Способ выбора мест размещения углепородных отвалов
METHOD OF COAL ROCK DUMPS SITES SELECTING

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для предотвращения самовозгорания складируемой горной породы, может быть использовано при выборе мест для расположения углепородных отвалов.
Самовозгорание углепородных отвалов является одной из актуальных экологических проблем в горнопромышленных районах. В соответствии с теоретическими разработками (Веселовский B.C., Виноградова Л.П., Орлеанская Г.Л., Терпогосова Е.А. Методическое руководство по прогнозу и профилактике самовозгоранияугля. М.: АН СССР, 1971), самовозгорание угля обусловливается химической активностью угля, притоком к нему воздуха и накоплением тепла, образующегося в результате окисления. Необходимым фактором здесь является приток воздуха, в связи с чем, изобретение направлено на профилактику поступления воздуха в тело отвала.
Известен способ выбора места для расположения отвала, учитывающий направление господствующего ветра. Место для размещения отвала выбирают с учетом розы ветров данного района, что снижает воздействие отвала на селитебные зоны населенных пунктов (Протасова Н.Н. Обоснование факторов, влияющих на выбор местонахождения отвалов. 7 Международная научно-практическая конференция «Инновации в технологиях и образовании», Велико Тырново, 28-29 мая, 2014: Сборник статей. Ч. 1. Белово; Велико Тырново. 2014, с. 60-65).
Недостатком данного способа является то, что место для размещения отвалов может оказаться в высокопроницаемых зонах растяжения земной коры, что существенно повысит вероятность поступления воздуха в тело отвала через проницаемые зоны в его основании за счет давления, создаваемого напором воздуха.
Также известен способ выбора места для размещения отвала, при котором отвал располагают на породах, устойчивых к воздействию атмосферных факторов (исключаются такие породы, как глины и сланцы). Преимущественно место отвала выбирается за пределами долин, так как при расположении отвала в долине могут создаваться условия для поступления воздуха в тело отвала за счет давления, создаваемого напором ветра (Phillips Н., Uludag S., Chabedi К. (2011). Prevention and control of spontaneous combustion. Best practice guidelines for surface coal mines in South Africa. Coal tech research association annual colloquium [Электронный ресурс] //https://miningandblasting.files.wordpress.com/2009/09/spontaneous_combustion_guidelines.pdf).
Недостатком данного способа также является то, что место для размещения отвалов может оказаться в высокопроницаемых зонах растяжения земной коры, что создаст условия для поступления воздуха в тело отвала через трещины в земной коре за счет возникновения тяги воздуха.
В рассмотренных выше способах не учитывается то, что при размещении углепородного отвала в тектонически разгруженной зоне земной коры, характеризующейся развитием растягивающих деформаций, создаются условия для поступления воздуха в тело отвала через проницаемые зоны в его основании, возникающие за счет деформаций растяжения.
Наиболее близким по технической сущности является такой способ, когда отвалы размещают на землях, непригодных для сельскохозяйственного производства и других целей за пределами зон влияния границ геодинамически активных блоков земной коры (патент РФ 2600948, опубл. 27.10.2016, Бюл. №30). В предполагаемом районе размещения углепородного отвала производят выделение геодинамически активных блоков и их границ, определяют ширину зон влияния границ геодинамически активных блоков (ширину геодинамически опасных зон) и выбирают место для размещения отвала за пределами зон влияния границ геодинамически активных блоков (геодинамически опасных зон). Подготовка площадки для размещения отвала производится путем создания водонепроницаемого слоя до проектных границ отвала и формирования изолирующего слоя из инертных материалов по его периметру. После отсыпки отвала производят озеленение его откосов.
Недостатком данного способа является то, что даже при расположении отвала за пределами зон влияния границ геодинамически активных блоков земной коры сохраняется вероятность его размещения в зоне развития современных деформаций растяжения земной коры, что может вызвать разрушение изолирующего слоя в основании отвала и поступление воздуха к углепородному материалу. Возможность разрушения изолирующего слоя в основании отвала связана с тем, что во внутренних частях блоков земной коры (за пределами зон влияния их границ) за счет их взаимодействия создаются тектонически разгруженные и тектонически напряженные зоны. В тектонически разгруженных зонах развиваются деформации растяжения и раскрытия трещин, что повышает проницаемость горного массива и влияет на основания инженерных сооружений.
Техническим результатом изобретения является предотвращение самовозгорания складируемой горной массы за счет исключения возможности поступления воздуха в тело отвала через проницаемые зоны в его основании.
Технический результат достигается следующим образом. В предполагаемом районе размещения углепородного отвала выполняют оценку напряженного состояния массива, и место для расположения отвала выбирают за пределами тектонически разгруженных зон горного массива, где производят подготовку площадки путем создания водонепроницаемого слоя до проектных границ отвала, изолирующего слоя из инертных материалов по периметру отвала и озеленение откосов отвала.
Способ поясняется фиг. 1. Цифрами обозначены следующие составные элементы: 1 - углепородный отвал, 2 - земная поверхность, 3 - массив горных пород, 4 - тектонически разгруженные зоны, 5 - изолирующий слой, 6 - зона разрушения изолирующего слоя в основании отвала, 7 - зона разрушения изолирующего слоя на бортах, 8 – трещины растяжения в массиве пород и на поверхности, 9 - наносы, 10 - движение воздуха. Способ реализуется следующим образом.
С помощью известных методов, например геодинамического районирования, инструментальных измерений напряжений различными методами, методов тектонофизики, геофизики, математического или физического моделирования, производят оценку напряженного состояния горного массива, находят тектонически разгруженные зоны (4), осуществляют их идентификацию на местности, сопоставляют их с планируемым местом размещения углепородного отвала (1) на земной поверхности (2). Участок для размещения углепородных отвалов располагают за пределами тектонически разгруженной зоны.
Реализация предлагаемого способа возможна на основании того, что породы земной коры под воздействием тектонических напряжений находятся в сложном напряженном состоянии. Неоднородности массива приводят к появлению тектонически напряженных и разгруженных зон, резко контрастирующих между собой по величинам (отличие в 3-5 раз и более) максимальных напряжений (Петухов И.М., Батугина И.М. Геодинамика недр. М.: Недра, 1996). В тектонически напряженных зонах (напряжения выше средних для блока) под действием высоких напряжений происходит сжатие пород и закрытие трещин, а в тектонически разгруженных зонах (напряжения ниже средних для блока) развиваются деформации растяжения и происходит раскрытие трещин (8). В результате этого проницаемость массива при одних и тех же других условиях ниже за пределами тектонически разгруженных зон. Поэтому при расположении отвала за пределами тектонически разгруженных зон сжатие и закрытие трещин в массиве препятствует поступлению воздуха в его тело через основание и тем самым способствует снижению опасности возгорания углепородной массы. Наоборот, при расположении углепородного отвала в тектонически разгруженной зоне в его основании могут развиваться деформации растяжения, сопровождающиеся раскрытием трещин, что с течением времени приведет к разрушению изолирующего слоя в основании (6) и на бортах (7) отвала, повышению его проницаемости и создаст условия для поступления воздуха в тело отвала за счет тяги, возникающей от ветрового напора (10) и перепада давления по высоте отвала.
Напряженное состояние массива и выделение тектонически разгруженных зон может быть установлено путем инструментальных измерений напряжений различными методами, а также методами тектонофизики, геофизики, математического и физического моделирования (Геодинамика недр. Методические указания. Под ред. Петухова И.М. и Батугиной И.М. - Л.: ВНИМИ, 1990. 129 с.) и представлено в виде карт изолиний или различных схем, пригодных для выбора участка для размещения углепородного отвала.
Примеры. В работе Петухов И.М., Батугина И.М. Геодинамика недр. М.: Недра, 1996, на с. 102-103 представлены полученные с помощью математического моделирования схемы напряженного состояния горного массива с изолиниями средних напряжений (1) и границами блоков 4-го ранга (2), фиг. 2. Блоки земной коры 4-го ранга имеют размеры в первые километры. Размеры участков (3), располагающихся за пределами тектонически разгруженных зон (4) (среднее значение напряжений более 1,5), как это показано на чертеже, могут составлять сотни метров и первые километры, что достаточно для размещения углепородных отвалов.
В результате геодинамического районирования месторождения Бейпяо в Китае установлено положение границы блоков 1-го ранга (1) относительно шахтных полей (2), размеры и положение тектонически напряженной зоны (3), фиг. 3 (Чжан Хунвэй, Чжан Вэнь Цзюнь. Измерение напряжений и напряженное состояние земной коры. КНР, Научно-техническое издательство Внутренней Монголии. 1999. 165 с. ISBN 7-5380-5021-8 (на китайском языке)). Размеры тектонически напряженной зоны по длинной оси составляют 2,5 км. Части тектонически напряженной зоны размерами не менее 1×0,7 км (4) находятся за пределами зоны влияния горных работ (мульды сдвижения) и могут быть использованы для размещения отвалов.