ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2007, № 5, с. 396-403
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ
УДК 624.131
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ И ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ОТВАЛЬНЫХ НАСЫПЕЙ НА НАМЫВНЫХ ОСНОВАНИЯХ
© 2007 г. А. М. Гальперин*, А. Ю. Панфилов*, С. А. Пуневский*, С. Н. Жилин**
*Московский государственный горный университет **ОАО "Лебединский горно-обогатительный комбинат" Поступила в редакцию 26.10.2006 г.
Рассматриваются вопросы инженерно-геологического изучения слабых намывных оснований - техногенных массивов гидроотвалов карьеров КМА. Путем оценки несущей способности тонкодисперсных намывных отложений обосновывается возможность размещения на них отвальных насыпей из скальных и рыхлых вскрышных пород на объектах Лебединского горно-обогатительного комбината.
При эксплуатации железорудных месторождений КМА возникает необходимость в изъятии значительных земельных площадей в плодородной черноземной зоне России. Их значительную часть занимают гидроотвалы и хвостохранилища ГОКов КМА. Сокращение отчуждаемых земель невозможно без выполнения комплекса инженерно-геологических и гидрогеомеханических исследований намывных техногенных массивов для последующего решения вопросов реконсервации, наращивания намывом гидротехнических сооружений или размещения на них "сухих" отвалов. Инженерно-геологическое обоснование технических решений по увеличению вместимости сооружений позволяет обеспечить промышленную и экологическую безопасность гидроотвально-хво-стовых хозяйств и улучшить их экономические показатели. Выполнение этих работ соответствует Федеральным Законам № 116 и 117 от 1997 г. и нормативным документам о ликвидации и консервации гидротехнических сооружений.
Состояние намывных массивов гидроотвалов и хвостохранилищ как техногенных образований определяется физико-географическими, инженерно-геологическими и технологическими факторами. Вопросы повышения вместимости намывных сооружений разрешимы лишь при условии их безаварийного функционирования. С формированием намывных массивов связано возникновение аварий и аварийных ситуаций. Авария - полное разрушение или местный прорыв напорного фронта ограждающих сооружений с вытеканием технических вод и жидких отходов за пределы хранилища, вызванные техногенными и/или природными факторами. Аварийная ситуация - состояние объекта, при котором дальнейшее продолжение работ технически невозможно
и их приходится вынужденно прекратить. Продолжение работ возможно после устранения причин аварии и ликвидации ее последствий.
Возникновение аварийных ситуаций на гидротехнических сооружениях горных предприятий определяется совокупным влиянием перечисленных выше факторов. В качестве примеров этого влияния могут рассматриваться нарушения устойчивости ограждающих дамб на гидроотвале № 1 комбината "КМАРуда" в 1963 г. (объем оползня 1.8 млн. м3), гидроотвале "Балка Чуфичева" в 1981 г. (объем меловой пульпы около 1 млн.м3), авария хвостохранилища Качканарского ГОКа в 1999 г. (объем около 5 млн. м3), прорыв около 5 млн. м3 рассолов из хвостохранилища Стебни-ковского горно-химического комбината (Украина) в 1983 г., прорыв дамбы хвостохранилища платинового рудника Бэфокинг (ЮАР) в 1985 г. (около 3 млн. м3).
Анализ причин аварий на хвостохранилищах и гидроотвалах и опыта отсыпки сухих отвалов на намывных основаниях показывает, что необходимо разрабатывать и внедрять мониторинговые системы исследований на этих объектах с целью отслеживания их возникновения и разработки мероприятий по своевременному устранению аварийных ситуаций.
Причины возникновения аварий и аварийных ситуаций: неудовлетворительное качество дамб первичного обвалования; неправильно установленные параметры раскладки частиц и режимов намыва глинистых пород и шламов; нарушения технологии намыва; неудовлетворительная работа дренажных устройств; увеличение значений градиентов напора и выход депрессионной кривой на откос, значительно выше, чем указано в
проекте; нарушения дамб обвалования из-за суффозии и выноса мелких частиц пород; неустойчивое состояние массива намытых пород упорной призмы; неисправности водосбросных сооружений и плавучих насосных станций оборотной воды; неравномерные осадки пород основания гидроотвалов; наличие в основании гидротехнических сооружений пород, склонных к разрушению и выдавливанию; неправильно установленные проектом значения угла внешнего откоса намытых отвалов. Важнейшая роль при возникновении аварий и аварийных ситуаций принадлежит нарушениям технологии возведения отвальных сооружений.
Среди гидрогеомеханическнх процессов, сопровождающих формирование отвальных насыпей на гидроотвалах, основными являются оползни выдавливания, оседания и оплывания (по П.Н. Панюкову) [7]. Осадки техногенных массивов связаны с процессом уплотнения, который контролируется поровым давлением, развивающимся в теле гидроотвала при намыве и на-гружении его отвалами "сухой" вскрыши. Изучение порового давления производилось с использованием стационарных гидрогеомехани-ческих станций и зондирования с применением установки УГК-1 конструкции ВНИМИ. Исследованиями установлено, что избыточное поро-вое давление в нагружаемых намывных массивах формируется не только непосредственно под насыпью, но и в зоне, прилегающей к отвалу [5]. Размеры зоны влияния отвала (ЗВО) зависят от способа и интенсивности отсыпки. При фронтальном формировании отвала ЗВО может достигать 500 и более метров. Отсыпка узкопрофильных насыпей пионерным способом (например, дамб наращивания) также приводит к изменению порового давления в намывном массиве, примыкающем к отвалу. Однако параметры ЗВО при этом значительно различаются, составляя обычно 100-120 м. Время рассеивания избыточного порового давления, инициированного отсыпкой, различно для каждого из способов отва-лообразования: в первом случае оно составляет годы, а во втором - месяцы.
Отсыпка отвалов на гидроотвалах сопровождается деформациями типа подподошвенных оползней и оседаний, связанных с выдавливанием намывных пород из-под отвала. Их изучение проводилось применительно к трем схемам формирования отвала: 1) фронтальная отсыпка с помощью автосамосвалов и бульдозеров; 2) отсыпка параллельными заходками экскаватором и железнодорожная доставка пород на отвал; 3) отсыпка узкопрофильной насыпи пионерным способом с помощью автосамосвалов и бульдозеров.
Наблюдениями установлен следующий характер деформирования:
1) ширина призмы оползания составляет: при фронтальной отсыпке (1-3) Н, где Н - высота отвала, в двух других случаях - (0.4-0.6) Н;
2) протяженность зоны деформирования совпадает обычно с участком интенсивного отвало-образования;
3) скорость смещения в период активной стадии зависит от высоты отвала (наблюдениями установлена зависимость V = 0.01 Н м/ч).
С учетом накопленного на объектах КМА и Кузбасса опыта представляются целесообразными следующие инженерно-геологические исследования намывных массивов тонкодисперсных грунтов:
выделение в пределах намывных территорий пляжной, промежуточной и прудковой зон с использованием аэрофотосъемочных материалов (фотопланов);
определение положения вкрест фронту намыва, по фронту намыва и по глубине пунктов получения инженерно-геологической информации (ключевых, вспомогательных и дополнительных зондировочных скважин);
оценка пространственно-временной изменчивости механических свойств и вещественного состава намывных грунтов;
составление карт инженерно-геологического районирования, на которых показываются однородные по гранулярному и минеральному составу участки намывных массивов и приводится информация об их несущей способности.
Использование аэрофотосъемочных материалов обеспечивает возможность одновременного охвата значительных территорий и минимальную продолжительность пребывания людей и оборудования во внутренних зонах. В качестве основных дешифрировочных признаков рассматриваются тон окраски, структура изображения, его форма.
На Лебединском ГОКе имеется положительный опыт частичного использования площади гидроотвала № 1, где на основе разработок НИИКМА произведена отсыпка 5 млн. м3 вскрышных пород на наиболее неблагоприятном южном участке ядерной зоны, сложенной тонкодисперсными разностями пород в связи с производством намыва гидроотвала с северного направления. Схематический план гидроотвалов № 1 и 2 дан на рис. 1.
Гидроотвал № 1 был запроектирован на основе данных инженерно-геологических изысканий, выполненных институтом Южгипроруда без участия научных организаций. При этом на пойменном основании с устройством первичной дамбы обвалования из местных материалов в период
бединского карьера. Спрямленное русло р. Оско-лец проходит на расстоянии 150-200 м вдоль нижней бровки северного откоса гидроотвала. В основании гидроотвала залегают современные аллювиальные отложения пойменной болотной, старинной, озерно-аллювиальной и русловой фаций. Гидроотвал № 2 намыт в объеме 10 млн. м3 высотой до 20 м. Площадь его по нижней бровке равна 37.7 га, по верхней - 21.3 га. Внешние откосы состоят из двух уступов и бермы. Результирующий угол откоса изменяется от 17 до 21°. В отвал намыто более 60% песка, остальной состав представлен суглинком и мелом, а объем юрских глин не превышает 0.4 млн. м3.
Выполнен анализ экспериментальных данных, накопленных МГГУ за более чем 30-летний период при изучении крупнейшего гидроотвала "Березовый Лог", сформированного с применением оригинальной технологии, которая предложена МГИ-МГГУ совместно с трестом "Энергогидромеханизация" [2] и внедрена на данном объекте в 1975-1987 гг. С использованием разработанной А.М. Гальпериным методики расчета уплотнения и несущей способности намывных массивов по состоянию на конец 2005 г. уточнены осадки тонкодисперсных отложений всех внутренних зон гидроотвала общей площадью 750 га и проведено районирование намывной территории по несущей способности техногенного массива. Схема к расчету уплотнения намывного массива тонкодисперсных отложений дана на рис. 2.
строительства карьера первоначально намывались суглинки, а затем - песок с примесью мело-мергельных пород
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.