автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Обоснование методов и технических средств геолого-маркшейдерского мониторинга гидроотвалов

/V1

/

Государственный комитет Российской Федерации по высшему

образованию

На правах рукописи

САРКИСЯН Артур Александрович

УДК 622:1-622.271

ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ГЕОЛОГО-МАРКШЕЙДЕРСКОГО МОНИТОРИНГА

ГИДРООТВАЛОВ

(Специальность 05.15.01 -«Маркшейдерия»)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф.Гальперин A.M.

Научный консультант к.т.н., доц. Кириченко Ю.В.

Москва 1998

Оглавление

Введение........................................................................................... 4

Глава 1. Состояние геолого-маркшейдерского обеспечения при

формировании и консервации намывных массивов...... 14

1.1 .Гидроотвалы песчанно-глинистых пород.................................... 14

1.2.Хранилище отходов рудообогащения.......................................... 24

Глава 2. Экспериментальные исследования................................. 35

2.1 .Краткая характеристика объекта исследований........................... 35

2.2.Полевые эксперименты и инструментальные наблюдения......... 40

2.3 .Лабораторные эксперименты........................................................ 65

2.4.Совершенствование технических средств комплексного

зондирования....................................................................................... 76

Глава 3. Инженерно-геологическое районирование территории

гидроотвалов....................................................................... 86

3.1.Расчеты консолидации и несущей способности намывного массива................................................................................................. 86

3.2.Установление инженерно-геологической зональности

намывной территории......................................................................... 95

Глава 4. Рекомендации по совершенствованию геолого-маркшейдерского обеспечения природоохранных мероприятий............................................................................................... 102

4.1.Геолого-маркшейдерский мониторинг гидроотвальных массивов с целью обоснования решений по дальнейшему использованию техногенных массивов................................................102

4.2.Проведение природоохранных мероприятий (на основе)

мониторинга намывного массива..........................................................................................................114

Заключение.............................................................................................124

Литература..................................................................................................................126

Приложение I..............................................................................................................136

Приложение II...................................................................................................................150

Введение

По оценкам специалистов, в мире ежегодно извлекается из недр свыше 100 млрд.т горной массы; изымается из сельскохозяйственного оборота примерно примерно 8-9 млн.га земельных угодий; расходуется на водопотребление (безвозвратно) около 150 км3 воды, синтезируется более 250 тыс. новых химических соединений, из которых около 300 используется в производстве и являются вредными для человека [1-10].

В промышленности по производству минеральных удобрений отходы образуются при вскрытии месторождений и при обогащении. В 1985 г. их количество составило 135 млн.т, в том числе галитовые отходы калийных производств - 36%, фосфогипс - 25%, хвосты флотации апатитового концентрата - 19%, фосфоритовых и серных руд - 19%; используется в настоящее время 7% общих отходов [11].

В цветной металлургии выход отходов на единицу продукции несопоставимо выше, чем в угольной и железорудной промышленности (100-200 т, а в отдельных случаях до 1000 т на 1 т металла). Отходы добычи цветных металлов достигают 80%, а отходы обогащения -10% добытой горной массы [11-14].

В результате складирования отходов горного производства образуются тектонические массивы, имеющие свойства, резко отличающиеся от природных, и влияющие на окружающую среду. При формировании техногенных массивов к числу негативных последствий необходимо отнести ухудшение состояния атмосферы, сокращение площадей земель, пригодных в большинстве случаев для сельскохозяйственного использования, изменение природного ландшафта и загрязнение почвенного покрова, изменение состояния и свойств горных пород, слагающих основания техногенного массива, изменение режима и

загрязнение подземных и поверхностных вод, носящих порой катастрофический характер.

В РФ и странах СНГ при освоении железорудных месторождений нарушаются тысячи гектаров плодородных земель из-за складирования гидровскрыши, отходов обогащения и золошлаков ТЭЦ. Например, на КМА объемы гидровскрыши, уложенные до конца 1995 г., составляют 350 млн.м3 (комбинаты «КМАруда», «Лебединский», «Стойленский», «Михайловский») и занимают около 2000 га плодородных земель [табл. 1].

Возрастающая угроза водно-земельным ресурсам от инженерной деятельности требует принятия незамедлительных мер по обоснованию и регламентированию мероприятий по рациональному использованию недр и охране окружающей среды.

Своевременное и правильное решение вопросов обеспечения безопасного формирования и консервации намывных сооружений, заблаговременное предупреждение возникновения деформаций дамб и намывных массивов невозможно без постоянного контроля за их состоянием геолого-маркшейдерской службы горных предприятий.

Для гидроотвалов и хвостохранилищ повышение плотности укладки складируемого материала и ускорение начала рекультивационных работ может обеспечиваться путем управления свойствами и состоянием намывных толщ в ходе их формирования [15].

Поэтому для эффективного предотвращения негативного воздействия горной промышленности на окружающую среду на хвостохранилищах и гидроотвалах необходим мониторинг («слежение») - проведение наблюдений, изучение и контроль за изменением состояния техногенных отложений; к мониторингу необходимо отнести оценку и прогноз происходящих в массиве процессов, а также управление и регулирование ими [5,16] .

Таблица 1

Карьер, гидроотвал Параметры гидроотвала Укладываемый годовой объем, млн.м3

Площадь, га Максимальная высота, м Уложено грунтов, млн.м3

Лебединский

№1 116 36 30,5 1-6

№2 40 9Д 37 1-5

№3 25 3 0,5 0,5

Березовый Лог 1128 75 250 2-22

Балка Чуфичева 207 45 31 1-6,5

Михайловский 90 3,1 1,8 0,8-0,1

Шамаровский Лог 218 24 18 1-2,5

Стойленский

Симонова пасека 30 20 3 1-2

Под инженерно-геологическим мониторингом Ю.Ф.Захаров понимает слежение, оценку и анализ происходящих в геотехнических системах геосферы процессов и негативных последствий в элементах техносферы, а также инженерное обоснование превентивных и восстановительных мероприятий и других управляющих решений. Аналогичный подход у В.К.Епишина, Ф.Ф.Котлова, А.А.Григорьева [17-20].

В.В.Ржевский отмечал: «к особым обязанностям «корпуса горных инженеров» относится требование комплексного использования недр, соблюдение экологического равновесия; удовлетворение потребности народного хозяйства при общем минимуме отвода земель для горных работ».

Исследования по технологическим и специальным методам воздействия на природные ресурсы недр выполнены М.И.Агошковым, М.Е.Певзнером,

A.М.Гальпериным, Я.М.Адигамовым, Д.М.Казикаевым, Е.И.Панфиловым,

B.Н.Поповым, В.И.Стрельцовым, С.Э.Минингом, В.А.Мироненко и др [21-40, 5; 110-112].

Анализ проектных решений рекультивационных работ для намывных горнотехнических объектов показывает:

1. Необходимость проведения дренажных мероприятий во внутренних зонах гидроотвалов (отсыпка или намыв дренажных дамб), создание таких техногенных рельефов при рекультивации, которые обеспечивают направленный сток и предотвращают эрозию.

2. Необходимость корректировки результатов расчетов уплотнения намывных массивов на основе сопоставления с данными инструментальных наблюдений за осадками.

3. Недостаточность изученности свойств и состояния внутренних зон намывных массивов недостаточна для обоснования надежных решений по наращиванию и рекультивации гидроотвалов.

4. Потребность в инженерно-геологическом районировании намывных

территорий.

Разработка и внедрение природоохранной технологии формирования ответственных намывных горнотехнических сооружений (гидроотвалов и хво-стохранилищ) невозможны без специальных инженерно-геологических исследований намывных массивов, обеспечивающих получение информации о вещественном составе и пространственно-временной изменчивости показателей физико-механических свойств техногенных водонасыщенных грунтов.

Для достижения цели, поставленной в данной работе, необходимо выполнять комплекс мероприятий, включающий:

- производство инженерно-геологических и маркшейдерских полевых экспериментов и инструментальных наблюдений;

- производство лабораторных исследований;

- производство инженерно-геологических расчетов (определение 8(1),

Су, Рдоп? 80СТ),

- инженерно-геологическое районирование объекта по данным геолого-маркшейдерских расчетов.

Для решения этих задач обычно применяют инженерно-геологические и маркшейдерские методы исследований.

Инженерно-геологические исследования включают, в основном, следующие методы:

- статистическое зондирование;

- динамическое зондирование;

- крыльчатое зондирование;

- виброзондирование;

- прессиометрия;

а также их комбинации.

Особенностью методов зондирования является совмещение проходки пород с одновременной регистрацией показателей их состояния и свойства. Целью маркшейдерского контроля является:

- установление границ распространения и вид деформаций;

- определение деформаций (их величины) и скорость деформаций;

- определение критической величины смещений предшествующих началу активной стадии, для различных инженерно-геологических комплексов и т.д.

Для наблюдений за деформациями гидроотвалов, хвостохранилшц и т.д. применяют разные виды инструментальных наблюдений:

- способ профильных линий;

- фотограмметрический метод;

- аэрофотограмметрический метод;

- способ засечек;

- космический способ; а также их комбинации.

Каждый из этих способов имеет свои особенности, достоинства и недостатки.

Для определения конструкций дамб, способа инженерной подготовки и порядка рекультивации намывных территорий требуется получить достоверную и оперативную информацию о состоянии техногенных массивов. Поэтому обоснование методов и технических средств оперативного контроля намывных горнотехнических сооружений является актуальной научно-практической задачей.

Цель работы - заключается в совершенствовании методов и технических средств получения оперативной информации о механических свойствах техногенных отложений для инженерно-геологического и геомеханического обеспечения рекультивации гидроотвалов.

Идея работы состоит в установлении пространственно-временной изменчивости механических свойств намывных грунтов посредством совмещения инструментальных маркшейдерских наблюдений за деформациями и комплексного зондирования техногенных массивов.

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

1. Анализ современного состояния геолого-маркшейдерского обеспечения при формировании, консервации и рекультивации гидроотвалов.

2. Определение показателей вещественного состава, водно-физических и механических свойств намывных отложений по результатам натурных наблюдений, полевых и лабораторных экспериментов.

3. Инженерно-геологическое районирование намывных территорий для оценки во времени деформаций и несущей способности техногенных массивов.

4. Разработка рекомендаций по способам и режиму рекультивационных работ на основе геолого-маркшейдерского мониторинга.

Объектами исследования являются намывные техногенные массивы гидроотвалов горнорудных предприятий крупнейшего железорудного бассейна КМА

Основные научные положения, разработанные лично диссертантом, и новизна:

1. Характеристики деформируемости намывного массива для прогноза его осадок и несущей способности во времени определяются из обратных расчетов через определенные при комплексном зондировании фактические значения степени уплотнения и полученные с помощью инструментальных маркшейдерских наблюдений значения вертикальных деформаций слоев намывных грунтов, что позволяет устанавливать инженерно-геологическую зональность техногенного массива.

- //2. В качестве дополнительного критерия оценки инженерно-геологической зональности намывных территорий используется величина относительных осадок и динамика их развития во времени, через которые определяется несущая способность техногенных-отложений.

3. Направления использования намывных территорий, технология и режим рекультивационных работ выбираются на основе материалов инженерно-геологического районирования, отличающихся тем, что наряду с инженерно-геологической картой и инженерно-геологическими разрезами и они включают таблицы значений во времени осадок и допустимых внешних нагрузок на намывное основание.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

использованием методов предельного напряженного состояния сыпучей среды, теории фильтрационной консолидации, математической статистики;

хорошей сходимостью расчетных значений несущей способности намывных оснований и фактической проходимостью гусеничного и колесного оборудования ( ДЭТ-250, Т-100, БТК- 5м (Т-130) Р= 0,35 - 0,8 кг/см2, УГБ-100 на базе ГАЗ-66, МАЗ, ЗИЛ-131, УРАЛ Р= 0,8 - 1,3 кг/см2 ВАЗ-2121, УАЗ Р= 0,5 - 0,75 кг/см2 ) на различных участках намывной территории гидроотвала Михайловского горно-обогатительного комбината (расхождения до 10% ); хорошей сходимостью прогнозных и фактических осадок различных зон намывного массива в период его "отдыха" (с учетом коэффициента бокового распора техногенных грунтов расхождения не превышают 5 %); опытом рекультивационных работ на гидроотвалах Михайловского и Лебединского ГОКов КМА. Научное значение диссертационной работы определяется: - установлением характера пространственно-временной изменчивости физико-механических свойств техногенных отложений с учетом истории формирования намывного массива;

г

- уточнением критериев выделения инженерно-геологических участков гидроотвала с использованием результатов систематических измерений осадок с помощью инструментальных наблюдений и полученных при комплексном зондировании значений сопротивления сдвигу, пенетрации и степени уплотнения намывных отложений;

- обоснованием многоцелевого последующего использования намывной территории с учетом свойств и состояния техногенных отложений пляжной, промежуточной и прудковой зон.

Практическое значение работы заключается в уточнении возможностей применения комбинированных зондов для оперативной оценки механических свойств намывных грунтов, использовании результатов инструментальных маркшейдерских наблюдений при инженерно-геологическом районировании заполненных гидроотвалов, разработке рекомендаций по геолого-маркшейдерскому обеспечению рекультивации намывных территорий и выбору технологии и режима восстановительных работ.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанная методика геолого-маркшейдерского мониторинга намывных массивов использована АО "Центрогипроруда" при проектировании рекультивации гидроотвала МГОК, а также П/К "Гидромехпроект при корректировке проекта гидроотвала разреза "Таллинский" (Кузбасс)".

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-технических симпозиумах "Современное горное дело: образование, наука, промышленность" (Москва, МГГУ, 1996 г.); "Ресурсосбережение и охрана окружающей среды при открытых горных работах" и "Методика и техника производства маркшейдерских работ" (Москва, МГГУ, 1997 г.); 4-ом Международном Симпозиуме по освоению месторождений минеральных ресурсов (г.Белгород, ВИОГЕМ, 1997 г.).

Автор выражает глубокую признательность за помощь, оказанную в процессе исследований и постоянное внимание к работе проф., д.т.н. Гальперину А.М., доц., к.т.н. Кириченко Ю.В., доц., к.т.н. Зайцеву B.C. и коллективам кафедр геологии и маркшейдерского дела и геодезии, а также выражает признательность за помощь в организации полевых и лабораторных исследований и сбора фактического материала коллективу института ВИОГЕМ и МГОКа: проф., д.т.н. Стрельцову В.И., к.т.н. Киянцу А.В., Дыхлину В.В., Стрелкову П.А., Завьялову П. Д.

Глава 1. Состояние геолого-маркшейдерского обеспечения при формировании и консервации намывных массивов

1.1. Гидроотвалы песчано-глинистых пород

При разработке вскрышных пород, выемке угля в шахтах, добыче песча-но-гравийных пород, торфа, инженерной подготовке территорий на слабых основаниях, складировании отходов обогащения полезных ископаемых и золо-пшаков ТЭЦ часто применяются гидромеханизированные технологии.

Применение гидромеханизированных технологий при разработке горных пород, транспортировке и складировании вскрышных пород обеспечивает:

- рациональное использование водных ресурсов при освоении обводненных месторождений (за счет использования дренажных вод для г