CC BY
49
- © A.M. Гальперин, Ю.И. Кутепов,
В В. Мосейкин, 2014
УЛК 622:577.4; 624.131.1:550.4
A.M. Гальперин, Ю.И. Кутепов, В.В. Мосейкин
ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОСВОЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
На основе многолетних гндрогеомеханнческих и инженерно-гео-логнческнх исследований техногенных массивов КМА и Кузбасса реализован комплексный подход к их экологически безопасному освоению, включающий: применение оригинальных средств и способов интерактивного мониторинга; создание методики прогноза состояния намывных и насыпных массивов; гидромеханизированную разработку хвостохранилищ и гидроотвалов как обводненных техногенных месторождений; формирование отвальных насыпей на гидроотвалах; удаление способом гидромеханизации старых гидроотвалов для подготовки угольных месторождений к разработке. Ключевые слова: горнопромышленные отходы, техногенные массивы, гидрогеомеханический мониторинг, экологически безопасное освоение.
Количество ежегодно добываемой на планете горной массы превышает 100 млрд т. Результат такого воздействия — образование техногенных массивов — искусственно сформированных в природном ландшафте геологических тел, сложенных горными породами, отходами обогащения, золами, шлаками, шламами. Размеры земельных отводов крупнейших горнодобывающих предприятий измеряются тысячами гектаров отчуждаемых и нарушаемых земель. Разработка месторождений сопряжена также с потерями ценных компонентов в недрах и при переработке минерального сырья.
Для многоцелевого использования техногенных массивов предлагается осуществлять их экологически безопасное освоение по направлениям:
• гидромеханизированная разработка обводненных техногенных месторождений;
• последующее наращивание намывных сооружений;
18
• рекультивация для сельско- и лесохозяйственных целей или строительства;
• формирование сухих отвалов на намывных основаниях;
• создание объединенных отвально-хвостовых хозяйств;
• обоснование рациональных параметров природно-технических систем (ПТС), включающих прибортовые массивы, гидроотвалы, хвостохранилиша и отвальные насыпи;
• внедрение интерактивного мониторинга с использованием оригинальных технических средств.
Проблема повышения вместимости намывных горнотехнических сооружений и снижения экологического ущерба решалась применительно к объектам КМА. На рис. 1 дан космический снимок горнотехнических сооружений Старо-Оскольского железорудного района КМА. В табл. 1 дана краткая характеристика хвостохранилиш КМА.
Для получения бесперебойной информации об устойчивости наиболее ответственного откосного сооружения хвостохранили-ша — головной дамбы, был внедрен автоматизированный удаленный контроль.
Инженерно-геологические исследования намывного массива заполненного к 1988 г. гидроотвала «Балка Чуфичева», примыкающего к действующему гидроотвалу, позволили установить возможность наращивания этого сооружения примерно на 30 м и размещения дополнительного объема гидровскрыши около 60 млн м3.
Наращивание хвостохранилища Лебединского ГОКа ограничивается возможностями повышения его головной дамбы, максимальная отметка гребня которой -232 м согласно действующему проекту. На рис. 1 показаны стационарные профили гидрогеомеханического контроля по датчикам-пьезодинамометрам (ГК-2 — дамба гидроотвала меловых пород, ГК-3 — головная дамба хвостохранилища).
При формировании ограждающей дамбы на северо-западном и северном участках хвостохранилища предлагается использовать скальную вскрышу и окисленные кварциты (рис. 2). Однако наращивание ограждающих дамб выше отметки 242 м на всей территории хвостохранилища не представляется возможным с учетом ограничений, накладываемых условиями устойчивости головной дамбы.
Выполнено геомеханическое обоснование повышения вместимости хвостохранилища на 365 млн м3, в т.ч. 273 млн м3 хвостов и 92 млн м3 гидровскрыши. Для обеспечения максимальной вмести-
19
Таблица 1
Краткая характеристика хвостохраиилиш на территории КМА
Комбинат Выход хвостов, млн т/год Площадь хвостохранилища, га Максимальная высота дамбы по проекту, м Уложено хвостов (01.01.10.), млн м3 Общая вместимость, млн м3
Лебединский 20 млн т/год при производстве 22 млн т концентрата, 17 млн т при производстве 16 млн т концентрата 1830.0 (в т.ч. гидроотвал — 330.00) 92.0 511.00 В гидроотвал уложено 136.4 782.00
Стойленский 12.8 620.0 74.0 124.00 520.00
Михайловский 19.00 1727.7 59.0 332.00 490.00
Рис. 1. Космический снимок объектов Старо-Оскольского железорудного района КМА: 1 — карьер ЛГОКа; 2 — карьер СГОКа; 3,4 — отвалы вскрышных пород ЛГОКа; 5 — отвалы вскрышных пород СГОКа; 6 — рекультивированный гидроотвал «Березовый лог»(ЛГОК); 7 — хвостохранилише ЛГОКа; 8 — действующий гидроотвал ЛГОКа; 9 — хвостохранилище СГОКа; ГК1-4 — профили гидрогеомеханического контроля
Рис. 2. План северо-западной ограждающей дамбы хвостохраннлиша ПГОКа на перспективном участке намыва хвостохраннлнша: 1 — рекомендуемые НИИКМА контуры низового и верхового откосов ограждающих ламб из порол скальной вскрыши; 2 — фактические контуры намыва хвостохранилища и гилроотвала; 3 — горизонтали рельефа основания хвостохранилища; 4 — ЛЭП; 5 — автодорога; 6 — уточненные с учетом расчетов устойчивости МГГУ контуры низового откоса; У-У- 4'-4' — линии расчетных профилей ограждающих ламб
мости гидроотвала предложено создать в его внутренних зонах две дренажные призмы в соответствии с разработанной в МГГУ технологией, которая применяется при формировании разделительных дренажных дамб хвостохранилища.
На железорудных предприятиях КМА, с позиций размещения на них отвальных насыпей, перспективными являются гидроотвалы № 1-2, «Берёзовый Лог» (ЛГОК), «Михайловский», «Шамаровский Лог» (МГОК). Наиболее крупным из них является гидроотвал «Березовый Лог» (площадь внутренних зон 750 га, общий объем уложенных намывом глинисто-меловых отложений, песков, золошлаков ТЭЦ и отходов рудообогащения — 250 млн м3). При формировании этого гидроотвала использована разработанная кафедрой геологии МГИ-МГГУ и трестом «Энергогидромеханизация» специальная технология [1, 2], которая также обеспечивает достижение несущей способности техногенного массива, достаточной для размещения на нем отвальных насыпей [А.с. 663777, 1979, Патент РФ № 1624093, 1993].
С учетом специфики размещения гидроотвалов Лебединского ГОКа — № 1 и «Березовый Лог» (рядом с руслом р. Осколец и в непосредственной близости к застроенной территории) формирование на них отвальных насыпей следует осуществлять при недопущении возникновения оползней.
В связи с дефицитом земельных площадей для формирования сухих отвалов Лебединского ГОКа перспективными являются территории нарушенных оползнем в 1963 г. гидроотвала № 1 и законсервированного с 1988 г. гидроотвала «Березовый Лог» и, прежде всего его 3-й (южной) секции площадью около 200 га. Территория гидроотвала № 1 (к нему примыкает гидроотвал № 2 из песчаных пород) является менее изученной, однако и здесь проведены весьма значительные работы по изучению намывного массива глинистых пород. Более 5 лет на гидроотвале № 1 функционируют оборудованные МГГУ и ВИОГЕМ контрольные профили с датчиками порового давления и магнитометрической аппаратурой «АМКОД», заложенными в намывных отложениях ядерной зоны. Показания контрольной аппаратуры свидетельствуют о стабильном состоянии намывного массива в процессе дополнительного нагружения. Перспективным объектом для формирования пористого штампа из скальной вскрыши и отходов ее переработки, получаемых ООО «Дорстройщебень», представляется ядерная зона гидроотвала № 1, где планируется
23
размещение отвала рыхлой вскрыши. Площадь ядерной зоны этого законсервированного с 1964 г. гидроотвала составляет примерно 30 га. Проведенная оценка позволяет рекомендовать размещение рыхлой вскрыши на гидроотвале № 1 с использованием в качестве материала пористого штампа отходов переработки на щебень скальной вскрыши (возможно в сочетании с рядовой скальной вскрышей) в объеме около 1,2 млн м3. При этом объем уложенной рыхлой вскрыши составит около 17 млн м3.
Более масштабным является размещение на 3-й секции гидроотвала «Березовый Лог» скальной вскрыши без изъятия дополнительного земельного отвода. При этом на 1-ом этапе отсыпки на площади 200 га возможно размещение до 50 млн м3 вскрыши при сокращении расстояния её транспортирования в среднем на 3,8 км. Размещение яруса скальной вскрыши на 3-й секции гидроотвала ускорит завершение процесса уплотнения его породных масс и обеспечит дальнейшее размещение вскрышных пород при более высоких значениях отметок отвальных ярусов (второй этап отсыпки).
На основе результатов гидрогеомеханического мониторинга разработаны рекомендации по размещению рыхлой и скальной вскрыши на намывных основаниях. При этом открывается возможность существенного сокращения дальности транспортировки вскрыши и соответственно получения значительного экономического эффекта [3, 4].
В Кузбассе, в связи с дефицитом земель для размещения отвалов, территории некоторых намывных сооружений используются под формирование отвальных сооружений. Здесь насчитывается более 40 гидроотвалов и хвостохранилищ, где велись и ведутся отвальные работы (табл. 2). Отвальные насыпи также сформированы на гидроотвале № 3 разреза «Черниговский» (рис. 3, 4), гидроотвалах 1 и 4 разреза «Киселевский», 3-х гидроотвалах разреза «Прокопьевский», хвостохранилище Беловской ЦОФ и др.
В пределах намывных сооружений выделяются несколько участков со сходными инженерно-геологическими условиями. Для гидроотвалов овражно-балочного типа целесообразно выделять три участка: 1) откосные, характеризующиеся наличием относительно прочных насыпных пород дамб и «слабых» отложений намывного массива; 2) краевые, имеющие минимальную мощность «слабых» намывных пород; 3) центральные, характеризующиеся максимальной мощностью «слабых» намывных пород.
24
Таблица 2
Характеристика отвалов на гидроотвалах УК «Кузбассразрезуголь»
№ п/п Наименование гидроотвала и предприятия, использующего его пол сухие отвалы Площадь, га Емкость, 3 млн м Емкость отвала, 3 млн м Фактические объемы, млн м3
1. Сагарлыкский Бачатский 600 100 750 531
филиал
2. Западный Бачатский фи- 270 13,5 150 254
лиал
3. Свободный Бачатский фи- 51 6,2 12 12
лиал
4. Новобачатский Красно- 260 44,2 216 116
бродский филиал
5. Новоалександровский 41 4,1 12 12
Краснобродский филиал
6. Бахтыхтинский Красно- 98 12,3 100 125
бродский филиал
7. Акташский Красноброд- 160 25,6 90 112
ский филиал
8. Колмогоровский Мохов- 152 17 76 76
ский филиал
9. В выработке пл. 1 и 2 100 24,4 18 9,3
Моховский филиал
10. №3 Кедровский филиал 100 24,5 70 7,4
Установлена целесообразность отсыпки первого яруса отвала в направлении от периферии к центру, при этом вначале отвал формируют на наиболее прочном естественном основании с обеспечением устойчивости отсыпаемого яруса. В дальнейшем отвальные работы переносятся на намывные отложения, где допускаются контролируемые деформации откосов. Такая последовательность развития отвала позволяет отжать намывные породы от границ гидроотвала к его центру, обеспечивая создание упорной призмы без наличия зон ослабления. Схема отсыпки отвала, начиная со второго яруса, может отличаться от предложенной для первого яруса и должна базироваться на гидрогеомеханических расчетах консолидации намывных пород и устойчивости откосов для конкретных условий формирования сооружения.
Важным элементом обеспечения безопасности работ является выбор технологического оборудования. Анализ опыта формирова-
25
Рис. 3. Отсыпка отвала на гидроотвале №3 разреза «Черниговский» (зима)
Рис. 4. Отсыпка отвала на гидроотвале № 3 разреза «Черниговский» (весна)
ния отвальных насыпей на намывных основаниях — гидроотвалах разрезов Кузбасса — показывает, что здесь отвалообразование проводится в условиях оползневых деформаций. Поэтому для условий Кузбасса разработаны технологические схемы формирования «сухих» отвалов на намывных основаниях в условиях управляемых оползневых деформаций.
При освоении некоторых месторождений в Кузбассе возникают ситуации, когда для добычи угля требуется частичная или полная ликвидация намывного сооружения. Такая ситуация в Кузбассе проявилась на поле филиала «Кедровский угольный разрез», где под гидроотвалом № 3 установлены запасы угля в объеме 70 млн т, пригодные для разработки открытым способом.
Гидроотвал овражно-балочного типа эксплуатировался в 19581990 гг.; его откосные сооружения состоят из дамбы первичного обвалования и восьми дамб наращивания; максимальная высота в тальвеге лога составляла 53 м, площадь 292 га, емкость 47,8 млн м3. Состав отложений в пределах намывного сооружения позволил разделить в плане намывной массив на зоны песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых пород, а в разрезе толщу намывных пород дифференцировать по консистенции.
Обоснование частичного удаления гидроотвала требует решения двух основных вопросов: 1) создание новой дамбы, разделяющей гидроотвал на участки, подлежащий и неподлежащий удалению (рис. 5, 6); 2) удаление части гидроотвала, предназначенной для отработки.
Отработку удаляемого участка гидроотвала целесообразно осуществлять гидромеханизационным способом. Параметры гидровскрышных уступов обоснованы расчетами устойчивости на основании инженерно-геологического районирования намывного массива. Обоснована высота уступа 15 м в суглинистой и песчано-супесчаной зонах и 5-7 м — в глинистой зоне. Обосновано создание разделительной упорной призмы из пород «сухой» вскрыши, характеризуемых высокими углами внутреннего трения (ф > 30°). Так как верхняя часть гидроотвала сложена отложениями текучей консистенции, предлагается способ переформирования гидроотвала, включающий отсыпку разделительной насыпи в режиме выдавливания основания и замещение намывных отложений насыпными породами [А.С.1465573].
27
II 6
Рис. 5. Принципиальная схема развития горных работ на участке гидроотвала № 3 разреза «Кедровский»: I и II — участки гидроотвала, предназначенный и непредназначенный для отработки; 1 — современный профиль борта; 2 — контур гидроотвала до частичной отработки; 3 — проектный контур ПТС; 4 — горизонты гидромеханизационных работ; 5 — насыпная конструкция, разделяющая гидроотвал; 6 — проектный контур отвала «сухих» пород; 7 — четвертичные отложения основания гидроотвала; 8 — пласт угля, предназначенный для отработки открытым способом
Рис. 6. Формирование насыпи, разделяющей гидроотвал на удаляемый и неудаляемый участки
Механизм выдавливания «слабых» пород из-под насыпей изучался при формировании отвалов «сухой» вскрыши на гидроотвалах Кузбасса. Установлено, что глубина внедрения насыпных пород в намывной массив зависит от высоты отвала и прочности пород основания: а) для относительно прочных супесчаных и суглинистых пород (0,5-0,6)Н (где Н — высота отвала); б) для более слабых глинистых разновидностей (0,6-1)Н.
Инженерно-геологические исследования, выполненные в намывном массиве гидроотвала № 3 после создания разделительной насыпи из песчаников и аргиллитов (рис. 7), показали отсутствие в разрезе текучих пород, которые до формирования присутствовали до глубины 20-25 метров. Под действием веса отвальных пород они уплотнились и превратились в мягко- и тугопластичные породы с показателем сцепления 0,02-0,04 МПа. Для обеспечения устойчивости откоса насыпи предлагается схема ее формирования двумя ярусами параллельно существующей дамбе. Расчеты свидетельствуют,
Рис. 7. Текстура отвальной насыпи из полускальных пород вскрыши на гидроотвале
29
что устойчивость данной системы обеспечивается с коэффициентом запаса выше нормативного при результирующем угле наклона 14° (рис. 5).
Обязательный элемент выполнения работ — гидрогеомеханиче-ский мониторинг, включающий комплексные наблюдения за поро-вым давлением в нагружаемом намывном массиве и деформациями формируемой насыпи [5]. Система мониторинга безопасности включала бурение трех скважин с установкой в них датчиков порового давления.
В марте 2011 г. МГГУ было проведено комплексное зондирование намывного массива гидроотвала № 3 разреза «Кедровский». В порядке развития созданной на данном объекте НПФ «КАРБОН» и ОАО УК «Кузбассразрезуголь» системы мониторинга выполнены следующие работы:
• бурение двух инженерно-геологических скважин в теле гидроотвала № 3 разреза «Кедровский» с отбором образцов для лабораторных испытаний;
• комплексное зондирование в четырех скважинах намывного массива гидроотвала комбинированными зондами МГГУ-ДИГЭС (Патент РФ № 2025559, 30.12.1994 г.) с определением сопротивления сдвигу, порового давления и сопротивления пенетрации техногенных отложений по ГОСТ 20276-99;
• обратные и прогнозные расчеты уплотнения и несущей способности намывного массива для точек зондирования;
• трехосные испытания намывных отложений в приборах трехосного сжатия — стабилометрах УСВ-2 по ГОСТ 12248-96;
• закладка шести датчиков порового давления для развития системы дистанционного контроля состояния намывного массива при его отработке с целью вскрытия запасов угля под гидроотвалом № 3;
• расчеты остаточных осадок и несущей способности намывного массива.
Заключение
Внедрением результатов исследований МГГУ и СПбГИ (ТУ) в регионах КМА и Кузбасса обеспечен оперативный контроль устойчивости дамб и несущей способности слабых оснований, размещено на намывных основаниях свыше 0,5 млрд м3 «сухой» вскрыши, исключено нарушение свыше 5000 га плодородных земель, сокращены на десятилетия сроки рекультивации отвалов.
30
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гальперин A.M. Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях. — М.: Недра, 1988.
2. Гальперин A.M., Дьячков Ю.Н. Гидромеханизированные природоохранные технологии. — М.: Недра, 1993.
3. Гальперин A.M., Панфилов А.Ю., Пуневский C.A. Гидрогеомеханический мониторинг намывных массивов горных пород. РАН // Труды научн. конф. «Сергеевские чтения». 2007. Вып. 9.
4. Гальперин A.M., Панфилов А.Ю., Пуневский C.A., Жилин С.Н. Инженерно-геологическое и геомеханическое обеспечение формирования отвальных насыпей на намывных основаниях // Геоэкология. — 2007. — № 5.
5. Кутепов Ю.И., Кутепова H.A., Мильман Г.Л. Методика и технические средства гидрогеомеханического мониторинга безопасности промышленных гидротехнических сооружений //Инженерные изыскания. — 2009. — № 5. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Гальперин Aнатолий Моисеевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, Московский государственный горный университет, [email protected]
Кутепов Юрий Иванович — доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», [email protected]
Мосейкин Владимир Васильевич — доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, [email protected]
31
