CC BY
28
- © Т.Н. Коробанова, 2015
УДК 551.435.627+624.131
Т.Н. Коробанова
МОНИТОРИНГ ОПАСНЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ОТВАЛА ФОСФОГИПСА БАЛАКОВСКОГО ФИЛИАЛА АО «АПАТИТ»
Приведены особенности инженерно-геологических и гидрогеологических условий формирования отвала фосфогипса в г. Балаково. Отмечено, что для обеспечения безопасности и экономической эффективности складирования отходов химической промышленности необходимо прогнозирование деформаций отвалов и своевременное предупреждение развития опасных геодинамических процессов. Тема актуальна для предприятий ОАО «ФосАгро», в частности, для Балаковского филиала АО «Апатит>, где в настоящее время формирование отвалов осложнено активным развитием деформационных процессов. На основании же мониторинга установлены причины и закономерности их развития.
Ключевые слова: мониторинг, фосфогипс, отвалообразование, инженерно-геологические условия, гидрогеологические условия, физико-механические свойства, деформации, подподошвенные оползни.
Предприятие расположено в г. Балаково Саратовской области. Оно является одним из крупнейших производителей аммофоса - сложного азотно-фосфорного удобрения, а также другой продукции, пользующейся широким спросом как на внутреннем рынке, так и за рубежом. При этом на каждую тонну выпускаемой полезной продукции приходится 4,5 т побочного продукта - фосфогипса, который вывозят в отвал. Отвал предприятия представляет собой многоярусное сооружение, занимающее площадь 127 га; его высота в настоящее время достигает 60 м (в центре), приближаясь к проектным отметкам. Остро стоит вопрос дальнейшего размещения отходов, наиболее рациональное решение которого видится в увеличении высоты сооружения в пределах отведенного под него земельного отвода. Однако возможность наращивания отвала является проблематичной из-за развития опасных деформаций на внешних откосах, которые стали проявляться в последние годы.
Для изучения опасных геодинамических процессов организованы инструментальные геодезические наблюдения по 8 реперным линиям, заложенным на участке развития оползневых деформаций. Измерения проводились регулярно с 2010 по 2014 гг. с периодичностью раз в полгода. Интерпретация результатов наблюдений показала, что деформации откосов отвала обусловлены одновременным развитием двух геодинамических процессов: осадками, вызванными гравитационным уплотнением насыпного фосфогипса, и оползневыми смещениями, проявляющимися с различной интенсивностью в зависимости от высоты отвального яруса.
Осадки отвала фиксируются повсеместно, что подтверждено результатами лазерной сканирующей съемки поверхности отвала. Интенсивность вертикальных смещений возрастает со временем по мере увеличения высоты отвала. При отсыпке первого яруса высотой 15 м скорость оседания его поверхности составляла 25 см/год;
при высоте отвала от 40 до 50 м вертикальные смещения интенсифицировались до 160 см/год. За последние 2,5 года поверхность отвала осела на 4-6 м. Установленные натурными измерениями чрезмерные осадки отвала следует рассматривать как закономерное явление, неизбежное в силу специфики складируемого материала, характеризующегося высокой пористостью и сильной сжимаемостью. Прогнозирование осадок позволяет учитывать их в технологической схеме отвалообразования и обосновании устойчивости откосов отвала. При таком подходе осадки не влияют на безопасность горных работ, а, наоборот, носят положительный характер, т.к. увеличивают емкость сооружения в пределах отведенного под него земельного отвода.
За период эксплуатации 35 лет (до 2009 г.) оползневых деформаций на отвале не зафиксировано, внешние откосы находились в устойчивом состоянии при высоте до 40 м и углах 27-280. Наращивание отвала свыше 40 м повлекло развитие на откосах горизонтальных смещений, усиливающихся на участках активного ведения горных работ вплоть до образования оползневых деформаций подподо-швенного типа. К 2013 г. участок отвала протяженностью 120 м находился в опасном состоянии, отва-лообразование на нем прекращено, предприняты меры по стабилизации деформаций [2].
Инженерно-геологические условия устойчивости отвала фосфогипса определяются следующими особенностями. Техногенный массив отвала характеризуется неоднородным строением; по физическим показателям, структурированности и механическим свойствам выделено 4 инженерно-геологических элемента: 1а - слабопроницаемый псевдосплошной фосфогипс («корка»); 1б - дезинтегрированный «сухой»
фосфогипс; 1в - трещиноватый водо-насыщенный фосфогипс; 1г - псевдопластичный фосфогипс. Естественное основание отвала представлено верхнечетвертичными отложениями второй надпойменной террасы р.Волги (хва-лынскими суглинками и глинами): ИГЭ 2 - делювиальные суглинки мощностью до 3 м; ИГЭ 3 - лиманно-морские шо-коладноподобные глины мощностью 3-5 м; ИГЭ 4 - аллювиальные голубые суглинки мощностью 4-6 м.
В техногенном массиве отвала развит водоносный горизонт, приуроченный к ИГЭ 1в и ИГЭ 1г. Водоносный горизонт имеет мощность от единиц метров на краях откосов отвала до 40 м в центре. Высокая обводненность тела отвала (до 80% по мощности) обусловлена складированием фосфогипса с большим содержанием свободной воды и затрудненными условиями дренирования массива ввиду низкой проницаемости откосов отвала и грунтов основания. В общем инфильтрационном питании техническая вода составляет 60%, атмосферная - 40%. По данным натурных наблюдений уровень техногенного водоносного горизонта повышается с ростом высоты отвала на 0,5 м в год (в последние 4 года), что ведет к увеличению напора в грунтовом водоносном горизонте. Разгрузка техногенных вод осуществляется через основание отвала. По периметру отвала фосфогипса в делювиальных суглинках возведена противофильтрацион-ная завеса (ПФЗ) - дамба, по оси, которой сооружен «зуб» методом «стена в грунте» [1].
Анализ инженерно-геологических и гидрогеологических условий от-валообразования позволил выявить основные факторы, способствующие снижению устойчивости откосов отвала - это высокий уровень техногенного водоносного горизонта в теле отвала и «слабое» основание, представленное
набухающими хвалынскими глинами и суглинками, склонными к снижению параметров прочностных свойств при разрушении их структуры и обводнении. Визуальными наблюдениями на отвале установлено, что активному развитию оползней предшествует выход фильтрационных вод у нижней бровки отвала с последующим поднятием поверхности естественного основания. Анализ результатов численного эксперимента по моделированию НДС пород отвала и основания с учетом повышения уровня техногенного водоносного горизонта, позволил установить, что при достижении высоты откоса 40 м в грунтах основания формируется локальная зона, в которой градиенты фильтрации превышают критические значения, определяющие фильтрационную прочность суглинков. Зона локализуется в верхнем слое суглинков, более проницаемом (Кф = 10-3 м/сут) относительно ниже лежащих шоколадоподобных глин (Кф < 10-5 м/сут).
В этой зоне под воздействием гидродинамического давления происходит частичное разрушение структуры делювиальных суглинков, ослабление их прочности, в результате чего их несущая способность снижается, и они отдавливаются из-под отвала. Развитие сдвиговых смещений сопровождается также структурными нарушениями в кровле слоя шоколадоподобных глин, что обеспечивает возможность их набухания за счет дополнительного впитывания фильтрационных вод. Таким образом формируется выраженная поверхность ослабления в толще основания отвала - это контакт между слоем суглинков и глин, по которому происходит оползневое смещение с образованием вала выпирания.
Совместный анализ результатов геодезических наблюдений и моделирования гидрогеомеханических процессов позволил выделить три стадии
развития опасных геодинамических процессов, охарактеризовать их визуальными признаками и количественными характеристиками, определяемыми инструментальными наблюдениями:
1 стадия (подготовительная) - нарушение фильтрационной прочности грунтов слоя делювиальных суглинков, сопровождающееся выходом фильтрационных вод на дневную поверхность. Визуальным признаком является заболачивание участка земли между нижней бровкой отвала и ПФЗ. Инструментально фиксируются преимущественно вертикальные смещения верхней бровки с интенсивностью 2,5-6,5 мм/сут, обусловленные уплотнением насыпных пород; деформации основания у нижней бровки отвала - в пределах точности измерений. Технологические условия проявления - высота отвального яруса менее 40 м.
2 стадия (начальная) - оседание откоса отвального яруса без разрыва сплошности насыпного массива, обусловленное выдавливанием грунтов основания. Визуальные признаки -подъем поверхности основания у нижней бровки отвала, деформации изгиба стенок дренажной канавы. Инструментально фиксируются как вертикальные осадки верхней бровки с интенсивностью 3-10 мм/сут, так и поднятия нижней бровки со скоростью 0,1-1,0 мм/сут; вертикальные смещения нижней бровки не превышают 10-30% от смещений верхней бровки; на участке за ПФЗ - деформаций нет. Диагностическим признаком является нарастающий характер горизонтальных смещений нижней бровки в сторону от отвала с интенсивностью от 0,3 до 2,0 мм/сут при слабо выраженном нарастании скоростей горизонтальных смещений верхней бровки 0,04-1,0 мм/сут. Высота отвального яруса 40-42 м.
3 стадия (активная) - развитие оползней подподошвенного типа с
образованием вала выпирания. Визуальные признаки - нарушение устойчивости откоса отвала с отчленением оползневого тела, обнажение разреза четвертичных грунтов в вале выпирания, разрушение дренажной канавы. Инструментально фиксируются вертикальные осадки верхней бровки с интенсивностью 3-11 мм/сут, поднятия нижней бровки со скоростью 1,2-3,5 мм/сут; вертикальные смещения нижней бровки составляют более 50% от осадки верхней бровки.
1. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: «Выполнить изучение инженерно-геологических условий и разработать рекомендации по оптимизации параметров отвалов ООО «Балаковские минеральные удобрения». - СПб., 2010.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Диагностическим признаком является синхронное возрастание горизонтальных смещения верхней и нижней бровок до скорости 1,5-3,7 мм/сут. Высота отвального яруса 47-48 м [2].
Таким образом, на основании мониторинга установлены причины и закономерности развития опасных геодинамических процессов, осложняющих ведение горных работ при формировании отвала фосфогипса, что позволяет в дальнейшем разработать методы их прогнозирования.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: «Внедрение на ООО «БМУ» системы мониторинга устойчивости отвала фосфогипса с одновременной оценкой количества размещаемого материала». - СПб., 2012. ЕИЗ
Коробанова Татьяна Николаевна - аспирант, e-mail: [email protected], Национальный минерально-сырьевой Университет «Горный», Научный Центр геомеханики и проблем горного производства.
UDC 551.435.627+624.131
THE MONITORING OF DANGEROUS GEODYNAMIC PROCESSES DURING THE DUMP'S FORMATION IN BALAKOVO («APATIT»)
Korobanova T.N., Graduate Student, e-mail: [email protected], National Mineral Resource University «University of Mines»,
Scientific Center for Geomechanics and Mining Problems, 199106, Saint-Petersburg, Russia.
The features of geotechnical and hydrogeological conditions of the phosphogypsum dumps' formation in town in Balakovo are done. It is noted that for the safety and cost-effectiveness of storage of chemical waste dumps it is needed to predict deformations and timely prevention of dangerous geodynamic processes. Topic is relevant for well-known enterprises of «FosAgro», in particular, for «Apatit», because the dumps' formation is currently complicated by the active development of deformation processes. The causes and regularities of their development set of based on the monitoring.
Key words: monitoring phosphogypsum, dumps' formation, geotechnical conditions, hydrogeological conditions, physical - mechanical properties, deformations, bottom slide.
REFERENCES
1. Otchet o nauchno-issledovatelskoi rabote po teme: «Vypolnit' izuchenie inzhenerno-geologicheskikh us-lovii i razrabotat' rekomendatsii po optimizatsii parametrov otvalov OOO «Balakovskie mineralnye udobreniya» (Research and development report «Analysis of engineering and geological conditions and development of recommendations on dump optimization for Balakovo Mineral Fertilizers Company»), Saint-Petersburg, 2010.
2. Otchet o nauchno-issledovatelskoi rabote po teme: «Vnedrenie na OOO «BMU» sistemy monitoringa ustoichivosti otvala fosfogipsa s odnovremennoi otsenkoi kolichestva razmeshchaemogo materiala» (Research and development report «Introduction of phosphogypsum dump stability monitoring with concurrent estimation of dumped material amount in Balakovo Mineral Fertilizers Company»), Saint-Petersburg, 2012.
