автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Формирование дренажных элементов гидроотвалов разрезов Кузбасса для повышения их вместимости и устойчивости

Государственный комитет Российской Федерации по высшему

образованию

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ДЕМЧЕНКО Александр Васильевич

УДК 622.271.46 : 622.271.6 : 622.882

ФОРМИРОВАНИЕ ДРЕНАЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРООТВАЛОВ РАЗРЕЗОВ КУЗБАССА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ВМЕСТИМОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ

Специальность 05.15.03 - «Открытая разработка месторождений полезных ископаемых»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Научный консультант

Москва 1999

д. т.н., проф.Гальперин А.М. к. т.н., доц.Кириченко Ю.В.

-г-

Огдавление

Стр.

ЯРРТГРНИР ¿-

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ОПЫТА ФОРМИРОВАНИЯ ДРЕНАЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРООТВАЛОВ |1. Намывные объекты горнорудной

промышленности........................... 12

#2. Гидроотвалы разрезов Кузбасса

(современное состояние гидроотвало-образования в угольной промышленности)... 22 #3. Постановка задач и обоснование выбора

направлений исследований................. 38

ГЛАВА II. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НАМЫВНЫХ ДРЕНАЖНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ НА УШБТНЯЕМООТЪ И НЕСУЩУЮ ОШООБНОСТЬ МАССИВОВ ГИДРООТВАЛОВ #1. Разработка расчетных схем и

расчетных показателей.................... 43

#2. Геомеханическая оценка состояния намывных грунтов гидроотвалов во

#3. Установление инженерно-геологической

зональности намывных территорий..........60

- о -

ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

ПО ФОРМИРОВАНИЮ ДРЕНАЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ #1. Установление допустимых темпов возведения и параметров намывных

дренажных элементов...................... 69

§2. Технология возведения дренажных элементов в массивах действующих

и заполненных элементов..................78

§3. Технологические решения рационального использования намывных территорий проектируемых гидроотвалов...............96

ГЛАВА IY. ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ #1. Выбор рациональных методов и средств контроля состояния намывных массивов

гидроотвалов.............................103

#2. Рекомендации по оперативному контролю ответственных намывных объектов разрезов Кузбасса........................109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................117

ЛИТЕРАТУРА..........................................119

ПРИЛОЖЕНИЕ I ......................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ II ......................................145

ВВЕДЕНИЕ

Освоение месторождений полезных ископаемых вызывает экологическую напряженность, которая в развитых горно-промышленных региона}-: оказывает существенное влияние на их экономическое и социальное развитие. Изъятие земель и преобразование водного баланса, изменение ландшафта и экосистем зачастую наносит природе вред, имеющий необратимый характер.

На настоящем этапе техногенной эволюции конечной целью должно являться не извлечение и использование полезных ископаемых, а воссоздание в горно-добывающем районе окружающей среды если не в первоначальном виде, то хотя бы в качестве объекта, имеющего ценность в хозяйственном и экологическом отношении. Нерациональное наращивание объемов добычи и переработки полезных ископаемых, складирования отходов горного производства и вскрышных пород наносит вред здоровью людей, сельскому хозяйству, окружающей природной среде. Только за период 1976-1990 гг. площадь земель России, нарушенных при добыче полезных ископаемых, прокладке магистральных трубопроводов, проведении геологоразведочных и других работ, составила 1,57 млн.га, из них в период 1986-1990 гг. 0,56 млн.га Е1].

По состоянию на 01.1997 г. в Российской Федерации горными работами только в угольной промышленности нарушено 107,3 тыс.га земли, из них в Кузбассе 52,6 тыс.га, из которых рекультивировано только 486 га . С учетом того, что открытым способом добывается более 62,6% угля, основным видом нарушения земель является их отчуждение под разрезы, отвалы, гидроотвалы и шламохранилища. Ежегодно по стране в намывные горнотехнические сооружения укладывается более 200 млн.м0* вскрышных пород и отходов обогащения по-

лезных ископаемых, под гидроотвалы и хвоотохранилища используется более 50% земельного отвода [8-53.

Проблемы снижения вредного влияния горнотехнических объектов на окружающую среду требуют разработки новых решений по восстановлению земель, вторичному их использованию, снижению землеем-кости техногенных массивов.

Вопросом рационального освоения недр посвящены труды Н.В.Мельникова, В.В.Ржевского, К.Н.Трубецкого, Л.А. Пучкова , В.й.Осипова, П.И.Томакова, М.Е.Певзнера, В.Д.Горлова, И.И.Русского, В.С.Коваленко, В.С.Хохрякова, А.Ю.Дриженко и др. £6-31,38,69,70].

В условиях дефицита, земельных ресурсов возросли требования к природоохранным мероприятиям при возведении и эксплуатации техногенных массивов, ускоренной рекультивации земель и восстановлению нарушенных ландшафтов при открытых разработках месторождений полезных ископаемых, в частности, при гидроотвалообразоЕании.

Вопросом технологии формирования гидроотвалоЕ, рациональному использованшэ намывных территорий посвящены исследования Г.А.Нурока, А.М.Гальперина, А.Г.Лутовинова, Ю.Н.Дьячкова, Н.Н,.Медникова, С.М.Марченко, ЗотееваВ.Г., В.М.Павленко, Ю.В.Кириченко, Е.А.Кононенко и др. £32-65;1;16;17;23;24;283.

Разработке геомеханических основ гидроотвалообразования, прогнозу состояния намывных массивов во времени и ускоренной их рекультивации посвящены работы А.М.Гальперина, Г.Л.Фиоенко, М.Е.Певзнера, Ю.Н.Машошицкого, В.И.Стрельцова, Ю.И.Кутепова, О.Ю.Крячко и др.£66-91;1:36;38-40;54]. Приоритет в разработке и обосновании природоохранных гидромеханизированных технологий с учетом технологических, геомеханических и экологических факторов принадлежит научной школе Московского государственного горного университета. Однако вопросы повышения емкости и ускоренной рекультивации гидроотвалов за счет формирования дренажных элементов

из отходов углеобогащении на КНС и геомеханического обоснования конструкции, пространственного положения и темпов возведения дренажных призм применительно к разрезам Кузбасса требует дальнейшей проработки,

Гидроотвалы, по сравнению с другими видами техногенных отвальных массивов, обладают специфическими особенностями, в первую очередь среди которых необходимо выделить: высокую водонасыщен-ность намывных грунтов, слабую водоотдачу, низкую несущую способность, что делает их территории недоступными в течение десятилетий для любых видов рекультивационной техники. Во внутренних зонах гидроотвалов формируются мощные (до 50-60 м) толщи тонкодисперсных пород в неуплотненном состоянии, что влечет за собой их очень высокую землеемкость (плотность укладки намывных пород на разрезах Кузбасса 115 Tbic,Md/ra). Намывные техногенные массивы оказывают значительное влияние на водный баланс прилегающих районов, служат потенциальным источником загрязнения водной и воздушной среды» представляют опасность для экосистемы региона в случае прорыва дамб водонасыщенными неуплотненными грунтами^,39,40,49,92,94] .

В то же время на намывных объектах КМА накоплен значительный опыт форсирования консолидации и ускоренной рекультивации намывных массивов путем совместной укладки слабоводопроницаемых глинистых грунтов и фильтрующих полускальных пород и песков ГЯЯ 34 ЯД ЛЛ QP.1

Научные исследования, посвященные проблемам формирования гидроотвалов и хвостохранилищ, повышению эффективности гидроотвальных работ и уровню их природоохранное™, позволяют разработать комплекс мероприятий по ускоренному восстановлению намывных территорий не только действующих гидроотвалов, но и предложить методику установления оптимальных параметров техногенных массивов

с учетом направлений их дальнейшего использования.

Поэтому работы, посвященные формированию дренажных элементов в массивах гидроотвалов разрезов Кузбасса для повышения их вместимости, устойчивости и ускоренного восстановления являются актуальными.

Цель работы заключается в повышении вместимости и экологической безопасности гидроотвалов на основе разработки конструкции, пространственного положения, темпов возведения, количества дренажных элементов и оценки степени их влияния на намывной массив.

Идея работы состоит в оценке состояния гидроотвалов как слабых оснований на всех этапах их формирования для разработки мероприятий по целенаправленному воздействию на намывной массив путем создания системы дренажных элементов с одновременным обоснованием выбора материала дренажных элементов и способов их формирования в зависимости от вида и состояния намывного массива. Структура диссертации определяется следующим кругом задач, решаемых для достижения поставленной цели:

1) Обоснование выбора направлений исследований на основании опыта возведения дренажных элементов во внутренних зонах гидроотвалов.

2) Оценка во времени состояния массивов гидроотвалов как слабых оснований через их уплотняемость, несущую способность и осадки техногенных грунтов.

3) Инженерно-геологическое и геомеханическое обоснование технологических решений по формированию дренажных элементов.

4) Разработка системы геомеханического контроля за состоянием гидроотвалов с целью оперативного воздействия на намывной массив в зависимости от направления их дальнейшего использования.

Объектами исследований являются проектируемые, действующие,

заполненные и "отдыхающие" гидроотвалы разрезов Кузбасса и аналогичные намывные объекты горнорудной промышленности КМА и Кривбас-

са.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

- обоснованы принципы целенаправленного воздействия на намывные массивы, основанные на активизации рассеивания порового давления в слабых водонасыщенных грунтах;

- проведено специальное инженерно-геологическое районирование гидроотвалов, за основу которого выбрано направление дальнейшего использования намывных территорий;

- обоснована необходимость планирования мероприятий по ускоренному восстановлению намывных территорий на первоначальной стадии формирования техногенных массивов.

Основные научные положения

1. Для форсирования консолидации намывных масс внутренних зон гидроотвалов необходимо на заключительной стадии их формирования предусматривать возведение в них системы гидравлически взаимосвязанных дренажных элементов» что обеспечивает повышение вместимости гидроотвалов и ускоренное последующее использование намывных территорий.

2. Конструкция, пространственное положение и темпы возведения дренажных элементов следует определять на основе специального инженерно-геологического районирования, выполненного по данным оперативного геомеханического контроля как откосных сооружений,

3. На гидроотвалах разреов Кузбасса дренажные элементы в приоткосных зонах целесообразно формировать из полускальных пород вскрыши (линзы), а во внутренних зонах - из намывных отходов углеобогащения (призмы, линзы, подушки). так и внутренних зон гидроотвалов .

-94, Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается:

- теоретическим анализом процессов изменения во времени состояния намывных массивов с позиций их уплотненности и несущей способностиI

- данными инструментальных наблюдений осадок намывных массивов и комбинированного зондирования гидроотвалов, объем которых обеспечивает достаточную степень надежности полученных результатов :

- хорошей сходимостью расчетных и фактических данных о величине осадок техногенных массивов ( расхождение до 10%);

- результатами выполненных работ по ускорению консолидации намывных массивов на гидроотвалах разрезов Кузбасса.

Научное значение диссертационной работы определяется;

- установлением пространственно-временного изменения уплотнения и несущей способности намывных массивов для обоснования вида, количества и пространственного положения дренажных элементов;

- установлением зависимости несущей способности и продолжительности периода "отдыха" намывного массива от темпов его возведения, мощности грунтов и степени воздействия дренажных элементов;

- установлением пространственного положения и скорости формирования намывных дренажных элементов в зависимости от ряда технологических факторов и зональности гидроотвала;

Практическое значение работы заключается в следующем:

- прогноз состояния намывных массивов тонкодисперсных грунтов по данным специального инженерно-геологического районирования позволяет выбирать рациональный и безопасный порядок формирования гидроотвалов, исходя из направления их дальнейшего использования;

-w- определены параметры, конструкция и пространственное положение дренажных элементов из отходов углеобогащения и дана оценка возможности их использования для форсирования консолидации конкретных намывных объектов Кузбасса;

- разработаны технологические решения по повышению емкости и ускоренной консолидации проектируемого гидроотвала, разреза "Таллинский";

- предложенная схема геомеханического контроля с применением IBM PC/AT позволяет осуществлять оперативное управление процессами гидроотвалообразования.

Реализация выводов и рекомендаций работы, Разработанная методика реализована при производстве гидромеханизированных работ на гидроотвалах "Еековский" разреза "Вачатский" и "Прямой Ускат" разреза "Новосергеевский", а также использована ПК "Гидромехпро-ект" при проектировании гидроотвала "Лог Еланный Нарык" разреза "Таллинский" концерна "Кузбассразреэуголь".

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались в АО "Кузбассразрезуголь", АО "Сибгипрошахт-i", АО "Кузбаоогипрошахт", АО разрезы "Бачатский" и "Таллинский".

Лабораторные эксперименты выполнялись в институте ВИОГЕМ и Московском государственном горном университете. Натурные исследования выполнялись на гидроотвалах "Еековский" и "Прямой Уокат", а также использовались материалы, полученные при зондировании комбинированным зондом МГИ-МГГУ ряда гидроотвалов разрезов Кузбасса кафедрой геологии МГГУ в семидесятых-восьмидесятых годах и материалы натурных экспериментов, предоставленные зав.лабораторией ВНИМИ канд.геол.-минер,наук Кутеповым Ю.И,

Автор выражает глубокую признательность за помощь-, оказанную в процессе исследований и постоянное внимание к работе проф.,д.т.н. Гальперину A.M., доц.,к.т.н,Кириченко Ю,В.,

- -и -

к.г.-м.н.Кутепову Ю.И. и коллективам кафедр открытых горных работ и геологии МТУ*

Автор также выражает признательность за помощ> в организации экспериментальных исследований и оборе фактического материала работникам концерна "Кузбассразрезуголь": Кузнецову В.И., Вируле А.Л., Приезжеву Н.Е., Ковашко С.К.,Ермошкину В,В.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ОПЫТА ФОРМИРОВАНИЯ ДРЕНАЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГМДРООТВАЛОВ

#1, Намывные объекты горнорудной промышленности

Гидромеханизированные технологии применяются при разработке вскрышных пород, выемке угля в шахтах, добыче песчано-гравийной массы и складировании гидровскрыши, при удалении отходов обогащения полезных ископаемых и золошлаков теплоэлектростанций, работающих на твердом топливе[6,25,32,36,61].

Гидромеханизированная выемка горных пород обеспечивает более рациональное использование водных ресурсов при освоении обводненных месторождений за счет уменьшения объема дренажных работ, использования дренажных вод для нужд гидромеханизации (питание гидромониторов, создание акваторий для землесосных снарядов, отказ от искусственного обводнения отрабатываемых уступов и т.п.) и ряда других факторов. В этих случаях выоачивание подземных вод в откосах уступов, отрабатываемых средствами гидромеханизации, благоприятствуют эксплуатации оборудования, а единственной задачей дренажа является предупреждение деформаций вышележащих нерабочих или отрабатываемых другими видами техники уступов С32,35,36,39,47,48,701.

для бассейнов, где во вскрышной толще широко представлены песчано-глинистые породы, перспективы использования гидромеханизации, как прогрессивной технологии ведения вскрышных работ, неразрывно связаны с совершенствованием гидроотвалообразования.

В то же время намывные горнотехнические сооружения (гидроотвалы и хвостохранилища) являются наиболее опасными в экологическом отношении, так как с их формированием связаны изъятие значи-

тельных земельных площадей (более 4 га/млн,м3 укладываемого материала) , загрязнение воздушного и водного бассейнов. Потеря устойчивости ограждающих дамб может привести к затоплению прилегающих территорий и, соответственно, заилению глинистыми и токсичными пульпами плодородных земель, дополнительному (по отношению к обусловленному фильтрационными потерями) загрязнению поверхностных и подземных вод, что представляет опасность для жизнедеятельности человека[16,39,40,49,92,94].

Наиболее ценный опыт возведения и рекультивации намывных техногенных массивов накоплен на предприятиях горнорудной промышленности (КМА, Кривбасс, Армения, Казахстан, Урал и т.д.), где открытыми горными работами и техногенн�