Инженерно-геологическое и гидрогеологическое обоснование эксплуатации и рекультивации гидроотвалов вскрышных пород Центрального Кузбасса

Актуальность работы. Открытая добыча угля в Кузбассе сопровождается изъятием земель из сфер лесного и сельскохозяйственного производства и их нарушением при создании открытых горных выработок-разрезов и формировании отвалов вскрышных пород. Отвально-разрезные комплексы в общем объеме нарушенных площадей составляют 80%, простираются на многие километры, занимают площади от десятков до тысяч гектаров и представляют собой основные объекты рекультивации. Одной из важнейших научно-технических задач при этом является обоснование рекомендаций по рациональному ведению рекультивационных и горных работ для создания комплексных горнотехнических сооружений, например, отвалов и гидроотвалов в горных выработках, отвалов на гидроотвалах, а также отвалов, отсыпанных на гидроотвалах, намытых в горных выработках. Подобные комбинации позволяют не только разместить на изъятых для нужд горного производства территориях дополнительные объемы вскрышных пород, но и выполнить их горнотехническую рекультивацию. Это особенно важно при решении проблемы рекультивации гидроотвалов вскрышных пород, которые длительное время из-за низкой несущей способности намывных отложений не доступны для производства специальных работ с применением сельскохозяйственного и рекультивацион-ного оборудования. Одним из путей ее решения является отсыпка на поверхности намывного массива слоя из достаточно прочных пород в виде «сухого» отвала, поверхность которого обеспечит доступ оборудования для выполнения рекультивации.

Гидроотвалы являются опасными производственными объектами (Федеральные Законы №№ 116 и 117 от 1997 г.), так как аварии на них могут привести к катастрофическим последствиям, связанным с нарушением земель, а иногда и к человеческим жертвам. Кроме того, они оказывают существенное влияние на окружающую природную среду, например, изменяя гидрогеологические условия территорий их расположения. В некоторых случаях в зонах влияния намывных сооружений находятся питьевые водозаборы. Совместная эксплуатация данных сооружений имеет позитивное значение, так как при поступлении на карты намыва пульпы, состоящей в большей степени из воды, происходит формирование дополнительных ресурсов питания подземных вод, изменяется гидродинамический режим намывного массива, предотвращается подтопление и заболачивание склонов и низовой части откоса гидроотвала за счет развития депрессионной воронки от работающего водозабора и, в конечном итоге, улучшаются условия устойчивости сооружения.

Таким образом, актуальность работы, направленной на комплексное изучение инженерно-геологических, гидрогеологических и экологических условий гидроотвалов при их эксплуатации и рекультивации, обусловлена настоятельной необходимостью разработки рекомендаций по обеспечению безопасности горных работ при открытой разработке угля.

Целью работы является разработка инженерно-геологического, гидрогеологического и экологического обоснования эксплуатации и рекультивации гидроотвалов вскрышных пород для обеспечения технико-экономической эффективности, экологической и промышленной безопасности горных работ.

Идея работы. Основой для обоснования экологической и промышленной безопасности гидроотвалов на этапах эксплуатации и рекультивации является комплексное изучение инженерно-геологических, гидрогеологических и экологических условий формирования и функционирования природно-техногенной системы «техногенный массив — природная среда» в зависимости от технологии горных работ и расположения в непосредственной близости водохозяйственных объектов.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. При намыве и рекультивации гидроотвалов вскрышных пород образуются техногенные массивы из намывных и насыпных пород, характеризующиеся определенной зональностью по инженерно-геологическим, гидрогеологическим и экологическим условиям, связанной с конструктивной особенностью объектов, технологией их формирования и литологией поступающих в сооружение вскрышных породдля каждой выделенной зоны рекомендуется посадка определенных видов растительности.

2. Рекультивацию гидроотвалов, сложенных обводненными «слабыми» отложениями, можно осуществить, используя отсыпку слоя относительно прочных пород «сухой» вскрыши мощностью, обеспечивающей проходимость транспорта и оборудования, а также условия произрастания определенных видов растительности по гидрогеологическим условиям, агрохимическим свойствам пород и плодородию образовавшихся почв.

3. Эксплуатация гидроотвалов, расположенных в зоне влияния водозаборов питьевой воды, позитивно сказывается на условиях работы последних, обеспечивая значительную часть (до 40%) ресурсов питания подземных вод, причем в летнее время они пополняются оборотной водой из пруда — отстойника и с пляжа намыва, а в зимнее время — за счет осушения Ш намывного массива и пруда — отстоиника.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются: теоретическим анализом технолитогенеза и гидрогеомеханических процессов в намывных и насыпных массивахданными экспериментальных исследований строения, состава, состояния и свойств намывных пород, гидрогеологического режима системы сооружение-основание, агрохимических свойств намывных и насыпных отложенийположительной апробацией полученных результатов при обосновании параметров гидроотвальных и рекультивационных работ.

Методы исследований. В работе использованы: комплексный подход к решению поставленных задач на основе анализа научной и патентной литературылабораторные и натурные методы изучения инженерно-геологических и экологических условий техногенных массивовметоды механики Ф сплошной средыпромышленные испытания разработанных рекомендаций.

Научное значение работы состоит в: комплексном изучении инженерно-геологических и экологических условий намывных и насыпных щ техногенных массивовобосновании рекультивации гидроотвалов путем отсыпки слоя относительно прочных пород в виде «сухого» отвала, характеризующихся агрохимическими свойствами, обеспечивающими произрастание древесной и кустарниковой растительностиоценке и прогнозе изменения работы режима водозабора, расположенного в зоне влияния гидроотвала, в различные периоды существования.

Практическая ценность работы заключается в установлении расчетных показателей физико-механических, водных и агрохимических свойств намывных и насыпных техногенных пород Кузбасса, разработке рекомендаций по параметрам отвалообразования на гидроотвалах и условиям совместной эксплуатации гидроотвала и водозабора, а также мониторингу безопасности гидроотвальных и рекультивационных работ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международном симпозиуме «Геотехнология: нетрадиционные способы освоения месторождений полезных ископаемых» (Москва, V 2003 г.), научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2004 г.) и.

Сергеевских чтениях в МГУ (Москва, 2005 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 79 наименований, содержит 36 рисунков, 16 таблиц.

4.6. Выводы по разделу.

1. Сартаковский гидроотвал «распластанного» типа, перекрывая долину речки Черневой Уроп в ее срединном течении, существенно влияет на режим стока поверхностных и подземных вод. Уропский водозабор, размещенный в устье долины реки Черневой Уроп, создает локальную депрессионную воронку радиусом 4−5 км и перехватывает расход подземных вод юрского водоносного комплекса, превышающий естественну подземный сток в долину речки Черневой Уроп и ее притоков.

2. Приповерхностный и подземный сток в долину речки Черневой Уроп формируется за счет атмосферных осадков и подвержен сезонным и многолетним колебаниям. Поверхностным стоком транспортируются талые и ливневые воды, подземным — инфильтрационное поглощение осадков почвами за вычетом испарения, в среднем 40 мм/год=1,1'10″ 4 мм/сут. Подземный сток на начальном этапе имеет характер склонового стока, причем часть этого стока (верховодка) по покровным суглинкам дренируется оврагами, секущими склоны по падению в среднем через 0,5 км, другая часть просачивается в коренные породы и по ним перебрасывается в долину речки, где развит комплекс юрских отложений повышенной проницаемости.

3. Собственно долинная часть речки Черневой Уроп (ровная пойма и низкая терраса) служит основным коллектором для вывода подземного стока за пределы водосборной площади. Наряду с высокой проводимостью пород, слагающих долину (Т= 100−400 м /сут), эта зона характеризуется отсутствием площадного экрана, за счет чего здесь склоновый подземный и поверхностный сток трансформируется в подземный подрусловый сток. Величина приведенной инфильтрации в долинной зоне, в связи с этим, на 12 порядка выше, чем на склонах.

4. Совместная эксплуатация Сартаковского гидроотвала и Уропского водозабора осуществлялась к взаимной пользе, поскольку первый создавал дополнительные ресурсы питания подземных вод, а второй ограничивал подтопление склонов и низовой части долины реки Черновой Уроп. Наращивание высоты гидроотвала при сохранении дебита Уропского водозабора может привести к развитию заболачивания прилежащих к гидроотвалу территорий, а при кольматации и уплотнении намывных породк потере гидроотвалом своей роли регулятора подземного стока, к осложнениям с устойчивостью высоких ограждающих дамб и сокращению дебита водозабора.

5. Для выполнения оценок влияния гидроотвала и горных работ разреза «Сартаки» необходимо организовать систему контроля за гидрогеомеханическими условиями совместной работы гидроотвала и водозабора — в случае продолжения гидроотвалообразования или за процессами, сопровождающими консолидацию намывных грунтов — в случае длительного перерыва намыва в современный пруд-отстойник. Система контроля должна решать практические задачи обеспечения дренажа территории и ритмичной работы Уропского водозабора. Основой такой системы должно быть ограниченное число режимных гидронаблюдательных скважин, оборудованных дистанционными датчиками давления, а также сеть пьезометров, контролирующих уровни подземных вод в пределах воронки депрессии Уропского водозабора.

6. Для разработки рекомендаций, но предотвращению истощения ресурсов Уропского водозабора следует провести гидрогеологическую разведку запасов подземных вод, формируемых водохранилищем Сартаковского гидроотвала. Для этого необходимо разбурить на восточном берегу долину реки Черновой Уроп выше низовой дамбы гидроотвала 5−10 водозаборных скважин, провести из них опытные откачки и наиболее дебитные скважины использовать как резерв на случай сокращения дебита скважин Уропского водозабора.

7. Аналогичный ряд водопонизительных скважин, в случае положительных результатов, следует предусмотреть на западном пологом берегу Сартаковского гидроотвала, где их целью, наряду с приростом дебита Уропского водозабора, должно быть сокращение развития подтопления при наращивании высоты гидроотвала.

8. Вопросы загрязнения воды, откачиваемой Уропским водозабором за счет попадания в водоносные горизонты оборотной воды, используемой при намыве Сартаковского гидроотвала, в настоящей работе не исследовались, поскольку качество питьевой воды прямых нареканий не вызывает, а состав оборотных вод, исследованый ранее, близок к составу поверхностных вод района. В последующем, при наращивании дебита Уропского водозабора за счет строительства скважин, базирующихся на прямой инфильтрации оборотных вод, необходимо иметь в виду, наряду с критерием дебитности скважин, также и критерий защищенности подземных вод слабопроницаемым экраном, исключающим чрезмерно быструю инфильтрацию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи оценки инженерногеологических, гидрогеологических и экологических условий гидроотвалов для обоснования безопасности и технико-экономической эффективности их эксплуатации и рекультивации.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Гидроотвалы вскрышных пород представляют собой достаточно сложные техногенные системы, сложенные породами с повышенной влажностью, пористостью, сжимаемостью и низкой плотностью, прочностью и несущей способностью, что делает поверхности намывных сооружений длительное время недоступными для выполнения рекультивационных, горных, сельскохозяйственных и других видов работони представляют собой опасные производственные объекты, оказывающие влияние на гидрогеологические условия территории их расположения и водохозяйственные объекты, находящиеся в зоне их влияния.

2. Намывные массивы характеризуются зональностью по минеральному и гранулометрическому составу пород, который в значительной степени определяет их физико-механические, водные, агрофизические свойствавыделяются зоны песчано-супесчаных, суглинистых и глинистых пород, каждая из которых характеризуется определенными инженерно-геологическими, гидрогеологическими и агрофизическими условиямина выделенных участках поверхности гидроотвала возможно произрастание определенных видов растительности.

3. Рекультивация территорий гидроотвалов под сельскохозяйственные и лесные угодья требует выполнения гидромелиоративных работ, связанных с осушением верхней части намывного массива, которые в некоторых случаях можно заменить отсыпкой на поверхности рекультивационного слоя пород, характеризующегося благоприятными условиями по инженерногеологическим, гидрогеологическим и агрофизическим свойствамв качестве подобного решения в Кузбассе можно использовать насыпи в виде отвалов из вскрышных пород, которые содержат достаточное количество органического материала — угля и обеспечивают проходимость и работу горнотранспортного оборудования.

4. Обоснование параметров отвала «сухой» вскрыши на гидроотвале, и в частности его высоту или мощность рекультивационного слоя, следует осуществлять с учетом целевого назначения объекта, инженерно-геологических и экологических условий гидроотвала, а также наличия пригодного для этих целей породного материалавозможны варианты, предполагающие отсыпку отвала при максимальных и минимальных параметрах с использованием схем автомобильно-бульдозерного и экскаваторного отвалообразования.

5. Отсыпка отвалов на гидроотвалах сопровождается развитием гидрогеомеханических и геодинамических процессов. К первой группе процессов относится изменение напряженно-деформированного состояния пород намывных массивов при нагружении весом от отвала, а ко второйоползни, осадки, оседания, оплывания. Изменение напряженного состояния намывных пород происходит за счет развития и рассеивания избыточного порового давления, причем отмечается особенность его формирования в основании отвала, зависящая от инженерно-геологических условий намывного массива и технологических параметров отвалообразования.

6. Гидроотвалы, намываемые в непосредственной близости от водохозяйственных объектов — водозаборов — оказывают существенное влияние на их работу. Изучено влияние гидроотвала разреза «Сартаки» на работу Уропского водозабора и установлено, что в общем балансе водоотбора из скважин водозабора (Q=1400 м3/час) около 60% обеспечены естественным подземным стоком, а остальная часть (Q= 560 м 3/час) — это инфильтрация из гидроотвала, причем летом она идет за счет оборотной воды с пляжа намыва и прудаотстойника, а зимой — за счет осушения верхней части намывного массива и прудаотстойника.

7. Для гидроотвала «Южный» и намывного сооружения в выработках пластов № 1 и 2 разреза «Сартаки» разработаны рекомендации по параметрам отвалов, отсыпаемых на них, и безопасным условиям их формирования. На первом объекте после отсыпки отвала произведена биологическая рекультивация поверхности с посадкой хвойных деревьев.