрузку без проявления пластических деформаций выпирания.
Несущая способность определяется суммарным эффектом ряда факторов, как искусственных (мощность намывных грунтов, время “отдыха” и, как следствие, - степень уплотнения), так и естественных (гранулярный состав, плотность, влажность, параметры сопротивления сдвигу и т.д.).
Рис. 1. Полученные с помощью обратных расчетов графики зависимостей Су(д) соответственно для прудковой (1), промежуточно-прудковой (2) и промежуточной (3) зон
Для оценки максимальной несущей способности основания формула Пран-дтля-Рейснера представлена в виде:
Ркр/С = [(a+ctg(p) (l+sin<p) exp (7ctgcp) --ctgcp( 1 -sin(p)] / (l-sin(p).
С использованием результатов трехосных неконсолидированно-недрени-рованных испытаний и перестроенных в эффективных напряжениях графиков х = f(a), полученных при крыльчатом зондировании с замером порового давления, определены значения С и ф грунтов промежуточной и прудковой зон при U « 0 и U» 1.
Так как степень уплотнения на-
мывных отложений пляжной и пляжнопромежуточной ЗОН и « 1, ТО Рдоп определяется с помощью графика Прандтля-Рейснера [5]. Установлено, что Рдоп = 1,5 кг/см2 обеспечивается для пляжной зоны при ос=0 и для пляжно-промежуточной зоны (точнее, ее ближайшей к прудку половины) при а = 0, 5-1.
Произведены расчеты изменений во времени несущей способности РдопОо) и остаточных осадок БостОо) для 3-х зон гидроотвала, в пределах которых намывной массив к сентябрю 1996 г. находился в нестабилизированном состоянии. Для расчетов принята максимальная мощность намывного массива в пределах рассматриваемых зон.
Рис. 2. Карта инженерно-геологического районирования территории гидроотвала “Лог Шамаровский ”.
1 - пляжная зона; 2 - пляжно-промежуточная зона; 3 - промежуточная зона; 4 - промежуточно-прудковая зона; 5 - прудковая зона; б - зеркало воды;
1 - рекультивированный участок; 2 - граница между инженерно-геологическими зонами; 3 -граница между подзонами; 4 - инженерно-геологические профили
мущественно по данным вращательных срезов), характеристики сжимаемости (коэффициенты сжимаемости и консолидации).
Карта инженерно-геологического районирования территории гидроотвала дана на рис. 2.
Для разграничения пляжно-промежуточной и промежуточной зон гидроотвала также использовались результаты измерения осадок по профилю 1-1 в 1995 -1996 г.г. и порового давления. В окрестности пикета 11 (между скважинами 9 и 10) в сентябре 1996г. остаточные осадки намывного массива не были зафиксированы. Осадки намывного массива по профилю 1-1 продолжались в 1996 г. для пунктов между СКВ. 10 и водной зоной (рис. 3). На рисунке также показаны степени уплотнения намывных грунтов, полученные по результатам зондирования гидроотвала и остаточные осадки техногенного массива (Бост).
Наличие информации о Б ост ПОЗВО” ляет проектировать форму восстанавливаемой поверхности гидроотвала, исключающей его последующее заболачивание из-за формирования мульд оседания.
Знание зависимостей РДоп(0 позволяет выбирать оптимальный режим ре-культивационных работ (рекультивации) и разрабатывать мероприятия по формированию консолидации сильносжимае-мых намывных грунтов для обеспечения ускоренного использования территорий гидроотвалов.
ВЫВОДЫ
1. Выполнен широкий комплекс полевых и лабораторных исследований намывных грунтов гидроотвала МГОКа, включавший определения прочностных и деформационных характеристик, показателей водно-физических свойств и гранулярного состава.
2. Установлена пространственновременная изменчивость свойств и состояния намывных грунтов, проявляющаяся в различиях характеристик сжи-
маемости и, соответственно, степени уплотнения, сопротивления сдвигу и несущей способности техногенного массива в пределах различных участков гидроотвала общей площадью около 200 га.
3. Из обратных геотехнических расчетов по результатам полевых измерений порового давления зондами МГГУ
- ДИГЭС установлены параметры нелинейной фильтрационной консолидации (Су0 и X) в зависимости коэффициента консолидации СУ от уплотняющей нагрузки ц вида Су = Су0 ехр(-хч) для различных зон гидроотвала.
4. На основании анализа результатов проведенных экспериментальных исследований в пределах территории гидроотвала выделены шесть инженерногеологических участков в пределах пляжной, промежуточной и прудковой зон. С учетом инженерно-геологической зональности дана оценка во времени несущей способности и остаточных осадок намывного массива.
5. Усовершенствованы технические средства и методы комплексного зондирования намывных отложений гидроотвалов и хвостохранилищ, что позволяет сократить трудоемкость и время полевых испытаний и обработки результатов путем автоматизации процесса измерений и применения ПЭВМ.
6. Материалы инженерно-геологического районирования использованы при разработке рекомендаций по порядку и направлениям рекультивации территории гидроотвала.
Предложенные технологические решения предусматривают отсыпку плодородного слоя при доставке его колесным транспортом на территории пляжной зоны и применение гидромеханизированного способа при горнотехнической рекультивации части промежуточной и прудковой зон, а также создание орнитологических прудов в пределах прудковой зоны.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бондарик Г.К. Методика инженерногеологических исследований. М., Недра, 1986.
2. Гальперин А.М., Дьячков Ю.Н. Гидромеханизированные природоохранные технологии. М., Недра, 1993.
3. Зарецкий Ю.К. Вязко-пластичность грунтов и расчеты сооружений. Москва, Строй-издат, 1988.
4. Гальперин А.М., Шафаренко Е.М. Реологические расчеты горнотехнических сооружений. М., Недра, 1977.
5. Гальперин А.М. Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях. М., Недра, 1988.
© Ю.В. Кириченко, А.А. Саркисян
