Опыт и проблемы гидроотвалообразования на разрезах Кузбасса

В.В. Ермошкин

ОПЫТ И ПРОБЛЕМЫ ГИДРООТВАЛООБРАЗОВАНИЯ НА РАЗРЕЗАХ КУЗБАССА

Гидромеханизация при открытой разработке угольных месторождений в Кузбассе начала применяться в 1951 году на разрезе «Бачатский» с первоначальным объемом гидровскрыши 31 тыс. м . В середине 50-х годов она получает дальнейшее развитие на разрезах «Краснобродский» (1954), «Кедровский», «Мохов-ский» и «Красногорский» (1955) с годовыми объемами 0,25-0,45 млн. м3. В последующие годы данный способ внедрялся на других разрезах региона: «Новосергеевском» и им. Вахрушева (1956), «Киселевском» (1958), «Прокопьевском» (1959), «Листвянском» (1960), «Колмогоровском» (новое название «Сартаки») (1961) и «Черниговском» (1966), при этом объем гидровскрыши постепенно увеличивается и достигает в 1968 году максимальной величины за всю историю применения гидромеханизации 27,25 млн. м3. Одновременно с открытием новых участков данная технология прекращает на разрезах «Красногорский» (1965), «Про-копьевский» (1967), «Листвянский» и «Краснобродский» (1970), «Киселевский» (1972), «им. Вахрушева» (1976). Это сказывается на сокращении объемов гидровскрыши в начале восьмидесятых годов до 15 млн. м3. В 1988-97 годах отмечается дальнейшее уменьшение объемов гидромеханизационных работ до 8,8 млн. м3, а начиная с 1998 года, отмечается тенденция увеличения объемов вскрыши, разрабатываемых гидромеханизационным способом, за счет ее применения на разрезе «Талдинский» и возобновления на разрезах «Кедровский» и «Краснобродский». В случае разреза «Кедровский» она используется для частичного удаления пород гидроотвала №3 и неоген-четвертичных отложений основания намывного сооружения, под которым планируется производить добычу угля.

Черниговский ОКедровский  Моховский ВСартаки ИБачатский  Краснобродский  Новосергеевский

Киселевский Ним. Вахрушева Талдинский ОБайдаевский ОЛиствянский  Прокопьевский  Красногорский

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

год

Диаграмма изменения объемов гидровскрыши по годам

В настоящее время гидромеханизационная технология в Кузбассе применяется на шести разрезах: «Моховский», «Сартаки», «Ерунаковский», «Талдинский», «Кедровский» и «Красно-бродский».

За все время использования гидромеханизационного способа в Кузбассе было удалено около 900 млн. м3 (Рисунок) вскрышных пород, которые разместились в специальные отвальные сооружения - гидроотвалы. Общее их количество достигает значений 50 объектов. Большая часть сооружений сформирована в оврагах и балках строительством ограждающих дамб из привозного материала, два намыты на косогоре и имеют трехстороннее обвалование, два - на равнине при обваловании с четырех сторон, четыре - в старых горных выработках.

Высота гидроотвалов колеблется от 4 до 73 м. Наиболее высокими среди них являются: «Бековский» (73 м), «Акташский» (61 м), «Кедровский №3» (53 м), «Моховский» (51 м) и «Прямой Ускат» (54 м). Площадь гидроотвалов варьирует от 6 до 765 га. Самые крупные сооружения: «Моховский» (765 га), «Черниговский №1» (640 га), «Сагарлыкский» (600 га), «Кедровский №5» (545 га),

«Черновой Уроп» (460 га). Емкость гидроотвалов изменяется в широких пределах от 0,6 до 100 млн. м3. По емкости наибольшими сооружениями являются: «Сагарлыкский» (100 млн. м3), «Беков-ский» (80 млн. м3), «Черниговский» №1 (60 млн. м3) и №2 (52 млн. м3) и «Прямой Ускат» (57,5 млн. м3). Количество дамб гидроотвалов разнообразно от 1 до 15. Наибольшее количество дамб 15 имеет гидроотвал «Бековский».

Намыв на большей части сооружений производится сосредоточенным способом, кроме гидроотвалов разрезов «Колмогоров-ский» (новое название «Сартаки), «Черниговский», «Ерунаков-ский» и им. 50-летия Октября», где в некоторых случаях применялся рассредоточенный, безэстакадный способ намыва. Среднегодовая интенсивность намыва гидроотвалов невысока и составляет 1-4 м/год, при этом максимальная скорость (до 10 м/год) намыва приходится на первые годы эксплуатации, а при окончании она обычно составляет 0,5 - 1,0 м/год.

Одной из важнейших проблем при ведении гидроотвальных работ в Кузбассе является обеспечение устойчивости гидроотвалов и обоснование оптимальных параметров намывных сооружений. Оценка устойчивости откосов гидроотвалов выполняется с применением методов механики грунтов, которые позволяют учитывать специфику намывных сооружений, в частности, поровое давление, развивающееся в намывном массиве на различных этапах его формирования. При этом прогноз распределения порового давления в намывном массиве рекомендуется выполнять с использованием типовых расчетных схем, соответствующих имеющимся аналитическим решениям одномерной задачи фильтрационной консолидации. Исключение составляет случай прогноза порового давления в намывных породах при отсыпке дамб наращивания и фронтальная отсыпка отвала, так как механизм развития давления не укладывается в рамки одномерной схемы. В этом случае целесообразно использовать двухмерные схемы, реализованные с помощью МКЭ и МКР.

Рекультивация поверхности гидроотвалов и хвостохранилищ практически не возможна без выполнения специальных мероприятий из-за низкой несущей способности намывных пород. Одним из таких мероприятий является нанесение на поверхность слоя более прочных, хорошо проницаемых пород. В некоторых случаях это могут быть отвалы «сухой» вскрыши. Данное мероприятие дает

положительный эффект, поскольку не только ускоряет сроки рекультивации намывной поверхности, но позволяет разместить значительные объемы пустых пород. Только на разрезах ХК «Кузбассразрезуголь» площадь гидроотвалов достигает 7000 га.

При отсыпке отвалов «сухой» вскрыши на гидроотвалах наблюдаются деформации откосов первого яруса. Избежать их практически не возможно из-за низкой несущей способности намывных пород. Поэтому технологические схемы ведения отвальных работ на намывных территориях предполагают при отсыпке первого яруса применять режим управляемого деформирования отвалов [1, 2], что предопределяет изучение морфологии и механизма деформаций откосов отвалов. Отсыпка второго и последующих ярусов производится в условиях обязательного обеспечения устойчивости откосов, что требует выполнение специальных гидрогеомеханических расчетов, в частности, напряженно- деформированного состояния (НДС). Оценку и прогноз НДС следует осуществлять с применением одномерных схем консолидации, используя решении об уплотнении слоя при мгновенном (отсыпка одного яруса) и постепенном (отсыпка многоярусного отвала) приложении нагрузки. Расчеты устойчивости рекомендуется производить, используя методы, рассмотренные выше, учитывая при этом определенное для конкретных условий поровое давление.

Частичное удаление гидроотвалов открытыми горными работами предполагает на первом этапе создание устойчивой конструкции новой дамбы, а на последующих - выполнение собственно ликвидационных (вскрышных) работ. Ведение горных работ в массивах, сложенных слабыми породами затруднено. В качестве мероприятия по подготовке намывных пород к переэкс-кавации сухоройными механизмами в некоторых случаях используется предварительное их уплотнение слоем хорошо проницаемых пород (гидроотвалы «Киселевский №1 и «Бахтыхта»). На разрезе «Кедровский» для частичного удаления гидроотвала №3 обосновано использование гидромеханизация.

Во всех перечисленных случаях (предварительное уплотнение или без него) требуется выполнять расчеты устойчивости откосов гидровскрышных уступов и оставшихся частей намывного сооружения, при этом необходимо учитывать временной фактор. Так, при смыве намывного массива откосы существуют

не значительный период времени, исчисляемый месяцами, а иногда и днями. Кроме того, гидровскрышные уступы в силу технологических особенностей гидромониторного размыва постоянно подвергаются развитию оползневых деформаций, после чего создаются новые уступы, которые должны быть устойчивыми в промежуток времени от обрушения до нового гидромониторного воздействия. При развитии гидромеханизации по удалению гидроотвала несколькими уступами следует производить обоснование параметров рабочего борта, состоящего из нескольких уступов, сложенных намывными отложениями.

Второй важнейшей задачей при удалении гидроотвалов является обоснование параметров оставшихся частей намыв-ных сооружений. Возможно несколько вариантов развития событий. Первый, предполагающий погашение рабочего борта при параметрах, обеспечивающих долговременную устойчивость откосов прибортовых массивов. Второй, когда осуществляются определенные технологические мероприятия и задействуются относительно прочные породы, например, породы сухих отвалов. Во всех перечисленных случаях выполняются расчеты устойчивости по известной методике [3]. Отличия ее для случая ликвидации гидроотвала заключается лишь в прогнозе порового давления в размываемом намывном массиве. В настоящее время отсутствует достаточно обоснованная и апробированная методика оценки и прогноза НДС в разрабатываемых водонасыщенных глинистых массивах. Для этих целей можно использовать имеющееся решение теории фильтрационной консолидации [3, 4], изменив только мощность намывного слоя на величину отработки.

Решение рассмотренных выше проблем предопределяет необходимость разработки системы геологического обеспечения промышленной и экологической безопасности гидроотвалов -комплекса работ и исследований по изучению, обоснованию, управлению и контролю их состоянием, взаимодействию с другими горнотехническими объектами и окружающей средой, выполняемых в течение всего срока существования объекта.

1. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. Основные закономерности деформирования “сухих” отвалов при их размещении на гидроотвалах. Тр. ВНИМИ, Сб. «Совершенствование методов расчета сдвижения и деформаций горных пород, сооружений, бортов разрезов при разработке угольных пластов в сложных горногеологических условиях», 1985.

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

3. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть II. Обоснование оптимальных параметров отвальных сооружений. - Л.: Издательство ВНИМИ, 1990, 51 с.

4. Гальперин А.М. Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях. - М.: Недра, 1988.

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

Ермошкин В.В. - ОАО«УК»Кузбассразрезуголь», Кемерово.