Инженерно-геологическое обеспечение безопасности горных работ при ликвидации гидроотвалов

Общая характеристика работы

Исследования инженерно-геологических условий объектов промышленной гидротехники угольной и горнорудной промышленности выполняли С.Г. Аксенов, С.П. Бахаева, А.М. Гальперин, Р.Э. Дашко, В.Г. Зотеев, О.В. Зотеев, И.П. Иванов, Ю.В. Кириченко, В.С. Круподеров, Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, В.А. Мироненко, В.В. Мосейкин, Ю.А. Норватов, В.Е. Ольховатенко, В.В. Середин, С.В. Сольский, В.И. Стрельцов, В.П. Жариков, В.Н. Зайцев, А.Н. Киянец, Р.Г. Клейменов, О.Ю. Крячко, С.И. Протасов, А.И. Федосеев и др. Исследования выполнялись в основном для определения оптимальных параметров гидроотвалов при их строительстве и эксплуатации; обоснования возможности использования намывных массивов в качестве оснований отвальных сооружений.

Таким образом, актуальность работы, направленной на изучение инженерно-геологических условий частичной отработки гидроотвалов, обусловлена настоятельной необходимостью обеспечить технико-экономическую эффективность и безопасность горных работ на угледобывающих предприятиях с минимальными экологическими последствиями. Актуальность данной задачи подтверждается Федеральным Законом “О безопасности гидротехнических сооружений” (№117-Ф-3), регламентирующим нормы безопасности при осуществлении деятельности, связанной с проектированием, строительством, консервацией, эксплуатацией и ликвидацией гидротехнических сооружений, в том числе, гидроотвалов - объектов промышленной гидротехники.

Цель работы. Оценка инженерно-геологических условий гидроотвалов вскрышных пород для обоснования технологических решений по их частичной отработке, обеспечивающих безопасность и технико-экономическую эффективность горных работ.

Основные задачи исследования:

– изучить инженерно-геологические условия природно-технической системы филиала «Кедровский угольный разрез» ОАО «УК  «Кузбассразрезуголь», включающей гидроотвал, находящийся на стадии отработки;

– выявить определяющие факторы формирования состава, состояния и свойств намывных пород гидроотвалов;

– выполнить инженерно-геологическое обоснование технических решений по частичному удалению гидроотвала № 3 филиала «Кедровский угольный разрез»;

– установить основные закономерности формирования порового давления в намывных породах и изменения их физико-механических свойств при отсыпке разделительной насыпи на намывном массиве;

– разработать методические принципы организации мониторинга безопасности при ведении горных работ, связанных с ликвидацией гидроотвалов.

1. Установлено, что под воздействием горных работ по переформированию гидроотвалов, в намывном техногенном массиве образуется новая инженерно-геологическая зональность, при этом выделяются зоны с различным характером изменения наряженно-деформированного состояния и физико-механических свойств намывных пород.

2. Выявлена взаимосвязь между изменением порового давления в намывном массиве и интенсивностью развития деформаций откосов разделительной дамбы.

3. Установлено, что увеличение порового давления, инициированного отсыпкой насыпей, происходит в значительной области намывного массива, превышающей контур нагружения, и приводит к уменьшению параметров сопротивления сдвигу в зоне влияния отсыпки.

1. Расконсервация запасов угля под гидроотвалами сопровождается трансформацией сформированной ранее природно-технической системы, безопасность функционирования которой определяется «слабым» ее элементом – гидроотвалом, являющимся специфическим инженерно-геологическим объектом, представляющим наибольшую опасность для горного производства и окружающей среды.

2. При частичном удалении гидроотвалов нарушается характерный для сформированных ранее техногенных массивов ход технолитогенетических преобразований намывных пород; закономерности изменения их состояния и свойств определяются видом и интенсивностью технологического воздействия - гидромеханизационного смыва намывных пород и их нагружения сухими отвалами на остающейся части сооружения.

3. Безопасность горных работ при ликвидации гидроотвала обеспечивается посредством инженерно-геологического мониторинга, включающего комплексные наблюдения за поровым давлением в нагружаемой и разгружаемой частях намывного массива, деформациями поверхности формируемого вторичного техногенного рельефа с помощью маркшейдерских методов и определения прочности пород в приборах трехосного нагружения с регулируемым и контролируемым поровым давлением.

– натурными исследованиями гидроотвала №3 Кедровского угольного разреза (мониторинг изменения порового давления в теле гидроотвала и наблюдения за деформациями формируемой насыпи с помощью маркшейдерских методов);

- исследованиями физико-механических свойств намывных пород и пород основания отвала;

- расчетами устойчивости дамбы (использовались программы «Stability» института ВНИМИ и «Galena» австралийской компании BHP Engineering).

- получены характеристики состояния и свойств намывных отложений гидроотвала на различных стадиях существования объекта, которые использованы для обоснования технических решений по ликвидации и переформированию гидроотвала.

Одним из актуальнейших направлений научных исследований в области обеспечения безопасности открытых горных работ в Кузбассе является обоснование оптимальных параметров природно-технических систем (ПТС), объединяющих несколько функционально взаимосвязанных горнотехнических сооружений. Одной из крупнейших ПТС подобного рода является борт карьера филиала «Кедровский угольный разрез», которая включает: прибортовой, намывной и насыпной массивы. Борт карьера имеет высоту 200 м, нагружен 50-метровым гидроотвалом №3, на котором формируются отвалы вскрышных пород высотой до 50 м. Таким образом, сформированная здесь ПТС сегодня имеет высоту 300 м, а при углубке карьера согласно перспективному плану и увеличении высоты отвалов будет достигать 500 м.

Подобные ПТС сформированы также на Бачатском и Краснобродском угольных разрезах; на первом предприятии ее высота сегодня составляет 470 м и в перспективе достигнет 690 м, на втором – 300 м и в перспективе 425 м.
Кедровский угольный карьер расположен на правом берегу р. Томи в 30 км к северу от областного центра г. Кемерово. Территория карьера разделена на три участка (Основное поле, Хорошеборский и Латышевский участки); в северо-восточной части участка «Основное поле», в пойме реки Чесноковка, расположен гидроотвал №3. Под гидроотвалом доразведкой были обнаружены пригодные для открытой разработки запасы угля в объеме 50 млн. м³. Кедровско-Крохалевское месторождение слагается отложениями кемеровской и усятской подсвит балахонской серии (P₁bl). Для открытой разработки промышленное значение имеют три верхних пласта: Кемеровский, Волковский, Подволковский, мощность которых составляет соответственно 2-3 м, 12-18 м и 4-6 м. Карьером добываются энергетические угли марки СС (слабоспекающиеся).

Углевмещающая толща месторождения представлена полускальными породами: песчаниками, алевролитами и аргиллитами. Песчаники, не затронутые выветриванием – наиболее прочные из всех пород прибортового массива, характеризуются временным сопротивлением сжатию и растяжению (38,4-54,5 и 5,1-5,7 МПа соответственно), а также значительным сцеплением – 10,2-11,8 МПа. Показатели прочности алевролитов и аргиллитов почти в 1,5 раза меньше, чем у песчаников. В зоне выветривания временное сопротивление углевмещающих пород сжатию и растяжению уменьшается почти в 4 раза. В целом по оценке В.Е. Ольховатенко устойчивость пород в бортах карьера средняя.

Неоген-четвертичные отложения разделяются на несколько свит (снизу вверх): меретскую (dpN₁-N₂mr), моховскую (dpN₂¹-N₂³mh); сагарлыкскую (laN³₂sg), сергеевскую (dpN₂²-Q¹₁sr), кедровскую (laQ_1-IIkd); бачатскую (dzQ_II³-Q³_IIIbc^v), краснобродскую (аQ_III³kr) и еловскую (dzQ_III⁴-Q_IV^l).

По коэффициенту уплотнения, определяющему состояние пород, отложения еловской свиты характеризуются как неуплотненные; краснобродской, бачатской, сергеевской и сагарлыкской - пластичные, а меретской и моховской - пластичные, переходящие в переуплотненные. Влажность неоген-четвертичных пород изменяется в широких пределах от 0,11 до 0,25 д.ед., со стратиграфической глубиной практически все поры заполняются водой, а влажность увеличивается. Сцепление пород закономерно увеличивается в направлении сверху вниз (от 0,03 до 0,125 МПа), а угол внутреннего трения изменяется в широких пределах (16-31°) и зависит от влажности.

Намывные массивы гидроотвалов характеризуются специфическим составом, строением, состоянием и свойствами. Определяющими факторами при формировании намывных осадков являются фракционирование и гравитационное уплотнение. Под воздействием первого из них наблюдается разделение по крупности материала, поступающего на карту намыва, и образование в плане зон различного гранулометрического состава: песчано-супесчаной (пляжной), суглинистой (переходной) и глинистой (прудковой).

В процессе гравитационного уплотнения физико-механические свойства намывных отложений изменяются пропорционально нарастанию эффективных напряжений в скелете пород. В намывных осадках эффективные напряжения, обусловленные весом вышележащих грунтов, снижены действием избыточного порового давления, рассеивание которого происходит медленно. Поэтому после завершения эксплуатации гидроотвалов слагающие их намывные массивы представлены в основном слабо уплотненными осадками текучей и мягкопластичной консистенции, лишь нижние горизонты техногенных массивов сложены тугопластичными отложениями, прочностные параметры которых тесно увязаны с их составом и физическим состоянием (табл. 1).

После завершения эксплуатации гидроотвалы используются, как правило, в качестве оснований отвалов вскрышных пород. Отмеченные специфические особенности намывных массивов предопределяют широкое развитие геодинамических процессов при отсыпке на них отвалов – оползней и оседаний отвалов с выдавливанием намывных пород, которые могут представлять большую опасность в случае расположения гидроотвалов непосредственно на бортах открытых горных выработок.

Подобная аварийная ситуация произошла на гидроотвале «Бахтыхтинский», расположенном на борту разреза «Краснобродский». В 2005 году при ведении отвальных работ на площади намывного пляжа вблизи дамбы гидроотвала произошла внезапная оползневая деформация с захватом отсыпаемого яруса и намывного массива общим объемом порядка 500 тыс. м³. Протяженность оползня по фронту составила 200 м. Часть сползшей массы переместилась по борту разреза в дно горной выработки (Приложение 1).

Таким образом, инженерно-геологический анализ компонентов ПТС «борт карьера + гидроотвал + отвал «сухих» пород» показал, что наиболее низкими параметрами механических свойств характеризуются намывные отложения гидроотвалов (табл. 1), что обусловливает повышенные требования к качеству инженерно-геологических оценок и прогнозу устойчивости намывных массивов на всех этапах функционирования сложных ПТС.

Таблица 1

Физико-механические свойства элементов сложной природно-технической системы «борт + гидроотвал + отвал «сухих» пород»

Гидроотвал №3 филиала «Кедровский угольный разрез» эксплуатировался с 1958 по 1990 годы и на момент завершения намыва представлял собой сооружение овражно-балочного типа площадью 292 га. Емкость гидроотвала 47,8 млн. м³ обеспечивалась дамбой первичного обвалования и восьмью дамбами наращивания общей высотой 53 м. Намыв производился в основном от дамб, что предопределило формирование неоднородного массива с закономерной изменчивостью состава, состояния и свойств пород по мере удаления от фронта намыва. По неблагоприятному стечению обстоятельств запасы угля оказались законсервированными преимущественно в пределах распространения наиболее прочных песчано-супесчаных и суглинистых пород, удаление которых оставляет без подпора слабые обводненные глинистые осадки.

Решение по частичному удалению гидроотвала потребовало обоснования двух вопросов: 1) технологии удаления части гидроотвала, перекрывающей продуктивный пласт угля; 2) конструкции и технологии формирования дамбы, разделяющей гидроотвал на участки - подлежащий и не подлежащий удалению (Приложение 2).

Для удаления части намывного массива до границы проектируемой открытой выработки рекомендовано использование гидромеханизационного смыва. Параметры гидровскрышных уступов обоснованы расчетами устойчивости, которые представлены в работе. Рекомендованная высота уступов в суглинистой и песчано-супесчаной зонах составляет 15 м, а в глинистой - 5-7 м.

Решение второго вопроса представляет собой сложную инженерную задачу. Формирование разделительной дамбы по способу выемки пород драглайнами с последующей засыпкой сформированной емкости прочными насыпными массами не представляется возможным ввиду необеспеченности устойчивости откосов выемки в текучих намывных отложениях. Для таких условий целесообразно использовать способ переформирования гидроотвала, включающий отсыпку разделительной насыпи в режиме выдавливания намывных отложений и замещения их насыпными техногенными породами с высоким углом внутреннего трения 30⁰ (вскрышными полускальными породами).

Механизм выдавливания «слабых» пород из-под насыпей изучался при формировании отвалов «сухой» вскрыши на гидроотвалах Кузбасса. Натурными наблюдениями и бурением было установлено, что глубина внедрения насыпей в намывной массив составляет (0,50,6) Н при отсыпке на супесчаных и суглинистых осадках и (0,61,0) Н – на более слабых глинистых разновидностях (Н - высота отвала).

Учитывая эти закономерности, при проектировании горных работ на гидроотвале №3 Кедровского угольного разреза формирование разделительной насыпи было рекомендовано выполнять отсыпкой пионерной насыпи высотой 40 м с выдавливанием большей части намывной толщи (приложение 3). Однако по факту насыпь была сформирована при высоте 10-13 м, а глубина замещения не превысила 11 м. Разделительная насыпь не выполнила возложенных на нее функций по обеспечению упора для остающейся части гидроотвала, что потребовало проведения дополнительных исследований с целью разработки новых технических решений.

По результатам исследований обоснована новая устойчивая конструкция разделительной дамбы и технология ее формирования. Отсыпку разделительной дамбы рекомендовано выполнять двумя ярусами общей высотой 45 м с результирующим углом заложения 14⁰ в режиме обеспечения устойчивости трехъярусной системы, обращенной в сторону удаляемой части намывного массива, и при развитии оползневых деформаций с внедрением насыпных отложений в намывную толщу на противоположной стороне насыпи (Приложение 3). Из-за развития оползневой ситуации второй ярус отсыпался при меньшей высоте, что потребовало корректировки конструкции ограждающей дамбы.

Инженерно-геологические исследования на гидроотвале проводились на различных этапах его переформирования: по завершении эксплуатации и проектировании ликвидационных работ (1989-1994 гг.), в период гидромеханизационного удаления намывного массива (2004, 2007 г.), при формировании разделительной дамбы (2009-2010 г). В общем случае исследования включали бурение скважин с отбором монолитов, установку в пробуренные скважины датчиков порового давления, комплекс лабораторных определений физико-механических показателей, геофизические и маркшейдерские измерения, расчеты устойчивости откосов и порового давления в намывном массиве.

По результатам исследований 1989 г. установлено, что на завершающей стадии эксплуатации намывной массив представлял собой характерную для всех гидроотвалов Кузбасса неоднородную толщу с закономерной изменчивостью инженерно-геологических условий в плане и по глубине. Проведено районирование с выделением зон песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых отложений. Первая и вторая зоны разделены по глубине на 4 подзоны (от текучих до полутвердых осадков), а в глинистой зоне, наименее уплотненной, выделены только две подзоны - текучих и мягкопластичных осадков (Приложение 2).

Исследования 2004 года показали, что в большей части намывного массива сохраняется избыточное поровое давление с максимумом 0,15 МПа в центре сорокаметровой толщи глинистой зоны. За 20 лет избыточное поровое давление уменьшилось и, судя по скорости его рассеивания (2,5·10^-3 МПа в год), можно говорить о развитии процесса фильтрационной консолидации по одномерной схеме, что характерно для гидроотвалов на стадии отдыха.

Исследования 2007 г., проводившиеся ВНИМИ в период интенсивного смыва отложений суглинистой зоны, показали, что в намывном массиве между разделительной насыпью и гидромониторными забоями сформировалась новая специфическая зональность. По характеру развития процессов консолидации выделены зоны влияния гидромеханизации и отсыпки отвалов, а также буферная зона.

В зоне отсыпки отвалов и буферной зоне степень уплотнения осадков не превышает 0,4-0,63; намывная толща в большей части разреза представлена текучими, текучепластичными и мягкопластичными осадками с относительно низкими значениями прочностных показателей: углом внутреннего трения 13⁰ и сцеплением 0,01-0,015 МПа. В зоне влияния гидромеханизации породы уплотнились до состояния мягко- и тугопластичной консистенции, имеют степень уплотнения 0,7-1,0 и относительно высокие показатели прочности: угол внутреннего трения 16-17⁰ и сцепление 0,02-0,025 МПа.

Различие по степени уплотнения и свойствам намывных отложений объясняются влиянием частичной отработки гидроотвала. Так, при выполнении гидромеханизационных работ формируется новый техногенный рельеф в пределах остающейся части массива с уклоном до 5⁰ в сторону гидромониторной выработки. Деформации ползучести, развивающиеся в верхней части намывного массива под воздействием касательных напряжений, препятствуют рассеиванию здесь избыточного порового давления. При сокращении расстояния от гидромеханизационного забоя до наблюдательной скважины интенсивность рассеивания порового давления в намывных отложениях возрастает до 1,7·10^-2 МПа в год, что говорит об усилении фильтрации в горизонтальном направлении.

Исследования 2008-10 гг. проводились в процессе формирования новой ограждающей дамбы по станции гидрогеомеханического контроля, включая этап развития оползневой деформации (Приложение 4).

Проводились комплексные наблюдения за поровым давлением в намывном массиве и деформациями формируемой насыпи. Наблюдения показали, что нагружение намывного массива насыпными отложениями сопровождается возрастанием порового давления как под контуром нагружения, так и за его пределами – в зоне влияния отсыпки (ЗВО). Ширина ЗВО соизмерима с шириной отсыпаемой насыпи, а по глубине – охватывает намывной массив на полную мощность и распространяется в глинистых отложениях естественного основания (Приложение 4).

Установлена закономерная связь между скоростью нарастания порового давления в намывном массиве и интенсивностью развития деформаций откосов отсыпаемой насыпи. На рис.10 (Приложение 4) приведены графики избыточного порового давления и смещений поверхности по одному из реперов при развитии оползня, из которых видно, что по мере отсыпки насыпи подъем порового давления в намывном основании происходит до определенного уровня, после чего начинают нарастать скорости смещения, вплоть до возникновения разрушающей деформации. Обратными расчетами по произошедшему оползню с учетом установленной гидрогеомеханической ситуации получены следующие параметры сопротивления сдвигу намывных отложений: сцепление 0,015 МПа и угол внутреннего трения 0°.
3. Для контроля безопасности горных работ при отработке гидроотвала необходимо проводить инженерно-геологический мониторинг, включающий комплексные наблюдения за поровым давлением в нагружаемой и разгружаемой частях намывного массива, деформациями поверхности формируемого вторичного техногенного рельефа с помощью маркшейдерских методов и определения прочности пород в приборах трехосного нагружения с регулируемым и контролируемым поровым давлением.

Система инженерно-геологического обеспечения безопасности вскрышных и отвальных работ при частичной отработке гидроотвалов и переформировании ПТС (СИГО) включает комплекс работ и исследований по изучению, обоснованию, управлению и контролю состояния пород техногенных массивов, выполняемых в течение всего срока переформирования ПТС с целью обеспечения безопасности и экономической эффективности горных работ. СИГО позволяет выполнить разработку и осуществление мероприятий по повышению уровня надежности и безопасности сооружения, характеризуется цикличностью и определенной последовательностью в выполнении указанных видов работ, обусловливая поэтапное переформирование гидроотвала и ПТС, включающее его.

На этапах проведения инженерных изысканий выполняются стандартные и специальные инженерно-геологические, гидрогеологические и маркшейдерско-геодезические работы. Полученные результаты в дальнейшем используются для проектирования горных работ по частичной отработке гидроотвала и переформировании ПТС. При этом разрабатываются гидрогеомеханические модели для выполнения оценок и прогнозов напряженно-деформированного состояния массивов и устойчивости откосов.

Этап выполнения собственно ликвидационных работ и переформирования гидроотвала СИГО включает работы в рамках инженерно-геологического мониторинга безопасности (ИГМБ), целью которого является обеспечение контроля состояния гидроотвала, предупреждения возникновения аварийных ситуаций и создание безопасных условий его ликвидации.

Основными задачами ИГМБ являются:

1) контроль устойчивости откосов:

- гидроотвала до завершения ликвидационных работ;

- части гидроотвала, не подлежащей отработке;

- возводимых отвальных насыпей;

- намывного массива при ведении вскрышных работ;

2) контроль деформаций гидромониторных уступов

3)контроль технологических процессов гидромеханизации и отвалообразования.

Цели и задачи ИГМБ решаются с помощью системы постоянных наблюдений, обеспечивающих получение качественной и достоверной информации в необходимых объемах. Измерения и наблюдения выполняются с использованием методов и средств гидрогеомеханического, маркшейдерского, инженерно-геологического и технологического мониторинга (контроля).

Основными функциями системы ИГМБ являются:

- наблюдения за поровым давлением в намывном массиве и естественном основании;

- измерение деформаций поверхности;

- периодические определения физико-механических свойств пород отвалов, гидроотвалов и естественного основания;

- учет объемов и динамики вскрышных работ по частичному удалению гидроотвала и формирования отвальных насыпей.

Организация и функционирование гидрогеомеханического мониторинга предполагает выполнение работ, предусматривающих либо создание постоянно-действующих гидрогеомеханических станций, либо выполнение работ с определенной периодичностью. В первом варианте в определенной части сооружения производится бурение скважин с отбором монолитов, натурные скважинные оборудования и закладка специальной аппаратуры - датчиков порового давления. Во втором - через определенные интервалы времени, выбранные и обоснованные специальной программой, выполняются инженерно-геологические исследования по изучению состава, состояния и свойств породных массивов. Обычно стационарные гидрогеомеханические станции оборудуются на внешних откосах сооружений и в намывных массивах, конфигурация которых длительное время не меняется. Периодически исследования сопровождают гидромониторный смыв на определенных участках гидроотвала и отвальные работы на участках с изменяющимися горными условиями (отсыпка разделительных насыпей, формирование отдельной заходки, увеличение высоты отвала и т.д.).

Деформационный (маркшейдерский) мониторинг безопасности включает:

- контроль соответствия параметров намывного сооружения и горных выработок при удалении намывного массива проекту: высоты и угла откосов гидровскрышных уступов, угла поверхности гидроотвала, высоты отвальных насыпей на гидроотвале, количества ярусов и ширины межъярусных берм;

- наблюдения за смещением поверхности и откосов гидроотвалов и отвалов;

- геометризацию нарушений устойчивости откосов сооружения.

Для контроля соответствия параметров конструктивных элементов отвалов проектным значениям и съемки с целью геометризации разрушающих деформаций для обратных оползневых расчетов производят маркшейдерскую съемку в масштабах 1:2000, 1:5000 методами тахеометрии, аэрофотограмметрии и наземной стереофотограмметрии. Для оценки вертикальных и горизонтальных смещений ограждающей дамбы и внутренних зон намывных массивов, отвалов выполняют высокоточные длительные маркшейдерские наблюдения на пунктах специально оборудованных наблюдательных станций.

Периодическое изучение прочностных свойств намывных пород должно осуществляться с применением современных лабораторных инженерно-геологических приборов. Обычно для этих целей в отечественной практике используются одноплоскостные сдвиговые приборы. Однако они не позволяют моделировать напряженное состояние нагружаемого и разгружаемого намывного массива с переменным поровым давлением. В наибольшей степени это требование обеспечивает метод трехосного сжатия (испытание в стабилометрах), который позволяет разрушить породы в объемном напряженном состоянии.

В лаборатории инженерно-геологического центра СПГГУ используется стабилометр Digital Tritest 50, который позволяет задавать при подготовке образца к испытаниям различные близкие к реальным намывным массивам комбинации внешних нагрузок и порового давления внутри образца, а также проводить сдвиговые испытания при деформациях близких к натурным. Так, при испытаниях намывных пород, извлеченных из буровой скважины на оползневом теле, создавалась по внешним и внутренним напряжениям адекватным замеренному датчиками порового давления, а срез производился при скоростях близких скоростям оползневых смещений на стадиях перехода из установившейся в прогрессирующую ползучесть. Это позволило получить значения углов внутреннего трения и сцепления, достаточно близко совпадающими с полученными по обратным расчетам оползня при отсыпке разделительной насыпи.

В состав мер по обеспечению безопасности и эксплуатационной надежности ликвидируемого гидроотвала и переформируемой ПТС должны входить разработки критериев оценки безопасной работы сооружения. Предельно допустимые значения критериев безопасности сооружения для каждого отдельного его этапа обосновываются соответствующим проектом и контролируются средствами мониторинга в течение всего срока существования объекта. В качестве критериев обеспечения безопасности вскрышных и отвальных работ предложены критерии первого и второго уровня по поровому давлению и деформациям насыпи при формировании новой устойчивой конструкции откоса.

Система инженерно-геологического мониторинга безопасности была организована при частичной отработке гидроотвала №3 в Кузбассе (Приложение 5). При наблюдениях за поровым давлением в намывном массиве и основании гидроотвала использовалась разработанная ООО НПФ «КАРБОН» система измерения, накопления и передачи информации на базовый компьютер по сотовой связи, которая позволяет с дискретностью от 6 сек и выше в интерактивном режиме проводить мониторинг порового давления.
Заключение

Основные научные и практические результаты исследований:

1. Выполнен анализ геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических и технологических условий ПТС в пределах «Основного поля» филиала «Кедровский угольный разрез», включающей борт карьера, гидроотвал и отвал «сухих» отложений. Установлено, что «слабым» звеном в системе является намывной массив гидроотвала, характеризующийся специфическими условиями формирования. Рассмотрены две другие ПТС на разрезах Кузбасса, на одной из которых (Новосергеевское поле филиала «Краснобродский угольный разрез») произошла деформация отвала на гидроотвале «Бахтыхтинский», сопровождающаяся выдавливанием отложений намывного массива на борт и дно горной выработки.

2. Определяющими факторами формирования намывных отложений в гидроотвале являются фракционирование и гравитационное уплотнение. Это создает неоднородный намывной массив с образованием в плане зон песчано-супесчаных, суглинистых, глинистых отложений, в пределах которых в разрезе выделяются осадки текучей, мягкопластичной и реже тугопластичной консистенции. Гравитационное уплотнение намывных отложений во времени связано с рассеиванием избыточного порового давления.

3. Инженерно-геологическое обоснование частичного удаления гидроотвала включает решение двух основных вопросов: 1) технологии удаления части гидроотвала, перекрывающей продуктивный пласт угля; 2) конструкции и технологии формирования дамбы, разделяющей гидроотвал на участки - подлежащий и не подлежащий удалению.

4. При частичном удалении гидроотвала в намывном массиве между разделительной насыпью и гидромониторными забоями формируется новая инженерно-геологическая зональность. По характеру развития процессов консолидации выделены: зона влияния гидромеханизации, буферная зона и зона влияния отсыпки отвалов.

5. Решение вопроса создания новой устойчивой конструкции откоса обосновано осуществлять, используя установленный при отсыпке отвалов механизм выдавливания пород из-под насыпи с замещением выдавленных масс наиболее прочными породами сухих отвалов. В Кузбассе натурными наблюдениями установлены глубины внедрения отвальных насыпей в намывные массивы от (0,50,6) Н при отсыпке на су­песчаных и суглинистых отложениях до (0,61,0) Н – на более слабых глинистых разновидностях (Н - высота отвала).

6. Обоснована оптимальная конструкция разделительной насыпи, состоящая из трех ярусов, отсыпаемых в режиме обеспечения устойчивости трехъярусной системы, обращенной в сторону удаляемой части намывного массива, и при развитии оползневых деформаций с внедрением насыпных пород в намывную толщу на противоположной стороне насыпи. Обеспечение безопасности горных работ при формировании насыпи достигается выполнением контроля избыточного порового давления и деформаций поверхности отвальной насыпи.

7. Одним из основных видов работ при выполнении ликвидационных работ и переформировании гидроотвала является инженерно-геологический мониторинг безопасности, включающий: - наблюдения за поровым давлением в намывном массиве и естественном основании; - измерения деформаций поверхности; - периодические определения физико-механических свойств отложений отсыпаемого массива, гидроотвала и естественного основания; - учет объемов и динамики вскрышных работ по частичному удалению гидроотвала и формирования отвальных насыпей.

8. Результаты исследований рекомендованы для использования при выполнении мониторинга безопасности на гидроотвале №3 филиала ОАО «УК» Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез», из-под которого производится извлечение законсервированных запасов угля. Экономический эффект от данного технического решения получается за счет ежегодной добычи около 2 млн. тонн угля марки СС.

2. Кузнецова И.В. Инженерно-геологическая характеристика неоген-четвертичных отложений угольных месторождений Кузбасса, разрабатываемых открытым способом // Записки Горного института «Проблемы рационального природопользования». СПб, 2011. Т. 189. С. 46-49.

3. Кузнецова И.В. Инженерно-геологическое обоснование переформирования намывного массива при частичном удалении гидроотвала / И.В. Кузнецова, В.П. Жариков // Записки Горного института «Проблемы рационального природопользования». СПб, 2011. Т. 189. С. 50-53.
В других изданиях:
4. Кузнецова И.В. Инженерно-геологическая характеристика неоген-четвертичных отложений Кузбасса для обоснования параметров горнотехнических сооружений // Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (23-24 марта 2010 г.), М.: РУДН , 2010. Выпуск 12. С. 264-267.

5. Кузнецова И.В. Инженерно-геологическое обеспечение безопасности горных работ при частичной ликвидации гидроотвалов // Материалы I всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире», Пермь: Изд-во ПГУ, 2010. Том 2. С. 13-15.

6. Kuznetsova I.V. Engineering-geological monitoring at the formation, use and re-formation of wave-built technogenic solid masses / I.V. Kuznetsova, S.V. Praktica // Scientific Reports on Resource Issues 2010. Volume 3. Innovations in Mineral Industry – Geology, Mining, Metallurgy and Management. - Technische Universität Bergakademie Freiberg, 2010. – Р.224 – 226.