Инженерно-геологическое обоснование прогноза гидрогеомеханических процессов при ведении горных работ

Изучение гидрогеомеханических процессов в условиях интенсивного отвалообразования на намывных площадях проводилось на гидроотвале «Сагарлыкский». Инструментальными измерениями установлено, что в процессе отсыпки яруса высотой 30 м в породах непригруженной части основания, распространяющейся на расстояние более 500 м от фронта горных работ, относительно быстро (за 1-2 месяца) формируется избыточное поровое давление, достигающее в каждой точке массива значений полных напряжений от веса вышележащих пород, т.е. эффективные напряжения близки к нулю. Такое напряженное состояние в намывных породах со слабыми структурными связями характеризуется появлением множественных гидроразрывов, выполняющих функцию вертикальных дрен.

Результаты изучения свойств пород перед отвальным фронтом, полученные с применением натурных методов (вращательного среза и радиоизотопных скважинных приборов), свидетельствуют о произошедшем разуплотнении пород. Прочность намывных отложений суглинистого состава в интервале глубин 2 - 30 м не превышала 0,01 МПа при чувствительности, близкой к единице, а влажность достигала 55 %. В сравнении с данными исследований, выполненными здесь до нагружения гидроотвала, влажность пород повысилась почти в 2 раза, консистенция приблизилась к текучей, а прочность снизилась почти в 4 раза. После окончания отвальных работ на опытном участке рассеивание порового давления происходит обычно за 2-3 года. Породы вновь уплотняются до того состояния, которое имели до начала активного ведения отвальных работ.

Другим важнейшим фактором, обусловливающим возникновение в намывных породах избыточного порового давления, являются касательные напряжения, появляющиеся в определенной области массива при нарушении устойчивости откосов гидроотвалов и насыпей на намывных основаниях. Выполнено изучение трех оползней в намывных массивах в сопровождении гидрогеомеханического мониторинга. На рис.5 приведены графики избыточного порового давления и смещений поверхности по одному из реперов при развитии оползня насыпи на гидроотвале №3 разреза «Кедровский», 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 оползня. Обратными расчетами по произошедшему оползню с учетом установленной гидрогеомеханической ситуации получено сцепление 0,015 МПа при нулевом трении.

Механизм гидрогеомеханических процессов, развивающихся в намывных массивах при формировании на них насыпей и отвалов, объясняется следующим образом. Отсыпка отвального блока оказывает на намывной массив интенсивное силовое воздействие, которое вызывает возмущение в поровой воде сначала под контуром нагружения, а затем, благодаря упругим свойствам воды, распространяется в непригруженную часть массива. Дальнейшая трансформация НДС намывных пород обусловлена неоднородностью сформировавшихся геофильтрационных и механических полей напряжений. В той части массива, которая попадает под действие веса насыпи (в зоне сжатия), изменение НДС пород определяется интенсивностью развития процесса фильтрационной консолидации и сопровождается уплотнением пород и повышением их прочности. В остальной части массива - зоне влияния отсыпки (ЗВО), изменение НДС намывных пород может происходить либо за счет выравнивания геофильтрационных полей без нарушения структуры и свойств пород, либо под воздействием фильтрации воды, отжимаемой из зоны сжатия, в сопровождении с разуплотнением пород.

Рис. Результаты натурных наблюдений за изменением избыточного порового давления в намывном массиве и смещениями репера при формировании разделительной насыпи на гидроотвале №3 разреза «Кедровский»

Закономерности развития гидрогеомеханических процессов в намывных массивах определяются технологическими параметрами отвалообразования - высотой, площадью и скоростью продвижения насыпей. Если скорость продвижения отвального фронта превышает скорость рассеивания порового давления в ЗВО, то размеры последней расширяются, а поровое давление возрастает вплоть до полных напряжений. При отсыпке узкопрофильных насыпей зона сжатия по размерам намного меньше ЗВО; она прослеживается по ширине в пределах контура нагружения, а по глубине соизмерима с высотой насыпи. Расход воды, поступающей из нее, незначительный, поэтому породы в зоне влияния не разуплотняются. При фронтальном развитии отвальных работ на большой площади, под отвалами уплотнению подвергаются мощные намывные толщи, отжатие воды из которых происходит в горизонтальном направлении (вследствие анизотропии фильтрационных свойств слоистых отложений), т.е. в непригруженную часть массива. В этом случае повышение порового давления в пределах ЗВО сопровождается увеличением влажности и разуплотнением пород с соответствующим падением прочности.

В работе обоснована применимость аналитических решений теории фильтрационной консолидации для прогнозирования изменения НДС намывных пород в условиях намыва (вне зоны влияния дамб наращивания гидроотвалов), консервации гидроотвалов и уплотнения под отвалами, а также рассмотрена возможность использования численного моделирования для прогноза порового давления в откосах гидроотвалов при отсыпке на них дамб наращивания. Представлены результаты решения эпигнозной задачи, воспроизводящей условия отсыпки дамбы на гидроотвале "Бековский", полученные с использованием программы моделирования гидрогеомеханических процессов в глинистых массивах (для нелинейно-деформируемых пород) методом МКЭ. Отмечается вполне удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных величин порового давления в намывном массиве. Вместе с тем, следует отметить, что возможность прогнозирования таких сложных гидрогеомеханических процессов обеспечивается только при наличии надежной экспериментальной основы - результатов мониторинга.

В качестве основных методов изучения порового давления и определения параметров компрессионно-фильтрационных свойств пород рекомендуется использовать натурные исследования - зондирование пьезоконусом, опытно-промышленные отсыпки и мониторинговые наблюдения с применением дистанционно считываемой аппаратуры (датчиков порового давления, автоматизированных систем передачи информации). Определен круг задач, решаемых данными методами, и методики интерпретации результатов.

Y защищаемое научное положение. С целью обоснования оптимальных горнотехнических решений следует комплексно использовать специализированные методы изучения, прогнозирования и мониторинга гидрогеомеханических процессов в соответствии с их функциональным назначением в рамках единой научно-методической системы обеспечения безопасности при ведении горных работ в водонасыщенных массивах.

Обобщение результатов исследований деформационного поведения водонасыщенных породных массивов при реализации различного рода горно-технологических мероприятий сквозь призму общенаучных законов системного анализа позволило сформулировать общие закономерности гидрогеомеханических процессов. На основе анализа механизма процессов, раскрывающего причинно-следственные связи в цепи динамических взаимодействий «технологическое мероприятие - трансформация природно-техногенной системы - экзогенное последствие», выявлены основные факторы процесса, подлежащие изучению и прогнозированию при обосновании безопасности технологических процессов. Среди них выделены «пассивные» факторы - признаки природно-техногенной системы, определяющие условия развития гидрогеомеханических процессов и вид возможных экзогенных явлений, и «активные» - определяющие динамику и интенсивность проявления опасных горно-геологических явлений. К факторам-признакам относятся: геологическое строение массива, гидрогеологические условия; инженерно-геологические характеристики пород (состав, состояние, свойства); характер техногенных нарушений массива; предрасположенность к определенным видам экзогенных процессов. К активным факторам относятся: интенсивность внешнего воздействия, фильтрационный режим природно-техногенных гидрогеологических структур, режим диссипации порового давления в техногенных массивах и деформационное поведение горных пород. Активные факторы могут быть оценены количественными и качественными показателями, что делает их прогнозируемыми, контролируемыми и «управляемыми», и в конечном итоге - позволяет предотвращать или минимизировать негативные последствия развития гидрогеомеханических процессов.

Система научно-методического обеспечения безопасности при ведении горных работ в условиях развития гидрогеомеханических процессов включает комплекс работ и исследований, выполняемых в рамках трех направлений: 1) изучение породных массивов в сфере влияния горных работ; 2) обоснование технических решений, обеспечивающих безопасность технологических процессов; 3) мониторинг состояния природно-техногенной системы (рис.6).

Рис. Структура организации работ и исследований в рамках системы научно-методического обеспечения безопасности при ведении горных работ

Система обеспечивает решение следующих инженерно-технических задач:

- определение устойчивых параметров сооружений - бортов карьеров, отвалов, гидроотвалов;

- разработка рациональных технологий ведения горных работ, предусматривающих минимизацию негативных последствий;

- разработка мер защиты охраняемых объектов - соседних действующих и строящиеся горных выработок, наземных сооружений и коммуникаций, экологически ценных территорий и др.

Система функционирует в соответствии со следующими методологическими принципами.

1. Программа исследований - состав и объемы работ, методы и методики изучения, прогноза и контроля - должны соответствовать целям решаемых инженерно-технических задач, закономерностям развития гидрогеомеханических процессов и обусловленных ими опасных экзогенных явлений в условиях конкретной природно-техногенной системы.

2. Обеспечение безопасности горных работ достигается при комплексном использовании специализированных методов исследований с учетом технологии горного производства, при этом изучение водонасыщенных массивов производят с применением инженерно-геологических, гидрогеологических и геофизических методов при оптимальном сочетании натурных и лабораторных исследований; обоснование - математическими методами гидродинамики и геомеханики; мониторинг - посредством маркшейдерско-геодезических, гидрогеологических, инженерно- геологических и геомеханических методов и технических средств.

3. Все виды работ и исследований, выполняемых в рамках системы, взаимосвязаны, что предопределено взаимообусловленностью целей и задач трех направлений.

4. Изучение компонентов геологической среды выполняется с целью получить информацию, необходимую для прогнозирования поведения породных массивов при реализации технологических процессов, что достигается посредством решения следующих задач:

- установление «определяющих» признаков природно-техногенной системы, типа и характера деформационного поведения пород;

- получение количественных оценок интенсивности внешних воздействий, характеристик техногенного режима подземных вод, расчетных параметров свойств пород, соответствующих их деформационному поведению.

5. Инженерно-геологическое обоснование имеет цель: определение оптимальных параметров горнотехнических сооружений, рациональных технологий горных работ и эффективных мер инженерной и экологической защиты, что достигается посредством последовательного решения следующих задач:

- обоснование специализированных моделей породного массива: геолого-структурной, инженерно-геологической, гидрогеологической и геомеханической;

- разработка комплексной гидрогеомеханической модели (ГГМ);

- прогноз изменения НДС массива с учетом влияния на его компоненты технологических процессов;

- оценка возможности развития опасных техногенных процессов и характера их влияния на безопасность горных работ и охраняемых объектов;

- разработка критериев безопасности.

6. Мониторинг состояния природно-техногенной системы имеет две цели: 1- контролирование промышленной и экологической безопасности при реализации технологических процессов и после их завершения; 2 - изучение объективных (зафиксированных инструментальными измерениями) закономерностей в развитии гидрогеомеханических процессов и связанных с ними опасных горно-геологических явлений, что достигается посредством:

- организации режимных наблюдений за основными факторами (контролируемыми параметрами), определяющими интенсивность развития гидрогеомеханических процессов - деформациями, напорами подземных вод, поровым давлением в техногенных массивах (деформационный и гидрогеологический мониторинг);

- сравнения контролируемых параметров гидрогеомеханических процессов с критериями безопасности или выполнения непосредственных расчетов состояния массивов с использованием фактически зарегистрированных параметров (геомеханический мониторинг);

- периодического опробования массивов на предмет соответствия инженерно-геологических характеристик пород расчетным параметрам, определенных прогнозным путем с учетом особенностей их деформационного поведения (инженерно-геологический мониторинг);

- корректировки ГГМ с учетом уточненных параметров (в том числе и вычисленных путем решения эпигнозных задач) и объективно выявленных закономерностей развития гидрогеомеханических процессов;

- выполнения долговременных прогнозов на базе откорректированной ГГМ.

Содержание разработанной системы обеспечения безопасности детально раскрывается на примере решения задач, связанных с управлением устойчивостью откосов намывных массивов. Доминантой в системе обеспечения безопасности объектов промышленной гидротехники является гидрогеомеханический мониторинг, который сопровождает технологические процессы в течение всего срока существования сооружений, выполняя функции изучения НДС и свойств намывных пород, обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и контролирования их устойчивости.

Внедрение рекомендаций по безопасности гидроотвалов на стадиях эксплуатации и вторичного освоения при использовании в качестве оснований «сухих» отвалов позволило получить экономический эффект более 5 млрд. руб. в ценах 2009 г. за счет сокращения площадей земельного отвода, расходов на рекультивацию, сокращения дальности транспортировки вскрышных пород и извлечения из недр дополнительных запасов угля.

Заключение

Результаты исследований представляют собой законченную научно-квалификационную работу, в которой решена крупная научная проблема - разработано научно-методическое обоснование прогноза гидрогеомеханических процессов, что имеет важное практическое значение в области обеспечения промышленной и экологической безопасности горнодобывающего производства.

Основные научные и практические результаты исследований:

1. На основании анализа техногенных изменений геологической среды при разработке МПИ открытым и подземным способом выявлены опасные горно-геологические явления, осложняющие производство горных работ в водонасыщенных породных массивах и нарушающие условия функционирования инженерных сооружений. На сегодняшний день актуальными гидрогеомеханическими задачами являются: прогноз деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок, оценка оползнеопасности естественных склонов в сфере влияния горных работ, обеспечение безопасности горных работ при эксплуатации объектов промышленной гидротехники.

2. По результатам исследования закономерностей деформирования пород различной литогенетической принадлежности сформулировано представление о гидрогеомеханической модели и деформационном поведении водонасыщенных горных пород, разработана типизация, которая позволяет выбрать адекватные математические модели оценки напряженно-деформированного состояния пород в рамках решения гидрогеомеханических задач, обосновать состав необходимых параметров свойств пород и методику их определения.

3. На основании инженерно-геологического анализа результатов экспериментальных исследований установлены закономерности развития гидрогеомеханических процессов в техногенно-нарушенных породных массивах при затоплении шахт и карьеров. С учетом установленных закономерностей разработаны:

- методический подход к прогнозированию деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок;

- принципы геомеханической схематизации с использованием критерия определения направленности ожидаемых деформаций;

- способы обоснования расчетных параметров геомеханических моделей;

- определены условия применимости методов численного моделирования для оценки напряженно-деформированного состояния техногенно-нарушенных водонасыщенных массивов.

4. Изучение оползневых склонов в Кузбассе показало, что подземные горные работы и намыв гидроотвалов изменяют гидрогеомеханическую обстановку территорий и являются причиной активизации оползнепроявлений покровного типа. Разработаны принципы оценки степени оползнеопасности территорий с учетом совместного влияния природных и техногенных факторов, методика прогноза скорости оползневых смещений на базе реологических расчетов и методика определения расчетных реологических параметров глинистых пород.

5. Технолитогенез, как процесс формирования свойств намывных пород, контролируется образованием и рассеиванием порового давления. Выявлена зональность в намывных массивах по механизмам формирования порового давления, установлены закономерности его развития в зависимости от гидрогеомеханических условий, технологии и интенсивности нагружения. Обоснованы методики изучения и прогнозирования порового давления.

6. Сформулированы общие закономерности развития гидрогеомеханических процессов при реализации различного рода горнотехнических мероприятий. Разработана единая система научно- методического обеспечения безопасности горных работ и методологические принципы ее функционирования, определяющие цели, задачи, программу работ и методы исследований, выполняемых в рамках трех направлений: - изучение породных массивов в сфере влияния горных работ - обоснование оптимальных параметров технологических процессов и мер инженерной защиты; - мониторинг состояния природно-техногенной системы.

7. Обеспечение безопасности объектов промышленной гидротехники достигается посредством интерактивного гидрогеомеханического мониторинга. Определен порядок организации мониторинговых наблюдений, обоснованы состав контролируемых показателей и способы определения критериев безопасности, разработаны технические средства автоматизированных наблюдений с использованием сотовой GSM связи, методика управления устойчивостью гидротехнических сооружений посредством регулирования параметров технологических процессов.

8. Результаты исследований использованы при оценке экологических последствий затопления шахт г. Анжеро-Судженск, карьеров «Южный» и трубки «Мир», обосновании мер противооползневой защиты г. Осинники и промплощадки разреза «Ерунаковский» в Кузбассе, разработке рекомендаций по намыву гидроотвалов и отсыпке отвалов на слабом основании, экономический эффект от внедрения которых на предприятиях ОАО «УК» Кузбассразрезуголь» составил более 5 млрд. руб. в ценах 2009 г.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Кутепова Н.А. Уплотнение гидроотвалов в связи с их рекультивацией / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова // Физические процессы горного производства: Тр. ЛГИ. - Л, 1986. - С. 70-76.

2. Кутепова Н.А. Рациональное использование гидроотвалов углеобогатительных фабрик / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, Ф.Ф. Наумов // Уголь, 1988. № 11 - С.12-15.

3. Кутепова Н.А. Обеспечение безопасных условий эксплуатации гидроотвалов и хвостохранилищ / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, В.В. Ермошкин // Проблемы геодинамической безопасности: II Международное рабочее совещание. 24-27 июня 1997. СПб.: Изд-во ВНИМИ, 1997. - с.164-169.

4. Кутепова Н.А. Оценка влияния подземных горных работ на устойчивость подрабатываемых естественных склонов / Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. // Экологические проблемы горного производства: тр. Конференции МГИ. - М., 1999. - С.551-552.

5. Кутепова Н.А. Методика прогноза напряженного состояния обводненных песчано-глинистых массивов / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, В.А Подольский // Горная геомеханика и маркшейдерское дело: Сб. научн. тр. - СПб.: Изд-во ВНИМИ, 1999. - С. 94-103.

6. Кутепова Н.А. Обеспечение промышленной и экологической безопасности строительства, эксплуатации, консервации и ликвидации гидроотвалов на разрезах Кузбасса / Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Практика С.В. и др. // Сб. нучн. тр. Кемеровского политехнического института - Кемерово, 2001 г. - С.114-121.

7. Изучение намывных техногенных массивов / Ю.И. Кутепов, Н.А., Кутепова // Современные проблемы гидрогеологии и геомеханики: Сб. докл. Конференции - СП б.: Изд-во СПГУ, 2002. С.287-295.

8. Кутепова Н.А. Техногенез намывных пород / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова // Геоэкология, 2003, №5. М.: Наука. - С.405-413.

9. Кутепова Н.А. Прогноз гидрогеомеханических процессов в прибортовом массиве при затоплении карьера / Кутепов Ю.И, Кутепова Н.А., Подольский В.А..// ГИАБ, 2004. №5 - М.: Изд-во МГГУ. - С.65-73.

10. Кутепова Н.А. Изучение инженерно-геологических условий гидроотвалов Кузбасса на различных этапах существования / Ю.И. Кутепов Ю.И., Н.А. Кутепова., А.Х.Саркисян // ГИАБ, 2004. №5 - М.: Изд-во МГГУ. - С.145 - 149.

11. Кутепова Н.А. Закономерности оползневых процессов на подрабатываемых склонах // Геоэкология, 2005, №5. - С. 431-441.

12. Кутепова Н.А. Инженерно-геологическое и экологическое обоснование рекультивации гидроотвалов вскрышных пород / Ю.И. Кутепов, Н.А.Кутепова, В.В.Ермошкин, В.П Жариков // Сергеевские чтения. Инженерно-геологические и геоэкологические проблемы утилизации и захоронения отходов. Выпуск 7. - М.: ГЕОС, 2005. - С. 132-137.

13. Кутепова Н.А. Обеспечение безопасности гидроотвалов при их экскавации и размещении отвалов «сухих» пород / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, В.В Ермошкин // Гидромеханизация -2006: Материалы четвертого съезда гидромеханизаторов России. Выпуск 4 - М.: Изд-во МГГУ, 2006. - С.296-304.

14. Изучение порового давления в намывных массивах / Ю.И.Кутепов, Н.А. Кутепова // Геоэкология, 2006, №2. - С.156-166.

15. Кутепова Н.А. Обеспечение безопасности гидроотвалов при открытой добыче угля / Ю.И. Кутепов, Н.А.Кутепова, В.В. Ермошкин // ГИАБ, 2007. №1 - М.: МГГУ. - С. 125-131.

16. Кутепова Н.А. Studying of hyrogeomechanical processes / J. I.. Kutepov, N.A. Kutepova, G.B. Pospehov // Heft 2007-1. Statusbericht 2006. Institute of Geotechnical - TU Bergakademie Freiberg, 2007. - Р.253-258.

17. Кутепова Н.А. Изучение отложений золоотвалов ТЭЦ в связи с инженерной подготовкой территорий для строительства // Н.А. Кутепова, Ю.И. Кутепов, Ф.П. Стрельский и др. // Геоэкология, 2008. №1. - С.14-28.

18. Кутепова Н.А. Специфические особенности водно-физических, фильтрационных и механических свойств отложений золоотвалов // ГИАБ, 2008. № 9 - М.: МГГУ. С. 292-301.

19. Закономерности формирования порового давления при гидроотвалообразовании и отсыпке «сухих» отвалов / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова // ГИАБ, 2008, № 11. - М.: МГГУ. - С. 212-220.

20. Кутепова Н.А. Изучение инженерно-геологических условий ликвидации гидроотвалов / Н.А. Кутепова, Ю.И. Кутепов, Ф.П. Стрельский, А.И. Федосеев // ГИАБ, 2008. №6 - М.: МГГУ. - С.202-210.

21. Кутепова Н.А. Инженерно-геологические особенности техногенных отложений / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, Г.Е Фельдман // Инженерные изыскания, 2008. №5. - С. 44-47.

22. Кутепова Н.А. Методика и технические средства гидрогеомеханического мониторинга безопасности промышленных гидротехнических сооружений / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, Г.Л. Мильман // Инженерные изыскания, 2009, май. - С 54-59.

23. А.С. № 1399642 (СССР) Устройство для измерения деформаций откосов. (Авт. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Стешова И.В., Костин Е.В.), Опубликовано в БИ №20, 1988.

24. А.С. №146573 (СССР) Способ переформирования гидроотвала. (Авт. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Семикобыла Я.Г., Костин Е.В.). Опубликовано в БИ №10, 1989

25. А.С.№1641955 (СССР) Устройство для исследования механических свойств горных пород. ( Авт. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А.). Опубликовано в БИ №14, 1991.

26. А.С. № 1671858 (СССР) Способ отвалообразования. (Авт. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Семикобыла Я.Г., Демченко А.В). Опубликовано в БИ №14, 1991.

27. Рекомендации по инженерно-геологическому обоснованию параметров отвалов сухих пород, отсыпаемых на гидроотвалах / Ю.И. Кутепов, Ю.А. Норватов, Е.В. Костин, Н.А. Кутепова и др. - Л.: Изд-во ВНИМИ, 1985.- 84 с.

28. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть 1. Изучение гидрогеомеханических условий строительства и рекультивации отвальных сооружений / Ю.И. Кутепов, Ю.А. Норватов, Н.А. Кутепова и др. - Л.: Изд-во ВНИМИ, 1989. - 55 с.

29. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть II. Обоснование оптимальных параметров отвальных сооружений / / Ю.И. Кутепов, Ю.А. Норватов, Н.А. Кутепова и др. - Л.: Изд-во ВНИМИ, 1990. - 51 с.

30. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах / Г.Л. Фисенко, Т.К. Пустовойтова, А.М. Мочалов, Э.Л. Галустьян и др. (в т.ч. Н.А. Кутепова). - СПб, 1998. - 208 с. (Минтопэнерго РФ. РАН. Гос. НИИ горн. геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ).

Размещено на Allbest.ru