Изучение инженерно-геологических условий гидроотвалов Кузбасса на различных этапах существования

© Ю.И Кутепов, Н.А. Кутепова, А.Х. Саркисян, 2004

УДК 550.8

Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, А.Х. Саркисян

ИЗУЧЕНИЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ГИДРООТВАЛОВ КУЗБАССА НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ СУЩЕСТВОВАНИЯ

Семинар №1

~П работе рассмотрены инженерно-

-О геологические условия формирования намывных массивов на различных этапах существования гидроотвалов: строительство,

эксплуатация, рекультивация и использования в качестве основания в качестве оснований отвалов «сухой» вскрыши. Целью работы является установление закономерностей изменения размеров и формы намывных массивов; состава, состояния и свойств намывных пород гидроотвалов Кузбасса.

Важнейшей задачей современной инженерной геологии является изучение новых, наиболее молодых в геологической истории породных образований, получивших название «техногенные отложения». Процесс их формирования принято называть «техногенез».

Среди техногенных пород особое место занимают намывные, которые характеризуются значительным разнообразием, связанным со спецификой технологических процессов их формирования. Одним из таких процессов является гидромеханизационный, применяемый для удаления вскрышных пород и размещения их в специальные отвальные сооружения -гидроотвалы.

Гидромеханизация на открытых разработках угля в Кузбассе используется с начала 50-х годов прошлого столетия по настоящее время. За более чем полувековой период было удалено 850 млн. м3 вскрыши с размещением пород в 50-ти гидроотвалах. Намывные сооружения Кузбасса характеризуются разнообразием по высоте (от 4 до 73 м), площади (6-765 га), емкости (0,6-100 млн. м3), количеству дамб (1-15 шт). Большая их часть сформирована в оврагах и балках строительством ограждающих дамб из привозного материала, один намыт на косогоре и имеет трехстороннее обвалование, два -на равнине при обваловании с четырех сторон, три - в старых горных выработках. Намыв гид-

роотвалов производился в основном сосредоточенным способом при невысокой среднегодовой интенсивности (1-3 м/год).

На различных этапах существования гидроотвалов в Кузбассе возникали различные проблемы по обоснованию оптимальных параметров сооружений и обеспечению безопасности при их строительстве, эксплуатации, использовании в качестве оснований отвалов «сухой» вскрыши, рекультивации. Их решение предопределило необходимость изучения ин-женерно-геологи-ческих условий намывных массивов на различных этапах существования гидроотвалов.

При рассмотрении инженерно-геологических условий гидроотвалов использовалась, разработанная ранее схема техногенеза намывных пород [1], отражающая последовательность формирования строения, состава, состояния и свойств пород, определяющая природные и техногенные факторы, их роль и взаимосвязь на различных этапах. Она включает три этапа, сутью которых является формирование: 1) исходного состава материала, поступающего в гидроотвал; 2) состава и строения пород в массиве гидроотвала; 3) состояния и свойств намывных пород.

В Кузбассе гидромеханизированным способом удаляется верхняя часть разреза, сложенная отложениями неоген-четвертич-ного возраста. Она разделяется на несколько свит: меретскую (йрКгК2тг), моховскую (йр^1-Ы23тЬ), сагарлыкскую (1аЫ^), сергеевскую (йрЫ^^г), кедровскую (laQ1_IIkd), бачатскую (dzQ3II-Q3IIIbc), краснобродскую (aQ3IIIkr) и еловскую (dzQ4III-Q4Iel). По генезису отложения перечисленных свит в большинстве своем относятся к делювиально-пролювиальным и субаквальным; только лессовидные породы еловской серии имеют эоловый генезис. По составу неоген-четвертичные отложения пред-

ставлены в основном к пылеватым суглинкам; среди отложений субаквального генезиса встречаются пылеватые глины и супеси.

На этапе техногенеза намывных отложений, связанном с формированием их состава, строения в сооружении (этап II), определяющее значение имеет технология гидроотвало-образования, влияющая на процесс фракционирования - раскладки исходного материала по крупности на карте намыва и, конечном итоге, на характер изменчивости состояния и свойств намывных пород, строение массива, размеры и положение пляжной, переходной и прудковой зон. Изучение состава пород в намывных сооружениях Кузбасса позволило выявить тенденцию в распределении фракций по длине откоса намыва, проявляющуюся в закономерной смене по мере удаления от фронта намыва грубодисперсных разностей (песков, супесей) на мелкодисперсные (суглинки и глины).

После осаждения намывного материала в гидроотвале наступает этап, сутью которого является формирование состояния и свойств пород в гидроотвале (этап III). Определяющим фактором на этом этапе является гравитационное уплотнение, контролирующееся в водонасыщенных породных массивах поровым давлением. Характер развития порового давления в

гидроотвалах зависит от размеров намывного массива, интенсивности и технологии его формирования, дренажных условий на границах массива, компрессионно-фильтрационных

свойств пород.

Изучение порового давления в строящихся и эксплуатируемых гидроотвалах позволило установить закономерности его распределения в формирующихся намывных массивах. Так, для условий гидроотвала «Бековский», высота которого в 2003 г. достигла 73 метров, намывной массив целесообразно разделить на три зоны (рис. 1). Первая зона (I) охватывает внутреннюю часть сооружения, начиная от фронта намыва. Она характеризуется условиями постоянного увеличения мощности сооружения за счет намыва, возрастанием избыточного по-рового давления с глубиной и его постепенным увеличением в направлении пруда-отстойника. Вторая зона (II) - зона влияния отсыпки дамб обвалования - составляют для условий гидроотвала «Бековский» 120-130 м. Ее положение в массиве изменяется и зависит от месторасположения отсыпаемой дамбы. Третья зона (III) -включает внешнюю часть откоса, избыточное поровое давление в нем отсутствует.

При строительстве и эксплуатации гидроотвалов создаются намывные массивы опреде-

Физико-механические свойства намывных пород Кузнецкого угольного бассейна

Название зон и подзон Влажность % Плотность у, т/м3 Плотность минеральной части, Д т/м3 Пористость, п, % Угол внутреннего трения ф, град Сцепление С, МПа Коэффициент сжимаемости, а, см2/кг Коэффициент фильт-ра-ции, Кф, м/сек

песчано супесчаная 14-30 1,7-2,1 2,65-2,72 33,7-43,7 25-32 0,013-0,055 о=0,05-0,7 МПа 0,06-0,008 10-4 - 10-8

текучих пород 27-40 1,8-1,92 2,66-2,72 44-52,5 14-23 0,015-0,026 о=0,025-0,2 МПа 0,14-0,04

мягкопластичных пород 24,5-31,4 1,9-2,0 38,5-46,6 19-25 0,023-0,043 о=0,1-0,3 МПа 0,08-0,02 10-8 - 10-9

тугопластичных пород 22,1-26,3 2,0-2,02 40-41,6 22 0,063 о=0,3-0,5 МПа 0,02-0,009

глинистая зона

текучих пород 37-100 1,61-1.88 50-71 0,005-0,015 (общее сопр.сдвигу, МПа) о=0,01-0,15 МПа

мягкопластичных пород 31-38 1,88-1,96 2,67-2,72 44,5-50 8-16 0,15-0,035 о=0,15-0,2 МПа 0,1-0,03 10-10 - 10-11

тугопластичных пород 28-31 1,96-2.01 41-44 8-16 0,05-0,06 о=0,2-0,6 МПа 0,03-0,01

ленной формы, которая существенно влияет на состояние и свойства пород. Форма намывных массивов определяется, с одной стороны, рельефом местности, на которой намывается гидроотвал, а с другой - геоморфологическим обликом сооружения. Рельеф поверхности основания может быть равнинным, косогорным, овражно-балоч-ным, котловинным и котлованным. В связи с этим, дамбы обвалования отсыпаются либо с четырех-, трех-, одной стороны, либо не строятся вообще. Геоморфологический облик гидроотвала зависит от конструкции сооружения и технологии его формирования. Существуют две основные конструкции гидроотвала: одноярусная и многоярусная.

Таким образом, при строительстве и эксплуатации гидроотвалов образуются техногенные массивы сложной формы и строения, определяемые особенностью формируемого сооружения, технологией и процессом фракционирования. Обычно в гидроотвалах Кузбасса выделяются зоны песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых пород, каждая из которых может быть разделена по консистенции на подзоны текучих, мягкопластичных, тугопластичных, а иногда и полутвердых пород. Породы выделенных зон и подзон характеризуются различными физико-механическими свойствами (таблица).

При завершении эксплуатации гидроотвалов они подлежат консервации. В гидрогеоме-ханическом плане такие сооружения находятся на стадии «отдыха», сопровождающейся дальнейшим рассеиванием избыточного порового давления, уплотнением намывного массива и изменением свойств пород. Изучение гидроотвалов с различными технологическими параметрами на стадии консервации сопровождалось замерами порового давления в намывных породах. Было установлено, что характер распределения в массиве избыточного порового давления (Ри) и его величины при примерно одинаковой мощности пород и их компрессионно-фильтрационных свойствах зависят от времени «отдыха» и дренажных условий. Так, максимальные значения Ри отмечаются в гидроотвалах «Акташский» и «Сагарлыкский» со сроками «отдыха» соответственно 3 и 2 года, минимальные - в гидроотвалах «Бахтыхта» (1:отд = 14 лет) и «Новобачатский» (1;отд = 9 лет), а

его отсутствие в гидроотвале «Свободный» с временем «отдыха» 25 лет. Кроме того, исследованы гидроотвалы «Бахтыхта» и «Новобачатский», характеризующиеся односторонним и двухсторонним дренажем, и установлено, что в первом сооружении со сроком «отдыха» 14 лет Ри выше, чем во втором, имеющим 1отд = 9 лет. Следует также отметить, что все изученные намывные массивы характеризуются достаточно высокими коэффициентами консолидации Су: для намывных глинистых пород Су изменяется от 0,01 до 0,04 м2/сут.

Изменение напряженного состояния намывных массивов при «отдыхе» гидроотвалов приводит к дальнейшему изменению физического состояния и свойств пород. На изученных объектах Кузбасса с различным периодом «отдыха» установлены зависимости изменения основных показателей физико-механических свойств пород. В частности, на рис. 2 и 3 приведены зависимости изменения влажности и сцепления от времени «отдыха» гидроотвала.

Одним из основных направлений консервации гидроотвалов является их использование в качестве оснований отвалов «сухой» вскрыши. Данное технологическое мероприятие сопровождается подчас кардинальным изменением инженерно-геологичес-ких условий намывных массивов. На гидроотвалах Кузбасса отвальные работы производятся по трем технологическим схемам, предполагающим использование определенных сочетаний отвальных механизмов и транспорта: 1) бульдозер - автомобиль; 2) драглайн - ж/д транспорт; 3) мехлопата - ж/д транспорт.

В результате выполненных наблюдений за формированием «сухих» отвалов на гидроотвалах выявлены следующие типы деформаций: а) оползни; б) оседания отвалов, вызванные выдавливанием пород основания; в) консолидация техногенных пород; г) вязко-пластичное течение пород на склонах, сформировавшихся на поверхности гидроотвала в результате развития деформаций первого и второго типов. Каждый из установленных типов деформаций охарактеризован с позиций морфологии и динамики развития. Необходимо отметить влияние на характер деформирования технологий, применяемых при отвалообразовании.

(Ш ЕШЗ

Выявленные деформации определяют, в первую очередь, размеры и форму нагружаемых намывных массивов отвалами гидроотвалов. При, экскаваторном отвалообразовании намывной массив существенно изменяет свою форму, а в некоторых случаях - наблюдается его разделение на отдельные тела (рис. 4).

Отсыпка отвалов автомобильным транспортом и бульдозерами в направлении от периферии к центру приводит к тому, что намывные породы отжимаются от краевых частей сооружения к его центральной части, создавая массивы своеобразной формы, похожей на «юлу» (рис. 5).

Нагружение гидроотвалов отвалами «сухой» вскрыши сопровождается специфическим изменением напряженного состояния намывного массива: избыточного порового давления возникает не только под контуром нагружения, но и перед отвальным фронтом в непригру-женной части. Эта зона названа ЗВО - зона влияния отвала (отсыпки) [2]. Ее величина на гидроотвале «Сагарлыкский» перед фронтом отсыпаемого 30-метрового отвального яруса достигла 500 м. Выявленные закономерности распределения порового давления в намывных породах в основании отвалов позволили вы-

\У,%

55 - •

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 1, год

Рис. 2. Изменение влажности намывных пород в зависимости от времени гидроотвала

Рис. 1. Ихшившшщиямотмюаиарормы тмгшдртогмшшяБенрвююнйытнеувко-кивмтфщошртиншя: Поросыронгдавпсг-н^ЯБ1 1 «сухмбо» наращивай ия тадрывнвае па;рЗдызоные^т1|0а;ще.нанынсгры^Е1йго массива, характеризующиеся различными

ршовйя Ивм&нтиидрщмерЗо- изфтрмш нероыного^яевияа впртмотеыяхкекора-втоМШтомобильным транспортом и бульдозерами в направлении от периферии к центру

Рис. 6. Изменение порового давления в намывных породах, залегающих в основании «сухих» отвалов

полнить схематизацию нагружаемых намывных массивов с выделением зон (рис. 6): 1) консолидации; 2) деконсолидации; 3) сдвигов.

В первой зоне поровое давление связанно с нагрузкой от отвала. Его рассеивание приводит к уплотнению намывных пород, изменению консистенции, уменьшению влажности, пористости и возрастанию плотности и сцепления. Во второй и третьей зонах наблюдается обратный процесс, что связано с увеличением поро-вого давления иногда до значений, равных полным напряжениям, т.е. эффективные напряжения становятся равны нулю, что приводит к возрастанию влажности, пористости и уменьшению плотности и прочности. Различие в условиях второй и третьей зон заключается в механизме образования избыточного порового давления. Так в зоне деконсолидации избыточное поровое давление является результатом фильтрации воды из-под отвала, а в зоне сдвигов - «памятью» о нагружении отвалом: выдавившаяся из-под отвала масса сохраняет поро-вое давление, возникшее от отсыпки отвальных масс.

Рис. 3. Изменение сцепления намывных пород в зависимости от времени отдыха гидроотвала

100-110»

1. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. Изучение порового давления в намывных отложениях при строительстве и

Таким образом, намывные массивы гидроотвалов являются сложными инженерно-

геологическими системами,

сформированными на земной поверхности в специально отведенных местах из естественных песчано-глинистых пород с применением гидрогеомеханизирован-ных технологий путем планомерного намыва. Они имеют определенную форму и размеры; сложены породами, характеризующимися специфическим строением, составом, состоянием и свойствами; находятся под контролем со стороны человека; подвергаются техногенному воздействию согласно целевому назначению и направлениям использования в народном хозяйстве.

--------СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

эксплуатации гидроотвалов. - Сб. научн. тр. ВНИМИ «Управление горным давлением и прогноз безопасных условий освоения угольных месторождений».-Л.: Из-во ВНИМИ, 1990, с 110-119.

2. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. Техногенез намывных пород. - М., Геоэкология, №5, 2003 г, с. 405-413.

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

Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. - ВНИМИ, Санкт-Петербург. Саркисян А.Х. - Московский государственный горный университет.