Разработка методики геолого-маркшейдерского обеспечения безопасности гидроотвалов вскрышных пород: На примере гидроотвалов Кузбасса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.16, кандидат технических наук Ермошкин, Василий Васильевич

• Ермошкин, Василий Васильевич
• кандидат технических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ермошкин, Василий Васильевич

Ведение.

Глава 1. Состояние геолого-маркшейдерского обеспечения гидроотвальных.работ на разрезах угольной отрасли.

1.1. Общие положения геолого-маркшейдерского обеспечения горных работ при разработке месторождений угля.

1.2. Анализ изученности вопроса геолого-маркшейдерского обеспечения гидроотвальных работ.

Глава 2. Горно-геологические условия гидроотвалообразования на разрезах Кузбасса.

2.1. Инженерно-геологическая характеристика вскрышных пород Кузбасса неоген-четвертичного возраста.

2.2. Характеристика гидромеханизационных работ на разрезах Кузбасса.

2.3. Инженерно-геологические условия формирования гидроотвалов вскрышных пород.

2.4. Выводы.

Глава 3. Оценка безопасности строительства и эксплуатации гидроотвалов.

3.1 .Деформации на намывных гидротехнических сооружениях горного профиля.

3.2. Сценарий развития на гидроотвалах гидродинамической аварии.

3.3. Оценка надежности гидроотвалов и степени риска возникновения аварийных ситуаций.

3.4.Вывод ы.

Глава 4. Критерии безопасности строительства, эксплуатации и консервации гидроотвалов.

4.1. Общие положения.

4.2. Обоснование коэффициента запаса устойчивости для гидроотвалов.

4.3. Оценка устойчивости гидроотвалов по гидрогеологическим факторам.

4.4. Обоснование допустимых деформаций на гидроотвалах.

4.5. Выводы.'.SO

Глава 5. Методы оценки безопасности гидроотвалов.

5.1. Маркшейдерские методы.

5.2. Методы оценки устойчивости гидроотвалов.

5.3. Выводы.Ill

Глава 6. Рекомендации по геолого-маркшейдерскому обеспечению гидроотвальных работ.

6.1. Геолого-маркшейдерское обеспечение безопасности гидроотвалов.

6.2. Мониторинг безопасности гидроотвалов.

6.3. Мероприятия по обеспечению безопасности гидротехнических сооружений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики геолого-маркшейдерского обеспечения безопасности гидроотвалов вскрышных пород: На примере гидроотвалов Кузбасса»

Актуальность работы. Использование поточных технологий в Кузбассе, в частности для формирования техногенных намывных массивов -гидроотвалов и хвостохранилищ сдерживается рядом негативных последствий, основным из которых следует признать повышенную землеемкость намывных объектов и связанную с этим проблему изъятия из сельскохозяйственного оборота земельных плошадей. Применение средств гидромеханизации на разрезах Холдинговой компании (ХК) «Кузбассразрезуголь» предполагает увеличение емкости и высоты действующих гидроотвалов, что существенно скажется на промышленной и экологической безопасности, так как потеря устойчивости ограждающих дамб может привести к затоплению прилегающих сельскохозяйственных угодий и населенных пунктов, а также загрязнению поверхностных и подземных вод.

Актуальность данной проблемы подтверждается Федеральным Законом "О безопасности гидротехнических сооружений" (№117-Ф-3), принятым 23 июня 1997 года.

Устойчивость бортов карьеров и отвалов в горной практике принято контролировать маркшейдерскими методами, сутью которых является наблюдения за деформациями поверхности. При строительстве и эксплуатации гидроотвалов в силу специфических условий формирования техногенных массивов необходимо также контролировать состояние и свойства намывных пород. Поэтому оценка, прогноз и контроль устойчивости намывных сооружений должны базироваться на комплексной методике, включающей маркшейдерские наблюдения и инженерно-геологические исследования.

Таким образом, разработка методики геолого-маркшейдерского обоснования безопасности гидроотвалов вскрышных пород является актуальной научно-практической задачей. ч

Целью работы является разработка методики геолого-маркшейдерского обеспечения промышленной и экологической безопасности гидроотвапов при разработке угольных месторождений.

Идея работы заключается в том, что обеспечение безопасности гидроотвалов усматривает вероятностную и экономическую оценку степени риска аварий, выбор и обоснование критериев безопасности намывного объекта, организацию мониторинга безопасности гидроотвалов.

Научные положения, разработанные лично соискателем и их новизна:

1. Анализ безопасности гидротехнических сооружений предусматривает вероятностную и экономическую оценку степени риска гидродинамической аварии и установление уровня надежности сооружения, осуш;ествляемые по результатам изучения причин аварий и статистике аварийных ситуаций с привлечением методов статистического моделирования, учитываюш;их изменение напряженного состояния намывного массива и физико-механических свойств пород.

2. В качестве критериев безопасности гидроотвалов приняты:

- коэффициент запаса устойчивости;

- показатели напряженно-деформированного состояния массива (коэффициент норового давления, критическое и предельное значения норового давления);

- величины деформаций сдвига и уплотнения техногенного массива.

3. Безопасность гидроотвалов обеспечивает реализация мониторинга, включаюшего комплекс инженерно-геологических работ и исследований и маркшейдерских наблюдений; оценка состояния сооружения по данным мониторинга осуществляется посредством сравнения получаемых результатов с критериями безопасности, обоснованными для различных этапов формирования сооружений.

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

- результатами статистического моделирования устойчивости откосов действующих гидроотвалов;

- положительной апробацией разработанных рекомендаций на гидроотвалах вскрышных пород Кузбасса.

Методы исследований. В работе использован комплексный подход, включающий системный анализ горно-геологических условий гидроотвалообразования, маркшейдерские методы наблюдений на объектах, экспериментальные методы инженерно-геологического изучения условий формирования гидроотвалов вскрышных пород, решение теоретических задач методами механики сплошной среды, статистическое моделирование, промышленные испытания разработанных мероприятий на гидроотвалах Кузбасса.

Научное значение работы:

Выполнена инженерно-геологическая оценка условий разработки неоген-четвертичных отложений Кузбасса средствами гидромеханизации;

Разработан сценарий возникновения аварийных ситуаций на гидроотвалах вскрышных пород;

Составлена оценка надежности гидроотвалов и степень риска возникновения них аварийных ситуаций на намывных сооружениях угольных разрезов Кузбасса;

Обоснованы критерии безопасности строительства и эксплуатации гидроотвалов;

Обоснована методика инженерно-геологической оценки и прогноза устойчивости гидроотвалов и маркшейдерских наблюдений при формировании намывных сооружений.

Практическая ценность работы заключается в установлении расчетных показателей физико-механических свойств намывных отложений Кузбасса, использование для контроля устойчивости комплекса маркшейдерских и инженерно-геологических методов оценки устойчивости гидроотвалов, разработке рекомендаций по организации мониторинга безопасности гидроотвалов.

Объектами исследований являются гидроотвалы вскрышных пород Кузбасса, методы маркшейдерского и гидрогеомеханического обоснования безопасности гидроотвальных работ.

Разработанная методика использовалась на разрезах ХК

Кузбассразрезуголь" при составлении декларации безопасности гидроотвалов, а также организации мониторинга безопасности.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на II Международном рабочем совещании "Проблемы геодинамической безопасности"(Санкт-Петербург, 1997), Всесоюзной конференции "Социально-экономические и научно-технические проблемы интенсификации на открытой добыче Кузбасса" (Кемерово, 1984),научно-практических семинарах "Гидрогеологические и инженерно-геологические проблемы при разработке угольных месторовдений (Ялта, 1992, 1993, 1994, Санкт-Петербург, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, изложенных на 162 страницах машинописного текста, содержит 13 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 80 наименований.

Заключение диссертации по теме «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр», Ермошкин, Василий Васильевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ т-ч и о

В диссертации дано новое решение актуальной научной задачи )азработки методических основ геолого-маркшейдерсокго обеспечения идроотвалов вскрышных пород, что способствует технико-экономической )ффективности гидроотвальных работ, их промышленной и экологической Зезопасности.

Основные научные и практические результаты заключаются в шедующем:

1. Вскрышная толш;а разрезов Кузбасса включает неоген-четвертршные линистые породы аллювиального, делювиально-пролювиального, эолового енезиса; наиболее пригодными для гидромеханизационного удаления шляются породы еловской, бачатской, кедровской и сергеевской свит, так как имеют наибольший коэффициент пористости являются недоуплотненными, юрошо размокают.

2. Инженерно-геологические условия гидроотвалОв определяются эракционированием частиц и агрегатов при намыве, влияющим на состав иамывных осадков, и процессами гравитационного уплотнения, определяющими напряженное состояние и свойства пород гидроотвалов; изменение напряженного состояния намывных отложений контролируется щнамикой порового давления в процессе намыва пород и дополнительном иагружении при строительстве дамб наращивания; эти процессы обусловливают формирование неоднородных техногенных массивов с 5акономерным изменением состава осадков в плане и напряженного и физического их состояния по глубине.

3. Анализ аварийных ситуаций при эксплуатации гидроотвалов показал, ито большая их часть происходит при неблагоприятном гидрологическом и идрогеологическом режимах, превышении параметров гидроотвалов, нарушении технологии формирования дамб нарашивания, сейсмическом воздействии; указанные причины легли в основу обоснованных сценариев зазвития на гидроотвалах гидродинамических аварий; вероятностную оценку зиска аварий на гидроотвалах и установление на этой основе уровня надежности сооружений рекомендуется производить комплексно с использованием различных методик, включаюш;их статистическую обработку фактических аварий в отрасли и регионе, а также статистическое моделирование устойчивости гидроотвалов.

4. Основными критериями безопасности строительства и эксплуатации идроотвалов являются:

1) коэффициент запаса устойчивости, определяемый расчетными методами, значение которого должно соответствовать нормативной величине, зегламентированной для различных этапов существования сооружения;

2) критерии, учитывающие напряженное состояние пород намывных массивов и основания (коэффициент норового давления; предельное и фитическое норовое давление);

3) деформации на гидроотвалах, среди которых следует различать зезопасные вертикальные смещения, вызванные развитием процессов консолидации, и недопустимые горизонтальные смещения, обусловленные сдвиговой ползучестью, приводящие к образованию оползней.

5. Определены основные задачи маркшейдерских наблюдений на :'идроотвалах, обоснованы требования к точности их решения; в зависимости от имеющегося на предприятиях оборудования рекомендованы различные маркшейдерские методы: полевые геодезические измерения; подземная фотограмметрическая и аэрофотограмметрическая съемки.

6. Оценку устойчивости гидротехнических сооружений реко-мендуется производить с использованием методов алгебраического суммирования сил и метода весового давления, которые позволяют учесть: неоднородность строения, состава, состояния и свойств пород; изменчивость во времени идрогеологических и инженерно-геологических условий; сейсмическое юздействие.

7. Разработано геолого-маркшейдерское обеспечение безопасности Лидроотвальных работ - комплекс работ и исследований, включающий изучение шженерно-геологических условий гидроотвалов и маркшейдерские наблюдения за деформациями, направленный на оценку, прогноз и контроль устойчивости сооружений.

8. Разработана методика организации на гидроотвалах мониторинга зезопасности, включающая наблюдения за устойчивостью откосов, Гидрогеологическим и гидрологическим режимами сооружения, технологическими параметрами гидроотвалообразования и экологической збстановкой на гидроотвале и территории, прилегающей к нему. Контроль за устойчивостью гидроотвалов рекомендуется осуществлять комплексно с нрименением инженерно-геологических и маркшейдерских методов, при этом шженерно-геологические исследования позволяют оценивать состояние устойчивости по основному определяющему фактору - норовому давлению в намывных породах, а маркшейдерские наблюдения дают реальную картину деформационных процессов на откосах. Система мониторинга безопасности зборудована на всех эксплуатируемых гидроотвалах ХК "Кузбассразрезуголь".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ермошкин, Василий Васильевич, 2001 год

1. Хомен Н.Д. Гидромеханизация в современном строительстве, лльхозгиз, 1953, 167 с.

2. Вершинин В.В. Гидромеханизация при разработке пластовых и )оссыпных месторождений. Металургиздат, 1944 г, 352 с.

3. Дьяков П.П. Гидромеханизация земляных работ на железнодорожном ранспорте. Трансжелдориздат. 1950, 216 с.

4. Мельников Н.В. Механизация и гидротранспорт открытых горных )абот. Уголь, 1949, № 1.

5. Никонов Г.М. Славутский С. О. Гидромеханизация в угольной 1ромыпшенности. Углетехиздат, 1952 г.

6. Нурок Г. А. Гидромеханизация горных работ. М.: Углетехиздат, 1959,591.

7. Нурок Г.А. Гидромеханизация открытых разработок. М. Недра, 1970.

8. Нурок Г.А. Процессы технология гидромеханизации открытых горных забот. М.Недра, 1985,470 с.

9. Нурок Г.А., Луговинов А.Г., Шерстюков А.Д. Гидроотвалы на карьерах. VI. Недра, 1977,308 с.

10. Огурцов А.И. Намыв земляных плотин. Госстройиздат, 1957, 282 с

11. Фридман Б.Э. Разработка россыпных месторождений идромеханизацией. Металургиздат, 1957, 186с.

12. Царевский A.M. Гидромеханизация мелиоративных работ. Сельхозгиз, 1956,125 с.

13. Шкундин Б.М. Гидромеханизация в строительстве. Машстройиздат, 1948,218 с.

14. Юфин А.П. Напорный гидротранспорт. Госэнергоиздат, 1950.

15. Смолдырев A.E. Гидравлический и пневматический транспорт на гольных предприятиях. Углеиздат, 1956.

16. Харин А. И. Гидромеханизация в мелиоративном строительстве. М., Солос, 1982.

17. Меламут Д. Л. Гидромеханизация в мелиоративном и юдохозяйственном строительстве. М., Стройиздат, 1981.

18. Попов Ю.А., Рощупкин Д.В. Гидромеханизация земляных работ в iHMHce время. Л., Стройиздат, 1979.

19. Гальперин A.M. Специальные вопросы инженерной геологии при идромеханизации открытых разработок. М., 1974, 70 с.

20. Ильин И.И. Геолого-маркшейдерское обеспечение управления ХЖЛИНХТЬЮ бортов глубоких железнодорожных карьеров. Авт. дис. на соиск. Л1ен. степ. докт. техн. наук. М., МГИ, 1988.

21. Гальперин A.M. Управление состоянием намывных массивов на орных предприятиях. М., Недра, 1988.

22. Гальперин A.M., Дьячков. Гидромеханизированные природоохранные технологии. М., Недра, 1993.

23. Гальперин A.M., Ферстер В., Шеф Ю. Техногенныемассывы и охрана окружающей среды. М., Из-во МГГУ, 1997, 534 с.

24. Зайцев B.C. Прогноз и контроль состояния глинистых пород откосных юоружений рассолохранилищ. Авт. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук, У., МГИ, 1978.

25. Лапочкин Б.К. Инженерно-геологическая оценка намывных глинистых рунтов для увеличения емкости гидроотвалов. Авт. дис. на соиск. учен. степ, санд. геол.-мин. наук. М., МГУ.

26. Кириченко Ю.В. Управление состоянием массивов гидроотвалов для эффективного использования намывных территорий. Авт. дис. на соиск. учен. :теп. канд. техн. наук. М., МГИ, 1983.

27. Жданов СЕ. Инженерно-геологическое дешифрирование юрофотосъемочных материалов при оценке состояния намывных массивов. \вт. дне. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. М., МГИ, 1989.

28. Щербакова Е.П. Инженерно-геологическое и геоморфолологическое обоснования техногенного рельефа намывных территорий гидроотвалов. Авт. щс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. М., МГГУ, 1997.

29. Саркисян A.A. Обоснование методов и технических средств геолого-маркшейдерского мониторинга гидроотвалов. Авт. дне. на соиск. учен. степ, санд. техн. наук. М., МГГУ, 1998.

30. Мосейкин В.В. Гео лого-экологическая оценка намывных техногенных массивов хранилиш горнопромыпшенных отходов. Авт. дис. на соиск. учен, степ. докт. техн. наук. М., МГГУ, 2000.

31. Методические >тсазания по определению параметров угольных эазрезов. Л: Из-во ВНИМИ, 1975.

32. Рекомендации по инженерно-геологическому обоснованию параметров отвалов сухих пород, отсыпаемых на гидроотвалах. Л: Из-во ЗНИМИ, 1984.

33. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть I. Обоснование оптимальных параметров отвальных сооружений. Л.; ЗНИМИ, 1990. - 50 с.

34. Крячко О.Ю. Управление отвалами открытых горных работ. М.: Недра, 1980.

35. Кутепов Ю.И. Инженерно-геологические условия техногенных пород. \БТ. дне. на соиск. учен. степ. канд. геол. мин. наук. - Л: ЛГИ, 198L

36. Кутенова H.A. Инженерно-геологические условия формирования свойств техногенных отложений углеобогатительных фабрик. Авт. дне. на соиск. учен. степ. канд. геол. мин. наук . - Л: ЛГИ, 1987.

37. Кутепов Ю.И. Научно-методические основы инженерно-Геологического обеспечения при разработке угольных месторождений. Авт. цис. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук. М: МГГУ, 1999.

38. Гальперин A.M., Крячко О.Ю., Дергилев М.А. Геотехническое обслуживание гидроотвальных работ на разрезах. М., ЦНИИУголь, 1971, 59 с.

39. Инструкция по проектированию гидроотвалов из глинистых грунтов и зроектированию их состояния. ВСН 291-72. ММ СС СССР, ЦБНТИ, М, 1971, 77 с.

40. Устройство оснований под гражданское и промышленное строительство гидромеханизированным способом. ВСН 385-88, УГинмонтажспецстрой СССР, М., 1988, 34 с.

41. Каминская В.И., Длоугий В.И. Особенности расчета устойчивости гидроотвалов, намытых из связнных грунтов. М., Из-во Троектгидромеханизация, 1972.

42. Каминская В.И., Длоугий В.И. Исследование фильтрационных свойств намытого грунта гидроотвалов. М., Из-во ВНИИГС, 1972.

43. Дмитриенко Ю.Д., Левченко И.М. Гидроотвалы из глинистых грунтов.1. Стройиздат, 1975, 96 с.

44. Длоугий А.И., Каменская. Исследования гидроотвалов Семилунского $авода огнеупоров, намытых из свезных грунтов. Тр. ВНИИГС, 1970, вып. 31.

45. Стрельцов В.И., Могильный С.Г. Маркшейдерское обеспечение триродопользования недр. М.: Недра, 1989, 204 с.

46. Правила безопасности при эксплуатации хвостовых, шламовых и идроотвальных хозйств. Из-во НИИ ВИОГЕМ Минпрома России, 1997, 98 с.

47. Charles J.A., Hughes D.B., Burford D. The effect of a rise water table on he settlement of backfill of Horsley restored opencast coal mining site, 1973-1983. viov. and struct. Proa. 3rd Int. conf. Cardiff, M l, 1984, London, Plymonth, 1985.

48. Ferguson D. Reclaimed and backfilled areas. Ground. Mov. and struct. Proc. 5rd int. conf. Cardiff, Jull,1984. London, Plymouth, 1985.

49. Jacobs D., Kassa H.- P. Grundung auf Kippengelande mit bewehrtem jrundungspolster. Bauplan.- Bauteohn., 1988, 42, № 2.

50. Kieibasiewicz W. Ocena przydatnosoi wierzchowiny zwalowiska do ;abudowy ze wzgledu na deformacie. "Ochr. teren. gom", 1984, 18, № 67.

51. Ricey G.M. Tailings management. Elsevier-Amsterdam-Oxford-New York-Гокуо, 1989.

52. Sargunan A., Mallikajun N., Renapratap K. Geotechnical pro perties of efiise fills of Madras, India. "Int. Sump. Environ. Geotechnol. Allentown, Pa, Apr. П-23, 1986. Vol. I. Lehing Valley, Pa, 1986.

53. Singh R.N., Condon F.L., Denby B. Investigation into technigues of compaction of opencast mine backfill destined for development. Proc. of the Int. 5ymp. on Geotechn. Stabilitu In Surface Mining/ Calgary/ 6-7 Nov. 1986 Balkema шЫ., 1986.

54. Monitoring of tailings dams. ICOLG. Bui. 106, Paris,1996.

55. A quide to tailings dams and impoundments. ICOLG. Bui. 106, Paris, 1996.

56. Терцаги. К. Теория механики грунтов. М., Госстройиздат, 1961, 507 с.

57. Герсеванов Н.М, Польшин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов. М., 1Атройиздат, 1968.

58. Звонарев Н.К. Методика обоснования коэффициента запаса устойчивости бортов сарьеров. Труды ВНИМИ, 1964, сб.52.

59. Газиев Э.Г., Речицкий В.И. Вероятностная оценка надежности скальных массивов. -М.: Стройиздат, 1985.

60. Ермолаев Н.Н., Михеев В.В. Надежность оснований сооружений. М.: Строй-«дат, 1976.

61. Ingles O.G. Measurements of risk and rationality in civil engineering. 4 th International Conference on Application of Statistics and Probability in Soil and Stuctural Engineering, i<lorEncei1983

62. Речицкий В.И., Корядин И.А. Оценка надежности скальных массивов 10 методу Монте-Карло. Тезисы XI Российской конференции по механике юрных пород. СПб, 1997, с 111-117.

63. Отчет о НИР № 02100401401 «Разработка методов расчета шэффициента запаса устойчивости бортов разрезов в прибортовых массивх смежной структуры». СПБ, Фонды ВНИМИ, 1998, 45 с.

64. Фисенко Г. Л. Устойчивость бортов карьеров и стволов. Изд.2 с. М.: едра, 1965, -378 с.

65. Чугаев Р.Р. Земляные гидротехнические сооружения. Л.: Энергия, 967.-460 с.

66. Маслов H.H. Механика грунтов в практике строительства. М.: 1!тройиздат, 1977.-320 с.

67. СНиП 2.06.01.-86 "Гидротехнические сооружения. Основные юложения проек- тирования" М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987.

68. СНиП 2.06.05-84*. Плотины из грунтовых материалов. М.: Госстрой ХСР, 1991, 49с.

69. Трунин A.n. и др. Наземное стереофотограмметрическая съемка орных разработок. М: Недра, 1979, с 160 с.

70. Трунин A.n., Финаревский И.И., Чистяков СВ. Фототеодолитная съемка в срупных масштабах. М., Недра, 1978- 207 с.

71. Методические указания по аэрофотосъемке карьеров. Л., ВНИМИ, 969, 37 с.

72. Аэрофототопографическая съемка в масштабах 1:1000 и 1:500. у^тодические указания. Л., ВНИМИ, 1975,40 с.

73. Инструкции о порядке ведения мониторинга безопасностиидротехнических сооружений предприятий, организацией, подконтрольных органам Госгортехнадзора России от 12.01.98.

74. Временное положение о горно-экологическом мониторинге утверждено Госгортехнадзором России), 1997.

75. Гальперин А.М. Специальные вопросы инженерной геологии при идромеханизации открытых разработок М.: Из-во МГИ.