Изучение условий консолидации намывных пород на стадии консервации гидроотвала «Бековский» в Кузбассе

© А.П. Чсрсмхина, 2013

УДК 624.131 А.П. Черемхина

ИЗУЧЕНИЕ УСЛОВИЙ КОНСОЛИДАЦИИ НАМЫВНЫХ ПОРОЛ НА СТАДИИ КОНСЕРВАЦИИ ГИДРООТВАЛА «БЕКОВСКИЙ» В КУЗБАССЕ

Рассмотрены результаты натурных наблюдений за изменением порового давления и деформациями в откосной части гидроотвала «Бековский», характеризующие условия консолидации намывных пород на стадиях эксплуатации и консервации сооружения. Приведены данные изменения физико-механических свойств намывных глинистых грунтов за десятилетний период. Ключевые слова: гидроотвал, поровое давление, консолидация.

При открытой добыче угля в Кузбассе возникает широкий круг гидрогеомеханических задач, связанных с обоснованием устойчивости гидроотвалов вскрышных пород при их намыве, наращивании, использовании под отвалы, частичной или полной ликвидации. Решение этих задач базируется на учете в расчетных схемах закономерностей формирования порового давления в намывных массивах, изменения состояния и свойств пород гидроотвалов в процессе непрерывной трансформации гидростатических и механических полей напряжений.

Одной из актуальных научных задач на сегодня является изучение условий консолидации намывных пород на стации консервации («отдыха»), что необходимо для обоснования возможности возобновления намыва гидроотвалов (расконсервации), эксплуатация которых была завершена несколько лет назад в связи с достижением ими проектных параметров. Проследить за изменением гидрогеомеханических условий намывного массива при длительном сроке «отдыха» позволяют данные

мониторинга устойчивости на гидроотвале «Бековский», где на протяжении 25 лет (из них 10 лет на стадии консервации) ведутся регулярные наблюдения за поровым давлением, деформациями поверхности гидроотвала, изменением состояния и свойств намывных пород.

Гидроотвал «Бековский» представляет собой намывное сооружение овражно-балочного типа с односторонним обвалованием. Его емкость обеспечена многоярусной плотиной, состоящей из 14 дамб (верхняя дамба наращивания имеет №15), протяженностью по гребню 525,0м. Высота плотины при фактической отметке гребня +301,6 и минимальной отметке естественного основания в тальвеге лога +225,0м составляет 76,6 м. Гидроотвал в течение 30 лет (до 2001 г.) использовался для складирования четвертичных пород разреза «Бачатский», разрабатываемых средствами гидромеханизации. Стационарная наблюдательная сеть гидрогеомехани-ческого мониторинга расположена в центре плотины на участке, приуроченном к тальвегу лога, который ха-

рактеризуется наихудшими условиями устойчивости, т.к. высота плотины и мощность намывных пород здесь максимальны. Наблюдательная станция в различные годы состояла из 6 скважин с большим количеством датчиков порового давления. К настоящему времени в работе осталось 4 скважины с 13 датчиками. На рисунке представлен разрез гидроотвала в створе станции, это только часть откоса гидроотвала длиною 180 м, рассматривающая намывной массив от верхней 15 дамбы (гребень плотины) до 5 дамбы наращивания. Полная длина откоса в данном створе примерно 420 м.

Наблюдения по станции, проводимые в период эксплуатации гидроотвала, показали, что напряженное состояние намывных пород в пределах призмы возможного оползания откоса плотины характеризуется постепенным нарастанием избыточного порового давления [1]. Основная причина образования здесь избыточного порового давления — отсыпка дамб наращивания. Зона влияния отсыпки распространяется в сторону низового откоса на расстояние более 100 м от оси отсыпаемой дамбы, прирост порового давления в ней достигает величины нагрузки от веса дамбы. При высокой интенсивности формирования дамб избыточное поровое давление «накапливается» год от года в призме возможного оползания откоса гидроотвала, и состояние его устойчивости ухудшается. Процессы консолидации намывных пород в условиях изменяющегося напряженно-деформированного состояния (НДС) протекают весьма медленно, вследствие чего верхние намывные слои мощностью до 25 м в течение всего

срока эксплуатации гидроотвала имеют текучепластичную консистенцию. Влажность этих пород составляет 27—40 %, плотность 1,8-1,9 г/см3, сцепление 15 кПа, угол внутреннего трения 17-190.

На момент завершения намыва гидроотвала (2001 г.) состояние откоса плотины оценивалось коэффициентом запаса устойчивости 1.20, что ниже нормативных требований СНиП к безопасности гидротехнических сооружений I класса ответственности. Возможность дальнейшей безаварийной эксплуатации сооружения была полностью исчерпана.

Наблюдения за изменением НДС намывного массива в период «отдыха» гидроотвала (2002-2012г.) показывают стабильный спад порового давления и существенное сокращение зоны избыточного порового давления. При построении эпюр распределения избыточного порово-го давления по глубине намывного массива по скважинам 14 и 12, можно определить, что рассеивание при консолидации намывных пород фильтрация воды идет в основном к поверхности намывного откоса, естественное основание гидроотвала можно рассматривать как непроницаемый контур. В соответствии с характером изменения напряженного состояния пород происходит уплотнение намывного массива, что фиксируется измерениями по реперам геодезической станции, проложенной на откосе рядом с гидро-геомеханическим створом. Осадки зафиксированы только на участке откоса, приуроченном к зоне намывного массива, где происходило рассеивание избыточного порового давления (см. рисунок). Величина осадки тесно увязана с величиной

Изменение значения осадки по реперам станции гидр-огеомеханичесхого мониторинга в динамике

А&с.отол. ,м 310

Бэчатский угольный разрез Бековский гидроотвал

Абс.оти., ¿10

Условные о&азмаченкя

|зонэ избыточного порового давления на 2002 год

__________уровень грунт сизых вод

52Б внюклер яэтчгикж порового давления Р:0 номер репера -станции

падрогескмежанического (мониторинга

--------------- изолинн-и избыточного пороэого давления

на 2002 год

--1- изолинии избыточного пороаош давлении

на 2012 год { м.в.сж.) скв 14 скважина, гадро^ео механического монитормчнга '¡ номер скважины)

Инженерно-геологический разрез гидроотвала «Бековский»

рассеивания избыточного порового давления и мощностью уплотняющегося массива. Максимальные осадки поверхности откоса за 10 лет «отдыха» составили порядка 23 см.

Обратными расчетами по уравнению теории фильтрационной консолидации для случая уплотнения слоя на непроницаемом основании под действием мгновенно приложенной нагрузки были рассчитаны коэффициенты консолидации Су пород в соответствии с формулой, представленной в работе [2]. Полученная величина Су колеблется в диапазоне 0,01+0,19 м2/сут.

В 2012 г. при бурении скважин были отобраны образцы намывных пород и проведен полный комплекс по определению их физико-механи-

ческих свойств. Анализ полученной информации дает возможность сделать вывод, что намывные породы за период «отдыха» уплотнились — влажность снизилась до 23-25 %, плотность увеличилась до 2,03-2,05 т/м3, сцепление возросло до 15-40 кПа, консистенция пород также изменилась от мягкопластичной в верхней части намывного массива до полутвердой — в основании гидроотвала.

Выявленные изменения гидро-геомеханических условий предопределяют улучшение состояния устойчивости откоса гидроотвала, что позволяет рассматривать вопрос о возможности продления срока эксплуатации сооружения в качестве накопителя горнопромышленных отходов (расконсервации).

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кутепов Ю.И., Кутепова H.A. Изучение порового давления в намывных массивах // Геоэкология, 2006, №2. — С. 156—166.

2. Годлевская Г.И., Кутепов Ю.И., Норватов Ю.А. Определение в натурных условиях показателей фильтрационной консолидации пород гидроотвалов // Инженерная геология, 1985, №2. - С. 109—114. Е2Е

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Черемхина Анастасия Петровна — аспирант, Cheremhina_1@mail.ru,

Научный центр геомеханики и проблем горного производства, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

д