Geum.ru
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по земле  

На правах рукописи

КУТЕПОВА Надежда Андреевна

инженерно-геологическое обоснование

прогноза гидрогеомеханических

процессов при ведении горных работ

Специальность 25.00.16 Ц  Горнопромышленная

и нефтегазопромысловая геология, геофизика,

маркшейдерское дело и геометрия недр

Ааватаоараеафаеарт

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург

  2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте им.аГ.В.аПлеханова (техническом университете).

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор        

                                 Гальперин Анатолий Моисеевич

доктор геолого-минералогических наук, профессор

                               Круподеров Владимир Степанович

доктор технических наук, профессор                                                                   Такранов Роберт Андреевич

Ведущая организация  Ц Федеральное государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, защите инженерных сооружений от обводнения, специальным горным работам, геомеханике, геофизике, гидротехнике и маркшейдерскому делу  ФГУП ВИОГЕМ

Защита диссертации состоится 28 октября 2010 г. в 14ач. на заседании диссертационного совета Да212.224.08 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им.аГ.В.аПлеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 1160 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 20 сентября 2010аг.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Ю.Н. КОРНИЛОВ

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Разработка месторождений полезных ископаемых оказывает мощное преобразующее воздействие на геологическую среду, изменяя рельеф, структуру, состояние и свойства породных массивов, гидрогеологический режим подземных вод и другие ее компоненты. Масштабы данных изменений зависят от глубины отработки месторождений, объемов извлекаемого полезного ископаемого и вскрышных пород, площадей занятых отвальными сооружениями, их высоты и интенсивности формирования, технологии горного производства и пр.

В настоящее время на предприятиях угольной отрасли Российской Федерации глубины открытых горных выработок превысили 500-метровую отметку, на шахтах отрабатывают уголь под километровой толщей пород, годовые объемы извлекаемой горной массы измеряются миллиардами кубометров, отвалы достигают высоты 150 м, а занимаемые ими площади - тысяч гектаров. Например, за столетний период эксплуатации Анжеро-Судженского месторождения извлечено более 150 млн. тонн угля с нарушением 800 - метровой толщи пород на площади 3500 га и оставлением в недрах земли 60 млн. м3 пустот. В результате дренирования подработанного массива напоры подземных вод были снижены более чем на 500 м.

Реструктуризация угольной отрасли России, интенсивно проводимая с 1994 по 2002 гг., привела к закрытию 175 шахт и 12 разрезов. Прекращение горных работ сократило техногенные нагрузки на геологическую среду в угледобывающих районах, но не исключило возникновение новых экологических последствий - активизацию оползней, неравномерные движения земной поверхности, подтопление территорий, загрязнение поверхностных вод и почв. Все эти опасные явления обусловлены изменением гидрогеологических условий шахтных и карьерных полей в результате возвращения подземных вод на свой естественноисторический уровень. 

Активное внедрение в верхние слои земной коры нарушает сложившееся здесь за миллионы лет равновесие, вызывая развитие гидрогеомеханических процессов - деформирование и движение геологической среды вследствие трансформации геофильтрационных и геостатических полей напряжений. Гидрогеомеханические процессы осложняют технологию горного производства, вызывая разрушение крепи шахтных стволов, развитие оползней на бортах карьеров, откосах отвалов и гидроотвалов, а иногда приводят к катастрофическим последствиям - прорывам воды в очистные выработки, гидродинамическим авариям на объектах промышленной гидротехники.

Обеспечение промышленной и экологической безопасности при ведении горных работ - проблема многоплановая, отдельные аспекты которой решались выдающимися учеными, исследователями, специалистами различных направлений естественных наук.

Результаты изучения экзогенных процессов в районах интенсивного техногенеза обобщены в монографиях и публикациях Ф.И. Котлова, Ф.П. Саваренского, В.Д. Ломтадзе, П.Н. Панюкова, Е.М. Сергеева, И.В. Попова, Г.С. Золотарева, Н.Н. Маслова, Г.К. Бондарика, И.П. Иванова, Н.В. Родионова, А.П. Нифантова, Г.И. Тер-Степаняна, Г.М. Шахунянца, А.И. Шеко, В.С. Круподерова, В.В. Кюнтцель, И.О. Тихвинского, А.Л. Рагозина, Г.П. Постоева. 

Решение геомеханических проблем при открытой и подземной разработке МПИ нашло отражение в трудах Г.Л.  Фисенко,  В.Т. Сапожникова, А.М.  Гальперина, В.Н. Стрельцова, В.Н. Попова, М.Е. Певзнера, Ю.И. Кутепова, А.Б. Фадеева, Б.Г. Афанасьева, М.И. Иофиса, И.В. Баклашова, В.Г. Зотеева, П.С. Шпакова, В.Н. Гусева, В.Н. Земисева, А.Г. Акимова, Ф.П. Стрельского и др. Гидрогеологическое обеспечение разработано усилиями В.А.Мироненко, В.Д. Бабушкина, И.И. Плотникова, Г.Н. Каменского, П.П. Сыроватко, Ю.А. Норватова, В.Г. Румынина, И.Б. Петровой и др.

Прогноз опасных горно-геологических явлений  невозможен без понимания природы прочности и деформируемости водонасыщенных пород, которое раскрывается благодаря работам выдающихся ученых Е.М. Сергеева, В.И. Осипова, В.Т. Трофимова, Р.С. Зиангирова, Р.Э. Дашко, В.А. Королева, И.М. Горьковой,  М.Ю. Абелева, Р.И. Злочевской, С.Р. Месчана, Н.Я. Денисова, Б.В. Дерягина, С.В. Нерпина. Изучению механических свойств скальных и полускальных посвящены работы М.Н. Гольдштейна, Ю.М. Карташева, С.А. Роза, Д.Д. Сапегина, П.Д. Евдокимова, М.В. Раца, К.В. Руппенейта, С.Е. Могилевской и многих других. 

Таким образом, прогноз гидрогеомеханических при ведении горных работ в водонасыщенных породных массивах, является серьезной научной проблемой,  которая решается с привлечением теоретических знаний и методов исследований различных направлений естественных наук. Впервые вопрос о необходимости объединения теоретических основ геомеханики и геофильтрации для прогноза гидрогеомеханических процессов и вызванных ими опасных горно-геологических явлений был поставлен В.А. Мироненко и В.М. Шестаковым. Настоящая диссертационная работа объединяет разнопрофильные методы изучения и прогноза поведения геологической среды в единую научно-методическую систему на базе инженерно-геологических знаний. Это расширяет возможности гидрогеомеханического подхода к решению проблемы обеспечения безопасности горного производства и определяет актуальность выполненных исследований.

Диссертационная работа выполнена в рамках научно-технических программ Министерства угольной промышленности СССР, Минестерства топлива и энергетики РФ, Федерального агентства по науке и инновациям  (№№ Г.Р. 01830071738, 018670076225, 01880087, 0189045131, 01200706005), хоздоговорных работ по оказанию научно-технической помощи горнодобывающим и обогатительным предприятиям Кузбасса, Урала и Якутии. 

Цель работы - разработка научно-методического обоснования прогноза гидрогеомеханических процессов для обеспечения безопасности горных работ в водонасыщенных породных массивах.

Основные задачи исследований.

  1. Разработка критериев идентификации типа деформационного поведения водонасыщенных горных пород в рамках решения гидрогеомеханических задач.
  2. Установление закономерностей развития гидрогеомеханических процессов на базе экспериментального изучения деформационного поведения водонасыщенных породных массивов в различных инженерно-геологических,  гидрогеологических и горно-технических  условиях.
  3. Выполнение инженерно-геологического обоснования методики прогноза опасных горно-геологических явлений на базе гидрогеомеханических расчетов применительно к решениям различных инженерно-технических задач.
  4. Совершенствование методов и технических средств изучения водонасыщенных породных массивов в полевых и лабораторных условиях.
  5. Разработка методики обоснования расчетных параметров физико-механических свойств водонасыщенных горных пород для прогноза гидрогеомеханических процессов.
  6. Разработка системы научно-методического обеспечения безопасности горных работ в условиях развития гидрогеомеханических процессов. 

Идея работы Ц для обоснования методологии гидрогеомеханических прогнозов целесообразно использовать инженерно-геологический анализ экспериментальной информации, позволяющий установить закономерности изменения напряженно-деформированного состояния водонасыщенных породных массивов под влиянием природных и техногенных факторов и адекватно их учесть в математических построениях.

Методы исследований. В работе использован комплексный подход к решению проблемы, включающий системный анализ, естественноисторический и сравнительно-геологический методы; лабораторные и натурные исследования с применением инженерно-геологических, гидрогеологических и маркшейдерско-геодезических  методов, аналитические методы механики грунтов для решения задач теории консолидации и ползучести, математическое моделирование напряженно-деформированного состояния с использованием метода конечных элементов, промышленные испытания разработанных методик и рекомендаций по ведению горных работ при развитии гидрогеомеханических процессов.

Научная новизна работы:

- обоснованы критерии идентификации деформационного поведения водонасыщенных горных пород, в соответствии с которыми разработана типизация пород для целей прогноза гидрогеомеханических процессов;

-  установлены закономерности развития гидрогеомеханических процессов в техногенно-нарушенных массивах шахтных и карьерных полей, что позволяет выполнять прогноз деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок;

- обоснован механизм дестабилизации естественных склонов под воздействием подработки территорий и намыва гидроотвалов; доказано, что после прекращения горных работ оползневые процессы продолжают развиваться, и их масштабность и интенсивность  со временем возрастает;

- экспериментально установлена и теоретически обоснована связь между интенсивностью нагружения намывного массива и формированием в нем зональности по механизму изменения напряженно-деформированного состояния и физико-механических свойств намывных пород.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методология решения гидрогеомеханических задач должна адекватно отражать тип деформационного поведения водонасыщенных пород, который предлагается определять с учетом структурно-механических особенностей, фазового состава и фазо-физического состояния горных пород на базе разработанной типизации. 

2. Затопление горных выработок сопровождается декомпрессионным расширением вмещающих породных массивов, которое в техногенно-нарушенных зонах протекает на фоне разупрочнения пород. Поэтому деформации земной поверхности проявляются как в виде поднятий, так и оседаний, и их распределение по площади затопляемых шахтных и карьерных полей закономерно увязано с природно-техногенной структурой массивов, деформационным поведением пород и режимом восстановления напоров подземных вод.

3. Изменение гидрогеомеханической обстановки в пределах шахтных и карьерных полей является причиной дестабилизации покровных отложений на естественных склонах, что выражается на начальных этапах ведения горных работ в виде повсеместного развития процессов ползучести, переходящих со временем в локальные оползнепроявления, масштабность и интенсивность которых постепенно возрастает вследствие необратимых породных структурно-механических и фазо-физических преобразований.

4. 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 массива - 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.

5. 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.

Практическое значение работы Ц разработано научно- методическое обеспечение, которое может быть использовано при изучении и прогнозировании поведения водонасыщенных массивов в сфере влияния горных работ, проектировании и эксплуатации горнотехнических сооружений и обосновании мер защиты инженерных объектов, включающее:

-  типизацию водонасыщенных горных пород;

- методику инженерно-геологического обоснования прогноза гидрогеомеханических процессов с целью оценки деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок;

- методику оценки степени оползнеопасности естественных склонов в сфере влияния подземных и открытых горных работ;

- методику и технические средства изучения порового давления и компрессионно-фильтрационных свойств пород намывных техногенных массивов;

- методику и технические средства гидрогеомеханического мониторинга безопасности на объектах промышленной гидротехники.

- методологические принципы функционирования единой система научно-методического обеспечения безопасности горных работ.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается: применением натурных методов изучения напряженно-деформированного состояния породных массивов; представительным объемом исследований, проведенных на различных горнодобывающих предприятиях России и бывшего СССР; положительными результатами внедрения рекомендаций по безопасным условиям ведения горных работ на различных объектах.

Реализация работы. Результаты работы использовались для обоснования экологической безопасности при затоплении шахт в г. Анжеро-Судженске, карьеров Южный на Урале и трубки Мир в Якутии; для разработки  рекомендаций по предотвращению оползней на площадях шахтных и карьерных полей Кемеровской области; для обоснования безопасных параметров гидротехнических и горнотехнических сооружений. Методические разработки в части обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабом основании вошли в состав трех нормативно-методических документов угольной отрасли, один из которых - Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах, утвержден Госгортехнадзором (Ростехнадзором) РФ.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на: - третьем Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988);- четвертом съезде гидромеханизаторов России (Москва, 2006); - международных симпозиумах Проблемы прикладной геологии, горной науки и производства (Санкт- Петербург,1993) и Геотехнология: нетрадиционные способы освоения МПИ (Москва, 2003); - II международном рабочем совещании УПроблемы геодинамической безопасностиФ (Санкт-Петербург, 1997); - научных конференциях: посвященной 85-летию В.Д. Ломтадзе (Санкт-Петербург, 1999),  Сергеевские чтения (Москва, 2005, 2010), Неделя горняка (Москва, 2004, 2007 - 2010 г.),  Технический прогресс на открытых горных работах Кузбасса (Кемерово, 1987, 1988 и 2001), Прогнозная оценка инженерно-геологических условий при открытой разработке Урала (Свердловск, 1989), Экологические проблемы горного производства (Москва, 1999) и др.

ичный вклад автора заключается в постановке научной проблемы, разработке программ и методик натурных и лабораторных экспериментов и непосредственном участии в проведении всех исследований, результаты которых приведены в диссертации; разработке рекомендаций по безопасным условиям ведения горных работ  на шахтах, разрезах, карьерах, отвалах, гидроотвалах и хвостохранилищах. Автор принимал участие в разработке отраслевых нормативно-методических документов.

Публикации.  По теме диссертационной работы опубликовано 60 печатных работ,  в том числе 12 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получено 4 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 424 странице компьютерного текста, состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 246 наименований, содержит 109 рисунков, 28 таблиц и 7 фотографий.

Во введении показана актуальность работы, цели и задачи исследований, их научная новизна и практическая значимость.

В 1 главе выполнен анализ изученности гидрогеомеханических процессов и опасных горно-геологических явлений при разработке месторождений полезных ископаемых; выделены актуальные гидрогеомеханические задачи.

Во 2 главе рассмотрены особенности деформирования водонасыщенных горных пород различных инженерно-геологических видов. В 3 главе сформулировано представление о гидрогеомеханической модели и деформационном поведении водонасыщенных горных пород; разработана типизация пород для целей прогноза гидрогеомеханических процессов.

В 4 главе анализируются результаты гидрогеомеханического  мониторинга при затоплении шахт и карьеров, на основании которых разработано инженерно-геологическое обоснование методики прогноза деформаций земной поверхности и выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния водонасыщенных массивов применительно к условиям затопления шахт г. Анжеро-Судженска и трубки Мир.

В 5 главе по результатам мониторинговых наблюдений и комплексных натурных и лабораторных (в том числе реологических) исследований проанализированы характерные для Кузбасса оползневые проблемы, обусловленные изменением гидрогеомеханической обстановки под влиянием горных работ; разработано методическое и экспериментальное обеспечение прогноза оползневых явлений с учетом природных и техногенных факторов.

В 6 главе рассмотрены особенности техногенеза намывных пород; представлены результаты изучения гидрогеомеханических процессов в намывных  массивах при выполнении различных технологических мероприятий; методические разработки в части изучения порового давления и компрессионно-фильтрационных свойств намывных пород, обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабом основании.

В 7 главе сформулированы общие закономерности гидрогеомеханических процессов; разработана система научно- методического обеспечения безопасности при ведении горных работ в водонасыщенных массивах; представлена методика организации интерактивного мониторинга безопасности на объектах промышленной гидротехники.

В заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований.

Автор выражает глубокую признательность профессорам Ю.И. Кутепову, И.П. Иванову, кандидатам наук Ф.П. Стрельскому и  В.А. Подольскому за научные консультации, ценные советы и внимание к работе, а также сотрудникам лаборатории гидрогеологии и экологии Научного центра геомеханики и проблем горного производства СПГГИ (ТУ), сотрудникам лаборатории устойчивости бортов карьеров ВНИМИ, Сибирского и Уральского Филиалов ВНИМИ за помощь при проведении исследований на объектах и предоставленные фактические материалы.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

I защищаемое научное положение. Методология решения гидрогеомеханических задач  должна адекватно отражать тип деформационного поведения водонасыщенных горных пород, который предлагается определять в зависимости от структурно-механических особенностей, фазового состава и фазо-физического состояния горных пород на базе разработанной типизации.

На основе всестороннего анализа работ, посвященных изучению природы прочности и деформируемости горных пород различной литогенетической принадлежности, разработано представление о гидрогеомеханической модели, рассматривающее водонасыщенную породу, во-первых, как структурированное минеральное образовании, которое благодаря прочности структурных связей способно воспринимать внешние нагрузки без разрушения, а вследствие дискретности - обладает водопроницаемостью и способностью деформироваться при изменении напряженного состояния, и, во-вторых, как динамическую многофазную систему, в которой энергия взаимодействия между твердыми и жидкими компонентами изменяется  в ходе деформирования, что в общем случае определяет непостоянство свойств пород, нелинейность зависимостей напряжения- деформации, нестационарность развития деформаций во времени.

Вода в гидрогеомеханическом процессе  играет многофункциональную роль: как силовой фактор - изменяет напряженное состояние пород, как физико-химический фактор - определяет энергию межфазовых взаимодействий, как реологический фактор - обусловливает длительный характер развития деформаций во времени.

Деформационное поведение - это гидрогеомеханическая характеристика породы, которая на логическом уровне отражает физическую модель трансформирования структурированной многофазной системы с целью ее адаптации в условиях изменившегося наряженного состояния. Деформационное поведение является индивидуальной характеристикой горной породы, которая зависит от ее структурно-механических особенностей (вида структурных связей, механической прочности и дискретности), фазового состава и фазо-физического состояния, соответствующих генезису породы и  характеру испытанных ею постгенетических преобразований.

При идентификации фазового состава логично выделять инертную и активную твердые фазы по их способности к активизации межфазовых взаимодействий при нарушении структуры, изменении физического и напряженного состояния пород, а жидкую субстанцию - разделять на три самостоятельные составляющие, различающиеся функционально по характеру своего участия в гидрогеомеханическом процессе - гидродинамическую (гравитационная вода), консолидационную (вода преимущественно переходных категорий) и граничную (адсорбционно-связанная вода) фазы.

В ходе развития гидрогеомеханических процессов состав, соотношение и характер влияния фаз на закономерности деформирования пород могут изменяться, что характеризует водонасыщенные породы как динамические системы, направленность трансформации которых определяется их фазо-физическим состоянием. В зависимости от уровня реализации межфазовых взаимодействий породы могут иметь стабильное (инвариантное), стабилизированное (возможность развития процессов физико-химического взаимодействия подавлена действием внутренних или внешних сдерживающих факторов) и неустойчивое фазо-физическое состояние. 

Механическое или гидродинамическое воздействие вызывает в водонасыщенных породах развитие процессов: - структурной реорганизации (структурные деформации); - уравновешивания соотношения фаз в соответствии с изменением физических полей напряжений (фильтрационные деформации); - реализации межфазового взаимодействия, изменяющего энергию взаимосвязи между структурными элементами (пластические деформации). В зависимости от индивидуальности пород определяющее влияние на динамику и результаты развития гидрогеомеханических процессов могут оказывать один или более видов адаптационных процессов. Соответственно, породы могут характеризоваться деформационным поведением структурного, структурно- пластического, структурно - фильтрационно-пластического и фильтрационно-пластического типа. 

На этих теоретических положениях основана типизация водонасыщенных пород (табл. 1), ориентируясь на которую можно заранее составить представление закономерностях развития гидрогеомеханических процессов в условиях планируемого мероприятия, обосновать методы оценки напряженно-деформированного состояния водонасыщенных массивов, программу и методику исследований с целью получения необходимой информации.

Применение методологических принципов, отраженных в данной типизации, демонстрируется в работе на примере выполнения инженерно-геологического обоснования с целью решению трех задач - 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.

II защищаемое научное положение. Затопление горных выработок сопровождается декомпрессионным расширением вмещающих породных массивов, которое в техногенно-нарушенных зонах протекает на фоне разупрочнения пород. Поэтому деформации земной поверхности проявляются как в виде поднятий, так и оседаний, и их распределение по площади затопляемых шахтных и карьерных полей закономерно увязано с природно-техногенной структурой массивов, деформационным поведением пород и режимом восстановления напоров подземных вод.

Закономерности развития гидрогеомеханических процессов при затоплении горных выработок изучены и сформулированы на основании результатов мониторинга, выполненного ВНИМИ на территории шахтных полей в г. Анжеро-Судженске. Комплексные геодезические и гидрогеологические наблюдения показали, что при довольно монотонном повышении уровней подземных вод в массиве развитие деформаций на поверхности происходит в виде чередования поднятий и оседаний. По характеру движений земной поверхности выделены зоны: 1 - повышенной ритмичности проявления во времени знакопеременных форм деформаций с преобладанием оседаний; 2 - умеренной ритмичности с тенденцией к вздыманию поверхности; 3 - монотонного поднятия (рис.1). В результате полного затопления на большей части территории произошел подъем поверхности с максимумом (100-200 мм за 5 лет наблюдений) на центральных участках мульд сдвижения, где в эксплуатационный период было достигнуто максимальное понижение напоров подземных вод (до 550 м).

Факты подъема поверхности земли фиксируются также при затоплении открытых горных выработок, что подтверждается результатами натурных наблюдений Уральского филиала ВНИМИ на карьере Южный г. Карпинск. Однако на данном объекте они выражены менее значимо - за шесть лет наблюдений максимальная величина подъема земной поверхности в прибортовой полосе шириной 200-250 м не превысила 40 мм, что не представляло угрозы для расположенных здесь сооружений.

Общая физическая модель развития гидрогеомеханических процессов в техногенно-нарушенных массивах шахтных и карьерных полей, в рамках которой находят отражение выявленные объективные факты, сформулирована следующим образом. В ходе эксплуатации месторождения в недрах углевмещающей толщи формируется обширная область со сниженными напорами подземных вод - депрессия. После закрытия предприятия и прекращения водоотлива происходит естественное затопление выработанного пространства, сокращение депрессии, сопровождающееся постепенным ростом гидростатического давления воды в сдренированных слоях и их декомпрессионным расширением. Вместе с тем, обводнение осушенных трещиноватых породных слоев предопределяет возможность их уплотнения за счет размягчения. Оба процесса - декомпрессионное расширение и дополнительное уплотнение пород - могут протекать в массиве одновременно, конкурируя между собой на земной поверхности, интегрально вызывая либо поднятия, либо оседания.

Инженерно-геологический анализ природно-техногенной структуры подземного пространства, характерной для угольных месторождений, разрабатываемых подземным способом, позволил выделить основные факторы, определяющие условия развития гидрогеомеханических процессов при затоплении шахт и закономерности проявления деформационных процессов на земной поверхности (зональность, величину, скорость и направленность смещений). К их числу отнесены: естественная и техногенная структурно-механическая неоднородность углевмещающей толщи; размеры и пространственное расположение техногенного комплекса; размеры области депрессионного водопонижения и распределение в ней напоров на конец эксплуатации шахт; интенсивность восстановления уровней подземных вод в период затопления.

Принципиальная гидрогеомеханическая схема, составленная с учетом этих факторов, для условий подземной разработки свиты пластов наклонного залегания, приведена на рис.2. Основной таксономической единицей схемы является комплекс, объединяющий неоднородную (слоистую) толщу пород, относящихся к одному литогенетическому типу и характеризующихся схожими структурно- механическими особенностями. Таксономической единицей второго порядка является зона - часть комплекса, в пределах которой изменение напряженного состояния вызывает однонаправленный вид деформации. При этом каждый комплекс может быть охарактеризован присущими для слагающих его пород расчетными параметрами деформационных, физико-химических и фильтрационных свойств пород, а каждая зона - геомеханической моделью. 

Обоснование вида и параметров геомеханических моделей выполнено на основании анализа деформационного поведения пород угольных месторождений с учетом техногенных изменений. Углевмещающие толщи представлены породами структурно- пластического типа (песчаниками, аргиллитами, алевролитами, сланцами, известняками). Их деформирование при нагрузках, не приводящих к разрушению цементационных связей и дестабилизации фазо-физического состояния, происходит упруго (за счет сжатия и раскрытия трещин) и синхронно с изменением напоров подземных вод. Оценку деформаций декомпрессионного расширения пород вмещающего комплекса допускается выполнять на базе упругих моделей с использованием деформационных параметров, свойственных породам в их естественном состоянии (до начала горных работ).

В пределах техногенного комплекса породы приобретают трещиновато-блочную дискретность, что придает им неупругий характер деформирования. Находясь длительное время в осушенном состоянии, породы подвергаются эндогенному выветриванию, что при повторном их обводнении обусловливает активизацию межфазовых взаимодействий, адсорбционное понижение прочности и как следствие - дополнительную осадку. Общая деформация, обусловленная одновременным разупрочнением и декомпрессией, может быть оценена по упрощенному выражению:

  (1)

где Н1 - мощность налегающей, частично сдренированной толщи, м; Н2 - мощность осушенного техногенного комплекса, м; Е0*-модуль деформации трещиноватых пород, т/м2; Kпл - коэффициент пластичности - отношение модуля упругости Е* к модулю деформации Е0*; ksof Цкоэффициент размягчения; п и в - плотность пород и воды, т/м3.

Критерием определения направленности общей упруго-пластической деформации является условие ksof >1Ц0.5/Kпл, при котором декомпрессионное расширение преобладает над осадкой. Всестороннее изучение вопроса о влиянии трещиноватости и водонасыщения на механические свойства пород, позволило установить, что величина Kпл может изменяться в пределах техногенного комплекса от 1.25 (на верхней границе) до 4 (в зоне обрушения). Значения коэффициентов размягчения в зависимости от степени метаморфизма углевмещающих пород составляют: ksof  = 0.90,95 - для месторождений углей марок ПА и А;  ksof  = 0.60.85 - для марок Ж, К, ОС, Т;  ksof  = 0.4-0.6 - для марок Д и Г.

Разработан способ определения коэффициента структурного ослабления для корректировки модуля деформации пород техногенного комплекса, с использованием которого определены ориентировочные значения коэффициента ослабления для месторождений углей различной степени метаморфизма. Способ базируется на теоретических разработках Н.К. Руппенейта и обобщенных закономерностях процессов сдвижения на угольных месторождениях.

Методика прогноза гидрогеомеханических процессов при затоплении горных выработок состоит в выполнении последовательных геофильтрационных и геомеханических построений по схеме: прогноз восстановления напоров подземных вод в области депрессионного водопонижения перерасчет полей геомеханических напряжений с учетом изменившихся гидростатических давлений оценка величин и направленности деформаций на базе обоснованных геомеханических моделей.

Реализация данного подхода осуществляется в работе с использованием программы численного моделирования гидрогеомеханических процессов на базе МКЭ при совместном рассмотрении трансформации геофильтрационных и геомеханических полей (автор программы В.А. Подольский). Сопоставление результатов прогноза для условий Анжеро-Судженского полигона, сделанных наперед - за 5 лет до завершения затопления шахт, с фактически зарегистрированными напорами и деформациями земной поверхности на этот момент времени, показало удовлетворительную сходимость в основной части расчетной области, для которой на стадии решения эпигнозной задачи выполнялся подбор деформационных и фильтрационных параметров. Принятая методика математического моделирования может быть использована для оценки параметров напряженно-деформированного состояния пород в массивах, в которых деформирование пород при декомпрессии описывается упругой или  неупругой моделью с общей направленностью к расширению. При наличии в массиве зон неупругого деформирования с преобладающей консолидацией целесообразно применить принцип суперпозиции, выполняя геофильтрационную часть прогнозной задачи численными методами, а геомеханическую - аналитическим расчетом в рамках одномерных схем с использованием выражения (1).

Разработанные принципы инженерно-геологического обоснования и методика прогноза гидрогеомеханических процессов применимы для оценки изменения напряженно-деформированного состояния прибортовых массивов при затоплении карьеров, что демонстрируется на примере алмазоносной трубки Мир. При этом решалась актуальная практическая задача - обоснование безопасности эксплуатации вертикальных стволов строящегося рудника и целесообразности организации наблюдений за состоянием поверхностных объектов в период планируемого затопления карьера.

III защищаемое научное положение. Изменение гидрогеомеханической обстановки в пределах шахтных и карьерных полей является причиной дестабилизации покровных отложений на естественных склонах, что выражается на начальных этапах ведения горных работ в виде повсеместного развития процессов ползучести, переходящих со временем в локальные оползнепроявления, масштабность и интенсивность которых постепенно возрастает вследствие необратимых породных структурно-механических и фазо-физических преобразований.

Рассмотрены оползневые ситуации, характерные для условий Кузбасса. Они спровоцированы разными техногенными воздействиями - подработкой склонов (на примере г. Осинники) и намывом гидроотвалов в логах (на примере карьерного поля разреза Ерунаковский), но имеют общие закономерности развития, которые следует учитывать при проектировании горных работ с целью заблаговременной организации мер инженерной защиты территорий. 

Территория г. Осинники на протяжении десятилетий подрабатывалась шахтой Капитальная, вследствие чего здесь насчитываются сотни активных оползневых тел, систематически разрушающих здания, сооружения и коммуникации. Маркшейдерскими измерениями, выполненными сотрудниками Сибирского Филиала ВНИМИ, установлено, что все склоны крутизной более 60 нестабильны, они смещаются со скоростью несколько мм в год без визуальных признаков деформирования. Оконтуренные оползневые тела приурочены к участкам склонов с углами 6-140, они смещаются непрерывно со скоростью от 10-1 до 103 мм/мес, зависящей от крутизны склона и времени года. Обычная скорость оползневого процесса летом составляет порядка 10 мм/сут, а в осенне-зимний период снижается до 1 мм/сут. В период прогрессирующего развития оползней скорость смещений достигает 103 мм/сут. При непосредственной подработке нестабильных склонов горизонтальные деформации и их скорости увеличиваются в 2-5 раз, а затем снижаются по мере затухания процесса сдвижения. Выявлено влияние направления движения забоя лавы по отношению к склонам. При вхождении лавы под склон горизонтальные смещения на 30-50 % больше по сравнению со склоном, из-под которого лава выходит.

Разработана оползневая концепция, раскрывающая закономерности развития оползневых процессов при совместном влиянии природных и техногенных дестабилизирующих факторов. Природная обстановка оползнеопасных районов располагает к развитию оползней покровного типа, которые могут происходить в виде смещения четвертичных отложений по контакту с коренными породами, либо по слабым слоям, расположенным внутри покровной толщи (рис.3). Однако в районах, находящихся вне зоны влияния горных работ, оползни распространены ограниченно. Благодаря естественной макропористости и повышенной проницаемости влажность ненарушенных покровных отложений всегда остается низкой, консистенция твердой, а наличие жестких связей - придает им дополнительный запас устойчивости на склонах.

Рис 3. Строение типичного оползневого склона г. Осинники

Четвертичная система. Делювиальные (dIY): 1 - суглинки и глины с гравием, дресвой, иногда без включений. Аллювиальные (aIY): 2 - суглинки с гравием и галькой; 3 - глины с редким гравием и без включений; 4 - галечниковые грунты с песчаным, супесчаным и глинистым заполнителем. Деляпсивные (dlIY): 5 - суглинки с дресвой, гравием, щебнем. Техногенные tIY: 6 - насыпные суглинки и щебень. Юрская система нижний отдел осиновская свита (J1os): 7 - конгломераты выветрелые; 8 - песчаники выветрелые, слабосцементированные.

Причиной активизации склоновых процессов является изменение гидрогеомеханической обстановки под воздействием техногенных факторов, которое в условиях ведения подземных горных работ складывается из следующих негативных последствий: снижение прочности покровных пород за счет нарушения их естественной структуры под воздействием деформаций сжатия и растяжения в пределах мульды сдвижения; повышение уровня грунтовых вод на склонах вследствие снижения проницаемости покровных пород и нарушения условий их дренирования; повышение напоров подземных вод в основании склонов в результате оседания земной поверхности; увеличение углов наклона поверхности в пределах мульды сдвижения. Намыв гидроотвалов в логах приводит к ухудшению условий устойчивости склонов главным образом благодаря изменениям гидрогеологических условий территорий. 

Дестабилизация склонов на начальных этапах ведения горных работ выражается в виде повсеместного развития процессов ползучести, переходящих со временем на локальных участках в оползневые смещения с прогрессирующим характером развития. В результате устранения сдерживающего влияния цементационных связей фазо-физическое состояние деструктурированных пород из стабилизированного трансформируется в неустойчивое, при котором снижение эффективных напряжений, вызванное повышением уровня грунтовых вод, сопровождается увеличением влажности пород и их разуплотнением до состояния мягкопластичной и текучей консистенции. Эти изменения происходят не по всей мощности покровных отложений, а только в зоне сдвига - на глубине порядка 3-8 м, где зафиксировано наличие слабого слоя. Деструктурированные водонасыщенные породы, находясь на склонах в состоянии, близком к предельному равновесию (при углах заложения склонов, близких к углам их внутреннего трения), постоянно деформируются по типу установившейся ползучести с переменной скоростью, зависящей от сезонного колебания уровней подземных вод.

Данная оползневая концепция базируется на результатах экспериментальных реологических исследований, основные результаты которых сводятся к следующему. Все породы, от текучей до твердой консистенции, проявляют деформации ползучести в определенном диапазоне касательных напряжений, ограниченном порогом ползучести τпор, с одной стороны, и пределом их длительной прочности τ∞,, с другой стороны. Деформации ползучести в пластичных (деструктурированных) грунтах в диапазоне напряжений τпор - τ∞ носят как затухающий, так и установившийся характер развития во времени; переход в прогрессирующую стадию для них выражается в увеличении скорости течения. Деформирование с постоянной скоростью наблюдается при напряжениях, превышающих некоторый предел, который назван  порогом установившейся ползучести τуст. Для скрытопластичных пород тугопластичной и более плотной консистенции стадия установившегося течения не характерна; при условии τ<τ∞ деформации носят затухающий характер, а при τ τ∞  - стремительно перерастают в разрушение; признаки установившегося течения наблюдаются иногда непосредственно перед разрушением (при τ τ∞). Значения параметров τпор, τуст, τ∞ уменьшаются при снижении эффективных напряжений, что объясняет установленное в натуре явление активизации смещений поверхности склонов при повышении уровней и напоров подземных вод.

Значение длительной прочности τ∞ всех пород, кроме текучих, меньше мгновенной прочности τмгн, определяемой методом быстрого сдвига. Разница между τ∞ и τмгн усиливается с уменьшением влажности и увеличением плотности пород. Отношение τ∞/τмгн изменяется от 0.85 у текучепластичных грунтов до 0.25 у твердых пород. Значения параметров τпор, τуст, τ∞ отличаются для пород различной консистенции, но при небольшом вертикальном давлении эф (0.05 МПа) эти отличия несущественные (табл.2).

Среди практических результатов реологических исследований наиболее важными являются установленные зависимости, описывающие изменение деформаций во времени. Стадия затухающей ползучести, характеризуемая логарифмическим законом изменения угловых деформаций во времени, с учетом найденных эмпирических выражений параметров δ1 и δ2 описывается в универсальном виде:  γ(t)=0,085(τ/τмгн)+[0,01(τ/τ∞)2+0,75(τ/τ∞)]×lg t [час] применительно ко всем исследованным типам пород. Для прогнозирования смещений на склонах с установившимся характером деформирования определены значения скоростей ползучести V(γ)  и вязкостей для пород различной консистенции (табл.2). Расчеты, выполненные по полученным зависимостям с учетом строения и свойств пород оползневых склонов, показали близкое совпадение с результатами маркшейдерских наблюдений.

С целью разработки методики инженерных прогнозов оползневых процессов обоснована общая модель деформационного поведения пород, увязывающая реологические параметры пород с параметрами сопротивления сдвигу - мгновенной прочностью τмгн, общим сцеплением Собщ, структурным сцеплением Сстр, сцеплением связности Сw  и углом внутреннего трения , определяемыми испытаниями по ускоренной методике на приборах с различной скоростью сдвига.

Таблица 2 - Реологические параметры покровных отложений оползневых склонов  г. Осинники  (при эф= 0,05 МПа)

Консистенция пород

Параметры пород, определяемые прямыми реологическими опытами в приборах скашивания 

пор, МПа

уст ,

МПа

,

МПа

,

МПа . с

V (),

1/сут

Текучая

0.006

0.006

0.020

0.8107

0.2110-3

Текучепластичная

0.008

0.015

0.030

2.4107

0.7910-3

Мягкопластичная

0.009

0.027

0.033

3.1107 *)

0.6710-3 *)

Тугопластичная

0.010

-

0.035

5.0107 *)

0.4310-3 *)

Полутвердая

0.011

-

0.035

-

0.2510-3 *)

Твердая

0.013

-

0.035

-

0.2110-3 *)

Консистенция пород

Параметры, определяемые посредством сдвиговых испытаний в приборах с различной скоростью сдвига

мгн, МПа

С общ, МПа

С стр , МПа

Сw ,

МПа

,

град

Текучая

0.022

0.015

0

0.015

4

Текучепластичная

0.035

0.025

0

0.025

6

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 τ и значений параметров τпор, τуст, τ∞ в диапазоне напряжений σ, 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 - лотдыха; III - отсыпки дамбы наращивания (три слоя III-1, III-2, III-3); IY - формирования пригрузочных призм на откосе; Y - лотдыха; 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 лактивные - 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 луправляемыми, 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 лопределяющих 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 / КутеповаЮ.И, КутеповааН.А., ПодольскийаВ.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 Ц2006: 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 ТЭ - 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).
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по земле