» » Формирование техногенных пород отвалов, гидроотвалов и их оснований

Формирование техногенных пород отвалов, гидроотвалов и их оснований

03.08.2016

Общие положения

Результатом хозяйственной деятельности человека является накопление на земной поверхности наиболее молодых в геологической истории отложений, которые в специальной литературе получили название техногенных, а процесс их образования — технолитогенез. Бурное развитие горного производства усилило процессы образования и накопления техногенных пород. Подсчитано, что ежегодно из недр земли извлекается 100 млрд т пород, которые затем перераспределяются на поверхности земли. Поэтому вопрос о формировании техногенных отложений привлекает все большее внимание геологов, горняков и строителей.
Одна из важнейших проблем современной инженерной геологии — изучение формирования свойств осадочных горных пород, т.е. процессов, обусловливающих физическое состояние и свойства отложений во время образования и последующего существования в земной коре, а также изменений этих свойств под влиянием инженерно-хозяйственной деятельности человека.
Фундаментальными исследованиями по вопросам теории литогенеза установлено, что образование осадочных пород сводится к следующей схеме: мобилизация исходного материала путем выветривания материнских пород (или каким-либо иным способом) — перенос исходного материала — его осаждение и преобразование осадков в породы. В зависимости от физико-географических условий участков земной поверхности существуют четыре типа литогенеза: ледовый, гумидный, аридный, вулканогенно-осадочный. Процессы литогенеза протекают в несколько стадий: седиментогенез, диагенез, катагенез, метагенез, метаморфизм, гипергенез.
В технолитогенезе, как и в природном геологическом процессе — литогенезе, также можно выделить ряд этапов: 1) разрушение материнских пород; 2) перемещение разрушенного материала; 3) новое породообразование. Его средой служат суша и водоемы, что предопределяет выделение континентального и аквального типов технолитогенеза, при этом континентальный технолитогенез может быть либо субаэральным (поверхностным) и субтерральным (подземным). Процессы технолитогенеза профилируются различными видами инженерно-хозяйственной деятельности человека: строительством; промышленным производством; разработкой месторождений полезных ископаемых; сельским хозяйством; военными действиями и пр.
Виды техногенных пород отвалов и гидроотвалов прежде всего различаются по составу, который зависит от исходного состава материнских отложений и типа производства, складирующего отходы в сооружения. Кроме того, инженерно-геологические свойства отвальных пород определяются также средой их образования, зависящей от способов формирования отвала: с применением гидромеханизации (гидроотвалы, хвостохранили-ща) или сухоройных механизмов («сухие» отвалы).
Несмотря на многообразие видов техногенных пород, все они формируются, подчиняясь общим законам, которые выражает составленная Ю.И, и Н.А. Кутеповыми схема технолитогенеза (рис. 9.1). Данная схема отражает последовательность формирования состава, состояния и свойств техногенных пород отвалов и гидроотвалов, определяющие природные и технологические факторы, их роль и взаимосвязь на различных этапах.
Формирование техногенных пород отвалов, гидроотвалов и их оснований

Первый этап технолитогенеза связан с добычей и обогащением полезного ископаемого. Исходный состав техногенных отложений формируют различные технологические процессы: буровзрывные работы, выемка угля механизированными комплексами, вскрышные работы сухоройными механизмами и средствами гидромеханизации, транспортировка пород до обогатительной фабрики, перегрузы, дробление, грохочение, гравитационное и фильтрационное обогащение, сгущение отходов. В результате исходный состав материнских пород изменяется.
Второй этап технолитогенеза составляют: транспортирование отходов производства до отвала, их разгрузка или выпуск (для гидравлического способа) на карту намыва, а также перераспределение материала внутри отвала (перемещение по откосу для «сухих» пород или движение по карте намыва для намывных). Его суть — формирование состава пород в отвале (гидроотвале). На данном этапе определяющую роль играют процессы фракционирования частиц (для намывных пород) и сегрегации (для «сухих» пород), которые определяют режим изменчивости состава отложений в отвальном сооружении.
Третий этап — формирование состояния и свойств техногенных пород — обусловлен совокупностью процессов осаждения привнесенного материала, структурообразования, физикохимического и гравитационного уплотнения, составляющих суть седиментогенеза, диагенеза и постдиагенетических преобразований осадков, скорость протекания которых во многом зависит от технологических факторов — интенсивности намыва и нагружения намывных пород.
Таким образом, представление о технолитогенезе как процессе образования техногенных пород основано на положении о том, что их формирование происходит последовательно в несколько этапов под влиянием природных и технологических процессов, при этом каждому из них присуща определенная взаимосвязь указанных процессов,
Технолитогенез пород гидроотвалов вскрышных пород и хвостохранилищ обогатительных фабрик

Рассмотрим закономерности технолитогенеза на примере намывных отложений гидроотвалов вскрышных пород и хвостохранилищ угольной промышленности. Несмотря на схожесть условий формирования рассматриваемых сооружений, намывные отложения, слагающие их, имеют существенные отличия. Они обусловлены, главным образом, различиями исходного материала и технологий, преобразующих этот материал на ранних стадиях техногенеза.
Исходный материал, поступающий в хвостохранилища, — отходы флотационного обогащения углей. Их состав определяется природными особенностями углей: степенью метаморфизма, трещиноватостью, окисленностью; составом и распределением в них минеральных примесей; составом цемента вмещающих пород и др., а также технологическим режимом процессов обесшламливания, флотации углей, сгущения отходов. В отходах флотационного обогащения угля можно выделить три группы вещественных компонентов: органическую, представленную свободными частицами угля; органоминеральную, включающую в себя первичные углепородные сростки и вторичные агрегаты тонкодисперсных частиц угля и глинистых минералов; минеральную, содержащую обломки пород и зерна породообразующих минералов.
В гидроотвалы вскрышных пород складируют в основном мягкие глинистые грунты, покрывающие углесодержащую толщу. В Кузбассе, например, гидровскрышные породы представлены лёссовидными супесями, суглинками и глинами неоген-четвертичного возраста с большим содержанием пылеватой фракции. Минеральный состав пород определяется наличием кварца и полевого шпата в обломочной фракции и преобладанием гидрослюды среди минералов глинистой фракции.
При транспортировке и складировании материала в гидроотвал или хвостохранилище определяющее значение имеют такие технологические факторы, как способ выпуска пульпы, интенсивность намыва, размеры сооружения. Эти факторы влияют на процесс раскладки исходного материала на карте намыва и в конечном итоге определяют изменчивость состава намывных пород, строение гидроотвального массива, размеры и расположение пляжной, переходной и прудковой зон. Общеизвестно, что для всех гидроотвалов характерна неоднородность состава намывных пород по мере удаления от фронта намыва, при этом грубодисперсные разности (пески и супеси) сменяют мелкодисперсные (суглинки и глины).
Формирование намывных пород начинается с коагуляции тонкодисперсных частиц и образования агрегатов в суспензиях, их седиментации в водных условиях гидроотвалов и хвостохранилищ, образования первичных структур осадков (стадия седиментогенеза). Далее происходит последовательное превращение осадка в горную породу под действием процессов гравитационного и физико-химического уплотнения (стадии диа- и катагенеза). В качестве критериев для выделения стадий изменения пород могут служить показатели физического состояния: консистенция и степень уплотнения, так как эти показатели отражают степень дегидратированности пород и содержание в них определенных категорий воды, что обусловливает те или иные изменения свойств пород (табл. 9.1).
Формирование техногенных пород отвалов, гидроотвалов и их оснований

Основные особенности условий формирования гидроотвалов и хвостохранилищ — нестабильное напряженно-деформированное состояние намывных массивов в результате образования и рассеивания избыточного порового давления, склонность к значительным вертикальным деформациям и изменению физико-механических свойств пород с ростом нагрузки. Знание закономерностей развития порового давления в глинистых водонасыщенных массивах естественного и техногенного происхождения позволяет правильно определять безопасные параметры откосов отвалов и гидроотвалов, грамотно организовывать мониторинг их устойчивости, проводить наблюдения за процессом фильтрационной консолидации, существенно сократить объемы инженерно-геологических исследований и повысить эффективность гидрогеомеханических расчетов.
Формирование избыточного порового давления при намыве гидроотвалов принято рассматривать в рамках задачи «уплотнения слоя переменной мощности» теории фильтрационной консолидации. В качестве внешней нагрузки для каждого намытого слоя здесь выступает масса перекрывающей его и возрастающей по мощности толщи. Обычно интенсивность намыва превышает скорость рассеивания порового давления, что создает условия для непрерывного увеличения в намывном массиве избыточного порового давления (этапы I и VI). Его рассеивание происходит в период «отдыха» гидроотвала (при отсутствии внешней нагрузки) (этапы II и V) (рис. 9.2). Однако в реальных условиях формирования гидроотвалов отсыпка производится на откосах дамб наращивания, что сказывается на характере и величинах порового давления (этапы III и IV).
Формирование техногенных пород отвалов, гидроотвалов и их оснований

Обычно после завершения эксплуатации гидроотвалов и хвостохранилищ слагающие их намывные породы представлены слабоуплотненными осадками от текучей до мягкопластичной консистенции, лишь нижние горизонты техногенных массивов сложены тугопластичными и полутвердыми отложениями. Опыт изучения гидроотвалов с большим сроком «отдыха» показывает, что состояние намывных пород с течением времени меняется незначительно.
Дальнейшее преобразование намывных пород связано с использованием их в качестве оснований отвалов «сухой» вскрыши. Изучение условий отвалообразования на площадях гидроотвалов показывает, что в процессе нагружения намывных массивов изменениям подвергаются породы, находящиеся не только в основании отвалов (в зоне сжатия), но и в непригруженной части основания, получившей название «зона влияния отвала» ЗВО.
Характер гидрогеомеханических процессов и степень изменения намывных пород в основании отвалов, как в зоне сжатия, так и в зоне влияния, существенно зависят от технологических особенностей отвалообразования. Наибольших размеров зона влияния отсыпки достигает при фронтальном развитии отвальных работ на большой площади, причем повышение порового давления здесь сопровождается разуплотнением намывных грунтов, увеличением их влажности и снижением прочности.
Формирование техногенных пород отвалов, гидроотвалов и их оснований

Исследования ЗВО проводились на гидроотвале «Сагарлык-ский» в Кузбассе, где в течение многих лет ведется интенсивное отвалообразование. Установлено, что в процессе отсыпки отвального яруса высотой 30 м в породах непригруженной части основания относительно быстро (1—2 мес) формируется ЗВО протяженностью до 500 м (рис. 9.3), при этом на некоторых ее участках величина порового давления Ри достигает значений γh (полных напряжений от вышележащих пород), т.е. эффективные напряжения близки к нулю.
Формирование состава, состояния и свойств пород «сухих» отвалов (на примере сооружений Кузбасса)

Согласно общей схеме технолитогенеза, условия формирования отвальных пород определяются исходным составом вскрышных пород и технологией горного и обогатительного производства.
Вскрышные породы Кузбасса представлены скальными и полускальными угленосными отложениями тарбоганской J1-3, кольчугинской Р2, балахонской C1—С2-3ид серий, а также мягкими глинистыми отложениями неоген-четвертичного возраста. Основную долю пород вскрыши разрезов «Кузбассразрезуголь» составляют песчаники (31—80 %) и алевролиты (14—57 %). На некоторых разрезах в отвалы отсыпается до 17 % аргиллитов и до 21 % суглинков и глин. Кроме того, в отвальные сооружения попадает небольшое количество горельника (2—5 %) и угля.
Скальные и полускальные породы кольчугинской и балахонской серий в естественных условиях характеризуются относительно высокими значениями плотности (2,4—2,6 т/м3) и углов внутреннего трения (33—45°). Другие инженерно-геологические свойства отвальных пород изменяются в достаточно широких пределах: показатели временного сопротивления сжатию горных пород варьируют от единиц до 116 МПа, растяжению — от 0,12 до 26 МПа; сцепление — от 0,1 до 28 МПа; влажность — от 0,59 до 14 %, пористость — от 3 до 23 %.
В пределах данной группы пород наблюдается закономерное изменение свойств в зависимости от гранулометрического и минерального состава, стадии катагенетических изменений и состава цемента. Катагенетические изменения горных пород проявляются в замещении полевых шпатов и эффузивов карбонатами, глинистого цемента — карбонатным, в растворении обломочных зерен и переотложении продуктов растворения. Состав цемента в зависимости от стадии катагенеза изменяется от глинистого к глинисто-карбонатному и далее к карбонатному и карбонатно-сидеритовому.
Технология вскрышных работ является первой в цепочке преобразования материнской горной породы в техногенные отложения отвалов. Она включает в себя отделение пород от массива и их разрушение. Кроме того, в случае обогащения материнские горные породы подвергаются процессам обогатительного производства. В забое порода отделяется от массива и рыхлится рабочими органами машин (механический способ) или взрывным способом. Коэффициент разрыхления (отношение плотности пород в естественных условиях и в нарушенном состоянии) зависит от способа отделения пород от забоя и литологии пород. Наименьшее разрыхление характерно для механического способа, а наибольшее — для взрывного и гидравлического. Для песков коэффициент разрыхления составляет 1,1—1,25, плотных глинистых и полускальных пород — 1,2—1,3, скальных — 1,3 и более.
Формирование состава, состояния и свойств техногенных пород отвалов «сухой» вскрыши зависит также от технологической схемы разработки месторождения, так как она определяет соотношение различных по литологии пород, отсыпаемых одновременно. При одновременной отработке уступов пород, разных по литологии (например, песчаников и суглинков), могут возникать условия их перемешивания в отвале и образование либо крупнообломочных отложений с глинистым заполнителем, либо глинистых пород с включениями дресвы и щебня. Вывоз в отвалы только суглинков и глин может способствовать формированию линз и слоев отложений глинистого состава.
Транспортировка пород от забоя до отвала при «сухом» способе разработки месторождения осуществляется с применением железнодорожного и автомобильного транспорта, а также конвейеров (или циклично-поточной технологии). Время перемещения материала при этом составляет десятки минут. Такой короткий промежуток времени вряд ли существенно изменит форму частиц и вещественный состав горной массы.
Состав отвального материала изменяется непосредственно при ведении отвальных работ. Среди факторов, определяющих формирование состава отвальных пород на этапе переноса материала, — сегрегация (дифференциация) породных частиц при движении по откосу отвала, при этом мелкие фракции задерживаются в верхней части откоса, а наиболее крупные скапливаются у основания сооружения. Это приводит к тому, что нижние слои каждого яруса формируются из более крупных кусков горной массы, характеризующихся повышенными фильтрационными свойствами.
Формирование свойств пород отвалов определяется также режимом отсыпки пород. Важный параметр здесь — высота сбрасывания материала в отвал. При увеличении высоты сбрасывания материала с 3 до 25 м плотность пород возрастает: для гравия и обломочных скальных пород — на 7 %, песка — на 9 % и суглинка — на 22 %. Другим не менее важным технологическим параметром является интенсивность отвалообразования, которая определяет величину избыточного порового давления как в теле отвала при его формировании из водонасыщенных глинистых пород, так и в его основании, сложенном подобными отложениями.
Породы отвалов «сухой» вскрыши формируются под влиянием физико-географических факторов, среди которых: рельеф основания отвала, гидрологические и климатические условия (количество и характер осадков, геотермический режим пород отвалов). Так, наклон основания отвала ухудшает устойчивость отвалов, увеличивая сдвигающие напряжения, и влияет на дифференциацию частиц при отсыпке.
Гранулометрический состав пород отвалов представлен различными фракциями — от глинистой до валунной. Форма обломков и зерен крупнообломочных пород отвалов обычно неокатанная с режущими краями. Измерение обломков пород различной литологии в трех взаимоперпендикулярных направлениях показывают, что песчаники имеют различную форму — от изометрической до уплотненной с преобладанием первой, а аргиллиты и алевролиты чаще всего имеют уплощенную форму. При определении влажности пород отвалов различают влажность: 1) крупных зерен (> 2 мм); 2) заполнителя (< 2 мм); 3) валовую. Для отвальных пород Кузбасса влажность обломков составляет в основном 0,5—5 %, Глинистый наполнитель обычно имеет влажность от 17 до 34 %.
Плотность крупнообломочных пород отвалов, являющаяся одним из основных расчетных показателей устойчивости, может определяться в лаборатории в больших кольцах и в натурных условиях с применением шурфов. Исследованиями на отвалах Кузбасса установлено изменение плотности пород от уплотняющей нагрузки от 1,55 т/м3 (σупл = 0,05 МПа) до 2 т/м3 (σупл = 0,125 МПа).
Сопротивление сдвигу пород отвалов определяется на приборах с большой площадью среза (например, конструкции ВНИМИ с площадью среза 550 см2). Испытаниям подвергаются образцы ненарушенного сложения, состоящие как из обломков одной литологической разности, так и их смеси в различных соотношениях. Многочисленными исследованиями отвальных пород для условий различных разрезов «Кузбассразрезуголь» установлено, что углы внутреннего трения дресвяно-щебенистых пород из обломков песчаника составляли 31—35°, алевролита — 25—32°, смесей песчаника и алевролита — 28—34° при сцеплении для всех вариантов от 0,002 до 0,04 МПа. Изучение суглинков и глин Кузбасса нарушенного сложения показало углы внутреннего трения 6—26° и сцепление от 0,006 до 0,056 МПа; при этом установлено, что параметры прочности существенно зависят от влажности, изменявшейся в опытах от 14,9 до 38 %,
Особый интерес при инженерно-геологических исследованиях отвалов заслуживают опыты по оценке изменения сопротивления сдвигу отвальных смесей с различным содержанием глинистого заполнителя. Исследованиями установлено:
1) влияние глинистого наполнителя в отвальных смесях на прочностные характеристики начинает сказываться при его содержании свыше 20 %, а после 80 % они соответствуют прочностным характеристикам перемятых глинистых пород (глинистого наполнителя);
2) крупность включений не влияет на прочностные характеристики отвальных пород;
3) при увеличении дисперсности глинистого заполнителя значения углов внутреннего трения отвальных смесей снижаются, а сцепление — увеличивается;
4) с ростом влажности глинистого заполнителя прочностные характеристики отвальных смесей снижаются, особенно сцепление.
Сжимаемость отвальных пород зависит от состава, количества и качества заполнителя, а также диапазона нормальных нагрузок, создаваемых массой вышележащих пород при отсыпке отвала или очередного отвального яруса. Испытание образцов крупнообломочных пород на компрессию показывает, что 88—97 % осадки осуществляется за несколько минут, поэтому насыпи, сложенные такими отложениями, обычно уплотняются практически мгновенно. Величина осадки при этом достигает 1 % ее первоначальной высоты.
Насыпи из глинистых пород уменьшают свою высоту на 10—12% в течение значительного промежутка времени, при этом наиболее интенсивное уплотнение также происходит на начальных этапах нагружения (до нагрузки 0,3 МПа), а в дальнейшем, при σупл = 0,4/0,5 МПа, оно уменьшается. Величины относительного сжатия изменяются от 23—25 % (σупл = 0,3 МПа) до 1 % (σУпл = 0,4/0,5 МПа). Осадка глинистых пород протекает в два этапа, отвечающих стадиям первичной и вторичной консолидации. Стадия первичной консолидации завершается в течение первых месяцев, а вторичная длится 3—5 лет и более. Уплотнение пород отвалов сопровождается увеличением их сопротивления сдвигу. Так, по ориентировочным данным С.И. Попова, продолжительность «отдыха» отвала длительностью шесть месяцев и один год привела к увеличению сцепления пород соответственно на 38 и 53 %.
Изменение состояния и свойств естественных пород в основании отвальных сооружений

В основании многих внешних отвалов залегают «слабые» отложения, которые при нагрузках, возникающих от массы отвальных сооружений или под действием других факторов (например, гидрогеологических), значительно изменяют свое состояние и свойства. К таким породам относятся четвертичные суглинки и глины различного генезиса, которые сплошным чехлом покрывают коренные породы. Воздействие отвалов (гидроотвалов) на породы естественного основания заключается в следующем:
1) увеличиваются нормальные нагрузки на породы основания — происходит гравитационное уплотнение;
2) в основании гидроотвалов изменяется гидродинамический режим подземных вод; возрастает гидростатическое давление, в некоторых случаях формируется избыточное поровое давление;
3) гидродинамический режим изменяется не только непосредственно в основании отвальных сооружений, но и в породных массивах, примыкающих к отвалам;
4) изменение гидродинамического режима в основании отвала приводит к выносу солей (химическая суффозия) и существенному снижению прочностных свойств пород.
Гравитационное уплотнение пород оснований отвалов, сопровождающееся увеличением сцепления, подтверждается результатами исследовательских работ в Кузбассе. Так, в среднем прочность суглинков и глин, распространенных повсеместно под отвальными сооружениями, возросла на 25—40 %. Изменение гидрогеологического режима в основании гидроотвалов обычно приводит к уменьшению показателя сцепления пород на величину структурного сцепления (Сстр = 0,02 МПа), т.е. практически в два раза.