Инженерно-геологическое обоснование прогноза гидрогеомеханических процессов при ведении горных работ (06.08.2010)

Автор: Кутепова Надежда Андреевна

Мягкопластичная 0.054 0.031 0.010 0.021 10

Тугопластичная 0.066 0.043 0.027 0.016 13

Полутвердая 0.085 0.053 0.043 0.010 18

Твердая 0.144 0.102 0.902 0.010 23

*) параметры определены по прямолинейному участку кривых ползучести на стадии прогрессирующей ползучести непосредственно перед разрушением

Разработана методика прогноза деформационных процессов на естественных склонах с учетом воздействия природных (гидрогеологических) и техногенных факторов, которая включает следующие этапы. I этап – схематизация гидрогеомеханических условий района (районирование оползнеопасной территории на участки по типу пород "слабого" слоя, глубине его залегания и углу падения склона в пределах участка). II этап – прогноз возможного проявления деформаций ползучести и оползневых смещений с учетом гидродинамического режима подземных вод, заключающийся в анализе для каждого выделенного участка соотношения величины ( и значений параметров (пор, (уст, (( в диапазоне напряжений (, определяемом минимальным и максимальным уровнем подземных вод на расчетный период времени. На основании прогноза участки классифицируют на категории: относительно стабильные; нестабильные с периодической активизацией деформаций; нестабильные с устойчивым характером деформирования; оползнеопасные с возможным прогрессирующим разрушением. III этап – прогноз величин и скоростей развития деформаций на нестабильных участках, выполняемый по эмпирическим реологическим зависимостям с учетом периодичности изменения наряженного состояния пород, определяемой гидродинамическим режимом подземных вод. IV этап – прогноз деформаций земной поверхности с учетом влияния подземных горных работ, заключающийся в определении суммарных величин и скоростей горизонтальных смещений, обусловленных совместным развитием естественного оползневого процесса и сдвижения горных пород результате подработки.

Разработанная методика использована для районирования территории г. Осинники по степени оползнеопасности склонов с учетом планируемых подземных горных работ для разработки перспективного плана сноса жилого фонда на участках с ожидаемыми деформациями, превышающими допустимые для имеющихся зданий и сооружений.

IY защищаемое научное положение. При обосновании устойчивости гидроотвалов следует учитывать, что нагружение намывных массивов сопровождается изменением напряженно-деформированного состояния слагающих их пород не только в зоне сжатия, но и в непригруженной части – зоне влияния. Размеры зон, величина и динамика развития в них порового давления, характер изменения состояния и свойств пород зависят от площади и интенсивности технологического воздействия.

Анализ особенностей технолитогенеза отложений гидроотвалов вскрышных пород и хвостохранилищ показывает, что основным фактором диагенетических преобразований намывных осадков является давление, под действием которого происходит механическая реорганизация коагуляционных структур без образования прочных цементационных контактов. Намывные отложения в любом физическом состоянии содержат в преобладающем количестве воду переходных категорий (консолидационную фазу) с низким уровнем энергетической связи с минеральным веществом, которая обладает относительно высокой подвижностью. Эти техногенетические особенности намывных грунтов предопределяют неустойчивое фазо-физическое состояние, при котором любые внешние воздействия вызывают развитие фильтрационно-пластических деформаций. Под влиянием технологических процессов, изменяющих напряженное состояние техногенных массивов и его составляющую – поровое давление, намывные породы претерпевают изменения различного характера: они могут уплотняться в процессе фильтрационной консолидации от текучей до полутвердой консистенции с соответствующим возрастанием прочности или, наоборот, разуплотняться, при этом их прочностные характеристики снижаются.

Характер влияния технологических факторов на изменение НДС намывных массивов в период эксплуатации гидроотвалов иллюстрируется результатами мониторинга состояния устойчивости гидроотвала «Бековский». Показано, что НДС пород в откосной части сооружения нестабильно, оно изменяется в течение годичного цикла эксплуатации из-за колебаний порового давления (рис.4). Любые мероприятия вызывают повышение порового давления, но более всего – отсыпка дамб наращивания, которая вызывает резкое возрастание порового давления в обширной области намывного массива. Размеры этой области и величина инициированного в ней порового давления зависят от высоты отсыпаемой дамбы и скорости ее формирования. В частности, при отсыпке дамбы одним слоем мощностью более 2.5 м со скоростью 30 м в сутки зона влияния отсыпки распространяется в сторону низового откоса на расстояние более 100 м от оси отсыпаемой дамбы, прирост порового давления в ней достигает величины нагрузки от веса дамбы.

При высокой интенсивности формирования дамб наращивания избыточное поровое давление «накапливается» год от года в призме возможного оползания откоса гидроотвала, состояние его устойчивости ухудшается, и, во время очередной отсыпки может произойти оползень. Замеры порового давления, выполненные непосредственно перед крупной оползневой деформацией, свидетельствуют о том, что в верхней части откоса мощностью 20 м, сложенной текучепластичными грунтами, эффективные напряжения были снижены практически до нуля, что при весьма низком коагуляционном сцеплении (0,015 МПа) привело откос в состояние предельного равновесия.

Рис. 4. Изменение избыточного порового давления в откосной части намывного массива на различных этапах эксплуатации гидроотвала: I – намыва; II – «отдыха»; III – отсыпки дамбы наращивания (три слоя III-1, III-2, III-3); IY – формирования пригрузочных призм на откосе; Y – «отдыха»; YI – намыва.

Установленные закономерности изменения НДС намывных пород позволили разработать рациональный режим формирования дамб наращивания и систему мониторинга безопасности, которые обеспечили в последующем безаварийную эксплуатацию гидроотвала «Бековский» в течение 20 лет.

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. 5. 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. 6. 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;


загрузка...