«Черемхина Анастасия Петровна ОЦЕНКА ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГИДРООТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЭТАПА ЭКСПЛУАТАЦИИ Специальность 25.00.16 - Горнопромышленная и ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

Черемхина Анастасия Петровна

ОЦЕНКА ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ УСТОЙЧИВОСТИ

ГИДРООТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЭТАПА ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 25.00.16 - Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Кутепова Надежда Андреевна САНКТ-ПЕТЕРБУРГ -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………

ГЛАВА 1 АКТУАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ПРОМЫШЛЕННОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

ГИДРООТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД НА УГОЛЬНЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЯХ КУЗБАССА…………………………………………… Применение гидромеханизации на угольных месторождениях 1. Кузбасса и современное состояние гидроотвалов вскрышных пород……………………………………………………………………………... Анализ изученности инженерно-геологических условий 1. гидроотвалов вскрышных пород……………………………………………….. Правовые и нормативные требования к объектам промышленной 1. гидротехники, предъявляемые в части инженерно-геологического обоснования безопасных параметров намывных сооружений………………. Цели и задачи диссертационных исследований………………………... 1.

ГЛАВА ИНЖЕНЕРНО- ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ,

ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОСТИ И ОПТИМАЛЬНЫЕ

ПАРАМЕТРЫ ГИДРООТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД НА

УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ КУЗБАССА……………..……………... Характеристика конструктивно-компоновочных особенностей и 2. технологических условий эксплуатации гидроотвалов вскрышных пород ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» ………

Общие закономерности формирования состава, состояния и свойств 2. техногенных намывных отложений при эксплуатации гидроотвалов…………………………………………………………….............. Изменение состояния и физико-механических свойств пород в 2. основании гидроотвалов. …………

Оптимальные параметры гидроотвалов вскрышных пород на 2. угольных месторождениях Кузбасса…………………………………………... Выводы по главе 2………………………………………………………... 2.

ГЛАВА 3 ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

МАКСИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРООТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ

ПОРОД НА СТАДИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ……………

Расчетные исследования закономерностей изменения состояния 3. устойчивости откосов гидроотвалов при увеличении высоты сооружений………………………………………………

Экспериментальное обоснование гидрогеомеханических критериев 3. предельного состояния откосов высоких гидроотвалов……

Лабораторные исследования влияния порового давления на 3. прочностные характеристики намывных пород……

Выводы по главе 3…………………………………………………..……. 3.

ГЛАВА 4 ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГИДРООТВАЛОВ НА

ЭТАПАХ КОНСЕРВАЦИИ И ВОЗОБНОВЛЕНИЯ НАМЫВА ПОСЛЕ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПЕРЕРЫВА ……

4. гидрогеомеханических процессов в намывном массиве гидроотвала «Бековский» в период консервации……………………

Результаты изучения инженерно-геологических условий гидроотвала 4. расконсервации сооружения……………………………………………………. 4. устойчивости гидроотвала на реке Прямой Ускат при возобновлении его эксплуатации после расконсервации…………………………………............... Выводы по главе 4.……………………………………………………….. 4. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Гидромеханизация при открытой разработке угля в Кузбассе применяется с 1951г. для удаления покровных неогенчетвертичных пород, залегающих сплошным чехлом на продуктивной угленосной толще месторождений. За шесть десятилетий ее использования было смыто около 1 млрд. м3 пород с размещением в гидроотвалы. Общее количество зарегистрированных гидроотвалов составляет 57 объектов. В настоящее время «Кузбассразрезуголь», в эксплуатации находятся 8 сооружений.

Гидроотвалы являются опасными объектами, аварии на которых сопряжены с причинением тяжелых материальных, экологических и социальных ущербов.

Деятельность, связанная с эксплуатацией гидроотвалов, регламентируется Федеральным законом «О безопасности гидротехнических сооружений» ФЗ-117.

Во исполнение ФЗ разработаны и утверждены Ростехнадзором нормативные документы, в которых определены требования к периодичности пополнения инженерно-геологической информации и ведению мониторинга безопасности.

Инженерно-геологические условия гидроотвалов вскрышных пород отличаются от других объектов промышленной гидротехники динамичным изменением состояния и свойств намывных пород, что обусловливает неопределенность текущих оценок устойчивости сооружения, выполняемых на базе информации, получаемой в строгом соответствии с нормативными требованиями. Это предопределяет необходимость обоснования оптимальных параметров гидроотвалов на базе результатов ведения мониторинга безопасности.

Гидроотвалы вскрышных пород в настоящее время хорошо изучены, что подтверждается научными публикациями и диссертационными исследованиями Бахаевой С.П., Гальперина А.М., Ермошкина В.В., Жарикова В.П., Иванова И.П., Кириченко Ю.В., Клейменова Р.Г., Кутепова Ю.И., Кутеповой Н.А., Могилина А.Н., Мироненко В.А., Мосейкина В., Норватова Ю.А., Протасова С.И. и др.

Благодаря многолетней деятельности этих специалистов разработано инженерногеологическое, геомеханическое, маркшейдерское обеспечение безопасности намывных сооружений, которые успешно реализовано на угольных и рудных месторождениях.

Современные потребности угледобывающих предприятий выдвигают новые задачи, требующие совершенствования научно- методического обеспечения безопасности гидроотвалов, к числу которых, в частности, относятся определение максимальных отметок намыва гидроотвалов, обоснование безопасных параметров сооружений при возобновлении их намыва после длительного перерыва. Решение этих задач базируется на изучении закономерностей изменения инженерно-геологических условий высоких гидроотвалов, находящихся на этапах эксплуатации, консервации и расконсервации. Этому вопросу посвящены исследования данной диссертационной работы, что определяет их актуальность.

Целью диссертационной работы является установление закономерностей изменения инженерно-геологических условий гидроотвалов в процессе их эксплуатации, консервации и расконсервации, которые следует учитывать при обосновании оптимальных параметров намывных сооружений и безопасности ведения гидроотвальных работ.

гидрогеомеханического и деформационного мониторинга для установления закономерностей изменения состояния и свойств пород намывных массивов и их оснований, определяющих условия устойчивости гидроотвалов на различных технологических этапах.

Основные задачи

исследований:

- выявление основных технологических и инженерно-геологических факторов, определяющих устойчивость и оптимальные параметры гидроотвалов в Кузбассе;

- установление причин нарушения устойчивости намывных сооружений и гидрогеомеханических критериев наступления предельного состояния откосов высоких гидроотвалов;

- оценка характера изменения напряженно-деформированного состояния и свойств намывных пород на этапе консервации гидроотвалов;

- изучение гидрогеомеханических процессов, определяющих устойчивость гидроотвалов на этапе расконсервации;

- проведение лабораторных исследований по изучению природы прочности намывных пород и влиянию порового давления на параметры сопротивления сдвигу.

Методы исследований. Анализ и обобщение материалов изысканий прошлых лет и результатов ведения мониторинга безопасности; лабораторные и натурные исследования с применением инженерно-геологических, гидрогеологических и геодезических методов; аналитические расчеты с использование методов предельного равновесия и решений теории консолидации грунтов.

Научная новизна:

Установлены гидрогеомеханические критерии предельного состояния устойчивости откосов высоких гидроотвалов, при достижении которых возможность дальнейшей безаварийной эксплуатации сооружений исчерпана.

Подтверждены представления теории фильтрационной консолидации о характере гидрогеомеханических процессов на стадии «отдыха» намывных массивов.

Выявлены факторы, снижающие устойчивость откосов гидроотвалов при возобновлении их эксплуатации после длительного технологического перерыва.

Научные положения, выносимые на защиту:

Гидроотвалы вскрышных пород на угольных месторождениях в Кузбассе характеризуются схожими конструктивно- компоновочными, технологическими и инженерно-геологическими условиями, что позволяет при обосновании их оптимальных параметров использовать обобщенную зависимость между высотой и результирующим углом откоса, полученную на основании безаварийного опыта формирования намывных сооружений.

Предельное состояние устойчивости высоких гидроотвалов наступает в верхних частях откосов, сложенных текучепластичными породами мощностью до 25 м, за счет роста избыточного порового давления до критических значений, соответствующих коэффициенту порового давления 0.9, при котором угол внутреннего трения намывных грунтов снижается практически до нуля, а сцепление – до минимальной величины связности 0.015 МПа.

Устойчивость гидроотвалов на стадии консервации улучшается благодаря рассеиванию избыточного порового давления и повышению прочности намывных пород, что обеспечивает возможность безопасной расконсервации сооружений и последующего намыва при более высоких параметрах, чем при непрерывной эксплуатации сооружений.

Практическая значимость работы.

Получены показатели физико-механических свойств намывных отложений, характерные для гидроотвалов, находящихся на различных этапах своего существования.

Получена зависимость между высотой и результирующим углом откоса гидроотвалов, которая может быть использована для определения оптимальных параметров на всех аналогичных объектах Кузбасса.

Реализация результатов работы. Полученные результаты использовались в Проекте №5.6047.2011 по заданию министерства образования и науки РФ, а также при выполнении хоздоговорных работ Научного Центра геомеханики и проблем горного производства Горного Университета.

Апробация работы. Основное содержание диссертации докладывалось на 5-й международной научно-практической конференции на базе AGH (Краков, 2011), на международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2012, 2013), на всероссийских научно-практических конференциях «Новые технологии в горном деле, геологическом и маркшейдерско-геодезическом обеспечении горных работ» (СПб, 2012), «Современное состояние, тенденции и перспективы развития гидрогеологии и инженерной геологии» (СПб 2012) и на заседаниях Научного Центра геомеханики и проблем горного производства.

Личный вклад автора. Автор самостоятельно выполнил анализ научнотехнической литературы по теме диссертационных исследований, лабораторные эксперименты, обработал и интерпретировал результаты мониторинга безопасности на действующих гидроотвалах, построил гидрогеомеханические модели объектов исследований, произвел расчеты устойчивости.

Публикации. Основное содержание работы

отражено в 4 публикациях, из них 2 в журналах, включенных в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, определяемый ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (105 литературных источников), изложенных на 201 странице машинописного текста, содержит 26 таблиц, рисунков.

В первой главе выполнен анализ изученности инженерно-геологических условий гидроотвалов, сформулированы актуальные задачи научных исследований.

Во второй главе рассмотрены конструктивные и технологические схемы гидроотвалов Кузбасса, состав намываемых пород, инженерно-геологические особенности техногенных массивов и их естественных оснований. Выделены факторы, определяющие устойчивость гидроотвалов и их оптимальные параметры.

В третьей главе представлены результаты теоретических, расчетных и экспериментальных исследований, обосновывающих гидрогеомеханические критерии предельного состояния высоких гидроотвалов.

В четвертой главе выполнен анализ результатов гидрогеомеханического мониторинга на гидроотвалах разрезов Бачатский и Краснобродский, по результатам которых установлены закономерности изменения инженерногеологических условий гидроотвалов на этапах консервации и расконсервации.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н. Н.А. Кутеповой, профессору Ю.И. Кутепову, сотрудникам лаборатории гидрогеологии и экологии Научного Центра геомеханики и проблем горного производства и Центра инженерных исследований Горного университета, а также специалистам ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» за помощь при проведении исследований на объектах.

ГЛАВА 1 АКТУАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ПРОМЫШЛЕННОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

ГИДРООТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД НА УГОЛЬНЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЯХ КУЗБАССА

Применение гидромеханизации на угольных месторождениях Кузбасса 1. и современное состояние гидроотвалов вскрышных пород Гидромеханизация – вид открытых горных работ, в котором основные рабочие процессы выполняются за счет энергии потока воды. Она включает следующие основные технологические процессы: размыв пород с применением различных механизмов (гидромониторов, земснарядов) и образование водопородной смеси - пульпы, ее транспортирование до места складирования и намыв в гидроотвал (гидроотвалообразование).

Энергия потока воды при производстве горных работ начала применяться в древние времена. Это объяснялось простотой применяемых для этих целей технических устройств. В индустриальное время на рубеже прошлого и позапрошлого веков гидравлический способ производства земельных работ используется для размыва торфа (К.Ф. Пеньковский, 1884г), золотоносных пород на Ленском прииске (Р.Э. Классон, 1915). В 1930 году при строительстве ДнепроГЭС для удаления покровных отложений на Каменном карьере использовался гидромониторный смыв. В дальнейшем гидромеханизация используется на Чирчикстрое (1934-35 гг.), при строительстве Тульской ГЭС (1936 г.), канала им. Москвы (1936 г.), а также Угличской и Щербаковской ГЭС (1937 г).

В послевоенные годы гидромеханизация успешно применялась в горном деле и ирригационных работах, а особенно при строительстве крупных гидротехнических сооружений. Так, при возведении Цимлянской ГЭС гидравлическим способом выполнено 50% земельных работ, Горьковской ГЭС Куйбышевской ГЭС-70%. Гидравлическим способом возведена 81%, Мингечаурская плотина высотой 81 м [70].

гидромеханизация применяется с 1939 г при строительстве Байдановского и Батуринского угольных карьеров. В последующие годы гидромеханизацию применяли на карьерах трестов Вахрушевуголь, Волчанскуголь, Коркинуголь, Райчихинскуголь, Красноярскуголь, Башкируголь.

гидромеханизация начала использоваться в Кузбассе. Впервые гидравлический способ удаления покровных неоген-четвертичных отложений был применен на карьере «Бачатский» с первоначальным объемом гидровскрыши 31 тыс. м3 в год.

«Краснобродский», «Кедровский» и «Моховский» с годовыми объемами 0,25млн. м3. В последующие годы данный способ внедрялся на других карьерах региона: «Новосергеевском» и им. Вахрушева (1956), «Киселевском» (1958), «Прокопьевском» (1959), «Листвянском» (1960), «Колмогоровский» (1961) и «Черниговском» (1966), при этом объем гидровскрыши постепенно увеличивается гидромеханизации 27,25 млн. м3. Следует отметить, что все эти предприятия были расположены в центральной и северной частях Кузнецкого бассейна, где мощность четвертичных пород и превышала 30 м.

В южном Кузбассе с незначительными по мощности (5-15м) четвертичными породами и резко расчлененным рельефом гидромеханизация широкого распространения не получила. Однако на некоторых горных предприятиях (разрез «Красногорский» в г. Междуреченске) она использовалась незначительный период времени.

В 70-тые годы гидромеханизация стала применяться на предприятиях ПО «Кемеровоуголь» (ныне ОАО «УК «Кузбассразрезуголь») продолжает успешно функционировать до сих пор. Хотя объемы гидровскрышных работ значительно уменьшаются до 15 млн. м3. Это связано с тем, что одновременно с открытием новых продуктивных участков данная технология прекращает использоваться на некоторых разрезах, где покровные отложения удалены практически полностью (разрезы «Красногорский» (1965), «Прокопьевский» (1967), «Листвянский» и «Краснобродский» (1970), «Киселевский» (1972), «им. Вахрушева» (1976)). В 70тые годы на разрезах «Бачатский» и «Краснобродский» производятся попытки гидравлического складирования в гидроотвалы скальных и полускальных вскрышных пород. Данный опыт отражен в диссертационной работе С.М.

Марченко. Однако, в связи с большим износом труб при транспортировке крупнообломочных пород, а также несовершенством дробилок для подготовки материала к гидравлическому перемещению, данная технология дальнейшего развития не получила.

В 80-90-тых годах прошлого столетия отмечается дальнейшее постепенное уменьшение объемов гидромеханизационных работ до 8,8 млн. м3, что объясняется сокращением объемов всрышных пород, пригодных для гидравлической разработки, появлением большого парка большегрузных автомобилей отечественного и зарубежного производства, а также общей тенденцией ухудшения экономики в РФ. Однако, начиная с 1998 года по 2007 год, отмечается тенденция увеличения и стабилизации объемов вскрыши, разрабатываемых гидромеханизационным способом, за счет ее применения на карьере «Талдинский», возобновления на карьерах «Кедровский» и «Краснобродский». В случае карьера «Кедровский» данная технология используется для частичного удаления пород гидроотвала №3 и неогенчетвертичных отложений основания намывного сооружения, под которым планируется производить добычу угля.

По состоянию на декабрь 2013 года гидромеханизация на разрезах Кузбасса используется на двух разрезах «Моховский» и «Краснобродский» для удаления покровных неоген-четвертичных пород, а также разрезе «Кедровский» при частичном смыве ранее намытого гидроотвала №3. На разрезе «Талдинский»

намыв в гидроотвал планируется к завершению в 2014 г., его поверхность предполагается использовать под отвалы сухой вскрыши. Перспективными в плане применения гидравлического смыва являются территории месторождений и участков месторождений «Иганенское» вблизи разреза «Моховский» и «Краснобродский - Южный», на которых имеются достаточно большие объемы, пригодные для отработки гидромеханизацией (более 100 млн. м3).

Вскрышные работы с применением гидравлического способа в последние десятилетия на отечественных предприятиях, кроме разрезов Кузбасса, использовались на карьерах Курской магнитной аномалии, на карьерах огнеупорных глин г. Семилуки (Воронежская область), Канско-Ачинском угольном бассейне (разрез «Назаровский») и ряде месторождений цветных Калининградской области.

Вопросами разработки механизмов и технологий гидравлического способа вскрышных работ в СССР занимались видные инженеры и ученые: Вершинин В.В., Дьяков П.П., Кононенко Е.А.[46], Мельников Н.В.[65,66], Никонов Г.П., Славутский С.О., Нурок Г.А. [70,71,72,73], Огурцов А.И., Фридман Б.Э., Царевский А.М., Шкундин Б.М., Юдин А.П. и др. Особенно следует отметить школу гидромеханизаторов Московского горного университета, возглавляемую проф. Нуроком Г.А., которая создала научно-методическую базу для использования гидромеханизации в горном деле, а также занималась подготовкой специалистов по данном направлению.

Одним из основных этапов гидромеханизационной технологии является этап размещения вскрышных пород и отходов в гидроотвалы. Известно множество классификаций гидроотвалов, составленных для условий строительства и эксплуатации намывных сооружений, они приведены в книге С.О. Славутского, В.А.Антонова, П.П. Цвирко «Открытые горные работы гидравлическим способом». В данных классификациях разделение намывных сооружений производится по какому-либо одному признаку: рельефу занимаемой местности, типу обвалования, способу возведения, высоте, площади, способу выпуска пульпы на карту намыва и интенсивность намыва. С учетом этих факторов гидроотвалы на открытых горных работах разделяют на три класса ответственности: I - особо ответственные, II - ответственные, сооружения III класса ответственности. Класс ответственности гидроотвала зависит от: места расположения (в равнинной местности, на косогоре, в овраге или балке); от местоположения сооружений относительно других промышленных и жилых объектов, от надежности пород в основании и годовой приемной способности намывного сооружения. В дальнейшем, после отнесения гидроотвалов к объектам промышленной гидротехники, на них стали распространяться строительные нормы и правила, принятые при проектировании в гидротехническом строительстве. На сегодняшний день класс гидротехнических сооружений любого назначения (энергетического, промышленного, водохозяйственного) определяется согласно СП 58.13330.2012 «Гидротехнические сооружения. Основные положения» [89] и в соответствии с Постановлением правительства РФ №986 от 02.11.2013 г. «О классификации гидротехнических сооружений».

Разработка четвертичных пород гидравлическим способом в Кузбассе гидромониторной струей (рисунок 1.1), пульпа транспортируется от забоя до зумпфа самотеком, откуда землесосом транспортируется на гидроотвал (рисунок 1.2).

Рисунок 1.1 - Гидравлическое разрушение вскрышных пород на Моховском Рисунок 1.2 - Намыв гидроотвала на реке Еловка (Моховский угольный разрез) Используются гидромониторы ГМД-250 и ГМД-350, грунтовые насосы 3ГМ-2М, Гр 4000/71 и центробежные Д 4000-95 (22НДс) и ЦН3000-195. При разработке тяжелых глин для предварительного рыхления применяются экскаваторы драглайны ЭШ-10/60, ЭШ-10/70.

За все время использования гидромеханизационного способа в Кузбассе было удалено около 1 млрд. м3 вскрышных пород, которые были размещены в гидроотвалы, общее количество которых достигает порядка 57 сооружений.

Большая их часть 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 варьируется от 4 до 76.5 м., наиболее высокими среди них являются: «Бековский» (76.5 м), «Акташский»

(61 м), «Кедровский №3» (53 м), «Моховский» (51 м) и «Прямой Ускат» (59 м).

Площадь гидроотвалов изменяется в пределах 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 от 0,6 до 100 млн. м3.

По емкости наибольшими сооружениями являются: «Сагарлыкский»

(100 млн. м3), «Бековский» (80 млн. м3), «Черниговский» №1 (60 млн. м3) и № (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 большинства сооружений производился сосредоточенным способом, кроме гидроотвалов карьеров «Сартакинский», «Черниговский», «Коровихинский» и «им. 50-летия Октября» (ныне разрез «Бачатский»), где в некоторых случаях применялся рассредоточенный, безэстакадный способ намыва.

Среднегодовая интенсивность намыва гидроотвалов невысока и составляет 1- м/год, при этом максимальная скорость (до 10 м/год) намыва приходится на первые годы эксплуатации, а при окончании она обычно спадает и составляет 0, – 1,0 м/год. [53] эксплуатируются 8 гидроотвалов, из которых пять имеют высоту более 50 м, относятся к гидротехническим объектам I класса (таблица 1.1).

Наибольшую высоту имеет гидроотвал «Бековский» (76,5 м) на разрезе «Бачатский»; гидроотвалы «Еланный Нарык» (разрез «Талдинский») и «Прямой Ускат» (разрез «Краснобродский») планируется намыть до 80 метров. Самый крупный по площади - гидроотвал на реке Еловка (разрез «Моховский») занимает площадь 760 га. Все они в оврагах и балках строительством ограждающих дамб из привозного материала и характеризуются (кроме гидроотвала «Коровихинский») наличием двух или трехстороннего обвалования. Гидроотвал «Коровихинский» Ерунаковского поля разреза «Талдинский» намыт в логу с достаточно крутыми углами и имеет одностороннее обвалование при большой высоте ограждающей плотины (67 метров). Три гидроотвала формируются в старой горной выработке, максимальные глубины, в которых достигают 111 м.

При этом следует отметить, что в выработке разреза «Моховский» складируются вскрышные породы неоген-четвертичного возраста, а на разрезе «Кедровский»

гидравлическим способом удаляются и складируются в старую горную выработку намывные породы гидроотвала № 3.

Таблица 1.1 - Характеристика действующих гидроотвалов вскрышных пород УК «Кузбассразрезуголь»

Наименование гидроотвала и Высота гидроотвала эксплуатирующего выработки), м «Бековский» Бачатский филиал «Прямой Ускат»

Краснобродский филиал «Еланный Нарык»

Талдинский филиал «Коровихинский»

Талдинский филиал На реке Еловка Моховский филиал В выработке пластов 4,5 и Моховский филиал В выработке пласта Моховский филиал В выработке участка Кедровский филиал гидромеханизационного способа в горной практике можно отметить следующие моменты:

- гидромеханизация достаточно интенсивно использовалась при открытой разработки МПИ вторую половину прошлого столетия, при этом общий объем смытых пород только в Кузбассе и КМА превысил 1,5 млрд. м3;

- в настоящее время наблюдается снижение объемов гидравлической разработки, что связано с развитием автомобильной техники, снижением объемов пород, пригодных для разработки данным способом, отсутствием территорий под гидроотвалы, большой энергоемкости применяемых технических устройств и гидромеханизаторщиков, пониманием данного вопроса у владельцев добывающих предприятий и т.д.;

месторождений и участков месторождений, на которых без гидромеханизации весьма сложно произвести вскрышные работы по удалению водонасыщенных пород неоген-четвертичного возраста;

- за весь период применения гидромеханизации в Кузбассе намыто более гидроотвалов различной высоты, площади, емкости и интенсивности; они намывались в различных геоморфологических и инженерно-геологических условиях практически их одного материала – покровных неоген-четвертичных отложений Кузбасса;

- в настоящее время на разрезах Кузбасса эксплуатируются 5 многоярусных гидроотвалов овражно-балочного типа высотой более 50 м и три гидроотвала котлованного типа в старых горных выработках;

относятся к I классу, что предъявляет повышенные требования к обеспечению безопасности на всех этапах их существования, включая этапы эксплуатации (непосредственного намыва), консервации (технологический перерыв в эксплуатации) и расконсервации (возобновление эксплуатации после длительного технологического перерыва);

- обеспечение безопасности гидроотвалов осуществляется посредством разработки и осуществления мер по предупреждению аварий в соответствии нормами и правилами, утвержденными в порядке, определенном Федеральным законом "О безопасности гидротехнических сооружений" от 21.07.1997. № 117ФЗ [96].

1.2 Анализ изученности инженерно-геологических условий горнопромышленных регионов занимались различные научно-исследовательские, проектные и изыскательские организации. Так, в Кузбассе обоснованием параметров гидроотвалов и технологий гидроотвалообразования занимались в разные годы: ВНИМИ, МГГУ, УкрНИИПроект, Сибгипрошахт, Гипроуголь, предприятиях КМА - МГГУ, ВНИМИ, НИИКМА, ВИОГЕМ и др.; на разрезе «Назаровский» - ВНИМИ, МГГУ и др.; в Семилуках при добыче огнеупорных глин - ВНИИГС, МИСИ, грунтовая лаборатория Треста гидромеханизации, ВТИСИЗ.

Одними из пионеров изучения гидроотвалов вскрышных пород являлся институт ВНИМИ, где в середине 50-х годов под руководством Г.Л. Фисенко создается лаборатория устойчивости бортов карьеров. В рамках деятельности лаборатории проводилось изучение инженерно-геологических условий гидроотвалов вскрышных пород с целью обоснования их оптимальных параметров. Первые инженерно-геологические исследования намывных пород и маркшейдерские наблюдения за деформациями откосов гидроотвалов сотрудники ВНИМИ выполняли в 1960-62 гг. на гидроотвале “Южный” Назаровского разреза.

В последующем деятельность, связанная с изучением гидроотвалов, осуществлялась сотрудниками лаборатории гидрогеологии и оползней, руководимой в разные годы В.А. Мироненко, Ю.А. Норватовым и Ю.И.

Кутеповым. Институт ВНИМИ принимал участие в изучении намывных сооружений КМА и Кузбасса для решения различных задач: увеличение высоты намывных сооружений, размещение на гидроотвалах отвалов “сухой” вскрыши, подработка гидроотвалов подземными горными работами. Итогом этих работ является разработка нескольких нормативно-методических документов ведомственного уровня, в которых рассмотрены методы инженерногеологического изучения намывных пород, гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов, мониторинга безопасности гидро- и отвалообразования. Ниже приведен перечень документов, разработанных ВНИМИ для угольной отрасти СССР:

Методические указания по определению параметров угольных разрезов, 1975 г (авт. О.Ю. Крячко, Ю.А. Норватов);

Рекомендации по инженерно-геологическому обоснованию параметров сухих пород, отсыпаемых на гидроотвалах (авт. Кутепов Ю.И., Норватов Ю.А., Кутепова Н.А., Крячко О.Ю.) [85];

Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях (авт. Кутепов Ю.И., Норватов Ю.А., Кутепова Н.А., Хашин В.Н.) [93,94].

В 1980 году по результатам исследований ВНИМИ О.Ю. Крячко подготовил монографию “Управление отвалами открытых горных работ” [47]. В период 1981-2010 гг. по тематике инженерно-геологического изучения гидроотвалов на угольных месторождениях защищены две кандидатские и две докторские диссертации (Ю.И. Кутепов [55,53]; Н.А. Кутепова [61,62]).

Учениками Ю.И. Кутепова по вопросам изучения формирования намывных и насыпных техногенных массивов подготовлен ряд диссертационных работ: В.В.

Ермошкин [29], А.В. Могилин [68], В.П. Жариков [30], А.И. Федосеев [97] и А.Х.

Саркисян [86].

Следует отметить выполняемые одновременно с ВНИМИ работы кафедры геологии Московского горного института (ныне МГГУ) под руководством А.М.

Гальперина, посвященные инженерно-геологическому изучению намывных массивов с целью обоснования оптимальных параметров гидроотвалов при их строительстве, эксплуатации и рекультивации. По их результатам написан ряд монографий, среди которых наиболее важное практическое и научное значение имеют следующие: «Управление состоянием намывных массивов на горных предприятиях» (1988) [12], «Техногенные массивы и охрана окружающей среды»

(1997) [15], «Геомеханика открытых горных работ» (2012) [9].

В монографии «Управление состояния намывных массивов на горных предприятиях» рассмотрены исходные положения к оценке состояния намывных массивов, проанализированы геомеханические процессы в намывных массивах и их основаниях, дана оценка устойчивости намывных массивов; описаны экспериментальные исследования намывных тонкодисперсных грунтов, разработаны направления воздействия на состояние намывных массивов и методика геомеханического контроля. В монографии «Техногенные массивы и направленного изменения состояния намывных массивов, а также рекультивации гидроотвалов и хвостохранилищ. В монографии «Геомеханика открытых горных работ» охватывает весь комплекс инженерно-геологических проблем, возникающих при формировании техногенных массивов различного типа при ведении открытых горных работ.

По тематике гидроотвалообразования сотрудниками кафедры геологии МГГИ были защищены кандидатские и докторские диссертации: В.В. Мосейкин [69], В.С. Зайцев [32], Б.К. Лапочкин [63], Ю.В. Кириченко [44], С.Е. Жданов [31], Е.П. Щербакова [103] и др. Кроме того, в МГГУ под научным руководством А.М. Гальперина были защищены диссертации инженерно-техническими работниками угольных и рудных предприятий, использующих гидравлическое складирование вскрышных пород: В.Е. Павленко [76], С.М. Марченко, А.В.

Демченко [26] и др.

Ленинград), руководимой В.И. Каминской. Данная лаборатория в конце 40 –х начале 50-х годов в Ленинграде активно вела научно-исследовательские работы по намыву территорий в акватории р. Невы. По их рекомендациям созданы намывные территории в различных районах города, в том числе, территория стадиона им. Кирова. В дальнейшем сотрудники лаборатории принимают участие в создании средствами гидромеханизации линейных сооружений – дорог на территориях распространения болот в Западной Сибири. Много внимания при выполнении научно-исследовательских работ уделяется инженерногеологическому изучению намывных пород. По результатам исследований подготовлен ряд нормативно-методических документов, книг, и статей.

В числе монографий, содержащих сведения об изучении инженерногеологических условий намывных массивов, следует также отметить работу Ю.Д.

Дмитриенко и И.М. Левченко “Гидроотвалы из глинистых грунтов», в которой авторы рассматривают организацию вскрышных работ на Семилукских рудниках, свойства грунтов в гидроотвалах, закономерности формирования гидроотвалов.

Большое практическое значение имеет монография, подготовленная Г.А.

Нуроком, А.Г. Лутовиновым и А.Д. Шерстюковым “Гидроотвалы на карьерах” [73]. В ней рассмотрены различные вопросы формирования намывных сооружений при открытой разработке МГИ - как сугубо технологические, так и специальные гидрогеологические, посвященные дренажу откосов гидроотвалов. В книге присутствуют разделы, рассматривающие условия консолидации применительно к обоснованию устойчивости намывных массивов.

Большая работа по изучению условий эксплуатации и обоснованию безопасности гидроотвалов Кузбасса в настоящее время осуществляется сотрудниками ГУКузГТУ и экспертной организации НФ «КУЗБАСС-НИИОГР»

(С.И. Протасов, С.П. Бахаева и др.). С их участием подготовлены методические указания по контролю геомеханических и фильтрационных процессов в техногенных массивах гидротехнических сооружений; рекомендации по безопасному ведению горных работ, которые используются на горных "Кузбассразрезуголь". По результатам выполненных исследований С.П. Бахаева защитила докторскую диссертацию [3], посвященную оценке и прогнозу устойчивости водонасыщенных техногенных грунтовых массивов угольных разрезов на основе комплексного мониторинга, которая, в частности, рассматривает инженерно-геологические условия гидроотвалов вскрышных пород.

Развитию темы совершенствования методов комплексного мониторинга посвящена диссертационная работа Р.Г. Клейменова, в которой разработаны научные принципы объединения различных методов контроля состояния водонасыщенном основании [45]. Принципы ведения комплексного мониторинга безопасности c применением аэрофотограмметрического, маркшейдерскогеодезического, инженерно-геологического и геофизического методов в настоящее время успешно внедрены на всех предприятиях ОАО «УК «Кузбассразрезуголь».

Большую группу намывных сооружений представляют накопители жидких промышленных отходов - хвостохранилища обогатительных фабрик. Они имеют эксплуатации. Отличие их от гидроотвалов вскрышных работ заключается в исходном составе пород, поступающих в сооружения, который отличается широким разнообразием в зависимости от вида перерабатываемого полезного хвостохранилищами обогащения заключаются не только в вещественном составе твердых частиц, но и химическом составе жидкой фазы. Например, в присутствуют органические соединения: полиакриламид, отходы производства бутанола, керосин, которые оказывают влияние на физико-механические свойства намывных грунтов.

металлургии, химической и угольной промышленности и т.д. Изучением хвостохранилищ различного назначения занимались институты ВИОГЕМ (В.И.

Стрельцов, А.И. Ильин, С.Г. Аксенов, В.В. Киянец и др.), Механобр (Г.Г.

Сазонов, В.И. Райлян, Н.В. Тимофеев и др.), ЛПИ (П.Л. Иванов, Г.Т. Трунков, Л.В. Шульц, М.Л. Киселева и др.), ВНИИВОДГЕО (Л.И. Кондратьев, В.М.

Павилонский, В.И. Климов, М.Н. Захаров и др), СКГБ “Казмеханобр” (А.И.

Озеров, Е.П. Крацберг, С.Г. Проскуряков и др.), Национальный минеральносырьевой университет «Горный» ( Р.Э. Дашко, И.П. Иванов, Ю.И. Кутепов, Н.А.

Кутепова и др.) УГГА и РосНИИВХ (В.Г. Зотеев, М. Морозов и др.). МГГУ (А.М.

Гальперин, В.В. Мосейкин, В.В. Кириченко и др.), ВНИМИ (Ю.И. Кутепов, Н.А.

Кутепова и др.) и др.

документации, регламентирующей правила безопасности при эксплуатации объектов промышленной гидротехники, внесли организации ВИОГЕМ (г.

Белгород), ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева и «Механобр» (г. Санкт-Петербург).

Наиболее значительной работой ВИОГЕМ в этой области следует считать «Правила безопасности при эксплуатации хвостовых и шламовых горнорудных и нерудных предприятий», впервые разработанные в 1987 г., в последующем неоднократно переработанные с учетом охвата не только хвостохранилищ, но и других объектов промышленной гидротехники. В последней редакции данный документ имеет название «Правила безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов» (ПБ 03-438-02), который утвержден Ростехнадзором и имеет статус нормативного документа [77].

Сотрудниками института «Механобр» с использованием результатов собственных исследований и других научных организаций, разработано справочное пособие «Гидравлическое складирование хвостов обогащения», в котором рассмотрены требования к гидравлическому складированию хвостов, приводятся физико-механические свойства хвостов обогащения и хвостовых пульп, рассмотрено гидравлическое транспортирование и складирование хвостов, приведены контрольно-измерительные приборы для выполнения мониторинга безопасности и пр. Данный справочник является хорошим подспорьем для специалистов гидротехников и технологов обогатителей горнорудной Большой вклад в развитие представлений о формировании свойств намывных грунтов золошлакоотвалов, разработку рациональных технологий формирования и обоснование устойчивости данных сооружений внесли сотрудники института гидротехники ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Среди работ, нашедших широкое применения не практике, следует отметить «Рекомендации по обследованию золошлаков тепловых электростанций», «Типовую инструкцию по эксплуатации золошлакоотвалов».

Проанализировав литературные и фондовые источники различного уровня, отметим, что гидроотвалы вскрышных пород с инженерно-геологической точки зрения являются хорошо изученными объектами, т.к. существуют методики изучения намывных техногенных грунтов, оценки и прогноза геомеханических процессов, развивающихся на них, а также есть достаточно обширный материал по физико-механическим свойствам намывных пород, их консолидации во времени. Кроме того, условия формирования гидроотвалов регламентированы специальными нормативными документами общего (СНИПы, ГОСТы, «Правила...») и ведомственного («Рекомендации...», “Указания....” и т.д.) уровней.

Наиболее обширная и систематизированная инженерно-геологическая база была сформирована во второй половине прошлого века и рассматривает в основном гидроотвалы вскрышных пород высотой до 50 м. Исследования на гидроотвалах Кузбасса, проводимые в настоящее время различными экспертными организациями, ориентированы главным образом на совершенствование системы мониторинга безопасности, ведение которого является обязательным для предприятий, эксплуатирующих гидротехнические сооружения. Обобщающих работ, посвященных инженерно-геологическому изучению высоких (свыше 50 м) гидроотвалов, сформированных из глинистых пород, практически нет, за исключением исследований гидроотвала Березовый Лог (высота 80 м), тело которого сложено из глинисто-меловых отложений.

1.3 Правовые и нормативные требования к объектам промышленной гидротехники, предъявляемые в части инженерно-геологического обоснования безопасных параметров намывных сооружений Намывные горнотехнические объекты открытой разработки - гидроотвалы являются гидротехническими сооружениями, попадающими под действие Федерального Закона «О безопасности гидротехнических сооружений» (ФЗ № 117). Данный закон регулирует отношения, возникающие при осуществлении деятельности по обеспечению безопасности при проектировании, строительстве, капитальном ремонте, вводе в эксплуатацию, эксплуатации, реконструкции, восстановлении, консервации и ликвидации гидротехнических сооружений. Он устанавливает обязанности органов государственной власти, собственников гидротехнических сооружений и эксплуатирующих организаций по обеспечению безопасности гидротехнических сооружений.

Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений (ГТС) осуществляется на основании следующих общих требований:

обеспечение допустимого уровня риска аварий на ГТС;

представление деклараций безопасности ГТС;

государственный надзор за безопасностью ГТС;

непрерывность эксплуатации ГТС;

осуществление мер по обеспечению безопасности гидротехнических сооружений, в том числе установление критериев их безопасности, оснащение гидротехнических сооружений техническими средствами в целях постоянного контроля за их состоянием, обеспечение необходимой квалификации работников, обслуживающих гидротехническое сооружение;

ответственность за действия (бездействие), которые повлекли за собой снижение безопасности гидротехнических сооружений ниже допустимого уровня.

На стадиях проектирования, строительства, ввода в эксплуатацию, эксплуатации, вывода из эксплуатации гидротехнического сооружения, а также после его реконструкции, капитального ремонта, восстановления либо консервации собственник гидротехнического сооружения или эксплуатирующая организация составляет декларацию безопасности гидротехнического сооружения (ГТС). Она является основным документом, который содержит сведения о соответствии гидротехнического сооружения критериям безопасности.

Содержание декларации регламентируется приказом Ростехнадзора от 3 ноября 2011 г. N 625 [79] и приказом Ростехнадзора от 02.07.2012 N 377 [78].

Обязательному декларированию подлежат только те гидротехнические объекты, аварии на которых могут привести к ущербу третьим лицам.

Статистические данные по аварийности различных объектов промышленной гидротехники свидетельствуют о том, что аварии на накопителях жидких промышленных отходов с тяжелыми последствиями происходят в результате локального или фронтального разрушения ограждающих сооружений – гидродинамических аварий. Гидродинамическая авария – это чрезвычайное событие, связанное с выходом из строя гидротехнического сооружения или его части, неуправляемым прорывом воды и жидких отходов на прилегающие территории, затопление последних, разрушение инженерных объектов на пути движения волны прорыва, гибель и травмирование людей (рисунки 1.3, 1.4) Рисунок 1.3 - Гидродинамическая авария на гидротехническом сооружении Методики расчета параметров гидродинамической аварии на ГТС и денежных оценок ущерба регламентированы нормативными документами РД 03и РД 03-521-02. Аварии на ГТС накопителей промышленных отходов сопровождаются материальными, экологическими и социальными (гибелью и травмированием людей) ущербами, что в денежном выражении исчисляется десятками и сотнями миллионов рублей [39,40]. Декларированием безопасности гидроотвалов в Кузбассе занимается специализированная экспертная организация НФ «КУЗБАСС-НИИОГР», по расчетам которой, например, денежная оценка максимально возможного вреда в случае аварии на гидроотвале «Бековский»

определена в размере 109 465 951 руб. (в ценах 2010 г.).

В 2010 г. на заводе по производству глинозема Ajkai Timfoldgyar Zrt в окрестностях венгерского города Айка произошла техногенная катастрофа, связанная с разрушением напорного фронта ограждающих сооружений шламохранилища (рисунок 1.4). В результате 700 тысяч кубометров жидких шламов с огромной скоростью хлынули с холма. На пути потока оказались три населенных пункта: сотни домов, тысячи жителей.

Рисунок 1.4 - Гидродинамическая авария на шламохранилище в Венгрии (AP Для обоснования программы мониторинга безопасности на гидроотвалах разрабатывается документ, который называется «Расчет вероятного вреда в результате аварии на ГТС». В документе с учетом срока эксплуатации и отклонений от проектных решений выполняется анализ конструктивных особенностей ГТС, технологических и природных условий эксплуатации, нагрузок и воздействий, опыт эксплуатации на данном предприятии, видов имевших место нарушений и аварий. На основе данного анализа выявляют:

• внутренние и внешние причины возможной аварии, места их проявления, • описываются сценарии развития, • оценивается вероятность их возникновения, • определяются размеры зоны затопления, • оцениваются последствия;

• рассчитываются материальные, социальные и экологические ущербы.

По итогам расчета вероятного вреда определяют состав критериев безопасности – предельно допустимых показателей состояния гидротехнических сооружений, соответствующих допустимому уровню риска возникновения аварии. Критерии безопасности гидротехнических сооружений разрабатываются согласно «Инструкции о порядке определения критериев безопасности и оценки состояния гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов на поднадзорных Госгортехнадзору России производствах, объектах и в организациях» РД 03-443-02 [38].

Для ГТС I класса должно быть установлено 2 уровня критериев:

показателей состояния ГТС, определяемые при основном сочетании нагрузок, при достижении которых устойчивость, механическая и фильтрационная прочность ГТС и его основания, а также пропускная способность водосбросных и водопропускных сооружений соответствуют условиям их нормальной эксплуатации.

Критерии безопасности 2-ого уровня – значения контролируемых показателей состояния ГТС, устанавливаемые при особом сочетании нагрузок, при превышении (уменьшении) которых эксплуатация ГТС в проектном режиме не допустима, состояние сооружения может перейти в предаварийное.

В число основных критериев безопасности ГТС входит коэффициент устойчивости внешних откосов сооружений на предельном контуре Кs, а также инженерно-геологические параметры, определяющую текущую величину Кs и контролируемые инструментальными средствами мониторинга безопасности.

Обоснование критериев безопасности осуществляется расчетными методами с использованием инженерно-геологической информации.

Требования к периодичности выполнения инженерно-геологических исследований при эксплуатации гидроотвалов определены нормативным документом Ростехнадзора РФ «Правила безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов» (ПБ 03-438-02) [77], в которых говорится «если намывное сооружение формируется одним ярусом в интенсивностью, то исследовательские работы необходимо выполнять не реже чем раз в 5 лет или через 10 м наращивания в пределах проектной ширины упорной призмы».

Правила безопасности ПБ 03-438-02 устанавливают общие требования для всех накопителей промышленных отходов, в том числе и для гидроотвалов при открытой разработке угольных месторождений. Однако, инженерногеологические условия гидроотвалов вскрышных пород отличаются от других объектов промышленной гидротехники, прежде всего, динамичным изменением состояния и свойств намывных пород, что обусловливает неопределенность текущих оценок устойчивости сооружения, выполняемых на базе информации, получаемой в строгом соответствии с нормативными требованиями. Это предопределяет необходимость обоснования оптимальных параметров гидроотвалов на базе результатов ведения мониторинга безопасности.

Мониторинг безопасности - это совокупность постоянных (непрерывных) наблюдений за состоянием гидротехнических сооружений и характером воздействия опасных факторов на окружающую среду. Мониторинг безопасности гидротехнических сооружений осуществляется с целью предотвращения возникновения аварийных ситуаций на накопителя и своевременной разработки предупредительных мер. Данные цели достигаются посредством организации и проведения по разработанному регламенту визуальных и инструментальных (в том числе автоматизированных, дистанционных) наблюдений, обеспечивающих получение качественной и достоверной информации в необходимых объемах. Для обоснования состава и видов наблюдений разработана нормативная база, утвержденная Ростехнадзором РФ, которая является обязательной для исполнения на всех гидротехнических объектах промышленности:

гидротехнических сооружений предприятий, организаций, подконтрольных органам Госгортехнадзора России (РД 03-259-98) [37].

• Методические рекомендации по составлению проекта мониторинга безопасности гидротехнических сооружений на поднадзорных Госгортехнадзору России производствах, объектах и в организациях (РД 03-417-01).

Обязанности по исполнению нормативных требований при разработке месторождений выполняются геологическими и маркшейдерскими службами, входящими в состав горнодобывающих предприятий. Данная служба функционирует в соответствии с «Положением о маркшейдерской службе в угольной промышленности», утвержденным в 1998 году Приказом № Минтопэнерго России от 02.09.98, и “Положение о геологической службе в угольной промышленности”, утвержденном Приказом Минтопэнерго РФ от 21.12.1998 за № 450. Данные правовые документы ставят перед маркшейдерскими и геологическими службами акционерных обществ, предприятий и организаций, разрабатывающих угольные месторождения ряд требований по обеспечению безопасности горных работ, которые также относятся и к гидравлической технологии ведения вскрышных и отвальных работ.

В рамках гидромеханизационной технологии маркшейдерская служба обеспечивает:

- построение и развитие маркшейдерских опорных и съемочных сетей на земной поверхности и в горных выработках, производство съемок горных выработок и земной поверхности, составление и пополнение маркшейдерской документации, перенесение в натуру геометрических элементов проектов горных выработок, технических сооружений, зданий и коммуникаций, границ безопасного ведения горных работ, барьерных и предохранительных целиков;

- определение совместно с другими службами предприятия наиболее рациональных и эффективных схем развития гидромеханизационных работ, способов управления горным массивом на основе детального изучения горнотехнических, гидрогеологических и других условий разработки месторождений полезных ископаемых;

- периодический контроль соблюдения установленных геометрических параметров уступов гидромониторного смыва и гидротехнических сооружений при их строительстве, эксплуатации, консервации и ликвидации;

устойчивостью гидровскрышных уступов и откосов гидроотвалов;

- определение и нанесение на горно-графическую документацию опасных зон возможного прорыва воды и намывных пород;

- контроль за выполнением на предприятии требований, содержащихся в проектах по добыче полезных ископаемых, в том числе, требований по рациональному использованию и охране недр и обеспечению безопасности горных работ для жизни и здоровья работников и населения, зданий и сооружений.

Геологическая служба обеспечивает:

- своевременную эксплуатационную разведку разреза в целях уточнения количества и качества запасов угля, а также горнотехнических, гидрогеологических и других условий разработки угля на поле разреза;

- своевременное уведомление руководства разреза о приближении горных выработок к границам опасных зон и к участкам с горно-геологическими условиями, вызывающими осложнение или остановку горных работ;

Геологическая служба участвует:

- в разработке проектов строительств, реконструкции, консервации и ликвидации горнотехнических сооружений, программ развития горных работ, мероприятий по безопасному ведению горных работ вблизи опасных зон; по предупреждению и ликвидации аварий; по охране зданий, сооружений и природных объектов от вредного влияния горных разработок; по рациональному и комплексному использованию угольных месторождений;

- проектов горных отводов земных участков; проектов застройки площадей залегания полезных ископаемых; рекультивации земель, нарушенных горными работами;

- в работе по приемке в эксплуатации новых и реконструируемых гидротехнических сооружений; по их консервации и ликвидации, а также в рассмотрении решения других вопросов, связанных с геологическим обеспечением.

Таким образом, на предприятии, осуществляющем открытую разработку угля с применением гидравлического способа ведения вскрышных работ, функционирует геолого-маркшейдерская служба, отвечающая в рамках должностных инструкций и прав по должности за безопасность данного вида горных работ. Данная служба совместно с технологическим отделом и инженерно-техническим составом участка гидромеханизации несут ответственность за безопасность горных работ по гидромониторному смыву пород, их транспортировке и складированию в гидроотвал. В своей деятельности они опираются на должностные и ведомственные инструкции, а также специальную нормативную законодательную базу, имеющуюся в РФ для гидротехнических сооружений.

В настоящее время система обеспечения безопасности гидротехнических сооружений на предприятиях ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» включает комплекс работ и исследований по изучению, обоснованию, управлению и контролю состояния гидротехнических сооружений, выполняемых в течение всего срока существования сооружения с целью обеспечения безопасности и экономической эффективности горных работ и предотвращения их негативного воздействия на окружающую среду.

В рамках системы обеспечения безопасности на гидротехнических сооружения; - мониторинг (контроль) состояния гидротехнического сооружения; разработку и осуществление мероприятий по повышению уровня надежности и безопасности сооружения.

Система обеспечения безопасности характеризуется цикличностью и определенной последовательностью в выполнении указанных видов работ, что обусловлено поэтапным возведением гидроотвалов и длительным сроком их эксплуатации, в течение которого существенно меняются инженерногеологические условия сооружения.

Изучение инженерно-геологических условий следует выполнять на стадии составления рабочего проекта. В дальнейшем исследования должны предварять каждый очередной этап эксплуатации сооружения, сопровождаемый изменением параметров внешних откосов (увеличение высоты, строительство дамб наращивания, изменение контура откоса) и технологии гидравлического складирования отходов в накопитель (схемы заполнения, интенсивности намыва), перевод сооружения на стадию консервации или рекультивации, также любое технологическое мероприятие, способное повлиять на условия устойчивости внешних откосов (строительство дорог, отсыпка отвалов на откосах плотин и дамб или в непосредственной близости). При организации и выполнении инженерно-геологических работ на гидроотвалах следует руководствоваться нормативно-методической базой Минстроя России: СНиП 11-02-96, СП 11-105а также ведомственными документами [87, 90].

Изучение инженерно-геологических условий гидроотвалов должно осуществляться на наиболее ответственных участках, определяемых стадией существования объекта, технологией строительства, эксплуатации, консервации и ликвидации гидротехнического сооружений. Состав, объемы и методика выполнения исследований определяется инженерной задачей, решаемой для конкретного объекта (строительство, намыв, рекультивация и т.д.), на основании технического задания, разработанного специализированной организацией, имеющей право на проектирование гидротехнических сооружений.

При постановке и выполнении инженерно-геологических исследований необходимо комплексно использовать полевые и лабораторные методы определения состава, состояния и свойств пород. Полевые методы должны быть ориентированы на массовое опробования тела гидроотвала и его основания, в первую очередь – для оценки характера неоднородности и изменчивости слагающих их пород. Лабораторные методы должны быть направлены на установление закономерностей изменения состояния и свойств пород под нагрузкой, возрастающей при увеличении высоты сооружения и при выполнении на намывной поверхности рекультивационных или ликвидационных работ.

В состав инженерно-геологических работ должны быть включены натурные исследования напряженного состояния водонасыщенных пород намывного массива и естественного основания, направленные на установление характера распределения в массиве порового давления и его изменения во времени в связи с проведением различных технологических мероприятий. Для этих целей можно использовать средства постоянно действующих станций гидрогеомеханического мониторинга или выполнять периодические измерения методом зондирования. В особо ответственных случаях следует выполнять крупномасштабные эксперименты по формированию опытной насыпи на поверхности намывного массива с замером деформаций и напряжений в намывных породах [88, 89].

Итогом изучения инженерно-геологических условий сооружения является разработка и уточнение гидрогеомеханической модели объекта, позволяющей оценивать и прогнозировать состояние устойчивости сооружений с учетом различных природных и технологических факторов.

Инженерно-геологические исследования на гидротехнических сооружениях, расположенных в пределах горных отводов угледобывающих предприятий, должны включать дополнительный комплекс работ для определения деформаций основания, изучение гидрогеомеханических процессов и явлений, развивающихся в породных массивах при ведении горных работ. Они должны производиться по специальной программе с привлечением специализированных организаций.

По результатам исследований должны быть обоснованы: возможность проведения запланированного технологического мероприятия, рациональная технология его осуществления, оптимальные параметры сооружения и количественные показатели критериев безопасности и контролируемых параметров, обеспечивающие безопасность на данном этапе эксплуатации сооружения, оценка надежности сооружения.

Гидроотвалы вскрышных пород на протяжении нескольких десятилетий изучались с целью совершенствования технологии их формирования, обеспечения устойчивости, увеличения отвалоемкости, что подтверждается научными публикациями и диссертационными исследованиями специалистов научно- исследовательских, проектных и экспертных организаций. Благодаря многолетней деятельности этих специалистов разработано инженерногеологическое, геомеханическое, маркшейдерское обеспечение безопасности намывных сооружений, которые успешно реализовано на угольных и рудных месторождениях. Однако, основная инженерно-геологическая база знаний о формировании строения, состава и свойств намывных грунтов гидроотвалов, о закономерностях изменения их напряженно-деформированного состояния, определяющих условия устойчивости гидроотвалов вскрышных пород, была разработана по результатам изучения гидроотвалов высотой до 50 м.

Современные потребности угледобывающих предприятий выдвигают новые актуальные задачи, требующие совершенствования научно-методического обеспечения безопасности гидроотвалов, к числу которых, в частности, относятся определение максимальных отметок намыва гидроотвалов, обоснование безопасных параметров сооружений при возобновлении их намыва после длительного перерыва. Решение этих задач базируется на изучении инженерногеологических условий высоких гидроотвалов, находящихся на этапах эксплуатации, консервации и расконсервации.

имеющимися у них горнотехническими объектами находятся в частной собственности. Собственники предприятий и эксплуатирующие организации выполняют все требования по обеспечению безопасности гидротехнических сооружений, предписанные федеральным законодательством и нормативной базой Ростехнадзора. Инженерно-геологические исследования при эксплуатации гидроотвалов выполняются в ограниченных объемах, только в случаях, предусмотренных «Правилами безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов».

Вместе с тем на всех действующих гидроотвалах Кузбасса ведется мониторинг безопасности, в рамках которого контролируется изменение организациями за последнее десятилетие накоплен значительный фактический материал по мониторингу объектов ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», который содержится в фондах предприятия и опубликован в открытой печати. Данный материал может быть использован для установления закономерностей изменения инженерно- геологических условий высоких гидроотвалов с целью повышения достоверности оценок их устойчивости на различных этапах эксплуатации.

закономерностей изменения инженерно-геологических условий гидроотвалов в процессе их эксплуатации, консервации и расконсервации, которые следует учитывать при обосновании оптимальных параметров намывных сооружений и безопасности ведения гидроотвальных работ. При этом основным источником информации являются результаты ведения мониторинга безопасности – деформационных процессов в намывных массивах и их основаниях, сопровождаемых периодическим исследованием физико-механических свойств пород.

Объектами диссертационных исследований являются многоярусные гидроотвалы вскрышных пород ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» высотой более 50 м.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

- выявление основных технологических и инженерно-геологических факторов, определяющих устойчивость и оптимальные параметры гидроотвалов в Кузбассе;

- установление причин нарушения устойчивости намывных сооружений и гидрогеомеханических критериев наступления предельного состояния откосов высоких гидроотвалов;

- оценка характера изменения напряженно-деформированного состояния и свойств намывных пород на стадии консервации гидроотвалов;

- изучение гидрогеомеханических процессов, определяющих устойчивость гидроотвалов на этапе расконсервации;

- проведение лабораторных исследований по изучению природы прочности намывных пород и влиянию порового давления на параметры сопротивления сдвигу.

ГЛАВА 2 ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ,

ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОСТИ И ОПТИМАЛЬНЫЕ

ПАРАМЕТРЫ ГИДРООТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД НА УГОЛЬНЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЯХ КУЗБАССА

2.1 Характеристика конструктивно-компоновочных особенностей и технологических условий эксплуатации гидроотвалов вскрышных пород При проектировании, эксплуатации, реконструкции и рекультивации объектов промышленной гидротехники руководствуются экономическими и природоохранными принципами, смысл которых сводится к обеспечению максимальной технико-экономической эффективности работ по складированию жидких отходов горнодобывающей деятельности при минимальном нарушении естественной природной обстановки района. При обосновании конструкции, параметров намывных сооружений и технологии гидравлического складирования также должны быть выполнены следующие условия:

обеспечение устойчивости сооружения на предельном контуре;

обеспечение максимальной отвалоемкости используемой территории;

последующая рекультивируемость гидроотвала с минимальными трудовыми и материальными затратами;

безопасность работы людей и оборудования, занятых в производственном процессе, а также инженерных объектов и населенных пунктов, расположенных на прилегающих территориях.

Выполнение этих требований достигается путем выбора в конкретных горно-геологических условиях оптимального местоположения, конструкции и технологии формирования сооружения [53].

При разработке угольных месторождений в Кузбассе под гидроотвалы вскрышных пород отводились площади, непригодные или малопригодные для ведения сельского хозяйства, строительства населенных пунктов – овраги, балки, поймы ручьев и небольших рек, заболоченные участки, так называемая, «неудобица». В последние годы для складирования гидровскрыши стали использоваться старые горные выработки с отработанными запасами полезного ископаемого.

По рельефу занимаемой местности выделяют следующие типы намывных сооружений [28, 73]:

- овражно-балочный (с одно- или двухсторонним обвалованием);

- косогорный (с трехсторонним обвалованием);

- равнинный (с четырехсторонним обвалованием);

-котлованный пространстве карьеров или в естественных впадинах).

Большинство гидроотвалов в Кузбассе (48 объектов) сформированы в оврагах и балках посредством создания емкости строительством ограждающих дамб из привозного материала; два намыты на косогоре и имеют трехстороннее обвалование, два – на равнине при обваловании с четырех сторон; пять – в старых горных выработках. Следует заметить, что в настоящее время при эксплуатации высоких гидроотвалов овражно-балочного типа, двухстороннее обвалование постепенно трансформирует в трехстороннее ввиду наращивания дамб сверх отметок естественного рельефа по бортам логов. Местоположение гидроотвалов во многом предопределяет их конструкцию и технологическую схему эксплуатации.

Конструкция объектов промышленной гидротехники определяется комплексом гидротехнических сооружений (ГТС), образующих емкость накопителя, обеспечивающих технологический процесс эксплуатации, защищающих объект от внешних воздействий. В состав ГТС гидроотвалов вскрышных пород входят:

- ограждающие сооружения (плотины, дамбы);

- емкость (чаша) накопителя, образованная плотиной и возвышениями рельефа местности;

- сооружения систем гидротранспорта и оборотного водоснабжения (напорные пульпопроводы, водоводы и насосные станции);

- сооружения водоотведения (нагорная канава и дренажный канал в нижнем бьефе плотины).

Ограждающие сооружения гидроотвалов в Кузбассе часто называются «плотиной», учитывая напорный характер этих сооружений. Фактически они представлены пионерной дамбой (первичного обвалования) и несколькими дамбами последующего наращивания. Пионерная дамба имеет небольшую высоту от 5 до 15 м, она перегораживает русло водотока или нижнюю часть лога, создавая тем самым первичную емкость для складирования грунтов. После полного заполнения первичной емкости отсыпается следующая дамба обвалования (наращивания), посредством которой увеличивается емкость накопителя. Дамба наращивания формируется уже на намытой поверхности гидроотвала с отступлением от гребня нижней дамбы (рисунок 2.1). В зависимости от потребностей предприятия наращивание производится неоднократно до тех пор, пока работает гидромеханизация или не будет исчерпана емкость накопителя.

Рисунок 2.1 - Схема формирования многоярусных намывных сооружений Таким образом, намыв гидроотвалов осуществляется поэтапно и все гидроотвалы Кузбасса представляют собой многоярусные сооружения с общим количеством дамб от 2 до 15. Наибольшее количество дамб 15 имеет гидроотвал «Бековский».

На объектах промышленной гидротехники емкость накопителя может состоять из одной или нескольких секций, используемых поочередно.

Практически все гидроотвалы вскрышных пород, за редким исключением, технологические зоны - пляж намыва и пруд-отстойник. Пляж намыва - это надводная часть гидроотвала, которая находится в непосредственной близости от мест выпуска пульпы, в связи с чем в откладываемых здесь грунтах содержатся определенным уклоном, обеспечивающим равномерное растекание пульпы в ограждающих дамб, ширина пляжа (расстояние от дамбы до уреза воды) поддерживается не менее 100 м для сооружений I класса. При этом отметка гребня дамбы должна быть выше уровня воды в пруде-отстойнике не менее чем на 1,5 м для сооружений I класса [77].

гидроотвала и используемый для осаждения мелких фракций, осветления технической воды в цикле замкнутой системы оборотного водоснабжения образующаяся из-за колебания уреза воды на различных этапах намыва. Для гидроотвалов наиболее распространенного в Кузбассе овражно-балочного типа, характерно, что пруд- отстойник расположен далеко от ограждающих сооружений и примыкает к возвышенностям естественного рельефа, что исключает возможность развития гидродинамической аварии по причине перелива воды через гребень плотины.

Емкость гидроотвалов Кузбасса изменяется в широких пределах от 0,6 до 100 млн. м3. По емкости наибольшими сооружениями являются: «Сагарлыкский»

(100 млн. м3), «Бековский» (80 млн. м3), «Черниговский» №1 (60 млн. м3) и №2 ( млн. м3) и «Прямой Ускат» (57,5 млн. м3).

пульпопроводов, по которым пульпа от гидрозабоя в карьере доставляется в гидроотвал. Пульпопроводы разделяются на карьерные, магистральные, разводящие, распределительные и намывные. Разводящие подают пульпу от передают пульпу в накопитель.

Обычно способы гидравлической укладки пород в отвалы выбирают с учетом назначения последних, класса их ответственности, характеристики укладываемых пород, объема работ, размера сооружения и рельефа территорий [73]. Технологические процессы намыва разделяются в зависимости от расположения пульповода на фронте намыва и способа выпуска пульпы в емкость. По первому признаку в общем случае выделяют следующие способы непосредственно из торца пульповода. По характеру выпуска пульпы намыв может вестись сосредоточенным, рассредоточенным и бессистемным способом.

Перемещение фронта работ принято по двум схемам: в направлении от плотины или ограждающей дамбы к внешним границам гидроотвала или в обратном порядке. На угольных карьерах применяется в основном перемещение фронта ограждающей дамбы намываемой породой.

технологическая схема, при которой выпуск пульпы на карту намыва осуществляется от ограждающих дамб с уклоном в сторону пруда-отстойника, который примыкает либо к коренному склону, либо отнесен на значительное расстояние от основной дамбы, на которой возможна гидродинамическая авария с тяжелыми последствиями. Намыв гидроотвалов производится при невысокой среднегодовой интенсивности 1–3 м/год по высоте, 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. Обычно применяется сосредоточенный намыв из постоянно закрепленного на основной дамбе (перегораживающей русло водотока) местоположения одного или нескольких выпусков. Иногда используется схема с постепенным переключением выпусков, расположенных на разных участках ограждающих дамб. Принятая технология намыва обеспечивается укладку в откосной части гидроотвала наиболее крупного материала с выносом глинистой фракции в прудковую зону, что способствует повышению устойчивости внешних откосов намывного сооружения.

На гидроотвалах Кузбасса применяют систему оборотного водоснабжения, при которой осветленная вода из пруда-отстойника по водоводам подается обратно на забой гидромонитора. Забор воды из пруда осуществляется насосными станциями, которые часто расположены прямо в пруду (плавучие).

На объектах промышленной гидротехники очень часто для снижения уровня депрессии в откосах применяют различные дренажные устройства.

Разработаны схемы и способы дренирования гидроотвалов, которые зависят от конкретных условий, например, они могут представлять собой открытые канавы, прорези и лотки, специальные призмы из крупнообломочного материала [9, 72, 73]. На гидроотвалах Кузбасса, в отличие от многих гидротехнических объектов, специальных дренажных устройств в теле ограждающих дамб, основании и намывном массиве не применяется, а система водоотведения состоит из открытых дренажных канав, пройденных вдоль нижней бровки внешнего откоса ограждающей плотины. Обычно их глубина составляет от 0,5 до 1,5 м. Нагорные канавы сооружают на бортах логов для отвода поверхностных вод, аккумуляция которых в накопителе не предусмотрена технологически.

Ниже приводится характеристика конструктивных и технологических особенностей двух действующих гидроотвалов ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», относящихся к овражно-балочному типу, но отличающиеся по конструктивным особенностям: «Бековский» - односекционный с односторонним обвалованием;

гидроотвал на реке Еловка – двухсекционный с двухсторонним обвалованием.

«Бачатский угольный разрез» расположен в Беловском Муниципальном районе Кемеровской области. Гидроотвал намыт в Бековской балке, в логу ручья Салаирка (рисунок 2.2). Ближайшие водотоки – реки Малый и Большой Бачат.

Сооружение относится к объектам промышленной гидротехники – накопитель односекционный. Срок эксплуатации: 1971 - 2013г.

гидромеханизации. В связи с ликвидацией в 2003 г. гидромеханизационного способа вскрышных работ на разрезе, водношламовая схема изменена. В настоящее время гидроотвал используется для складирования отходов углеобогащения и осветления шламовых вод. Основная часть отходов, заскладированных в его емкость, представлена лессовидными суглинками.

Отходы углеобогащения представляют собой породоугольный шлам; относятся к V класс опасности.

В состав ГТС гидроотвала «Бековский» входят: емкость накопителя;

плотина; система гидротранспорта: насосная станция и пульповоды; система оборотного водоснабжения: насосные станции и водоводы; сооружения гидрозащиты – водоотводные канавы [6].

Емкость накопителя гидроотвала «Бековский» по состоянию на 2013 г.

практически полностью заполнена твердыми намывными грунтами (в том числе породоугольными шламами); функционирует пруд-отстойник. Объем емкости накопителя полезный – 126,83 млн. м3, объём уложенных в накопитель грунтов млн. м3 (234,881 млн. т), запас оставшейся емкости: 0,201 млн. м3 (0, млн. т). Площадь накопителя полезная S = 242,3 га. Уровень воды в прудетыс. м3.

отстойнике + 297,64 м. Объём воды в пруде-отстойнике Регулирование уровня в пруде-отстойнике осуществляется посредством откачки воды насосной станцией. Температурный режим – эксплуатация накопителя осуществляется в теплое время года (с мая по октябрь).

Рисунок 2.2 - Ситуационный план гидроотвала «Бековский».

Плотина гидроотвала по типу и виду – насыпная, грунтовая, неоднородная;

отсыпана из местных вскрышных пород угольного разреза и отходов обогащения (КНС); состоит из пионерной дамбы и пятнадцати ярусов наращивания, отсыпанных в сторону верхового откоса на поверхности пляжа. Дамбы наращивания отсыпаны из скальных и суглинистых грунтов с послойной укаткой.

По высоте плотины ГТС гидроотвала относятся к I классу сооружений в соответствии с СП 58.13330.2012. «Гидротехнические сооружения. Основные положения» [89].

Отметка гребня плотины: по проекту – 301,43 м; фактическая – 300,5302,8 м (по состоянию на 2013 г.). Максимальная высота: по проекту – 76,5 м, фактическая – 76,5 м (при минимальной отметке основания 225,0 м).

Длина по гребню – 5286 м. Ширина по гребню: по проекту – 6,0 м, фактическая около – 6,030,0 м. Крепление гребня: проектом не предусмотрено и фактически отсутствует. Ширина по подошве – около 450 м. Верховой и низовой откос:

проектное заложение низового и верхового откоса –1:2,0; формула заложения низового откоса: 300.0-1:2 – 301.6 (6.5); фактическое заложение верхового откоса последнего яруса наращивания – 1:2,2; результирующее заложение низового откоса плотины – 1:6,3; крепление – проектом не предусмотрено и фактически отсутствует.

Общая площадь водосбора гидроотвала «Бековский составляет 10,0 км2 (в пределах плотины 5,52 км2). Объем поверхностного стока 0,1 % обеспеченности (основной расчетный случай) – 3,45 млн. м3/год. При этом объем паводкого стока с площади водосбора гидроотвала «Бековский» 0,1 % обеспеченности (основной расчетный случай) – 2,42 млн. м3. Специальные сооружения для пропуска паводковых вод в составе ГТС гидроотвала не предусмотрены проектом.

Противофильтрационных и дренажных устройств в конструкции плотины не имеется.

Гидроотвал эксплуатируется в замкнутом цикле оборотного водоснабжения с восполнением потерь за счет поверхностного стока с площади водосбора гидроотвала и подпитки из реки Малый Бачат. Объем водной дотации (восполнение потерь оборотной воды в технологическом процессе) составляет в среднем около 1,5 млн. м3/год. Система оборотного водоснабжения - замкнутая.

Способ транспортировки воды – напорный. Водоводы наземные: подводящий (стальная труба диаметром 400 мм, длиной 4,35 км) предназначен для подачи воды из реки М. Бачат в пруд-отстойник гидроотвала; отводящий (стальная труба диаметром 720 мм, длиной около 6 км) предназначен для транспортировки осветленных вод из емкости гидроотвала до обогатительной фабрики. В систему входят насосные станции «Центральная насосная», расположенная в пруду гидроотвала и предназначенная для откачки воды из гидроотвала, и «Подпитка», расположенная у русла реки М. Бачат и предназначенная для восполнения потерь воды.

Система гидротранспорта – напорная, включает наземный пульповод (стальной трубопровод диаметром 720 мм, длиной 8,5 км), предназначенный для транспортировки породоугольного шлама от обогатительной фабрики, и пульпонасосную станцию для перекачки жидких шламов с обогатительной установки.

Сброс отходов в емкость гидроотвала осуществляется со стороны верхового откоса плотины рассредоточенным способом из пульповыпусков (3 шт.) Пульповыпуск – труба стальная диаметром 530 мм, длиной 10 м, вваренная в распределительный пульпопровод. Сооружения гидрозащиты включают водоотводные канавы, расположенные на юго-восточном и северо-западном участках гидроотвала в нижнем бьефе плотины; отвод вод осуществляется в русло реки Салаирка. Канавы используются также для сбора и отвода дренажных вод из емкости гидроотвала.

Гидроотвал филиала ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Моховский угольный разрез» предназначен для складирования четвертичных отложений поля разреза (глины и суглинки) и осветления технической воды, используемой в технологическом цикле гидромеханизации [6, Сооружение также расположено в Беловском Муниципальном районе Кемеровской области.

Гидроотвал расположен на р. Еловка, являющейся правым притоком реки Мереть (приток реки Иня). Створ ГТС расположен в 2,5 км от истока и 1,5 км от устья.

Срок эксплуатации ГТС – 49 лет (до 2019 г.). По высоте плотины ГТС гидроотвала относятся к I классу.

Гидроотвал является двухсекционным накопителем овражно-равнинного типа с двухсторонним обвалованием (рисунок 2.3). В состав комплекса ГТС входят: ёмкость накопителя; ограждающая (основная) дамба; разделительная дамба; водозаборные, водосбросные и водопропускные устройства; сооружения системы гидротранспорта; сооружения системы оборотного водоснабжения.

Емкость гидроотвала разделена дамбой на две секции, одна из которых – накопительная (южная часть гидроотвала) служит для складирования вскрышных пород, другая – прудковая (северо-западная) служит для аккумуляции и осветления технической воды. Полный (общий) объем гидроотвала составляет 305,3 млн. м3, полезный объем – 288,7 млн. м3. Выход твердого – 5,0 млн. т в год.

Проектная отметка заполнения +269,0 м. Проектом предусмотрено осуществлять увеличение емкости гидроотвала в четыре этапа до отметок заполнения: 1 этап – 257,5 м; 2 этап – 261,0 м; 3 этап – 265,0 м; 4 этап – 268,5 м.

Накопительная секция гидроотвала рассчитана на прием весеннего паводка расходом 3,69 м3/с (0,1 % обеспеченности, основной расчетный случай). Расход паводка, поступающего в секцию пруда-отстойника (с учетом сброса в него паводкого стока из накопительной секции), составляет 3,6 м3/с. Сброс избыточного расхода из накопительной секции в пруд-отстойник предусмотрено осуществлять через шандорные колодцы №2. Сброс избыточного расхода из прудковой секции предусмотрено осуществлять через шандорные колодцы №5 в водоотводной канал. В случае угрозы переполнения водоотводного канала предусмотрен аварийный водосброс в реку Мереть.

Емкость гидроотвала образована путем возведения многоярусной (основной) дамбы, перекрывающей лог реки Еловка (с южной стороны гидроотвала) и ограждающей емкость с северной, западной, юго-восточной и, по мере наращивания, с северо-восточной сторон. Общая длина (протяженность по гребню) напорного фронта гидроотвала в настоящий момент составляет 6300 м, в Рисунок 2.3 - Ситуационный план гидроотвала на реке Еловка том числе основная дамба – 5500 м, разделительная дамба – 800 м. Проектные параметры ограждающей дамбы гидроотвала приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Параметры ограждающей дамбы гидроотвала на р. Еловка наращив гребня ная высота, гребню, м по гребню / верхового / Первичная дамба отсыпана из суглинистого грунта и имеет следующие параметры: высота 6,5 м; ширина 20,0 м; заложение откосов 1:1,5. Дамбы наращивания и разделительная дамба: насыпные, грунтовые, однородные, из полускальных вскрышных пород (алевролит, аргиллит, песчаник) с суглинистым заполнителем; отсыпаются автотранспортом на намытый пляж.

Противофильтрационные и дренажные устройства проектом не предусмотрены.

Дамбы наращивания являются дренажными призмами для намывного грунта.

Основная дамба для пропуска воды не предназначена. Со стороны низового откоса первичной дамбы из горелой породы выполнена дренажная призма шириной 10 м и высотой 4 м.

Водозаборные, водосбросные и водопропускные устройства представлены шандорными колодцами №1, №2 и №5, а также переливными трубами и аварийным водосбросом, оборудованными в транспортной перемычке и устье водоотводного канала соответственно. Колодцы выполнены из труб диаметром м (2 параллельные нитки каждый) длиной 50,0 м. Переливные трубы расположены в транспортной перемычке водоотводного канала (2 нитки, стальные, диаметром 1м). Аварийный водосброс предназначен для аварийного сброса воды в случае переполнения водоотводного канала.

Состоит из двух труб диаметром 1000 мм. Сброс осуществляется в канал, проходящий вдоль низового откоса первичной дамбы обвалования, далее в отстойник карьерных вод и реку Мереть.

Система гидротранспорта напорная, включает три землесосные станции (гидроустановки), оборудованные землесосными установками типа ЗГМ-2М и пульповод. Система оборотного водоснабжения включает центральную насосную станцию, состоящую из насосных станций первого и второго подъемов (совмещены), подводящий водовод, водовод магистральный и водоотводной (водосбросной, водоотводящий) канал с водосбросом 2.2 Общие закономерности формирования состава, состояния и свойств техногенных намывных отложений при эксплуатации гидроотвалов В процессе гидромеханизационных вскрышных работ происходит разрушение естественных горных пород и формирование новых техногенных образований со специфическими строением, состоянием и свойствами, отличающимися от исходных. Рассмотрение инженерно-геологических условий техногенных массивов в настоящее время принято осуществлять с позиций генетического подхода, который для намывных отложений гидроотвалов вскрышных пород выражен схемой техногенеза, разработанной Ю.И. и Н.А.

Кутеповыми [53, 62]. Согласно данной схеме формирование намывных техногенных массивов происходит под влиянием совокупности технологических и природных факторов, главными их которых являются состав размываемых пород, технология их транспортирования и гидравлического складирования в сооружение, конструктивные особенности гидроотвалов. Данные факторы определяют закономерности формирования инженерно-геологического строения намывных массивов и интенсивность развития гидрогеомеханических процессов, в результате которых происходит изменение состояния и свойств намывных грунтов во времени.

Состав намывных грунтов гидроотвалов обусловлен особенностями разрабатываемых средствами гидромеханизации природных массивов.

Вскрышная толща угольных месторождений центрального Кузбасса представлена отложениями неоген-четвертичного возраста мощностью до 80 м.

Стратиграфически они разделяются на 8 свит, которые распространены практически на всех месторождениях. По гранулометрическому составу породы относятся в основном к суглинкам и глинам. Характерной их особенностью является высокая пористость и большое содержание пылеватой фракции (до %), что делает их пригодными для гидравлической разработки. Наиболее пригодными для смыва являются породы, слагающие верхние части разрезов (еловская, бачатская, кедровская, сергеевская свиты). Увеличение степени уплотнения и пластичности пород с глубиной снижает эффективность гидравлического удаления нижних свит (сагарлыкской, меретской и моховской), которые убираются обычно с использованием сухоройных механизмов.

Гранулометрический состав всех разрабатываемых гидромеханизацией свит практически одинаков: содержание пылеватой фракции (0, Алевролит Примечание: I – показатель консистенции Обобщая приведенные данные по нескольким объектам, можно сделать вывод, что естественное основание гидроотвалов сложено слабыми водонасыщенными отложениями песчано-глинистого состава. Особенно неблагоприятные инженерно-геологические условия наблюдаются в русловой части логов, где оно представлено слоистыми аллювиальными глинистыми отложениями, самые «слабые» из которых характеризуются обычно С=0,015МПа, =150. Делювиальные отложения на склонах логов более прочные, в естественном состоянии – твердые и полутвердые. Их сцепление составляет 30 до 50 кПа, колеблется от 16 до 30°. Под влиянием намыва гидроотвалов влажность склоновых отложений увеличивается, механическая прочность снижается, по своим характеристикам они приближаются к аллювиальным отложениям.

2.4 Оптимальные параметры гидроотвалов вскрышных пород на Основными параметрами гидроотвалов являются: общая высота, результирующие углы откосов, интенсивность намыва. Для одноярусных гидроотвалов высота и углы откоса определяются как параметры дамбы первичного отвалообразования. При строительстве многоярусных сооружений помимо основных параметров требуется обосновать технологические параметры дамб наращивания (высота, ширина по верху углов наклона, количество и временной регламент отсыпки слоев дамбы).

Параметры гидроотвалов выбирают с учетом конкретных условий ведения горных работ, технологических возможностей предприятия и природоохранных требований. Оптимальными следует считать параметры, обеспечивающие:

1) максимальную емкость складирования в пределах выделенного земельного отвода;

2) наивысшую экономическую эффективность гидроотвальных работ;

3) долговременную устойчивость внешних откосов сооружений;

4) минимальное нарушение естественной экологической обстановки.

В настоящее время в Кузбассе накоплен огромный опыт проектирования параметров гидроотвалов, который внедрен на объектах и позволил проводить в основном безаварийную эксплуатацию на протяжении более шести десятилетий.

Это опыт базируется на единой системе обоснования оптимальных параметров намывных сооружений, которая отражена в ряде методических документов, действующих в угольной промышленности. Основные принципы данной системы сводятся к следующему.

Обоснование оптимальных параметров эксплуатируемых сооружений (при проектировании дамб наращивания, уточнении основных проектных параметров сооружений с учетом изменения условий его эксплуатации и др.) производится на основе базы данных, получаемой в процессе ведения мониторинга безопасности, а также с учетом прогноза изменения инженерно-геологических условий в процессе проектируемого технологического мероприятии. Для этого необходимо знание закономерностей изменения состояния и свойств пород гидроотвалов при воздействии на них дополнительных нагрузок.

Параметры намывных сооружений определяются посредством расчетов устойчивости его откосов, исходя из требований обеспечения коэффициента запаса ks, установленного нормативно-методическими документами. Расчеты устойчивости выполняются для каждого внешнего откоса сооружения отдельно, характеризуя его индивидуальными параметрами. В пределах единого откоса расчеты производятся для каждой таксономической единицы, выделенной при инженерно-геологическом районировании данной откосной части.

Методы определения нормативной величины коэффициента устойчивости гидротехнических сооружений ks, которые использовались при обосновании параметров гидроотвалов, были регламентированы требованиями СНиП 33-01и СНиП 2.06.01-86. Применяемые ныне для этих целей нормативные документы СП 58.13330.2012, СП 39.13330.2012, СП 23.13330.2012 [89, 91, 92] представляют собой актуализированные редакции этих СНиП. Согласно этим документам нормативный коэффициент устойчивости внешних откосов ГТС определяется с учетом класса капитальности и конструкции сооружения, типа основания, ответственности расчетного технологического этапа и других факторов, исходя из условий, обеспечивающих недопущение наступления предельных состояний.

Критерием устойчивости откоса является соблюдение (для наиболее опасной поверхности сдвига) неравенства:

F f - расчетное значение обобщенного силового воздействия, определяемое с учетом коэффициента надежности по нагрузке f (в зависимости от метода расчета устойчивости откосов F - равнодействующая сил или моментов этих сил относительно оси поверхности сдвига);

R - расчетное значение обобщенной несущей способности системы "сооружение – основание", определяемое с учетом коэффициента безопасности по грунту g, т.е. обобщенное расчетное значение сил предельного сопротивления сдвигу по рассматриваемой поверхности;

f, n, fc - коэффициенты надежности по нагрузке, ответственности сооружения, сочетания нагрузок; g - коэффициент надежности по грунту, c коэффициент условий работы;

fc - коэффициент сочетания нагрузок, принимается по СНиП 2.06.01-86: для расчетов по основному сочетанию нагрузок и воздействий в период эксплуатации сооружения fc =1,0; для периода строительства и ремонта 0,95; для особого сочетания нагрузок и воздействий (например, землетрясений) 0,90;

c - коэффициент условий работы, учитывающий тип сооружения, конструкции или основания, приближенность расчетных схем (СНиП 2.06.05составляет c =1,00 при использовании методов, удовлетворяющих условиям предельного равновесия; c = 0,95 при использовании упрощенных методов;

n -коэффициент надежности по ответственности (назначению) сооружения, учитывающий капитальность и значимость последствий при наступлении тех или иных предельных состояний; принимается в зависимости от класса сооружения:

для I класса n =1,25; для II класса n =1,20: для III класса n =1,15; для IV класса n =1,10.

Класс намывных сооружений определяется в зависимости от их высоты и типа грунтов основания (таблица 2.8) как для плотин из грунтовых материалов (СП 58.13330.2012 или СНиП 33-01-2003).

Тип грунтов основания: А - скальные и полускальные породы: Б крупнообломочные, песчаные, а также пылевато-глинистые (супеси, суглинки и глины) тугопластичной и более плотности консистенции: В - пылеватоглинистые грунты мягкопластичной консистенции.

Таблица 2.8 - Класс гидротехнических сооружений (грунтовых плотин) основания

I II III IV

В расчетах устойчивости откосов грунтовых сооружений коэффициент устойчивости kp, определяется по формуле:

При поиске наиболее опасной поверхности сдвига для разнообразных положений поверхностей сдвигов вычисляются значения kp и определяется его минимальное значение, которое сравнивается с нормативным Полученные расчетом нормативные коэффициенты устойчивости откосов гидроотвалов I класса:

Расчеты устойчивости откосов гидроотвалов выполняются с учетом изменения напряженного состояния и физико-механических свойств пород прогнозирования напряженного состояния пород и устойчивости сооружений требует обоснования его гидрогеомеханической модели, отражающей инженерногеологические и гидрогеологические условия в соответствии с требованиями применяемых методов прогнозирования.

Гидрогеомеханическая модель намывного сооружения, отвечающая целям задачи по обоснованию оптимальных параметров откосов, должна отражать условия откосных частей сооружению с позиции факторов, определяющих состояние устойчивости. В этой связи, модели сооружений характеризуют всеми признаками расчетной схемы для оценки устойчивости откоса в соответствии с характеристиками откоса, потенциально возможными поверхностями скольжения, распределения порового давления.