Инженерно-геологическое изучение гидроотвала при его частичном удалении открытыми горными работами

УДК 622.271 А.И. Федосеев

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ГИДРООТВАЛА ПРИ ЕГО ЧАСТИЧНОМ УДАЛЕНИИ ОТКРЫТЫМИ ГОРНЫМИ РАБОТАМИ

Семинар № 1

Рассмотрены некоторые вопросы частичного удаления намывного массива гидроотвала №3 разреза «Кедровский» в Кузбассе при ведении открытых горных работ, приведены его горно-геологические условия, выполнено инженерно- геологическое районирование намывного массива, даны результаты изучения порового давления в глинистой зоне намывного сооружения, обозначены процессы и явления, сопровождающие частичное удаление гидроотвала.

Открытая добыча угля в Кузбассе осуществляется с применением гидромеханизации, сопровождающейся размещением гидровскрышных пород в специальные сооружения - гидроотвалы. Они формируются обычно в непосредственной близости от разрезов, занимая логовые участки земной поверхности. Слабая разведонность месторождений угля на первых этапах их освоения привела к возникновению ситуаций, когда некоторые намывные массивы оказались целиком или частично на территориях, включающих запасы угля, доступные для отработки открытым способом. В частности, под гидроотвалом № 3 разреза «Кедровский» доразведкой установлены дополнительные запасы угля в объеме 50 млн м3. Это предопределило необходимость выполнения здесь вскрышных работ, связанных с частичным удалением намывного со-

оружения, что, в свою очередь, потребовало постановки и выполнения специальных исследований с целью обоснование параметров перефор-мируемого гидроотвала.

Намывные массивы гидроотвалов являются специфическими инженерно-геологическими системами, состоящими из техногенных водонасыщенных глинистых пород малой степени литификации, поэтому их отработка практически невозможна с применением стандартных, хорошо апробированных для региона технологий. Так, использование «сухоройных» механизмов при переформировании намывного массива затруднено без выполнения специальных мероприятий по обеспечению проходимости горно-транспортного оборудования, а также по условиям экскавации и транспортировки пород. На разрезах «Новосергеевский» и «Киселевский» для улучшения прочности намывных пород применено их предварительное уплотнение путем отсыпки на гидроотвалах пород «сухой» вскрыши в виде отвала определенной высоты [1]. При наличии большой мощности и значительной площади намывного массива использование данного мероприятия экономически и технологически нецелесообразно. Поэтому на разрезе «Кедровский» при выборе технологии удаления гидроотвала № 3 была обоснована гидро-

Физико-механические свойства намывных пород гидроотвала № 3

Физико- Песчано- Суглинистая зона Глинистая зона

механические свойства супесчаная зона А н о - о П пород по консистенции Подзоны пород по консистенции

текучих мягко- пластич туго- пластич текучих мягко- пластич

Влажность, % 14-30 27-40 24-31 22-26 37-80 31-40

Плотность, т/м3 1,7-1,95 1,7-1,9 1,9-1,96 1,95-2.0 1,6-1,85 1,85-1,95

Пористость, % 33,7-43,7 44-50 38-47 40-42 50-65 44,5-50

Угол внут. трения, град 25-32 14-23 19-25 18-24 0-6 6-12

Сцепление, МПа 0,01- 0,025 0,015- 0,03 0,025- 0,04 0,04-0,06 0,005- 0,015 0,015- 0,035

К-т сжимаемости, см/кг2 0,06- 0,008 0,14- 0,04 0,08- 0,02 0,02-0,009 0,25-0,1 0,1-0,03

механизация [2, 3], которая на предприятии в этот момент времени эффективно работала на вскрышных работах в неоген-четвертичной породной толще, а также существовали горные выработки с отработанными запасами угля, которые могли бы использоваться для повторного складирования намывных осадков.

Одним из основных вопросов при обосновании применения для частичного удаления гидроотвала гид-ромеханизационной технологии и оптимизации параметров перефор-мируемого намывного массива является оценка и прогноз устойчивости откосов гидровскрышных уступов, а также новой конструкции дамбы оставшейся части намывного массива. Их решение невозможно без детального изучения инженерно-геологических условий намывных массивов: формы, строения, состава, состояния и свойств намывных массивов, а также различных техногенных и технологических процессов и явлений: технолитогенеза, гидрогеомеханических, гео-динамических и горно-производственных.

Данная работа будет посвящена некоторым результатам инженерно-

геологического изучения условий ликвидации гидроотвала №3 разреза «Кедровский».

Гидроотвал намывался с 1958 по 1990 годы и на момент завершения намыва представлял собой сооружение овражно-балочного типа с односторонним обвалованием максимальной высотой в тальвеге лога 53 м при площади 292 га и емкости 47,8 млн м3. Намыв его осуществлялся большую часть времени со стороны дамб обвалования, что предопределило формирование инженерно-геологической зональности с выделением зон: песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых пород. В вертикальном разрезе суглинистой зоны намывного массива при исследованиях 1990 года выделены подзоны текучих, мягко-, тугопластичных и полутвердых пород, а в глинистой - две первые (рис. 1, таблица). Максимальную мощность 25-30 м имеет слой текучих пород, характеризующийся сцеплением

0,005-0,015 МПа и углами внутреннего трения 0-6 град.

На момент окончания намыва гидроотвала процессы консолидации были завершены только в пределах песчано-супесчаной зоны и частично в

Рис. 1. Инженерно-геологический разрез по гидроотвалу:

1 - песчано-супесчаные породы; 2- вода пруда-отстойника; 3 - породы дамб; 4 - суглинистые породы; 5 - глинистые породы; 6 - границы зон; 7 - границы подзон; 1,11,111- соответственно зоны песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых пород; а, б, в, г - соответственно подзоны пород текучей, мягко-, тугопластичной и полутвердой консистенции.

суглинистой зоне, примыкающей к первой зоне. Подтверждением тому явились измерения порового давления, выполненные институтом ВНИ-МИ совместно с технической службой разреза. К сожалению, в глинистой зоне сооружения такие работы проведены не были и лишь только спустя десятилетия (2003 год) в процессе бурения трех инженерно-геологических скважин новационной фирмы «Кузбасс-НИИОГР» сотрудниками института ВНИМИ выполнена установка датчиков порового давления и произведена оценка напряженно-деформированного состояния намывного массива в глинистой зоне.

В период 1990-по настоящее время на гидроотвале выполняются отвальные работы. В первую очередь, отвал «Пихтовый», отсыпаемый рядом с намывным сооружением, стал развиваться на поверхности гидроотвала, а во вторую очередь - выполнена отсыпка разделительной дамбы. Данные технологические мероприятия, несомненно, привели к изменению свойств и напряженного состояния намывного массива.

Первая скважина глубиной 47 м. была пройдена на разделительной дамбе (рис. 2). Она вскрыла насыпные

и намывные породы, а также отложения естественного основания гидроотвала, представленные суглинками, выветрелыми и невыветрелыми прочными аргиллитами четвертичного и пермского возрастов. Мощность насыпных и намывных пород составила соответственно 11 и 40 м. Датчики устанавливались в намывные породы на глубинах 17,25,33 м (рис. 2). Замеры порового давления свидетельствуют о наличии в намывном массиве избыточного давления, связанного, по всей видимости, как с намывом гидроотвала, так и отсыпкой пород насыпи. Характер его развития по глубине свидетельствует о наличии фильтрации только вверх к поверхности гидроотвала, пригруженного отвальной насыпью.

Вторая скважина пробурена с поверхности гидроотвала в районе отвала «Пихтовый». В интервале глубин 0-22,0 м (рис. 3) ею вскрыты щебенисто-дресвяные отложения «сухих»

отвалов, что свидетельствует о развитии при отвалообразовании на гидроотвалах оползневых деформаций подподошвенного типа, когда деформирование сопровождается выдавливанием пород основания отвала - намывных пород и замещением их на-

Рис. 2. График изменения физико-механических свойств грунтов

сыпными отложениями. Мощность пород намывного массива при этом уменьшилась до 20 метров. В скважину было установлено 4 датчика на глубинах 10,5; 20.5; 30,5; 37,5 метров. Измерения порового давления по ним показали наличие избыточного давления в массиве по характеру, отвечающему расположение слоя пород на водоупоре.

Третья скважина расположена на расстоянии 354 метров от скважины № 2 вниз по логу, замытому гидроотвалом, находится на значительном расстоянии от отвальных сооружений, имеет глубину около 40 метров. Последнее обстоятельство определяет, по нашему мнению, характер распределения порового давления по глубине массива и его величины. Они вызваны только условиями намыва гидроотвала и его «отдыха» после завершения эксплуатационного периода. В скважину установлено 3 датчика на глубинах 11, 21, 33 м. Измеренные значения давления по ним свидетельствуют о развитии процесса фильтрационной консолидации, соответствующие одномерной схеме при наличии дренажа к поверхности [4] (рис. 4).

Анализируя результаты измерений порового давления в намывном массиве гидроотвала № 3, следует отметить: - на участке установки датчиков в породах присутствует избыточное поровое давление с наименьшими значениями по скважине № 3 и наибольшими - по скважинах № 1 и 2; -разница в давлении вызвана влиянием отсыпки отвалов «сухой» вскрыши в виде разделительной насыпи (скважина №1) и отвала «Пихтовый» (скважина №2); - характер распределения избыточного порового давления свидетельствует о его дренировании к поверхности сооружения.

Таким образом, инженерно-геологические исследования на гидроотвале, выполненные в разное время, позволяют сделать следующие основные выводы:

1. В процессе намыва гидроотвала сформировался неоднородный в плане и разрезе техногенный массив, сложенный водонасыщенными горными породами с низкими значениями прочности. Выделяются в плане зоны: песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых пород, разрезе подзоны: текучих, мягко-, тугопластичных, полутвердых пород.

Рис. 3. График изменения физико-механических свойств грунтов

Рис. 4. График изменения физико-механических свойств грунтов (ж), инженерногеологическая колонка (з) и эпюра распределения структурных напряжений в массиве (и): а - полные напряжения; аэф - эффективные напряжения; Ри - поровое давление; ДР - избыточное поровое давление; Р1 - гидростатическое давление

2. В намывном массиве глинистой и частично суглинистой зоны на момент окончания намыва было сформировано избыточное поровое давление, которое в глинистых отложениях продолжает оставаться до настоящего времени. Это связано, в первую очередь, с плохими условиями консолидации (большая мощность пород, наличие водоупорного основания, низкие фильтрационные свойства пород), а во вторую - с отсыпкой

на поверхности гидроотвала различных насыпей.

Также следует предположить, что в процессе отработки намывные породы будут значительно изменять свое состояния и свойства в результате развития различных процессов и явлений. Во-первых, будет продолжаться уплотнение пород оставшейся части сооружения в результате процесса фильтрационной консолидации, как под собственным весом, так и при на-

гружении пород различными насыпями. Во вторых, при отсыпке пород на гидроотвал возникнут оползневые деформации и деформации оседания, сопровождающиеся выдавливанием намывных пород из-под отвала, которые приведут к уменьшению мощности намывного слоя и возрастанию нагрузки. В третьих, при удалении части намывного массива при его смыве возникнут условия деконсолидации пород, сопровождающиеся уменьшением прочности, и, как следствие, ухудшением условий устойчивости откосов переформируемого намывного массива. В четвертых, при

1. Кутепов Ю.И., Кутепова H.A., Ер-мошкин В.В., Смурова И.А. Технологические схемы частичной отработки гидроотвалов. Тезисы докладов к конференции «Социально-экономические и научно-технические проблемы интенсификации на открытой угледобыче Кузбасса», состоявшейся в г. Кемерово 15-16 октября 1987 года, Кемерово, 1987, с. 56-58.

2. Кутепов Ю.И., Кутепова H.A., Данильченко В.H., Подтяжкин А.В. Инженерно-геологическое обоснование частичной отработки гидроотвалов, расположенных в приделах горных отводов разрезов. Тезисы докладов учебно-практического семинара «Г идрогеологические и инженерно-геологические проблемы при разработке угольных месторождений», состоявшегося в г.

удалении намывного массива сформируются откосы, находящиеся в предельном состоянии, которые могут характеризоваться развитием избыточного порового давления в возникновении касательных напряжений. Данные процессы существенно повлияют на технологию горных работ по частичному удалению гидроотвала. Однако знание их основных закономерностей позволит управлять ими, что, в конечном итоге, обеспечит промышленную безопасность и технико-экономическую эффективность вскрышных работ.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Ялта 18-23 мая 1992 года, СПб, 1992, с.11-12.

3. Кутепов Ю.И., Кутепова H.A., Данильченко B.H., Подтяжкин A.B. Обоснование частичной отработки гидроотвала № 3 на разрезе «Кедровский». Тезисы докладов второго учебно-практического семинара «Г идрогеологические и инженерно-геологические проблемы при разработке угольных месторождений», состоявшегося , в г. Ялта 30 мая-4 июня 1993 года, СПб, 1993, с.34-36.

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

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

Федосеев А.И. - ОАО «УК» Кузбассразрезуголь», Кемерово.