» » Изучение инженерно-геологических условий отвала и гидроотвала

Изучение инженерно-геологических условий отвала и гидроотвала

03.08.2016

Обоснование оптимальных параметров отвальных сооружений невозможно без исходной информации, при получении которой необходимо иметь составленную программу исследований, учитывающую степень сложности инженерно-геологических условий отвалообразования. Залог успешного составления и реализации таких программ — использование известных принципов последовательности, комплексности и полноты изучения при минимуме затрат труда, времени и материалов. При этом необходимо также увязывать программу исследований с конструкциями, параметрами и технологией формирования отвальных сооружений.
Инженерно-геологические условия отвалообразования могут быть трех категорий сложности: 1 — простые; 2 — сложные; 3 — особо сложные. Критериями для разделения на категории сложности служат следующие факторы (табл. 9.2): местоположение сооружения относительно ответственных объектов; гидрогеологические условия отвала или основания; преимущественный состав пород отвала или основания; строение отвала и основания.
Степень сложности определяют по совокупности факторов: если хотя бы один из них имеет более высокую категорию, то можно отнести отвал к соответствующей этому фактору категории.
Изучение инженерно-геологических условий отвала и гидроотвала

Отвалы, как и другие сооружения, целесообразно проектировать в две стадии: на первой стадии обосновывают необходимость строительства отвала, на второй — выполняют технический проект. Строительство отвальных сооружений с простыми условиями (1-я категория) и условиями средней сложности (2-я категория) планируют в одну стадию.
Инженерно-геологические изыскания, соответствующие проектным проработкам, также следует выполнять стадийно: рекогносцировочные, предварительные, детальные и дополнительные.
Отложения отвалов (гйдроотвалов) в условиях развития гидрогеомеханических процессов характеризуются переменными во времени физико-механическими свойствами, что обусловлено возрастанием внешней нагрузки и развитием порового давления. Отсюда при постановке и выполнении исследований необходимо:
• комплексно использовать полевые и лабораторные методы определений физико-механических и водных свойств пород, причем полевые методы должны быть ориентированы на массовое опробование отвала и основания, в первую очередь, для оценки характера его неоднородности, а лабораторные — для установления закономерностей изменения состояния и свойств с ростом напряжений;
• для получения достоверных сведений о напряженном состоянии в отвалах и их основаниях на различных этапах его формирования целесообразно применять натурный метод измерения порового давления;
• для прогнозирования напряженного состояния следует использовать параметры коэффициентов консолидации, полученные в полевых условиях, учитывая при этом закономерности их изменения с ростом нагрузки, устанавливаемые в лабораторных условиях;
• при прогнозе изменений свойств использовать принцип соответствия напряженного состояния пород в сооружении и образце;
• учитывать проницаемость пород отвалов и их оснований при выборе способов и методики их опробования.
Осуществление принципа увязки программ исследований с целевым назначением, конструкцией, параметрами и технологией формирования отвальных сооружений требует:
• организации детального изучения на наиболее ответственных участках сооружения (дамбы гидроотвалообразования, откосные части отвалов, зоны работы технологического оборудования и т.д.);
• учета параметров и технологии отвальных работ при определении глубины опробования основания и размеров зоны влияния отвала ЗВО;
• учета работы на отвале различных типов горно-транспортного оборудования;
• создания условий получения информации для дальнейших проработок по рекультивации отвалов.
Исследования состава, состояния и свойств техногенных пород отвалов, гидроотвалов и оснований отвальных сооружений должны обеспечивать комплексное изучение их инженерногеологических условий на всех этапах существования: при проектировании, строительстве, эксплуатации, рекультивации и ликвидации. Состав, объемы и режим опробования отвальных массивов и их оснований зависят от стадии исследований и сложности гидрогеомеханических условий (см. табл. 9.2).
На стадии рекогносцировочных исследований необходимо анализировать материалы ранее выполненных инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, а также технические проекты по организации отвальных работ на месторождениях.
Предварительные исследования должны начинаться с полевого опробования методами статического зондирования и пьезоконуса. Данные виды испытания следует производить по сетке с расстоянием между точками опробования 50—100 м. Испытания пьезоконусом по глубине выполняются для каждого выделенного при статическом зондировании однородного слоя или через 5 м (при отсутствии ярко выраженной слоистости). Буровыми работами предусматривается отбор образцов пород для предварительной оценки их состава и свойств. Объем буровых работ в пределах всего основания отвала определяют для условий: 1-я категория — 2—3; 2-я категория — 3—4; 3-я категория — 4—5 скважин.
В задачу детальных инженерно-геологических исследований входит:
• изучение строения, состава, состояния и свойств оснований отвалов;
• прогноз строения, состава, состояния и свойств отвальных массивов;
• прогноз изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий основания под действием массы отвала.
Для решения задач выполняют буровые работы с отбором монолитов, гидрогеологические, полевые и лабораторные исследования пород, а также опытно-промышленные эксперименты.
Для обоснования оптимальных параметров отвалов необходимо детально изучить инженерно-геологических условия на участках, приуроченных к упорным призмам сооружения. Ширина такого участка устанавливается расчетами устойчивости или приближенно определяется из соотношения а = Н/tgα, где H и a — соответственно высота и результирующий угол откоса проектируемого отвала.
В пределах выделенных участков буровые работы ведут на поперечниках, перпендикулярных бровке откоса отвала и расположенных относительно друг друга на расстоянии, зависящем от степени сложности инженерно-геологических условий. Для условий 1-й категории сложности достаточно одного поперечника, для 2-й и 3-й — расстояние между линиями поперечников равно соответственно 200—300 и 50—100 м. На каждом из поперечников следует бурить не менее трех скважин.
Число скважин и точек опробования на стадии детальных исследований необходимо определять с учетом скважин, пробуренных на ранних стадиях.
Частота отбора проб из скважин для лабораторных исследований определяется необходимостью получения более достоверных показателей физико-механических свойств. Образцы отбираются из каждого визуально выделенного однородного слоя, при мощности его более 3 м — из каждого трехметрового интервала. В зоне тонкого переслаивания частота отбора должна составлять 20—25 см на 1 м погонной длины скважины.
При испытании пород с помощью вращательного среза и прессиометрии число опытов для каждого выделенного в разрезе литологического типа должно быть не менее трех. В сложных породных массивах вращательный срез рекомендуется проводить через 1—2 м, а испытание прессиометром — через 5 м.
Геофизические исследования плотности и влажности пород в скважинах необходимо выполнять после их бурения.
При исследованиях грунтов с содержанием крупноблочного материала более 30 % необходимо применять штамповые и сдвиговые испытания в шурфах.
Прогнозирование состава, состояния и свойств пород отвалов и гидроотвалов следует осуществлять, учитывая следующие горно-геологические условия разработки месторождения:
• инженерно-геологический тип, литология, вещественный (минеральный и гранулометрический) состав и тип цемента (для скальных и полускальных пород) пород вскрышной толщи, поступающих в отвалы и гидроотвалы;
• технологию вскрышных и отвальных работ;
• последовательность поступления в отвал определенных типов пород;
• параметры отвала и интенсивность его формирования.
Моделирование пород отвальных массивов и последующее определение их физико-механических свойств можно проводить в лабораторных условиях на специальных приборах в зависимости от предполагаемого состава пород в отвале и эффективных напряжений, определяемых массой вышележащих пород и поровым давлением в них (для водонасыщенных отвалов и гидроотвалов). Для пород глинистого, суглинистого, супесчаного и песчаного составов можно использовать стандартные инженерно-геологические приборы с площадью 40 см2. Дресвянощебенистые отложения отвалов и песчано-глинистые отложения с содержанием крупнообломочных разностей рекомендуется изучать на специальных приборах с большим объемом и площадью рабочих камер. Так, для определения прочностных и деформационных параметров отвальных породных смесей во ВНИМИ разработан и используется специальный прибор.
При изучении гидрогеологических условий основания отвалов необходимо устанавливать: наличие и характер водоносных горизонтов; фильтрационные и компрессионные свойства водоносных и водоупорных пород; граничные условия водоносных пластов; условия их питания и разгрузки; гидравлическую связь между пластами; влияние техногенных факторов на изменение режима водоносных пластов.
Гидрогеологические исследования на данном этапе должны включать в себя опытно-фильтрационные работы (опытные и кустовые откачки, наливы, нагнетания, выпуски) и гидрогеологическую съемку основания отвала с фиксацией мест и расходов источников подземных вод.
Состав и объем опытно-фильтрационных работ зависит от категории сложности гидрогеомеханических условий. Если условия соответствуют 1-й категории сложности на площади проектируемого отвала, то достаточно выполнить одну опытную откачку (налив), для 2-й — по одной откачке (наливу, выпуску) в пределах каждого из выделенных «однородных» участков, а при весьма сложных гидрогеомеханических условиях следует запланировать как минимум одну кустовую откачку.
Глубину бурения скважин и опробования породных массивов при инженерно-геологических и гидрогеологических работах выбирают таким образом, чтобы обеспечить изучение гидрогеомеханических условий в пределах предполагаемой сферы взаимодействия отвального сооружения и основания, т.е. в основании мощной толщи «слабых» пород глубина опробования должна соответствовать высоте проектируемого отвала; а в разрезе «слабых» пород мощностью менее высоты отвала глубина опробования должна несколько превышать мощность «слабых» пород (с учетом заглубления в более прочные отложения на 1—3 м).
Завершающий этап инженерных изысканий — дополнительные инженерно-геологические и гидрогеологические исследования. Обычно их проводят после утверждения технического проекта одновременно с отвальными работами для уточнения параметров сооружений и порядка ведения отвальных работ. На этом этапе необходимо организовать:
• наблюдения за устойчивостью и деформациями откосов отвалов с помощью маркшейдерских станций;
• наблюдения за уровнем и напорами подземных вод в теле отвала и его основании;
• гидрогеологическую съемку поверхности отвала, его участков и основания с фиксацией мест и расходов высачивания подземных вод;
• изучение фильтрационных деформаций на откосах отвалов; контроль эффективности дренажа водоносных пластов самоизливающимися и водопонижающими скважинами путем замеров напоров и дебитов;
• бурение скважин с отбором монолитов для лабораторного изучения состояния и свойств отвальных массивов и их оснований на предмет контроля их изменения во времени;
• натурное опробование пород с помощью вращательного среза, прессиометрии, радиометрии;
• опытные наливы в шурфы по площади отвала.
Прогноз изменения состояния и свойств породных массивов в особых случаях требует организации и выполнения опытнопромышленных экспериментов, к которым относятся опытноэксплуатационные водопонижения и опытные отсыпки отвалов. Необходимость таких крупномасштабных опробований обосновывается специальным заданием.
Для прогноза напряженно-деформированного состояния отвальных сооружений, определения их оптимальных параметров, а также для разработки и проектирования технологических мероприятий по безопасному и эффективному отвалообразованию необходимо определять следующие показатели:
• прочностные: полное сопротивление сдвигу τ, МПа; угол внутреннего трения φ, градусы; сцепление С, МПа;
• компрессионно-фильтрационные: коэффициент уплотнения а, МПа-1; модуль деформации Eо, МПа; структурную прочность σстр, МПа; коэффициент фильтрации Кф, м/с; коэффициент консолидации Cv, м2/с;
• влажность W, %; плотность γ, г/см3; пределы пластичности WT, Wp, %; гранулометрический и агрегатный состав.