CC BY
61
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК 622.271.45
Р. Г. Клейменов, С. М. Простов МОНИТОРИНГ ПРИ НАРАЩИВАНИИ ДАМБЫ
ГИДРООТВАЛА
Гидроотвал "Бековский" разреза "Бачатский" предназначен для складирования вскрышных пород песчано-глинистых отложений и отходов обогащения. Он представляет собой сооружение овражно-балочного типа с односторонним обвалованием, находится в эксплуатации с 1971 г. и имеет I класс капитальности. Гидроотвал имеет не-
"БЕКОВСКИЙ"
правильную форму, располагаясь по рельефу местности, его размеры 2650x2100 м, площадь 278,0 га. В настоящее время его емкость обеспечена многоярусной плотиной (дамбой) длиной более 3 км, с максимальной высотой 76,5 м (в тальвеге лога), состоящей из 15 дамб обвалования. С целью повышения устойчивости внешнего откоса соору-
Рис. 1. План гидроотвала "Бековский" и расположение опытного участка: Яр 0-Яр 6 - реперы наблюдательной станции
300,
290
280
270
260
250
240
230
20 мм
й
~Л‘.... .....■ а■
Рис. 2. Результаты измерений смещений откоса дамбы гидроотвала:
1 - 2006 г.; 2 - 2007 г.
жения, начиная с 1987 г., неоднократно производились отсыпки пригрузочных призм на локальных участках между дамбами наращивания, в результате чего низовой откос гидроотвала приобрел в основном плоскую форму. Суммарный объем складированных намывных пород за весь период существования составил 122,5 млн. м3.
За время эксплуатации гидроотвала имели место две аварийные ситуации (в 1987 и 1989 гг.), приведшие к образованию оползней на внешнем откосе сооружения. Причиной возникновения деформаций откоса послужило резкое увеличение порового давления в намывных породах в период отсыпки дамб наращивания. Для контроля геоме-ханического состояния и прогноза устойчивости гидроотвала организован непрерывный маркшейдерский и гидрогеомеханический мониторинг, включающий систематические наблюдения за уровнями и напорами воды в откосной части гидроотвала, периодическое изучение физико-
механических свойств пород гидроотвала и основания, оценку устойчивости сооружения по установленным инженерно-геологическим свойствам с учетом изменения напряженного состояния пород.
Стационарная наблюдательная станция расположена в центре плотины на участке, приуроченном к тальвегу лога, который характеризуется наихудшими условиями устойчивости, т.к. высота плотины и мощность намывных пород здесь максимальны. Наблюдательная станция на данный момент включает 6 контурных реперов Яр 0 - Яр 6 и 5 скважин, оборудованных 19 стационарными пьезометрами (рис. 1).
На рис. 2 представлены результаты измерения смещений реперов, установленных на откосе дамбы, за 2005-2007 гг. Из векторных диаграмм следует, что горизонтальные смещения возрастают от гребня к основанию дамбы, при этом максимальные годовые смещения у Яр 5 составили 88 м/год, при этом скорости полных сдвижений за весь пе-
к
мм/сут
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
О
\л
1 1 _ ^2 Ярб
Яр о
Кр2
КрЗ Кр4
Кр5
300 м
Рис. 3. Изменение скоростей полных сдвижений V вдоль откоса дамбы гидроотвала в зависимости от
координаты х в тане: 1 - на 24.05.06; 2 -на 23.04.07
Рис. 4. Изменение во времени / порового давления Р по датчикам: 1 - 67; 2 - 340; 3 - 567; 4 -516; 5 - 511а; 6 -497
Таблица 1.Параметры расчетной модели устойчивости дамбы гидроотвала
Элемент строения Инженерно -геологический элемент Расчетные параметры
р, т/м3 С, кПа Ф,град
Намывной массив I a 1,98 80 17
I б 2,00 100 17
I в 2,00 150 17
II 2,05 350 12
Естественное основание III 2,10 650 12
Дамбы наращивания IV 1,90 100 30
230
Рис. 5. Расчетная схема прогноза устойчивости откоса дамбы гидроотвала, результаты гидрогеоме-ханического мониторинга: 1а—1¥- инженерно-геологические элементы; 67-927 - номера датчиков по-
рового давления;---------------------------------------изолинии порового давления на 21.03.2008;- наиболее неблагоприятная
вероятная поверхность скольжения
риод наблюдений не превысили 0,25 мм/сут и имеют тенденцию к значительному снижению (рис. 3).
Вертикальные оседания максимальны в средней части откоса (Яр 4), по большинству реперов соизмеримы с горизонтальными смещениями и также имеют тенденцию к затуханию. В целом результаты маркшейдерского мониторинга свидетельствуют об отсутствии оползневых процессов в теле дамбы и непрерывно продолжающейся консолидации намывного массива.
Значительный объем информации накоплен за 10 лет гидрогеомеханического мониторинга, результаты наблюдений за изменением порового давления представлены на рис. 4. Анализ графиков показывает, что практически по всем датчикам наблюдается стабильный спад порового давления Р. Это связано с завершением намыва на большей части сооружения и прекращением возведения дамб наращивания. Скорость рассеивания порового давления, фиксируемая по датчикам, различна в зависимости от глубины их расположения и удаленности от гребня дамбы (рис. 5). По скважине, пробуренной в дамбе 12Н (датчики 67497), наиболее близко расположенной к бывшему фронту намыва (гребню дамбы), средняя скорость рассеивания порового давления составила в среднем 20 кПа в год при этом интенсивность сниже-
ния порового давления уменьшается с каждым годом вследствие рассеивания избыточного давления воды. По удаленным от фронта намыва скважинам (в дамбах 11, 8, 7, 5-6) скорость рассеивания порового давления составила от 1 до 9 кПа за год в зависимости от глубины установки датчика.
Прогноз геомеханического состояния сооружения произведен ВНИМИ с помощью программного комплекса "STABILITY". Расчетная схема составлена для профиля заложения реперов (см. рис. 1), механические свойства массива приняты по результатам инженерно-геологических изысканий и испытаний образцов в специальном режиме.
В соответствии с представлениями о закономерностях формирования напряженно-
деформированного состояния массива при гидро-отвалообразовании, изложенных в работе [1], рассеивание порового давления благоприятным образом отражается на состоянии устойчивости откоса сооружения. В верхней части призмы возможного оползания (под дамбами № 11-15) сохраняется избыточное поровое давление, его величина составляет 20-25 кПа в верхних слоях (глубина до 25 м) и 100-120 кПа в более глубоких слоях. Сохранение избыточного порового давления подтверждает вывод о незавершенности процессов фильтрационной консолидации намывных пород.
Л
1Л
ijs
М
1,2
1
'ss4l
х3
х2
2С о (N (N О 33 2004 20 05 2С >06 20 07 t, года
Рис. 6. Изменение с течением времени / коэффициента запаса устойчивости ц при различных положениях поверхности скольжения: 1— верхняя часть откоса от 15 до 9 дамб наращивания (гор. 301,6— 284,0); 2 — от 15 до 3 дамбы наращивания (гор. 301,6—265,0); 3 — на полную высоту с захватом пород
основания (гор. 301,6—240,0)
В строении намывного массива выделено два слоя: слой I - весь намывной массив, расположенный выше отметки +242,5 м, по консистенции и прочностным параметрам разделенный на зоны 1а, 1б, 1в; слой II намывных пород тугопластичной и полутвердой консистенции, залегающий ниже указанной отметки на границе с естественным основанием сооружения. В расчетной схеме выделены элементы, соответствующие насыпным породам дамб наращивания (1У) и естественным отложениям основания гидроотвала (III). Значения расчетных параметров физико-механических свойств пород элементов и зон представлены в табл. 1 (р - плотность, С - сцепление, ф - угол внутреннего трения) и порового давления приняты по результатам последних замеров (рис. 5).
Расчеты проведены для 11 наиболее вероятных поверхностей скольжения, учитывающих различные варианты нарушения устойчивости откоса гидроотвала. Результаты расчетов представлены на рис. 6. Наименьшее значение коэффициента запаса устойчивости получено для поверхности скольжения, захватывающей практически весь откос от 15 до 3 дамбы наращивания (график 2). Данная поверхность является наиболее напряженной на протяжении последних лет эксплуатации гидроотвала.
Рассеивание порового давления с течением
времени приводит к улучшению условий устойчивости и постепенному росту коэффициента запаса устойчивости п, приэтом запас устойчивости соответствует нормам, принятым для сооружений I класса капитальности (п > 1,2).
Для оперативного контроля напряженного состояния массива рассчитаны критические значения порового давления: Р1 - критерий безопасности 1-го уровня, соответствующий п = 1,25; Р2 -критерий безопасности 2-го уровня (п = 1,2); Р3 -критерий предаварийной ситуации (п = 1). Значения Р1, Р2, Р3 приведены в табл. 2.
Таблица 2.Предельно допустимые уровни порово-го давления при эксплуатации гидроотвала
Поровое давление, кПа
№ датчика P1 P2 P3
528 750 775 8б0
б7 130 150 230
340 1б5 185 270
5б7 310 330 415
51б 485 515 58б
511 а б00 б25 710
497 б30 б40 721
927 155 170 210
329 285 300 340
277 280 295 345
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кутепов, Ю. И. Закономерности формирования порового давления при гидроотвалообразовании и отсыпке "сухих" отвалов / Ю. И. Кутепов, Н. А. Кутепова // ГИАБ. - 2008. - № 11. - С. 212-220.
□ Авторы статьи:
Клейменов Роман Геннадьевич
- нач. отд. маркшейдерии и недропользования ОАО "УК "Кузбассразрезуголь" Тел 3842- 44-00-31.
Простов Сергей Михайлович
- докт.техн.наук, проф. теоретической и геотехнической механики КузГТУ E-mail: [email protected]
