Геоэкологическое обоснование освоения намывных массивов в регионе КМА

УДК 061.6

© А.М. Гальперин, Е.П. Щербакова, А.Ф. Лисеев, 2004

А.М. Гальперин, Е.П. Щербакова, А.Ф. Лисеев

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСВОЕНИЯ НАМЫВНЫХ МАССИВОВ В РЕГИОНЕ КМА

Семинар № 1

~П качестве основных задач обеспечения

.О эффективного последующего использования гидроотвалов и хвостохранилищ рассматриваются: оценка устойчивости ограждающих дамб; инженерно-геологическое районирование намывных территорий с учетом гранулярного состава, степени уплотнения и несущей способности намывного массива; установление рациональной формы техногенного рельефа и поверхностной дренажной сети с учетом остаточных осадок намывного массива; ассимиляция техногенного рельефа естественным благодаря созданию неразмываемых уклонов намывной поверхности. Реализация предложений МГГУ в регионе КМА обеспечила увеличение площади плодородных земель на территориях, ранее пораженных эрозионными процессами.

Интенсивное хозяйственное освоение территорий, в том числе накопление огромных объемов техногенных отходов, существенно сокращает ресурс пространства для расселения всех видов животных и растений, особенно редких и требовательных к условиям существования. Противовесом сокращению ресурсов геологического пространства, необходимого для жизни и деятельности человека, является рекультивация нарушенных территорий.

Целью рекультивационных работ должно быть сохранение земельного фонда. Рекультивация направлена на предотвращение и восстановление ущерба природным ландшафтам, сохранение продуктивности и ценности нарушенных земель. Направление рекультивации должно соответствовать социальной эффективности и экономической целесообразности последующего использования рекультивируемых земель с учетом комплекса природных и производственноэкономических условий. В этой связи понятие рекультивации понимается значительно шире, приобретает значение природовосстановления.

Намывные горнотехнические сооружения -гидроотвалы и хвостохранилища - являются

объектами повышенной экологической опасности, так как с их формированием связаны изъятие значительных земельных площадей (более 4 га/млн. м3 укладываемого материала), загрязнение воздушного и водного бассейнов. Потеря устойчивости ограждающих дамб может привести к затоплению прилегающих территорий и, следовательно, загрязнению глинистыми или токсичными пульпами плодородных земель, а также к дополнительному (по отношению к обусловленному фильтрационными потерями) загрязнению поверхностных и подземных вод.

Особое место в проблеме рекультивации нарушенных горными работами территорий занимает использование намывных горнотехнических сооружений, гидроотвалов и хвосто-хранилищ. Площадь этих сооружений лишь в двух крупнейших горнодобывающих районах России - Курской Магнитной Аномалии (КМА) и Кузнецком угольном бассейне (Кузбасс), где имеется мощный слой чернозема, составляет более 10000 га.

Систематические инженерно-геологи-

ческие исследования намывных массивов были начаты в бассейне КМА кафедрой геологии Московского горного института (МГИ) (с 1993 г. - Московский государственный горный университет - МГГУ)) в 1969 г. на крупнейшем отечественном гидроотвале «Березовый Лог» комбината «КМАРуда» и Лебединского горнообогатительного комбината (ЛГОК). Этим исследованиям предшествовало зучение инженерно-геологических свойств, устойчивости и уплотняемости техногенных массивов насыпей и оснований «сухих» отвалов в Михайловском железорудном районе КМА, Никополь-Марганцевском бассейне, Кузбассе и ряде других горнопромышленных регионов [1].

Анализ опыта эксплуатации и мониторинга хвостохранилищ и гидроотвалов на предприятиях различных отраслей горнодобывающей промышленности позволил выявить следую-

щие основные тенденции возведения этих сооружений:

- направленное изменение состояния намывного массива и условий устойчивости дамб, в основном, осуществлялось изменением способа и порядка намыва, обеспечивающих повышение плотности укладки материала и необходимое удаление прудка (зеркала воды) от гребня дамбы;

- конструкцию и способ возведения дамбы во многих случаях устанавливали на основе данных инженерно-геологических изысканий, состав и объем которых были недостаточными для прогноза деформаций и оценки устойчивости дамб;

- не использовались технические средства и методы оперативной оценки устойчивости дамб; выполнялись лишь топогеодезиче-ские работы и пьезометрические наблюдения, не обеспечивавшие получение достоверной информации о состоянии откосных сооружений в заданный момент времени;

- практически не контролировалось состояние внутренних зон (50-80 % общей площади), отсутствовали натурные данные о свойствах техногенных отложений и поэтому возникали серьезные затруднения при решении вопросов наращивания гидросооружений и последующего использования их территорий, а также корректировки технологии намывных работ для повышения их эффективности и безопасности.

В целях обеспечения промышленной и экологической безопасности намывных горнотехнических сооружений в МГИ-МГГУ с 1969 г. проводились работы по следующим основным направлениям [2, 3, 4]:

- разработка расчетных схем и инженерных решений задач уплотнения намывных массивов на различных стадиях их формирования;

- инженерно-геологическое районирование, предусматривающее оценку уплотняемости и несущей способности различных зон и участков намывных массивов;

- изыскание новых способов ускорения процесса консолидации тонкодисперсных намывных отложений;

- определение рациональной конструкции дамб гидросооружений;

- установление рациональной формы техногенного рельефа намывных территорий с учетом остаточных осадок;

- контроль состояния возводимых объектов, включающий стационарные и мобильные уст-

ройства, наземную и аэрофотограмметриче-скую съемку для систематической оценки устойчивости дамб, степени уплотнения и несущей способности внутренних зон намывных сооружений.

С использованием в качестве исходных задач уплотнения слоя возрастающей во времени мощности на водоупоре или дренаже решений, предложенных М.В. Малышевым [5] для определения порового давления, получены расчетные зависимости для следующих случаев уплотнения намывного слоя: для периода намыва

- формулы степени уплотнения слоя; после окончания намыва под действием собственной массы слагающего его грунта («отдых» слоя); под действием постепенно возрастающей нагрузки (случай намыва вышележащих слоев); после окончания намыва вышележащих слоев под действием их массы.

Перечисленные решения задач фильтрационной консолидации намывных слоев представлены в виде графиков. Предусмотрена также возможность учета начального градиента фильтрации и ползучести минерального скелета грунтов. Разработано программное обеспечение, позволяющее определять поровое давление, степень уплотнения, осадку и несущую способность намывных слоев. При этом поровое давление и осадка определяются с учетом всех этапов уплотнения методом суперпозиции [2].

Прогнозирование осадок и динамики порово-го давления в тонкодисперсных водонасыщенных грунтовых массах осложняется тем, что их сжимаемость зависит от прилагаемого давления, а коэффициент фильтрации существенно снижается в процессе уплотнения. В соответствии с представлениями нелинейной фильтрационной консолидации [6] учитывалась экспоненциальная зависимость коэффициента консолидации от уплотняющей нагрузки (по Ю.К. Зарецкому).

В натурных условиях механические свойства техногенных отложений гидроотвалов и хвосто-хранилищ изучались путем измерений порового давления, испытаний методами вращательного среза и прессиометрическим, инструментальных наблюдений за осадками намывных массивов и их оснований.

Кафедрой геологии МГИ-МГГУ внедрены в практику мониторинга российских намывных горнотехнических сооружений систематические замеры порового давления с помощью стационарных датчиков и штанговых пьезоди-

намометров конструкции Гидропроекта, а после 1974 г. - специальных комбинированных зондов.

В 1995-1997 гг. весьма представительные исследования намывных объектов Михайловского ГОКа КМА проведены кафедрой геологии МГГУ совместно с кафедрой механики грунтов технического университета “Фрей-бергская горная академия” (проф. В.Фёрстер и доктор Х.-Ю.Шеф) при поддержке фонда “Volkswagen-Stiftung” [7]. Основными направлениями исследований в рамках совместного проекта являлись: оценка состояния намывного массива гидроотвала «Лог Шамаровский» с целью ускоренной рекультивации его территории; совершенствование разработанных российской стороной комбинированных зондов и повышение эффективности геотехнического контроля. Усовершенствованные зонды использовались в дальнейшем также на объектах Лебединского ГОКа.

Натурные измерения порового давления и осадок позволили уточнить параметры нелинейной консолидации намывных грунтов с учетом реальных условий массива гидроотвала. При обратных расчетах использовались инженерные методы прогноза уплотнения намывных тонкодисперсных толщ, соответствующие различным этапам их формирования. Сочетание замеров осадок и порового давления позволяет определять по натурным данным, как коэффициент консолидации, так и приведенный коэффициент сжимаемости намывных грунтов. Полученные из обратных расчетов характеристики использовались для проверки прямых задач, позволивших установить хорошую сходимость расчетных и натурных значений порового давления и степени уплотнения слоев тонкодисперсных пород. Выявлен характер изменчивости параметров нелинейной консолидации и сопротивления сдвигу для намывных масс пляжных, промежуточных и прудковых зон.

Комплекс показателей, полученных при полевых и лабораторных исследованиях техногенных отложений, позволяет выполнить инженерно-геологическое районирование намывных территорий. Материалы районирования, наряду с инженерно-геологическими картами и разрезами, включают также для различных по мощности и составу зон намывного массива таблицы значений во времени осадок и допустимых внешних нагрузок на намывное основа-

ние. Инженерно-геологическое районирование выполняется с целью решения следующих основных практических задач: повышения вместимости сооружения при гидравлической укладке складируемых материалов; формирования на территории заполненного гидроотвала «сухих» отвалов; рекультивации намывных территорий.

На основании материалов инженерногеологического районирования крупнейшего гидроотвала «Березовый Лог» разработана и внедрена в 1976-1987 гг. технология формирования намывного массива, предусматривающая расчленение толщи водонасыщенных тонкодисперсных отложений системой гидравлически связанных дренажных элементов (призм, линз и подушек), создаваемых с помощью основного технологического оборудования гидромеханизации. Общий

объем намытых на гидроотвале “Березовый Лог” фильтрующих материалов (песков, зо-лошлаков ТЭЦ, отходов рудообогащения) в 1975-1987 гг. с применением основного технологического оборудования для безэстакад-ного намыва составил около 18 млн. м3. Оси дренажных и отсечных призм (разделяющих ядерную зону соответственно на секции и карты) приурочены к границам инженерногеологических участков и подучастков.

Прогноз и контроль уплотнения тонкодисперсных отложений в пределах различных участков ядерной зоны с учетом влияния дренирующих элементов позволили выполнить корректировку объема гидроотвала и обосновать повышение его общей емкости (вместимости), а также сокращение расходов на подпитку свежей водой гидромониторноземлесосных установок за счет ускорения водооборота.

При этом достигнут значительный экономический и природоохранный эффект за счет экономии водных ресурсов, повышения вместимости сооружения с 209 млн. м3 до 250 млн. м3 и ускоренной подготовки намывной территории для последующего использования. На рис. 1 дана схема совмещения укладки гидровскрыши и рекультиваци-онных работ, реализованная на намывных объектах Лебединского ГОКа, где возвращено сельскому хозяйству около 1500 га восстановленных плодородных земель. Упомянутая технология использована также при формирова-

нии двух других гидроотвалов и хвостохрани-лища Лебединского ГОКа.

Для заполненного гидроотвала «Лог Шама-ровский» (площадь 220 га, объем уложенных пород 21 млн м3) Михайловского ГОКа КМА данные инженерно-геологического районирования позволили выполнить комплекс рекуль-тивационных работ с учетом зональности намывной территории.

Краткая характеристика заполненных гидроотвалов горно-обогатительных комбинатов КМА приводится в таблице.

В настоящее время действующими намывными горнотехническими сооружениями на железорудных предприятиях КМА являются: хвостохранилище Михайловского ГОКа (проектная площадь 940 га, максимальная высота 39 м, выход хвостов - до 8 млн м3 в год); хвостохранилище Лебединского ГОКа (проектная площадь 1950 га, выход хвостов - до 14 млн м3 в год, максимальная высота 59м); гидроотвал Лебединского ГОКа для складирования меловых пород вскрыши с песчаной ограждающей дамбой из вскрышных пород (проектная площадь 330 га, укладываемый объем гидровс-крыщи - до 6 млн м3 /год, максимальная высота - 45м); хвостохранилище Стойленского ГОКа (проектная площадь - 1800 га, выход хвостов - до 3 млн.м3 /год, максимальная высота -22 м). Отходы обогащения КМАРуда складируются хвостохранилище Лебединского ГОКа.

В настоящее время рекультивированы три гидроотвала Лебединского ГОКа, а также участок его хвостохранилища площадью около 100 га, преимущественно для сельскохозяйственных целей. Скорейшая задерновка поверхности гидроотвала является важнейшей частью ускоренной рекультивации в случае биологической рекультивации, и напрямую зависит от

своиств слагающих гидроотвал вскрышных пород. Установлено, что разрабатываемые средствами гидромеханизации четвертичные вскрышные породы являются потенциально плодородными, и играют важную роль в дальнейшей биологической рекультивации. Работы, выполненные в Московского горном университете, позволили отметить, что перемешивание пород различного генезиса в процессе размыва, гидротранспортирования и намыва, а также попадание под струю гидромонитора погребенных почвенных горизонтов приводит к увеличению содержания гуминов на поверхности гидроотвалов. При этом их количество нередко больше, чем в материнских, естественных почвах.

В связи с дефицитом земельных площадей по инициативе Лебединского ГОКа составляется проект наращивания примерно на 30 м заполненного к 1988 г. гидроотвала «Балка Чуфичева» для размещения дополнительного объема вскрыши около 60 млн.мЗ . Также выполнено научное обоснование и проектные проработки размещения отвальных насыпей на намывном массиве гидроотвала №1, законсервированном с 1964 г. На Михайловском ГОКе на гидроотвале «Михайловский» формируется насыпь железнодорожного отвала.

Для подготовки документов о консервации гидроотвала «Березовый Лог» как ответственного гидротехнического сооружения выполнены следующие основные работы: оценка устойчивости дамб гидроотвала; определение осадок намывного массива; зондирование прудковой зоны комбинированными зондами для определения сопротивления намывных отложений сдвигу и пенетра-ции, а также величины порового давления в намывном массиве.

Карьер, Параметры гидроотвал а Укладываемый

гидроотвал Площадь, га Нарушено/рекультивировано Максимальная высота, м Уложено грунтов, млн. м3 годовой объем, 3 млн. м

Лебединский: № 1 116/- 36 30,5 1-6

№ 2 40/40 9,1 37 1-5

№ 3 25/25 3 0,5 0,5

Березовый Лог 800/1128 75 250 2-22

Балка Чуфичева 207/207 45 31 1-6,5

Михайловский карьер: Михайловский 90/- 3,1 1,8 0,8-0,1

Шамаровский Лог 218/150 24 18 1-2,5

Стойленский карьер: Симонова пасека 30/- 20 3 1-2

Деформации (осадки) намывного массива мощностью до 75 м определялись с помощью инструментальных наблюдений по продольному и поперечным профилям. Установлено, что за период 1988-2003 гг. осадки стабилизировались практически на всей территории гидроотвала. Данные зондирования позволили установить несущую способность намывного массива и уточнить характеристики сжимаемости техногенных отложений. Комплекс маркшейдерских и инженерно-

геологических работ обеспечил получение необходимой информации для составления проекта консервации гидроотвала и его рекультивации. В третьей секции гидроотвала, где намывной массив сложен тонкодисперсным материалом (<!<0.005 мм), осадки техногенной толщи общей мощностью до 30 м (10 м - пористый штамп из хвостов обогащения, 20 м - глинисто-меловые намывные грунты) за этот период составили около 2.5 м (рис. 2). В настоящее время рассматривается вопрос о размещении в 3-ей секции гидроотвала «Березовый Лог» отвала скальной вскрыши. Работы по обоснованию этого мероприятия планируется начать в 2004 г.

Состояние откосных сооружений эффективно контролируется комплексным зондированием приоткосных зон и данными стационарных датчиков-пьезодинамометров, заложенных по расчетным профилям в теле и основании дамбы на различных этапах формирования намывного массива. Датчики позволяют измерять давление воды в раздельнозернистых и глинистых (тонкодисперсных) отложениях, тогда как традиционные пьезометры предназначены для определения высоты водяного столба лишь в раздельнозернистых породах. Текущий коэффициент запа-

Рис. 1. Совмещение укладки гидровскрыши и рекультивационных работ: 1

- разделительные дренажные призмы; 2

- намывные тонко дисперсные грунты; 3 - упорная призма; 4 - намывной плодородный слой; 5 - защитный намывной слой суглинка на песчаной подушке; 6 - отсечные призмы

са устойчивости дамб определяют в зависимости от площади эпюры давления воды путем снятия с пьезодинамометров показаний,

приводимых к вероятной поверхности скольжения.

В 1999-2003 гг. такая система контроля была внедрена на головной дамбе хвостохранилища Михайловского ГОКа и на дамбе действующего гидроотвала

Лебединского ГОКа.

Рассмотренные методы мониторинга позволяют оперативно получать информацию о состоянии намывного массива и откосных сооружений, на основании которой возможно с высокой степенью вероятности прогнозировать состояние гидроотвалов и хвосто-хранилищ, оценивать степень их воздействия на окружающую среду и принимать действенные решения по использованию намывных сооружений и снижению вредного влияния объекта на экологическую обстановку в регионе.

Схема определения рациональных параметров техногенного рельефа позволяет регламентировать технологию подготовки к рекультивации и спецмероприятия по созданию требуемой поверхности. Так, например, для обеспечения ассимиляции техногенного восстановленного рельефа природным ландшафтом определены значения неразмывае-мых уклонов 1нер поверхности намывных техногенных образований глинистых и глинисто-меловых пород применительно к условиям карьеров КМА и Кузбасса. Однако развитие осадок намывных массивов в процессе их консолидации приводит к изменению уклонов поверхности гидроотвала, и их величина может превысить расчетное предельное значение 1нер. В этом случае на восстановленной территории начнется процесс эрозии, размыва и перемещения грунта, что нарушит сроки задерновки и полной ассимиляции рекультивируемых площадей, особенно в

случае сдачи рекультиви-руемых площадей под сельхозугодья.

Поэтому предлагается на стадии проектирования восстанавливаемой поверхности предусмотреть, рассчитать и при необходимости регулировать с помощью технологии намыва такой профиль, который обеспечил бы после уплотнения намытых пород необходимый рельеф. При геоморфологическом обосновании рекультиваци-

Рис. 2. План изомощностей и оседаний 3-ей секции гидроотвала ”Березовый Лог” 08.2003: 1 - граница секции; 2 - изомощности намывных грунтов; 3 - изолинии осадок намывного массива; 4 - инженерно-

геологические профили; 5 - предполагаемые пункты зондирования

онных мероприятии принимается во внимание ассимиляция техногенного рельефа естественным с учетом остаточных осадок намывного массива [8].

Реализация рекомендации МГГУ обеспечила в регионе КМА увеличение площади плодородных земель за счет создания намывных территории на участках, ранее пораженных эрозионными процессами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Панюков П.Н., Ржевский В.В., Истомин В.В., Гальперин А.М. Геомеханика отвальных работ на карьерах. М., Недра. 1972. С.184.

2. Гальперин А.М. Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях. М., Недра. 1988. С.199.

3. Galperin A.M., Hubne rH., Willnaner R. Gezielte Einflussnahme auf den Zustand von feinkörnigen verspüllten Massen. Neue Bergbantechnik, 1989, Heft 7, s.255-258.

4. Гальперин АМ., Ферстер В., Шеф Х.-Ю. Техногенные массивы и охрана окружающей среды. М., МГГУ.1997.с.534.

5. Цытович Н.А., Зарецкий Ю.К., Малышев М.В., Абелев М.Ю. Прогноз скорости осадок оснований сооружений. М.: Стройиздат, 1967. 239 с.

6. Зарецкий Ю.К. Консолидация торфяного ос-

нования // Основания, фундаменты, механика грунтов, 1970, № 6, с. 12-15.

7. Endbericht über die wissenschaftliche

Forschungsarbeit im Rahmen des Programms „Volkswagen-Stifting“ zum Thema „Vervollkommhung der geotechnischen Kontroll von industriellen Absetzanlagen zur Erhohung der okölogischen Sicherheit“. Moskauer Staatliche Bergbau-Universitat, TU Bergakademie Freiberg. 28.02.1997.

8. Щербакова Е.П. Инженерно-геологичес-кие и

геморфологическое обоснование техногенного рельефа намывных территорий гидроотвалов. Известия ВУЗов «Геология и разведка», н-мет.ж-л. №6 МГГА, М. 1998г., с. 150-153.

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

Гальперин Анатолий Моисеевич — профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой геологии, Московский государственный горный университет.

Щербакова Елена Павловна - доцент, кандидат технических наук, докторант кафедры «Инженерная защита окружающей среды», Московский государственный горный университет.

Лисеев Александр Федорович - инженер, главный гидротехник, Лебединский ГОК.