автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.15, диссертация на тему:Инженерно-геологическое и геоморфологическое обоснование техногенного рельефа намывных территорий гидроотвалов

На правах рукописи

ЩЕРБАКОВА Елена Павловна

УДК 622.270:624.13

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ И ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОГО РЕЛЬЕФА НАМЫВНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ГИДРООТВАЛОВ

Специальность 05.15.15 — «Рудничная геология»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный руководитель докт. техн. паук, проф. ГАЛЬПЕРИН А. М.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. СТРЕЛЬЦОВ В. И., канд. геол.-минер, наук К.УТЕПОВ 10. И.

Ведущее предприятие — Государственный институт горнохимического сырья.

Защита диссертации состоится » июня 1997 г.

в . час. на заседании специализированного совета Д-053.12.06 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, ГСП-1, Москва, В-49, Ленинский проспект, д. 6, МГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « . . 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. техн. наук, проф. БАК.ЛАШОВ И. В.

■Актуальность работы. - Фуккцлонлрсв=к;:е ггрксдсбывах^его исмплекгз •ларупз'гт рагксвеслэ б природ*, ¿сводя его критического состояния, за которым следуют несбрзяай» процесс.

Негативная сторона деятельности горнодобывающих комплексов заключается'з существенных изменениях природных ландщафтоз, в нарушении гидрологического режима местности, в загрязнении атмосферы газами л пылью, отравлении веды, {лоры л фауны. Волыхл урон несет сельское хозяйство, ::э оборота которого отторгаются значительные площади, и снижается продуктивность соседних земель. Нзи-Ссльсую остроту приобретает проблема восстановления технегенно нарушенных горными работами земель. Более ЕС" нарушенных земель находится на территории езр лекской части Рот::::; з района:', с нал-лучгкмл условиями земледелия. Наиболее распространенный вид нарушения при открытом способе добычи - создание отвал ж площадей, среди них особое место занимаю? намывные территории. Ежегодно по стране б намывные горнотехнические сооружения укладывается около 0,2 млрд. куб. м< вскршгных перед и отходов обогащения полезных ископаемых. На горнообогзтительных предприятиях черной металлургии эксплуатируется свыше 35 крупных хзостсхранилищ, содержаще: около 2,5 млрд.куб.м хвостов л 1 млрд.куб.м воды, при этом ежегодно складируется Солее 100 млн.т хвостов.

Нз угольных разрезах Кузбасса, железорудных карьерах КМА к Крлзба"з внешние отвалы, лвостохранилпсз и зодохранил:т,а занимают соответственно 42, 57, и 507, площади земельной отвода.

Геологическое, рельефообразукзщее V! биосферные изменения, вызванные формированием крупных наг.квкых отвальных мзссивов, зачастую перекрызаст и изменяют естественные природные процессы, происходящие в геомсрфосистеме региона, где ведутся горнодобывающие работы.

Недостаточный учет инженерно-геологических к геоморфологических факторов при форм;грованпи таких намывных массивов может вызвать серьезные нарушения природных экос..~тем.

В этих услоггах возникает необходимость разработки методически: основ формирования техногенного рельефа с целью его дальнейшей ассимиляции природными ландиафтными структурами, с учетом динауики уплотнения намывных слоев.

Целью работы яеляэтся разработка методических положений для обоснования техногенного рельефа намывных территорий, эколог;,-чески адекватного естественному и ассимилированного окружающим ланд-'

- г -

шафтом, с учетом региональной .ецифики.

Дцея работы состоит в рассмотрении намывного массива как части геоморфэсистемы региона, состояние которой с позиций рекультивации определяется уплотняемостью и несущей способностью намывных масс.

Структура диссертации определена следующим кругом задач, решаемых для достижения поставленнс' цели:

1. Обоснование оптимальных параметров восстанавливаемого техногенного рельефа как части геотехноморфосистемы, на основе анализа основных рэльефооСразухщих факторов.

2. Оценка во времени состояния массивов гг~роотвалов через их уплогняемость к несущую способность.

3. Инженерно-геологическое и геомеханическое обоснование режима рекультивации с учетом направлений дальнейшего использования. '

4. Оценка потенциального плодородия вскрышных пород, намыва- \ емых а отвал,, для дальнейшей биологической рекультивации как составной части экологически адекватной рекультивации.

ОБъектами исследований являются намывные отвальные массивы, формируемые в крупнейших горнопромышленных регионах - КМА и Кузбассе, характеризующихся преобладанием флмвизльных ландшафтных структур, с явно Еыраженкым гумидным климатом.

Чаучная новизна исследований заключается т следующем:

- обоснованы принципы экологически адекватной рекультивации, основанные на ассимиляции природными формами техногенных при комплексном учете характера геомеханических процессов и условий потенциальной плодородности слагающда массивы вскрытых пород;

- установлены рельефоформирующие факторы рекультивации ов-ражно-балочных гидроотвалов, а также требования к восстанавливаемому рельефу с учетом этих факторов;

- разработана методика выбора Форш и параметров рекультивируемого рельефа на территории намывных сооружений с учетом динамики уплотнения, с целью обеспечения естественного функционирования морфосистемы региона и устойчивости восстанавливаемого рельефа.

Основные научные положения:

1. Комплексное обоснование технологии формирования гидроот-валоз следует выполнять на основе совместного учета геоморфологических, -инженерно-геологических и геомеханических факторов с использованием данных, оперативного контроля состояния намывных сооружений.

2. Для регионов с гумидным климатом характер рельефа определен флювиальными процессами, поэтому в качестве основных параметров восстанавливаемых территорий следует-рассматривать нераз-мывающий уклон и форму поверхности.

3. Расчет оптимальных параметров восстанавливаемой территории должен производиться на основе эмпирических зависимостей, учитывающих степень задернованности, потенциальное I. .дородие и .цитологический состав пород, а также способ формирования техногенного рельефа.

4. Целесообрэвность создания дренажных элементов в намывных массивах тонкодисперсных грунтов определяется их вещественным составом. механическими свойствами, мощностью, темпом формирования и направлением последующего использования территорий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендация работы .дтверждаются теоретическим анализом процессов изменения во времени состояния намывных массивов с позиций их уплотняемости и несущей способности; хорошей сходимостью прогнозных остаточных осадок техногенных массивов и данных инструментальных наблюдений (расхождение до 102); результатами выполненных рекультивационных работ на наивных объектах горнодобывающих предприятий.

Научное значение диссертационной работы определяется - разработкой методики комплексного учетз геомеханических и геоморфологических факторов формирования техногенных намывных массивов,

- установлением 'зависимости продолжительности периода "отдыха" намывного массива от темпов его формирования,

- обоснованием критериев создания дренажных элементов во внутренних зон; . гидроотвалов с учетом инженерно-геологических и

технологических факторов.

Практическое значение работы.заключается в установлении возможности сокращения затрат на подготовку гидроотвалов к рекультивации за счет уточнения условий применения дренажных элементов и выбора оптимального режима рекультивационных работ при их возможном совмещении с укладкой гидровскрыши.

Реализация выводов и рекоменд работы. Разработанная методика реализована при производстве гидроотвальных работ А/0 "КМА-Гидромеханизация", а также использована П/К "Гидромехпроект" при проектировании рекультивационных работ на гидроотвале Моховского разреза п/о "Кузбассразрезуголь".

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-технической конференции "Экологические проблемы горного производства", (Москва, МГГУ,1993г); на симпозиуме "Современное горное дело: образование, наука, промышленность", (Москва, МГТУ,1996г.); , 4-м Международном Симпозиуме по освоению месторождений минеральных ресурсов,(г.Белгород ВИОГЕМ,1997г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 печатных работ.

Объэм работа. Диссертационная работа состоит из введения, четырех плав, заключения, приложения, ориска использованных источников из 104 наименований, изложена настраницах машинописного 1 зкста, содержит^5*рисунков,/2.таблиц.

Основное содержание работы

Формирование техногенных массивов отвалов (наиболее распространенного и нежелательного вида нарушений при открытом способе добычи полезных ископаемых) связано с изъятием значительных земельных ресурсов и негативным воздействием на окружающую среду. Поэтому основная проблема при этом - ликвидация их нежелательного воздействия на окружающий ландшафт. Проблема восстановления нарушенных земель и рационального землепользования требует разработки новых методов рекультивации земель. »

Решению этой проблемы ,.ри открытых горны/, работах посвявдш исследования многих ученых. Вопросы рационального разлития горних работ отражены в трудах Н.В.Мельникова, К.Н.Трубс-цкого, В.д.Горлова, П.И.Томак'ова, В. С. Коваленко, В.С.ХохрлкоЕа, Н. Н.Чаплыгина,

A.M.Михайлова, И.К. Русского, А.Ю.Дриженко и др.

Работы A.M.Гальперина, М.Е.Певзнера, В.Н.Попова, А.И.Ильина.

B.К.Стрельцова, О.Ю.Крячко, Ю.И.Кутепова и др. посвящены изучению закономерностей геомеханических процессов изменения состояния массивов горных пород отвалов и бортов карьеров.

В последние годы резко возросли требования к природопользованию как к системе мер, направленных на поддержал;:? определенного уровня взаимодействия между деятельностью человека и состоянием эксплуатируемых им природных ресурсов в конкретных районах.

В условиях дефицита земельных ресурсов под отвалы • серьезных экологических нарушений в горнодобывающих регионах дальнейшее развитие и совершенствование методов ускоренной рекультивации и восстановления нарушенные ландшафтов ь максимально короткий срок и ассимилированных с естественными является острейкей проблемой горного дела.

Вопросам рационального землепользования при отвалосбразовании и ускоренной рекультивации посвящены работы A.M.Г .■•¿перина, П.И.Томакоьа,' ¡0. Н.Дьячкова, В.М.Павленко, В.Д.Горлова, В.С.Коваленко, Е.А.Коконенко, Ю.И.Кутепова, ¡0.В.Кириченко, Л.В.Анзимирова и ДР., которые внесли существенный вклад в прзкт ку рекультивации и природопользования. Однако приведенный в настоящей работе анализ показателей рекультивации нарушенных земель и рекультивационной практики в ряде добывающих регионов свидетельствует о том, что вопросы продуктивного восстановления нарушенных земель не решены.

Возможности промышленных предприятий по повышению качества рекультивации реализуются не в полной мере из-за недостаточной изученности геомеханических процессов, разобщенности.технического и биологического этапов рекультивации, игнорирования вопросов динамической устойчивости геоморфосистем.

Вместе с тем современный уровень развития техники, технологии

- б -

и организации землевосстановите.. них. работ позволяет обеспечить самые ьысоккепогазатели качества рекультивации нарушенных земель.

Особое место среди отвальных территорий занимают намывные массивы - гидроотвалы и хвостохранилища.

Обеспечение процессов оптимального формирования и рекультивации намывных объектов, особенно в регионах, где гидромеханизация применяется наиболее широко, способствует становлению рационачьно-го землепользования и, следовательно, определяет эффективность ведения горних работ. Для достилени. этой цели необходимо решить следующие задачи: определить рациональные направления в восстановлении отработанных участков техногенных намывных отвалов; выявить основополагающие факторы, влияющие на формирование и дальнейшую рекультивация отвальных территорий, а также устан ^ить необходимые треболайня к восстанавливаемому рельефу с учетом факторов рельефо-ойразования; разработать методику установления оптимальных параметров намывных массивов с учетом значимых геоморфологических факторов и прогнозного состояния их уплотнения; составить рекомендации по созданию эффективных способов рекультивации, учитываооих по-тс-нцнаимюе плодородие и несущую способость намывных массивов.

Таким образом, в работе делается попытка методического осмысления к комплексного подхода к формированию и восстановлению нарушенных намывных массивов на основе решения перечисленных задач.

Восстановленные земли и прилегающая к ним территория после завершения всего комплекса работ по рекультивации должны представлять собоу экологически сбалансированный и устойчивый ландшафт, характеризующийся оптимальным для данной зоны соотношением земельных уг'дкй, обеспечивающим наиболее благоприятные условия развития долголетних и продуктивных экосистем.

К настоящему времени выполнен большой объем научных исследований по.проблемам формирования гидроотвалов и хвостохранилищ, повышения эффективности гидроотвальных работ в условиях различных регионов.

Однако в проектной практике вопросам ускоренной рекультивации

и восстановления экологического равновесия при гидроотвалоосра-го-ванил не уделяется должного внимания. При выполнении проектов рекультивации часто игнорируются особенности протек-ания естественных геоморфологических процессов и техногенеза..

Проведенные исследования показали, что езиду ряда необратимых" процессов( изменение литологического состава и физико-механических свойств грунтов, гидрологического режима и др.), неизбежных при формировании намывных массивов, геоморфологическая обстановка рекультивированных нарушенных техногенных территорий отлична от естественной. Поэтому в данной работе при решении вопроса восстановления нарушенных экокомплексов активно вводится геоморфологический принцип ассимиляции намывных техногенных ландшафтов природными.

Объектами исследований данной работы являются намывные массивы, формирование и изменение ео времени их свойств и п^ зметров. а также процессы ускоренного восстановления и рекультивации отвальных территорий, с учетом ассимиляции их с окружающим рельефом.

В главе 1 дана оценка современного состояния вопросов Формирования и рекультивации гидроотвалов и проведен анализ существующих способов пщроотЕалообразования с учетом рекультивации, изложены результаты исследований по изучению технологических особенностей формирования и рекультивации намывных отвальных массивов важнейших горнопромышленных регионов - Кузбасса и ЮМ.

Д. л рассматриваемых регионов с развитой гидромеханизацией отмечены схожие историко-генетические и агроклиматические условия, что обусловило наличие разветвленной овражно-балочной сети, и подобие в литологическом составе четвертичных вскрышных пород, что существенно для проведения биологической рекультивации.

Исследованиями установлено, что эрозионная расчлененность, характерная для регионов ЮЛА и Кузбасса (морфосистемы которых имеют схожий генезис), может быть экологически и экономически эффективно использована для размещения гидроотв?;;ов.

На примере ряда объектов указанных регионов в работе рассмотрены некоторые принципы формирования долинных и овражно-балочных гидроотвалов и их рекультивация на основе известной классификации намывных массивов.

Изучение существующего опыта формирования и рекультивации гидроотвалов, а также анализ сложившейся при этом экологической

обстановки позволил установить, что применение современной технологии гидроотвахообразования не обеспечивает интеграции техногенного рельефа ь. окружающий ландшафт, а традиционное формирование гидроотзапов в эрозионных формах имеет следующие принципиальные недостатки: нарушение природного стока в морфосистеме расположения гидроотьалз, увеличение риска эрозионных и оползневых процессов, затруднение рекультивации в связи с низкой несущей способностью намывных масс" и недостаточным использованием плодородности слагаю-'Д1К отвалы пород.

Эти положения позволяют сделать вывод о том, что современная технология гидроотвалообразозакил ведет к тому, что сельскому хозяйству передаются поверхности с повышенным риском зрозии и заболачивания, поэтому в свете актуальности проблемы качественной рекультивации отчужденных земель необходимо при:.:ен...гь иную технологическую схему, придать гидроотвалу форму, обеспечивающую его быструю ассимиляцию естественным рельефом и долговременную устойчивость по отношению к рельефообразукщи.1,! процессам.

Качественно полноценный ландшафт после рекультивации должен з максимальной степени приближаться к динамически равновесному при йзнкок характере ргльефообраэуюзцих процессов, естественные и техногенные Форш должны органично сочетаться. Комплексный подход к рекультивации намывных территорий позволяет совершенствовать методы гздростзалообрэзовачия и рекультивации, существующие в настоящее время.

Б глазе 2 автором разработана методика выбора формы и параметров рельефа на территории намывных вооружений, с учетом геоморфологического аспекта подготовки гидроотвалоз для последующего использования, и динамики их уплотнения.

Исследованы факторы, определяющие рельефообразующие процессы, и, с целью выявления главных фачтороэ, оказывающих воздействие на . геоморфосистему, составлены функциональные схемы развития техногенной и естественной геоморфосистем (рис.1).

Проведен анализ территории КМА и Кузбасса, в основу которого •положен историко-генетический подход в сочетании с анализом современных геоморфологических процессов и. их изменений за время существования ■морфосистем, с целью выявления основных процессов, затронувших морфосистеыу рельефа.

В результате анализа установлено, ^то на КМА и -»^Кузбассе

ШКЩОНАЛЬНЛЯ СХЕ.1А РАЗВИД'Л ТЕХНОГЕШОЯ и Естатвашои I ■jJKOPCOCHCTB.I

Рис.1.

преобладает эрозионный рельеф, характеризующийся мощной долин-но-Салочной сетью. Междуречья сплошь перекрыты четвертичными отложениями, сложенными лессовидными суглинками. Наиболее значимыми являются флювиальные•формы рельефа, создаваемые постоянными и временными водными потоками. Овражно-балочная эрозия и связанные с ней склоновые процессы являются основными современными экзогенными процессами территории.

Антропогенный процесс является одним из наиболее мощных геоморфологических процессов в этих регионах, и с пределах антропогенных комплексов резко активизируются процессы, нехарактерные для естественного рельефа: различные формы линейной эрозии, струйчатый размыв, оползнеооразование и т.д.

Проведенный анализ геоморфосистем районов Кузбасса и КМА позволил сделать вывод, что при рекультивации нарушенного рельефа рассматриваемых районов следует восстанавливать элементы фдювиаль-ных форм рельефа,а именно - долинную сеть и ее 'иерархию, ширину и уклоны тальвегов долин, уклоны бортов долин, а при расчете конкретных параметров учитывать динамическое состоянии морфосистем. Основными критериями техногенного рельефа, экологически адекватного естественному, являются форма и уклон поверхности восстанавливаемой территории.

Уклон при различных значениях скоростей потока определяется на основе известного уравнения Шези:

V

(1)

где Уср - средняя скорость течения жидкости, 1 - уклон свободной поверхности потока; И - гидравлический радиус потока, м; С - коэффициент Шези. В результате преобразований получаем

1

Уср4-П3-(2 + А)2 А-Ц

0.667

М/С;

дол.ед. (2)

величины неразмывающей 1. случаем критические ук-

При подставлении в зависимость (2) скорости для соответствующего типа пород лоны, при превышении которых на намываемой поверхности будет про-исход- ь эрозия.

ср

Величина коэффициента п позволяет учитывать -фактор задерно-ванности, А - литологический фактор, 0 - расход гидросмеси, опосредованный <5>актор климатических особенностей.

По результатам произведенных расчетов построены зависимости неразмываемых уклонов для пород различного литологического состава (рис.2)

На следующем этап? разработанной методики дается прогноз геомеханических процесов уплотнения намывных массивов, так как соблюдение неразмываемого уклона по геоморфологическим ограничениям недостаточно для построения профиля, устойчивого в долговременной перспективе.

Процесс консолидации сопровождается осадкой намывного массива. величина которой зависит от мощности намываемого слоя, темпов намыва и физико-механических свойств грунта. На поверхности произойдет осадка определенных площадей, которая изменит уклоны. Величина уклонов превысит расчетное предельное значение ПНОр). и на восстановленной территории начнется процесс эрозии, размыва и перемещения грунта, что нарушит сроки задерновки и полной ассимиляции рекультивируемых площадей, особенно в случае сдачи рекультивируемых площадей под сельхозугодья.

Предложено на стадии проектирования восстанавливаемой поверхности предусмотреть, рассчитать и при необходимости регулировать с помощью технологии намыва такой профиль, который обеспечил бы после уплотнения намытых пород необходимый рельеф. Таким образом, речь идет о создании дополнительного слагаемого перемыва. компенсирующего контруклин поверхности гидроотвала (ДЫ

Для осуществления поставленной цели использованы реиения задач консолидации, позволяющие определить осадки породных масс и произвести оценку устойчивости гидроотвалов, исходя из прочности их тела и основания.

Так как величина осадки зависит от времени консолидации, необходимо ориентироваться на величину изменения рельефа к моменту достижения намытой поверхностью несущей способности Р=0,15 МПа, обеспечивающей перемещение рекультивационной и сельхозтехники, а также ручнел посев трав для задерновки намытой поверхности.

При намыве гидроотвалов создаются условия для возникновения значительного по величине порового давления и существенного снижения прочности пород. В слоях большой мощности, сложенных породами

Рис.2. Неразрываемые уклоны' для пород различного диалогического состава:

1 - при п»0,0225;

2 - при п-0,04;

СЮ. 036 и3/с; А-5.5

с низкими фильтрационными характеристиками, рассеивание- перового давления протекает очень медленно, что и следует учитывать при назначении темпов отвалообразования.

В соответствии с методикой, изложенной в работе, определен!I зависимости осадок намываемых пород от времени консолидации, а также зависимости прочностных характеристик намывных грунтов от степени уплотнения.

С учетом значительных размеров гидроотвалов в плане для определения давления в поровой воде и осадок породных слоев используется решение одномерных задач фильтрационной консолидации (уплотнение рассматривается как результат отфидьтрепания ьоды из пор).

Теория Фильтрационной консолидации применима ь основном для полностью водонасыщенних бесструктурных грунтов, к числу которых и относятся породные массы гидроотвалов.

Для оценки "остаточных осадок" сформированных намывных массивов используется решение задачи об "отдыхе" слоя переменной модности.

Осадка слоя переменной мощности определяется исходя из понятия о средней степени уплотнения и как отношения соответствующей моменту времени I площади эпюра эффективных (действующих в скелете грунта) напряжений к площади эпюры напряжений при стабилизированном состоянии:

г.,е и(Рст)- площадь эпюры напряжений в скелете грунта для стабилизированного состояния, у |Рн(и|- площадь эпюры норового деления для момента времени Ь.

и ]РЭФ(1)|- площадь эпюры эффективных давлений для момента времении I. т' - плотность намывного грунта И - конечная мощность слоя, м.

При возведении горнотехнических намывных сооружений наибольший интерес представляет величина осадки слоя Зс под действием уплотняющей нагрузки, определяемая на любой промежуток времени от начала нагружения.

и

¡1>1Рсг)

м (Рч)~ (.' [Ри |1 ))

(,<Р 1Т

(3)

u -

Для намывного слоя на любой момент времени после окончания намыва (t0) остаточная осадка определяется ь виде

'"oct"S(») - Silo). Í4)

где Sí«)- ао-О.Ь»'-Ir' - максимальная ¿стабилизированная)

осадка, м;

До" a'íl+Eo) " коэДОициент относительной сжимаемости, см;7кг. МПа~1 ;

3(t0)"=U-5(и). где U - степень уплотнения намывного слоя

на ьодоупор*.

С целью разработки мероприятий по по-следующему использованию намытых территорий определяется продолжительность периода консолидации тонкодисперсных водонасыщенных грунтов, по истечении которого эти грунты преобрстают достаточную несущую способность и становятся возможными рекультивационные работы.

При оценке изменения во времени несущей способности РДОп намывного млссива учитывается зависимость параметров сопротивления сдвигу от степени уплотнения. По методике кафедры геологии МГГУ, апробированной применительно к намывным грунтам гидроотЕ.члов КМА и Кузбасса, эмпирические зависимости угла внутреннего трения и сцепления от U представлены в вид--:

Ф - Фз + KiU.

С - С3 + K2U, (5)

где 9з, Сз - характеристики для неконсолидированных грунтов CU=0);

Ki. - эмпирические коэффициенты.

Продолжительность "отдыха" намывных тсь. .дисперсных грунтов устанавливают на основе решения задач уплотнения л предельного напряжения состояния грунтов.

Для оценки максимальной несущей способности РПркр намыьного основания исло-ъзуется формула Прандтля-Рейснера:

р'„: _ сУ > CÍQVI-U •SittV)-Ct/>(1¡- Щ</~) CÍ(J<?(t-s„,Y)

С ' <-¿><nr • (6)

где «»qi/c - коэффициент пригрузки основания;

- предварительно приложенное к основами) -/плотил» подавление (нагрузка), равное и-".

Допустимая внешняя нагрузка на намывное основание опред-ллет-„ :я в виде 0::

РЛ~ "Т" * (?)

где/- коэффициент запаса (принимаем-М ,2) С использованием решения задачи об уплотнении намывного слоя (переменной мощности) под действием собственной массы слагающих его грунтов после п; ращения намыва определяется продолжительность периода "отдыха" слоя, по истечении которого территория гидроотвала пригодна для последующего использования.

Таким образом, применение указанной методики позволяет решать две группы задач:

- определить степень уплотнения намывных толщ (расчетным путем или с помощью натурных измерений порового давления) и затем установить величину допустимых !м^шних нагрузок;

- по величине внешней натру..ки от рекультивационного оборудования или дополнительных объемов вскрыши устанавливать продолжительность периода "отдыха" гидроотвала.

Установление продолжительности периодов "отдыха" намывных массивов пол действием собственной массы слагающих их грунтов ("пассивного отдыха") позволяет г работать мероприятия по направленному изменению состояния массиве с целью форсирования консолидации и ускоренного достижения необходимой несущей способности.

С учетом изложенных выше теоретических предпосылок в главе 3 дается регламе ирование технологии подготовки к рекультивации намывных массивов. Лается инженерно-геологическое обоснование техногенного рельефа намывных территорий с учетом влияния намывных дре-на-лых элементов.

Материалы инженерно-геологического районирования гидроотвалов использованы при разработке спецтехнологии намывных раи/г, обеспечивающих ускоренную рекультивацию гидроотвалов.

С целью повышения емкости гидроотвала, ускорения водооборота и обеспечения беспрепятственной рекультивации намывной территории применяются намывные фильтрующие элементы.

В качестве фильтрующего материала исполь- ются пески, отходы обогащения железистых кварцитов, золой^.ки ТЭЦ.

Для уплотнения и упрочнения тоикодисперсных намывных сдоев

производится разделение гидроотвала на отдельные участки - карты посредством намыва плавающих дренажных призм, линз и подушек, имеющих гидравлическую связь с дренажными сооружениями. Плавающие призмы, являясь о :овнкми связующими элементами дренажной системы, предназначаются для размещения на них оборудования и тру, проводов, необходимых для перекрытия фши. .рующими подушками карт, ограниченных призмами. Кроме того, дренатаые призмы могут служить основанием разделительных дамб, обеспечивающих поочередное формирование и поэтапную подготовку к рекультивации отдельных карт.

Разработанная авторским коллективом МГГУ (МГИ) и треста "Гидромеханизация" технология формирования гидроотвалов предусматривает использование основного технологического оборудования гидромеханизации для создания дренажных элементов из различных фильтрую-иш материалов одновременно с гидравлическим складированием тонкодисперсных грунтов и для укладки на подготовленное намывное основание защитного суглинистого слоя.

Ускорение отжатия воды из пор тонкодисперсных грунтов вызывает Форсирование их консолидации (уплотнения).

Ускорение процесса развития осадок намывной толщи позволяет размещать в заданный период вр(...ени (сезон намыва) большее количество г -цад. /емого материала на единицу площади и таким образом обеспечить сохранение общего объема намыва на тех же площадях отвода под намывное основание.

Однако применение данного способа на является универсальным. При всех достоинствах изложенной схемы целесообразность ее применения рассматрив . тся в каждом конкретном случае. Для решения задач ускоренной рекультивации и экологической адекватности окружающему рельефу применение дренажных элементов является частным случаем.

Окончательное решение о создании внутренних дренажных элементе; (линз, призм и подушек) принимается на основании геомеханических расчетов времени отдыха сформированного намывного массива.

Расчетами уплотнения и несущей способности намывного массива определена продолжительность периодов "пассивного" 10п (без применения специальной технологии намыва) и "активного" 10а отдыха гидроотвалов до достижения несущей способности Рдоп> 0>1!э МПа, обеспечивающей перемещение рекультиЕационного оборудования по поверхности намывного массива.

В работе представлены зависимости к определения продо,-„чнтоль-ностн периодов "отдыха" 10П и 10а (при фиксированных скоростях намыва) в тонкодисперсных толщах различных гидроотЕало К}.;д басса.

Нами сформулированы критерии создания дренатлых элементов но ■ внутренних зонах гидроотвалов с учетом инженерно-геологических и технологических факторов. Необходимость спецмеропрнятий устанавливается с учетом мощности, скорости намыва и инженерно-геологической зональности.

Так. например:

1. Применительно к Кузбассу (разрез"Моховский", гидроотвал N1) при Ук25м и Ь >20 лет создание дренажных элементов не требуется и поэтому здесь геоморфологические факторы при рекультивации имеют решающее значение.

2. При формировании монопородных гидроотвалов КМА из меловых грунтов ("Балка Чуфичева") с мощностью намывных масс до 30м, при средней скорости намыва 2м/год проведение мероприятий, направленных на форсирование консолидации намывного массива, нецелесообразно, т.к. требуемая несущая способность достигается за период отдыха менее 5 лет.

Таким образом, в результате анализа-результатов расчетов, а также фактического опыта установлена зависимость продолжительности периода "отдыха" намывного массива от темпов его формирования и спецмероприятий, а применительно к конкретным горнотехническим и инженерно-геологическим условиям сформулированы рекомендации по применению дренажных элементов для ускорения консолидации гидроотвалов в рассматриваемых регионах КМА и Кузбасса.

Ускорению рекультивационных работ в значительной мере способствует хорошая эадерновка поверхности гидроотвалов. Биологическая рг ультиЕация является составной частью экологически адекватной рекультивации. Под экологически адекватной рекультивацией понимается совокупность технологических процессов по восстановлению нарушенных Лсшдшафтов, обеспечивающих их ассимиляцию с природными. В работе проведена оценка потенциального плодородия вскрышных пород для дальнейшей биологической рекультивации.

На основании анализа литологических, агрофизических и агрохимических характеристик установлена возможность использования четвертичных вскрышных пород регионов КМА и Кузбасса в качестве по-

- is

тенщшыю плодородного слоя без нанесения почвы при рекультивации намывных территорий. Лессовидные суглинки ( широко представленные го сскрыпе месторождений районов КМА и Кузбасса) являются самыми плодородными По вскрышных пород. Благоприятные условия у; :ажнения при их нанесении средствами гидром зшизации, относительно однородный вещественный и гранулометрический состав, отсутствие фито-токсичных компонентов - все эти факторы облегчают высокоэффективное ведение рекультивационных работ. Лессовидные породы имеют хорошую микроагрегатность, рыхлое сложение и высокую влагопроницае-мость. Возможно при намыве использование почвенных микроорганизмов и биэактивизирозанных препаратов для скорейшего закрепления рекультивируемой поверхности. Бее это, особенно в комплексе с эффективным применением удобрений, дает положительные результаты естественной задерновки поверхности и • в дальнейшем - сокращение срока ввода ее в сельскохозяйственный оборот.

В работе изучены и проанализированы не только физико-механические свойства вскрышных пород КМА и Кузбасса, укладываемых в отвал, но и их агрофизические и агрохимические свойства и дана их классификация по потенциальной плодородности.

Эти мз~<фиалы являются необходимыми при.проектировании систем вс,.рьш!нь:х работ и отвалообразовании, а также для возможных изменений технологии формирования гидроотвалов с учетом требований биологической рекультивации.

В 4-й главе приведены результаты практического внедрения разработанной метог'ки определения оптимальных параметров рекультивируемого рельефа ¡¡а. намывных территориях применительно к конкретным объектам регионов КМА и Кузбасса. Даны практические рекомендации по peic> .ьтивации гидроотвала "Балка Чуфичева" ЛГОКа и гидроотвала на р.Еловка Мохобского разреза.

При per: .мэнтировании инженерных мероприятий, направленных на повыаеиие эффективности, безопасности и устойчивости намывного гор:-:".технического сооружения посредством управления состоянием намывных тонкод..сперскых голщ использовались разработанные в МГГУ на кафедре геологии методы расчета уплотнения и несущей способности, которые позволяют с достаточной достоверностью оценивать и прогнозировать состояние намывного массива во времени.

Результаты расчетов представлены в таблицах приложения и отражены на инженерно-геологических разрезах.

Применительно к условиям гидроотвала "В.Чуфичева" гыг;с-ц.-.1ч. расчеты осадок и несущей способности намывного массива при "П-.._ сивном отдыхе". Исходные данные представлены в приложении. днцдц;. результатов расчетов позеолил определить продолжительность "отдыха" намывного массива гидроотвала для оценки возможности дальнейшего использования его территорий.

Анализ фактического состояния поверхности намыва приводит к выводу о том, что сформировавшаяся поверхность имеет контруклон по отношению к тальвегу долины, куда был намыт гидроотвал. Поскольку гидроотвал образован за счет перегораживания балки дамбой,он явля-. ется ступенеобразным инородным телом и препятствует пропуску воды по тальвегу балки. Для обеспечения устойчивости восстанавливаемого рельефа ( и его ассимиляции естественным) необходимо, чтобы С < 0,0349 ( по условию неразмываемого уклона).

Поскольку уплотнение техногенного массива и осадка намываемой поверхности вызовет дополнительные изменения намываемого рельефа, ведущие к эрозии или заболачиванию части территории, учитывается величина "перемыва" П=20ст+ДЬ, с учетом остаточных (после заполнения гидроотвала) осадок намывного массива и периода их стабилизации, с целью предотвращения эрозионных процессов на рекультивируемой территории гидроотвала (рис.3)

Кроме того, анализ расчетных данных таблиц и опреде. яемых из над значений 10п до достижения РДОп=0.15МПа показывает, что создание фильтрующей подушки в теле гидроотвала нецелесообразно, т.к. намывной массив гидроотвала "Балка Чуфичева" интенсивно уплотняется даже под действием собственного веса. Приведенные расчеты подтверждают правильность подхода, изложенного в главе 3 работы.

По аналогии с гидроотвалом "Балка Чуфичева" дано прогнозное и оценочное состояние намывного массива гидроотвала на р.Еловка Мо-ховского разреза (Кузбасс), с определением конечных отметок поверхности гидроотвала на момент стабилизации осадок ( с учетом перемыва для создания слабовыпуклого рельефа), несущей с эсобности намывного массива и Еремени, необходимого для достижения нормативной несудей способности. ' ->

Рис.3. Рекомендуемая схема формирования техногенного рельефа:

1 - предлагаемый профиль намыва (Экологически безопасный уклон);

2 - профиль фактического намыва ( по традиционной технологии);

3 - поверхность гидроотвала с учетом перемыва и последующей осадки;

4 - рекомендуемое положение выпуска гидросмеси на заключительном этапе;

5 - дамба;

6 - тальвег долины ("ложе" гидроотвала).

" зоны г™Р°°твала (соответственно пляжная, промежуточная, прудковая).

- 21 -Заключение

В диссертационной работе дано решение актуальной научней подачи геоморфологического л инженерно-геологического обоснован!-;! техногенного рельефа территорий гидроотвалов. которое вносит определенный вклад в теорию и практик геологического обеспечен!:.,' рекультиваиионных работ на горнодобывающих предприятиях.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы: 1. Совершенствование существующего подхода к формированию и рекультивации гидроотвалов осуществляется на основе комплексного учета геоморфологических, инженерно-геологических л гесмехаиичес-ки.х факторов. •

2. Наряду с определением неразмывающего уклона для ассимиляции техногенного рельефа природными ландшафтными структурами ( и, в первую очередь, восстановления естественных условий поверхностного стока) необходимо учитывать осадки нашвнкх массивов под действием собственной массы слагающих их грунтов. Разработана ме-. тодика определения величины "перемыва" гидроотвала II, компенсирую-' ще-го остаточные осадки гидрсотвала Ь'ост и наличие контрущюна II.

о. Лля прогноза уплотнения намывных массивов применительно к конкретным объектам исследований : гидроотвалам "Балка Чуфичева" (КМЛ.ЛГОК) и на р.Еловка (Кузбасс, разрез "Моховский") с учетом инженерно-геологической зональности намывных территорий определены расчетные параметры компрессионных зависимостей с=Г(Р). "гвискмос-тей характеристик сопротивления сдвигу грунтов гидроотвала от степени уплотнения /С(Щ, <р (II)/ и коэффициента консолидации от уплотняющей нагрузки /Су(ч)/

4. На основании анализа результатов расчетов уплотнения намывного слоя на водоупоре при "пассивном отдыхе" ( без создания специальных дренажных элементов) установлено, что применение дре-нахнш элементов целесообразно на гидроотвалах тонкодисперсных пород при мощности Ь>30м и темпе намыва > 2м/год. Для заполненных гчдроотваяов необходимо' устанавливать режим р^.сультивационных работ с учете*., продолжительности периодов после завершения намыва (периодов отдыха - 10) дифференцированно для пляжных, промежуточных' и ядерных зон.

5.. В качестве потенциально плодородных при биологической рекультивации гидроотвалов могут использоваться лессовидные суглинки.

Внедрение на горнодобывающих предприятиях методики определения оптимальных параметров намывных массивов позволяет е..;,ратить

затраты на проведение спецмероприятий и время ввода в сельскохозяйственный оборот нарушенных техногенных территорий.

6. Реашзац..я разработанных рекомендаций по формированию техногенного рельефа намывных территорий горнопромышленных объектов KJ.íA и Кузбасса обеспечизает:

- ассимиляцию техногенного восстановленного рельефа природным ландшафтом с сохранением исходного функционирования;

- сокращение сроков проведения восстановительных работ и вовлечения в народнохозяйственное использование дополнительных площадей, ранее нарушенных эрозионными процессами.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кононенко Е.А..Щербакова Е.П. Гидромеханизированная рекультивация нарушенных земель // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 1992.- Вып.З.-М.: МГИ.

2. Кононенко Е.А., Щербакова Е.П. Экологически адекватная рекультивация средствами гидромеханизации.// Тез.докл. н.-т.конф. / Экологические проблемы горного производства.- М.: МГГУ.1993.

эно:-. .нко Е.А.. Щербакова Е.П //Санитарно-гигиеническая рекультивация откосов вноних отвалов средствами гидромеханизации. Тез.докл. / Новые технологии и технические средства гидромеханизации и подводной добычи. - М.: МГГУ. 1994.

4. Кононенко Е.А., Павленко Г.В., Щербакова Е.П. На пути к горно-металлург. ческому экокомплексу. - Металлург. - N7. 1994.

5. Kononenko Е.А., Pavlenko G.V., Shcherbakova Е.Р. The Path Toward an Environmentally "Sreen" Mining-Metallurgical Industry. /Í. Metallyrnst. - 1995.- March, Consultants Burea, New York.

>5.Щербакова Е.П. Экологически безопасный рельеф рекультивируемых намывных территорий. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 1997,- Вып.1.- М.: МГГУ..

7.Щербакова Е.П. Экологические основы формирования рекультивируемых намывных территорий // Тез.докл. н-т.конф., г.Белгород. 1997.