» » Мониторинг безопасности формирования отвалов

Мониторинг безопасности формирования отвалов

03.08.2016

Для обеспечения безопасности и технико-экономической эффективности отвальных работ необходимо проводить мониторинг состояния отвального (гидроотвального) сооружения. Выбор методов мониторинга, состава мероприятий, технических средств и аппаратуры обычно осуществляется с учетом следующих требований:
1) мониторинг должен быть оперативным, обеспечивать своевременное принятие решений по изменению технологии производства и назначению специальных мер;
2) мероприятия и средства мониторинга не должны создавать помех процессам отвалообразования;
3) способы выполнения мониторинга и интерпретации результатов должны быть простыми и доступными для технических служб предприятий.
Основные задачи мониторинга:
• оценка соответствия действительных условий отвалообразования проектным;
• сравнение фактических расчетных показателей, определенных на различных этапах формирования отвалов, с проектными и внесение на этой основе изменений в проектные решения;
• оценка напряженно-деформированного состояния отвалов и их оснований;
• наблюдение за устойчивостью откосов отвалов;
• оценка качества мероприятий по обеспечению устойчивости отвала и назначение при необходимости дополнительных мероприятий.
Перечисленные задачи следует решать в рамках гидрогеомеханического, маркшейдерского и технологического мониторинга.
Гидрогеомеханический мониторинг при отвалообразовании

Включает в себя:
1) периодические определения состояния и свойств пород отвалов, гидроотвалов и их оснований;
2) документирование имеющихся случаев нарушения устойчивости, выявление причин деформаций, назначение мероприятий (при необходимости) по ликвидации последствий оползня и контроль за их выполнением;
3) наблюдения за фильтрацией воды из отвала, основания и рабочего борта разреза (при внутреннем отвалообразовании);
4) наблюдения за уровнями и напорами подземных вод в отвалах, гидроотвалах и их основаниях;
5) наблюдения за работой дренажных устройств;
6) расчеты устойчивости отвальных сооружений по выявленным инженерно-геологическим свойствам с учетом изменения напряженно-деформированного состояния.
Гидрогеомеханический мониторинг предопределяет выполнение дополнительных инженерно-геологических и гидрогеологических исследований. В частности, следует проводить бурение скважин с отбором монолитов для лабораторного изучения, оборудовать их открытыми пьезометрами или датчиками порового давления. При организации дренажа отвалов и их оснований необходим контроль его эффективности, предопределяющий бурение наблюдательных скважин.
Среди перечисленных видов работ наиболее важны те, которые непосредственно направлены на оценку состояния устойчивости сооружений. Это в первую очередь относится к периодическому изучению прочностных свойств пород отвалов и их оснований. Данный вид работ обычно выполняется при инженерно-геологических изысканиях под проекты наращивания отвальных и гидроотвальных сооружений.
Следует отметить, что прямой контроль прочности пород не достаточно оперативен, так как ее определение любым из современных лабораторных и полевых методов требует трудоемких и дорогостоящих буровых работ. Кроме того, наблюдения должны быть длительными.
В подобных ситуациях целесообразно контролировать не прочность пород, а какой-либо из основных факторов, определяющих прочностные свойства пород в массиве. В слаболитифицированных, мягких, песчано-глинистых породах сопротивление сдвигу более всего зависит от физического и напряженного состояния, которые для этих пород тесно связаны — каждому значению эффективных напряжений в скелете грунтов соответствуют определенные показатели влажности, плотности и пористости.
Напряженное состояние водонасыщенных пород определяется полными напряжениями в породном массиве, которые вполне однозначно зависят от массы вышележащих пород, и давлением в поровой воде, изменяющимся во времени. Следовательно, наиболее нестабильный фактор, определяющий изменения напряженно-деформированного состояния и прочностных свойств намывных пород, — поровое давление. Именно этот фактор подлежит контролю при эксплуатации отвальных и гидроотвальных сооружений.
Обычно контролирование нейтральных давлений в теле гидроотвала ведется с помощью открытых пьезометров, оборудованных на откосе сооружения для наблюдений за уровнем воды. Однако этот способ не дает полной информации о напряженном состоянии отвального массива и его основания, так как по положению депрессионной поверхности в откосе можно определить только одну составляющую порового давления — гидростатическое.
Исследования последних лет показывают, что в устойчивости отвалов огромную роль играет избыточное поровое давление, постоянно сохраняющееся либо в откосной части сооружения, либо в основании. Поэтому для контролирования нейтральных давлений в отвалах и их основаниях целесообразно использовать специальную тензометрическую аппаратуру, которую можно внедрить в тело отвального массива и его основание.
Организация гидрогеомеханического контроля за устойчивостью отвалов производится следующим образом:
1) на основании анализа технологических и гидрогеомеханический условий отвального сооружения выбирают участки, наиболее ответственные или наихудшие с точки зрения возможного нарушения устойчивости;
2) на данном участке в профиле, перпендикулярном простиранию откоса, бурят скважины, где устанавливают серии датчиков, располагая их в массиве или основании отвалов таким образом, чтобы иметь возможность качественно и вполне однозначно охарактеризовать поле нейтральных напряжений в пределах призмы возможного оползания;
3) на откосе сооружения в профиле закладки станции оборудуют серию открытых пьезометров для наблюдений за положением депрессионной поверхности.
Организованная таким образом станция гидрогеомеханического контроля не осложняет основных технологических процессов. Замеры порового давления по ней отличаются простотой, не требуют большого времени и могут выполняться систематически с какой угодно частотой.
Система гидрогеомеханического контроля, помимо наблюдательных станций, должна содержать и определенный математический аппарат, позволяющий оперативно (как и замеры по датчикам) оценивать состояние устойчивости сооружения исходя из получаемых данных о величине порового давления.
Наилучших результатов в оперативности и качестве оценки устойчивости отвального сооружения можно достичь, располагая компьютерной моделью, отвечающей следующим требованиям:
1) отражать строение и гидрогеомеханические условия откосной части сооружения на контролируемом участке;
2) базироваться на методе расчета устойчивости, наиболее полно учитывающем конкретные условия;
3) позволять оценивать состояние устойчивости сооружения в зависимости от основных факторов (порового давления и прочностных свойств пород);
4) давать возможность выбирать меры по улучшению условий откоса путем изменения его геометрии.
Выполнение гидрогеомеханического мониторинга при строительстве и эксплуатации гидроотвала «Бековский» в Кузбассе

Экспериментальные исследования, связанные с оценкой устойчивости гидроотвалов по результатам измерений порового давления, выполнялись на гидроотвале «Бековский» в течение 20 лет. Гидроотвал намывался в логу и относился к сооружениям овражно-балочного типа с односторонним обвалованием. За срок его эксплуатации (35 лет) ограждающая плотина неоднократно наращивалась и в настоящее время состоит из 15 дамб общей высотой более 70 м в тальвеге лога. Необходимость в постановке здесь специальных исследований была вызвана серьезной аварией, связанной с внезапным развитием оползневой деформации откоса гидроотвала во время строительства 7-й дамбы наращивания зимой 1987 г. Формирование дамбы общей высотой 5 м осуществлялось двумя слоями по 2,5 м с развитием фронта горных работ в направлении от краев к центру плотины во встречном направлении. Во время отсыпки 2-го слоя произошло смещение верхней части откоса в центре плотины на участке протяженностью 250 м. Оползень, помимо отсыпаемой дамбы, захватил еще три нижние дамбы наращивания, что по высоте составило около 15 м. В результате деформации гребень плотины опустился на 3 м и сдвинулся в сторону низового откоса на 5 м.
Расчетами устойчивости оползневого участка плотины, выполненными специалистами при расследовании причин аварии, был получен коэффициент запаса устойчивости, превышающий нормативное значение, поэтому совершенно обоснованно возникло предположение, что образование оползня инициировано повышением избыточного порового давления в намывных породах в процессе формирования насыпи. Механизм данного явления вполне очевиден: нагрузка от массы насыпи, отсыпаемой на замороженную поверхность слаболитифицированных полностью водонасыщенных намывных пород, воспринимается прежде всего поровой водой, вызывая повышение нейтрального давления и соответствующее снижение эффективных напряжений в скелете намывных пород. Это сопровождается уменьшением сопротивления сдвигу последних и, как следствие, ухудшением условий устойчивости откоса сооружения. Для проверки данного предположения были организованы длительные наблюдения за поровым давлением в намывном массиве.
Выполненные измерения зафиксировали в откосной части намывного массива значительное по величине избыточное поровое давление. При этом величины порового давления не совпадали с рассчитанными по аналитическим решениям, соответствующим намыву и «отдыху» гидроотвала, с учетом истории его эксплуатации.
Согласно расчетам, в большей части исследованной области избыточное поровое давление, сформировавшееся в процессе намыва, должно было полностью рассеяться к моменту исследований. Дальнейшие наблюдения по станции в течение нескольких технологических этапов, включающих в себя намыв гидроотвала, его «отдых», строительство дамб наращивания и формирование пригрузочных призм, показали, что любые технологические мероприятия в пределах откосной части сооружения вызывают повышение порового давления в намывных породах (см. рис. 9.2). Основная причина образования и сохранения здесь избыточного порового давления — строительство дамб и пригрузочных призм. В эти периоды происходит резкое увеличение порового давления в обширной области намывного массива, простирающейся в профиле отсыпаемой дамбы на расстояние более 100 м в сторону низового откоса. Повышение порового давления в период намыва наблюдается в области, не превышающей 50 м, и имеет подчиненное значение по сравнению с возмущением, вызванным отсыпкой. Влияние намыва в общем процессе формирования избыточного порового давления в откосной части гидроотвала заключается более всего в том, что давление, инициированное дамбой, не успевает рассеиваться к началу следующего строительного периода. В результате, к концу каждого технологического цикла происходит прирост порового давления по сравнению с предыдущим годом, т.е. постепенное снижение устойчивости откоса сооружения.
Вторая оползневая деформация произошла в декабре 1989 г. при строительстве 8-й дамбы наращивания. Сценарий ее развития практически полностью соответствовал первой деформации. Дамбу формировали таким же способом, продвигаясь двумя пионерными насыпями высотой 2,5 м во встречном направлении из краевых частей к центру, и на том же участке в центре плотины произошло сползание откоса с захватом трех дамб (рис. 9.5).
Мониторинг безопасности формирования отвалов

Весьма интересен тот факт, что в течение всего периода отсыпки сотрудники эксплуатирующей организации ежедневно проводили замеры порового давления по наблюдательной станции, которые сравнивали с предельно допустимыми значениями, рассчитанными заранее для условий данной отсыпки. В момент прохождения насыпью профиля станции почти по всем датчикам были зарегистрированы значения, превышающие допустимые, но горные работы остановлены не были, что и привело к скорому нарушению устойчивости откоса. На графиках временного прослеживания для периода описываемых событий (рис. 9.6) хорошо виден резкий подъем давлений накануне аварии (13.12.1989 г.), после чего показания датчиков, попавших в оползневую зону, обрываются. По уцелевшим после аварии датчикам в течении последующих трех месяцев наблюдался весьма интенсивный спад порового давления до величин, предшествующих сдвиговой деформации.
Результаты экспериментальных исследований на гидроотвале «Бековский» полностью подтвердили предположение о нестабильности напряженного состояния пород в откосах высоких намывных сооружений, которая обусловлена резкими колебаниями (возрастанием и рассеиванием) порового давления в намывных породах.
Маркшейдерский мониторинг при отвалообразовании

Маркшейдерский контроль за ведением отвальных работ включает в себя: установление границ распространения деформаций и их вида; определение абсолютных величин и скорости смещения оползающих масс; определение критических величин смещения и скорости, предшествующих разрушению откоса отвала. Маркшейдерские наблюдения в зависимости от степени ответственности отвальных сооружений, параметров и скорости оползневых деформаций могут быть визуальными, упрощенными и инструментальными.
Упрощенные визуальные наблюдения наиболее целесообразны при формировании отвалов в условиях постоянного деформирования откосов, так как использование реперных наблюдательных станций затруднено из-за постоянного оседания верхней площадки отвала, которую необходимо периодически подсыпать, а это влечет за собой ликвидацию рабочих реперов.
Наиболее приемлемым способом контроля в данном случае являются обычные наблюдения, заключающиеся в периодических линейных и угловых измерениях раскрытия трещины отрыва (между двумя реперами, забитыми по краям трещины) с использованием простейших измерительных инструментов (деревянных маркированных реек, линеек, рулеток) и угломерных устройств (эклиметра, горного компаса). Ю.И. Кутеповым разработано устройство (А.С. 1641955), совмещающее в одном корпусе гибкий измерительный элемент, угломер и механизм натяжения измерительной ленты. Данное устройство хорошо себя зарекомендовало при наблюдениях за деформированием откосов отвалов, отсыпаемых на «слабое» водонасыщенное основание, в частности, на гидроотвалы вскрышных пород.
Инструментальные маркшейдерские наблюдения можно выполнять как методами полевых геодезических измерений (створные наблюдения, геометрическое нивелирование, геодезические засечки, угловые, линейные, линейно-угловые, полигонометрия и т.д.), так и фотограмметрическими методами (наземная стереофотограмметрическая и аэрофотограмметрическая съемки).
Фотограмметрические методы наиболее эффективны на активной стадии процесса деформирования, а также при наблюдении за устойчивостью отвалов и прибортовой зоны на значительных площадях (аэрофотограмметрическая съемка). Они могут быть также полезны при паспортизации различных нарушений устойчивости. В этом случае можно использовать как графическую документацию (планы и разрезы), составленную по материалам фотограмметрической съемки, так и само фотограмметрическое изображение местности в виде фотопланов, фотосхем или отдельных увеличенных снимков. Кроме того, материалы периодической аэрофотосъемки могут применяться также для визуальных наблюдений за измерениями состояния массива горных пород на больших площадях. При наблюдениях за уплотнением гидроотвалов, поверхности которых недоступны в течение длительного времени для механизмов и людей, аэрофотограмметрический метод является единственно возможным.
Технологический мониторинг при отвалообразовании

Технологический мониторинг включает в себя наблюдения: за составом пород, поступающих в отвалы с различных вскрышных участков и горизонтов; за параметрами и порядком развития отвальных работ на сооружении; за интенсивностью отсыпки (намыва гидроотвала); за качеством выполнения мероприятий по обеспечению устойчивости. Он также предусматривает оценку влияния изменения схемы отвалообразования на параметры откосов.