Обеспечение безопасности гидроотвалов при их эксплуатации и размещении отвалов «Сухих» пород

© Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, В.В. Ермошкин, 2006

Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, В.В. Ермошкин

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРООТВАЛОВ ПРИ ИХ ЭКСПЛУА ТАЦИИ И РАЗМЕЩЕНИИ ОТВАЛОВ «СУХИХ» ПОРОД

щ применение гидромеханизации при разработке угольных

Л.Ж. месторождений в Кузбассе приводит к образованию больших объемов водонасыщенных отходов, которые размещают в специальные отвальные сооружения - гидроотвалы. Горные работы, связанные с эксплуатацией гидроотвалов, называются гидроотвальными, а процесс формирования гидроотвалов - гидроотвалооб-разованием. Намывные сооружения сложены обычно "слабыми" водонасыщенными осадками, поэтому представляют опасность для окружающей среды из-за возможных аварий, сопровождающихся растеканием намытого материала на большое расстояние от опасных объектов и нарушением больших территорий. Примеров подобных аварийных ситуаций много и некоторые из них по масштабу приравнены к крупным катастрофам, повлекшим большие человеческие жертвы (например, Бабий Яр и в г. Киеве). В связи с этим, безопасные условия формирования гидроотвалов требует разработки и обоснования систем обеспечения безопасности.

Система обеспечения безопасности гидроотвалов - это комплекс работ и исследований по изучению, обоснованию, управлению и контролю состояния гидротехнических сооружений, выполняемых в течение всего срока существования сооружения с целью обеспечения безопасности и экономической эффективности горных работ и предотвращения их негативного воздействия на окружающую среду.

В рамках системы обеспечения безопасности на гидротехнических сооружениях следует выполнять:

1) исследование инженерно-геологических условий гидротехнического сооружения;

2) обоснование оптимальных параметров и критериев безопасности гидротехнического сооружения;

3) мониторинг (контроль) состояния гидротехнического сооружения;

4) разработка и осуществление мероприятий по повышению уровня надежности и безопасности сооружения.

Система обеспечения безопасности характеризуется цикличностью и определенной последовательностью в выполнении указанных видов работ, что обусловлено поэтапным возведением гидроотвалов и хвостохранилищ и длительным сроком их эксплуатации, в течение которого существенно меняются инженерногеологические условия сооружения.

При организации и выполнении инженерно-геологических работ на гидроотвалах и хвостохранилищах следует руководствоваться нормативно-методической базой Минстроя России: СНиП 11-02-96, СП 11-105-97, а также ведомственными документами.

Изучение инженерно-геологических условий следует выполнять на стадии составления рабочего проекта. В дальнейшем исследования должны предварять каждый очередной этап эксплуатации сооружения, сопровождаемый изменением параметров внешних откосов (увеличение высоты, строительство дамб наращивания, изменение контура откоса) и технологии гидравлического складирования отходов в накопитель (схемы заполнения, интенсивности намыва), перевод сооружения на стадию консервации или рекультивации, также любое технологическое мероприятие, способное повлиять на условия устойчивости внешних откосов (строительство дорог, отсыпка отвалов на откосах плотин и дамб или в непосредственной близости). Если намывное сооружение формируется одним ярусом в течение всего периода эксплуатации или намывается с небольшой интенсивностью, то исследовательские работы необходимо выполнять не реже чем раз в 5 лет или через 10 м наращивания в пределах проектной ширины упорной призмы [1, 4].

Изучение инженерно-геологических условий гидроотвалов и хвостохранилищ должно осуществляться на наиболее ответственных участках, определяемых стадией существования объекта, технологией строительства, эксплуатации, консервации и ликвидации гидротехнического сооружений.

Состав, объемы и методика выполнения исследований определяется инженерной задачей, решаемой для конкретного объекта (строительство, намыв, рекультивация и т.д.). При постановке и выполнении инженерно-геологических исследований необходимо

комплексно использовать полевые и лабораторные методы определения состава, состояния и свойств пород. Полевые методы должны быть ориентированы на массовое опробования тела гидроотвала и его основания, в первую очередь - для оценки характера неоднородности и изменчивости слагающих их пород. Лабораторные методы должны быть направлены на установление закономерностей изменения состояния и свойств пород под нагрузкой, возрастающей при увеличении высоты сооружения и при выполнении на намывной поверхности рекультивационных или ликвидационных работ.

В состав инженерно-геологических работ должны быть включены натурные исследования напряженного состояния водонасыщенных пород намывного массива и естественного основания, направленные на установление характера распределения в массиве порового давления и его изменения во времени в связи с проведением различных технологических мероприятий. Для этих целей можно использовать средства постоянно действующих станций гидрогеомеханического мониторинга [2, 3] или выполнять периодические измерения методом зондирования. В особо ответственных случаях следует выполнять крупномасштабные эксперименты по формированию опытной насыпи на поверхности намывного массива с замером деформаций и напряжений в намывных породах [2].

Итогом изучения инженерно-геологических условий сооружения является разработка и уточнение гидрогеомеханической модели объекта, позволяющей оценивать и прогнозировать состояние устойчивости сооружений с учетом различных природных и технологических факторов.

По результатам исследований должны быть обоснованы: возможность проведения запланированного технологического мероприятия, рациональная технология его осуществления, оптимальные параметры сооружения и количественные показатели критериев безопасности и контролируемых параметров, обеспечивающие безопасность на данном этапе эксплуатации сооружения, оценка надежности сооружения.

В состав мер по обеспечению безопасности и эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений должны входить разработки критериев оценки безопасной работы сооружения. Предельно-допустимые значения Критериев безопасности сооружения

для каждого отдельного этапа эксплуатации, консервации и ликвидации должны быть обоснованы соответствующим проектом и контролироваться средствами мониторинга в течение всего срока существования объекта.

Оценку безопасности гидроотвалов и хвостохранилищ следует выполнять по следующим критериям:

1) критерии состояния устойчивости внешних откосов

(плотин и дамб);

2) критерии обеспечения безопасного функционирования

сооружения по водному (гидрологическому) режиму;

3) критерии безопасного ведения горных работ (рекульти-

вационных, ликвидационных и других).

Критерии состояния устойчивости внешних откосов: коэффициент запаса устойчивости, поровое давление в пределах упорной призмы, деформации на внешних откосах. Соответствие фактических значений критериев устойчивости внешних откосов предельно-допустимым величинам, обоснованных проектом, обеспечивает сохранность форм, размеров и конструкции объекта в пределах установленных проектом границ.

Нормативный коэффициент запаса устойчивости внешних откосов гидроотвалов и хвостохранилищ следует определять в соответствии со СНиП 2.06.01-86 с учетом класса капитальности и конструкции сооружения, типа основания, ответственности расчетного технологического этапа и других факторов. Фактический показатель устойчивости определяется на основании расчетов устойчивости методами механики сплошной среды с учетом конкретных гид-рогеомеханических условий сооружения в соответствии с требованиями рассмотренными выше.

Для контролирования состояния устойчивости внешних откосов гидроотвалов и хвостохранилищ должны быть определены:

максимальный коэффициент порового давления (rumax) - отношение нейтрального давления к максимальному значению приложенного полного напряжения, обусловленного весом вышележащих пород.

предельно допустимое поровое давление (Рпр) - величина нейтрального давления в пределах упорной призмы, при которой коэффициент запаса устойчивости (по наиболее напряженной поверхности скольжения) равен нормативному значению;

критическое поровое давление (Рпр) - величина нейтрального давления в пределах упорной призмы, при которой коэффициент запаса устойчивости близок к единице (состояние предельного равновесия).

Под термином «поровое давление» следует понимать нейтральное давление в обводненных породах, обусловленное совокупным действием сил гидростатического взвешивания и гидродинамического давления, в том числе избыточным поровым давлением, развивающимся в слабопроницаемых грунтах при дополнительном нагружении, динамическом и сейсмическом воздействии. При рассмотрении плотин и дамб, сложенных из песчаных и крупнообломочных пород, вместо термина «поровое давление» предпочтительнее пользоваться гидрогеологическим понятием «напор». Упорная призма - откосная часть намывного соружения, выполняющая функции подпора, внешней границей которой является низовой откос сооружения, а внутренняя граница определяется расчетом его устойчивости.

Величина максимального коэффициента порового давления закладывается в проект при расчете устойчивости откосов плотин и дамб.

Значения параметров (Рпр) и (Ркр) следует определять для ряда точек в пределах упорной призмы, соответствующих расположению контрольно-измерительной аппаратуры сети гидрогеомехани-ческого мониторинга. Величины данных параметров вычисляют на основании обратных расчетов устойчивости, исходя из заданных значений коэффициентов запаса устойчивости, параметров внешних откосов и характеристик физико-механических свойств, слагающих их пород. Параметры (Рпр) и (Ркр) должны определяться конкретно для каждого отдельного технологического этапа или мероприятия (например, на периоды строительства первичной плотины, намыва пород в созданную емкость, отсыпки очередной дамбы наращивания, формирования пригрузочной призмы на неблагоприятном участке и др.).

Деформации на внешних откосах гидроотвалов и хвостохра-нилищ следует разделять на допустимые и критические.

Допустимыми следует считать вертикальные и горизонтальные смещения гребня и откосов дамб, не представляющие угрозы нарушения устойчивости откоса в целом или на отдельном участке; они допускаются при условии контроля за характером, величиной и

скоростью их развития во времени и при необходимости устраняются посредством простейших мероприятий (планировка и подсыпка откосов).

К допустимым деформациям относятся:

- вертикальные смещения (осадки) гребня и откосов дамбы, вызванные уплотнением насыпных пород под действием собственного веса либо уплотнением намывных осадков и пород естественного основания вследствие развития в них процессов фильтрационной консолидации;

- горизонтальные смещения гребня и откосов на локальных участках, вызванные неравномерной осадкой различных участков дамбы,

- горизонтальные смещения, вызванные развитием сдвиговых деформаций, если они распределены на большой площади откоса, их скорость не превышает критической величины и уменьшается во времени.

К критическим относятся горизонтальные смещения гребня и откосов плотин и дамб, распределенные на большой площади или на отдельном участке, скорость которых нарастает во времени и превышает предельно-допустимую величину (критическую скорость). Они вызваны развитием процессов прогрессирующей ползучести в глинистых отложениях намывного массива или естественного основания и приводят к образованию оползней. Такие деформации не допустимы на откосах гидроотвалов и хвостохрани-лищ, при их обнаружении следует установить причины и принять меры по стабилизации.

Предельно-допустимые значения вертикальных и горизонтальных смещений, вызванных осадкой насыпных, намывных и естественных пород следует определять расчетом на основании решений теории фильтрационной консолидации с учетом геометрических размеров откосной части, дренажных условий, компрессионно-фильтрационных свойств пород, интенсивности их нагружения в процессе намыва или проведения горных работ. Величина и скорость горизонтальных смещений, вызванных развитием сдвиговых деформаций, зависит от местных факторов, поэтому критические значения в каждом конкретном случае (сооружении) выбираются исходя из результатов маркшейдерских наблюдений.

Критерии обеспечения безопасного функционирования сооружения по водному режиму:

- максимальная отметка уровня воды в пруде-отстойнике;

- минимальная ширина пляжа намыва;

- минимальное превышение гребня плотины (дамбы) над поверхностью намытого пляжа;

Данные критерии назначаются проектом на периоды эксплуатации и консервации сооружений в соответствии с действующими нормами безопасности [1]. Соблюдение гидрологического режима в соответствии с допустимыми значениями критериев безопасности исключает переполнение емкости накопителя, перелив воды и пульпы через гребень плотины, приводящих к гидродинамической аварии.

Критерии безопасного ведения горных работ на поверхности намывных пород:

- несущая способность намывных пород;

- деформации поверхности намывного сооружения и насыпей.

Под несущей способностью намывных пород следует понимать максимальную интенсивность нагрузки от насыпи и технологического оборудования, которая воспринимается ими без чрезмерной осадки и деформаций сдвига. Для оценки максимальной несущей способности пород можно использовать различные решения [5], в которые входят параметры сопротивления сдвигу (угол внутреннего трения и сцепление).

Отсыпка дамб обвалования, нанесение рекультивационного слоя, отсыпка отвалов на поверхности намывных пород разрешается без применения специальных мероприятий и технологий, если несущая способность намывных пород обеспечивает проходимость горно-транспортного и рекультивационного оборудования. В противном случае требуется либо заблаговременное проведение мероприятий по повышению несущей способности намывных пород [6], либо применение технологий, допускающих контролируемое деформирование откосов отсыпаемой насыпи [7].

При ведении горных работ на намывной поверхности в режиме, не допускающем контролируемое развитие оползневых деформаций, критерием безопасности является предельно-допустимая величина осадки, вызванной консолидацией намывных и насыпных пород. Ее значение определяется из требований по обеспечению нормальных условий проходимости горно-транспортного оборудования и создания заданного ландшафта без резких понижений, за-

болоченных и застойных зон. Величину осадки следует рассчитывать на основании решений теории фильтрационной консолидации с учетом ее развития во времени [8]. Контролировать развитие осадок следует средствами маркшейдерского и гидрогеомеханическо-го (по скорости рассеивания порового давления в намывных отложениях) мониторинга.

При ведении горных работ на намывной поверхности в режиме контролируемого деформирования откосов насыпей допускается развитие оползней, оседаний, вызванных выдавливанием намывных пород из-под насыпных, и осадок, связанных с консолидацией намывных и насыпных пород. При этом в качестве критериев безопасности следует использовать качественные характеристики развития деформационного процесса на откосах формируемых насыпей. Безопасные условия нахождения мобильных механизмов в призме возможного оползания откосов характеризуются плавным развитием деформаций откосов и отсутствием признаков критической ситуации, к которым относятся: полное оконтуривание оползневого тела трещиной отрыва на верхней площадке, образование вала выпирания у нижней бровки откоса, прогрессирующий характер нарастания скорости оползневого смещения.

Обеспечение безопасности горных работ по удалению намывных сооружений на стадии ликвидации требует наблюдений за устойчивостью вскрышных откосов и новой дамбы (в случае частичного удаления) в соответствии с общими критериями устойчивости откосных сооружений, а также контролирования характера деформирования вскрышных откосов при ведении горных работ в режиме управляемого деформирования откосами.

Таким образом, обеспечение безопасности гидроотвалов на различных этапах существования предполагает выполнения комплекса специальных работ и исследований, направленных на получение необходимой информации для обоснования оптимальных параметров сооружения по технико-экономическим показателям и безопасности, контроля его состояния (мониторинг безопасности) по обоснованным критериям безопасности, разработки и осуществлении мероприятий по повышению уровня надежности и безопасности сооружения.

1. Правила безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов. ПБ 03-438-02, Госгортехнадзор России: НТЦ «Промышленная безопасность», серия 03, выпуск 14, 2002, 128 с.

2. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях (авт.: Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Норватов Ю.А.). Часть I. Изучение гидрогеомеханических условий строительства, эксплуатации и рекультивации отвальных сооружений. - Л.: ВНИ-МИ, 1989.

3. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях (авт.: Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Норватов Ю.А. и др.). Часть II. Обоснование оптимальных параметров отвальных сооружений. Л.: ВНИМИ, 1990.

4. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. - СПб., 1998. - 208 с.

5. Гальперин А.М. Гидромеханизированные природоохранные технологии. М., Недра, 1993.

6. Гальперин А.М. Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях. М., Недра, 1988.

7. Рекомендации по инженерно-геологическому обоснованию параметров отвалов сухих пород, отсыпаемых на гидроотвалах. Л.: ВНИМИ, 1985, 82 с.

8. Цытович Н.А., Зарецкий Ю.К., Малышев М.В. и др. Прогноз скорости осадок оснований сооружений. - М.: Стройиздат, 1967.

— Коротко об авторах ---------------------------------

Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. - ВНИМИ, Санкт-Петербург, Ермошкин В.В. - УК «Кузбассразрезуголь, Кемерово.