Личман Ю. А., Даутов Э. Х., Бондаренко Т. Т.
В практике отвалообразования высота породных отвалов изменяется в значительных пределах и зависит главным образом от физико-механических свойств складируемых горных пород, прочности пород основания отвала, рельефа местности и технологии отвалообразования.
На протяжении длительного времени высоту внешних отвалов при транспортных системах открытой разработки принимали в пределах 45–60 м. Это в некоторой степени приводило к тому, что отвалы удалялись на значительные расстояния от разрезов, увеличивалась стоимость транспортировки пустых пород, занимались большие земельные площади.
В целях снижения затрат на отвалообразование на ряде предприятий по добыче полезных ископаемых открытым способом пошли по пути значительного увеличения высоты отвалов. Часто высокие отвалы стали отсыпаться в гористой местности при складировании скальных пород. Например, на Алтын-Топканском комбинате высота отвала при экскаваторном способе отвалообразования составляла 130 м. Высокие породные отвалы на горных склонах отсыпались в Тырнаузском ГМК (400–500 м), в Алмалыкском ГМК (200–300 м). На Центральном руднике ПО «Апатит» при бульдозерном отвалообразовании отсыпка пород в отвалы производилась одним уступом высотой 250–400 м. На Нерюнгринском разрезе высота породных отвалов достигает 40–50 м, а на участках с пониженным рельефом местности — 70 м. Характер деформации отвалов не затрудняет ведение отвальных работ. На разрезах Кузбасса Кедровском, им. 50-летия Октября высота нижнего яруса экскаваторных отвалов достигает 80 м. Отсыпка высоких породных отвалов производится на ряде других карьеров за рубежом, где отвалообразование в условиях гористого рельефа осуществлялось на рудниках «Вингам-Юта», «Уинства Синклер» (США), «Ачанга» (Южная Африка) и др., где высота отвалов достигает 250–600 м.
Исходя из вышесказанного, постановка вопроса об увеличении высоты породных отвалов на разрезе «Восточный» ФАО «Евроазиатская энергетическая корпорация» имеет под собой реальную основу.
Из литературных источников известно, что в ряде случаев высокие отвалы деформируются, а иногда отвалообразование производится в условиях постоянного движения отвалов, однако основное условие ведения работ — это обеспечение безопасной работы людей и оборудования, занятых на данном технологическом процессе.
Как правило, деформационные процессы отвалов носят закономерный характер и проявляются в постепенном и плавном нарастании скорости смещения отдельных участков отвалов. Технологическим критерием их безопасной эксплуатации служит вертикальная скорость их деформации — 50 мм/сутки. Зачастую знание закономерности данных процессов позволяет безопасно производить отвальные работы даже в условиях постоянного их движения.
Основными причинами оползней и деформаций откосов отвалов являются:
— низкая несущая способность грунтов в основании отвалов;
— несоответствие высоты отвала физико-механическим свойствам пород, отсыпаемых в теле отвала;
— концентрация глинистых пород в нижних слоях отвала;
— отгрузка в отвалы увлажнённых глинистых пород;
— наличие снега в теле отвала вблизи его откоса в период снеготаяния;
— накопление дождевых и паводковых вод у нижней бровки отвала.
Разрез «Восточный» ФАО «ЕЭК» располагается в границах Экибастузского угольного бассейна в непосредственной близости от города Экибастуза Павлодарской области Республики Казахстан. Фронт добычных работ на разрезе в настоящее время составляет около 7 км, отработка вскрышной зоны ведётся на 14 уступах высотой от 10 до 20 м. При среднем 14-градусном угле наклона угольных пластов к горизонту в направлении добычной зоны в ближайшие годы ожидается ежегодное увеличение скорости погружения горных работ от 5 до 10 м.
В соответствии с геологическими данными вскрышные породы состоят из ≈30 % алевролитов, песчаников — ≈25 %, аргиллитов — ≈20 % и ≈25 % остаточных, состоящих из переслаивающихся угля, углистых сланцев и пород.
Физико-механические свойства песчаников, алевролитов, аргиллитов приведены в табл. 1, 2, 3.
Разрез «Восточный» расположен в районе со сложными гидрогеологическими условиями. Подземные воды имеют минерализацию от 0,6–1,0 до 5,0–14,8 г/дм3, приурочены к наиболее проницаемым зонам трещиноватых пород и локально-распространённым рыхлым отложениям. Дебиты скважин невысокие — 0,1–0,2 л/с, реже 0,5–0,6 л/с при понижении уровня до 15,0–17,8 м. Среди анионов в пресных водах преобладают гидрокарбонаты и сульфаты, а в солоноватых — хлориды и сульфаты. Воды содержат значительное количество фтора — 3,0–8,0 мг/дм3 (2,0–5,0 ПДК), свинца 0,1–0,318 мг/дм3. Уровень вод, преимущественно слабонапорных, располагается на глубинах 1,9–12,8 м.
Питание подземных вод осуществляется за счёт инфильтрации атмосферных осадков и наиболее активно происходит в пределах положительных форм рельефа в районах обнажения водовмещающих пород. Главную роль в питании подземных вод района играют осадки осенне-зимне-весеннего периода. В тёплый период (летний), ввиду высокого дефицита влажности, атмосферные осадки расходуются на испарение и транспирацию растениями.
Содержание микроэлементов в подземных водах изменяется в широких пределах и зависит от следующих основных факторов: литологического состава пород зоны аэрации, водовмещающих пород, геомеханических условий, содержания в породах рудных компонентов и уровня техногенного загрязнения подземных вод. Максимальные содержания некоторых экологически токсичных микроэлементов в подземных водах нередко превышают предельно допустимые концентрации.
В настоящее время на разрезе «Восточный» ФАО «ЕЭК» для повышения устойчивости высоких породных отвалов применяются следующие мероприятия:
1. Отсыпка предотвалов.
В данном случае устойчивость отвалов обеспечивается за счёт пригрузки породных площадей, прилегающих к отвальным откосам. Обычно предотвал сооружается до отсыпки основного отвала с последующим заполнением пространства между предотвалом и основным отвалом. Устойчивость отвала находится в зависимости от высоты предотвала, т. к. с увеличением высоты предотвала выполаживается общий угол откоса отвала. Данное мероприятие также имеет целью изолирование углесодержащих пород, уложенных в предотвал плотным слоем инертного материала, практически полностью исключающего активные окислительные процессы в породах, склонных к самонагреванию.
2. Инженерная подготовка оснований отвалов.
При инженерной подготовке основания отвалов выполняют одно из следующих мероприятий:
— террасирование почвы при наклонном основании отвала;
— удаление слабого слоя при мощности его до 2,0 м (рис. 1);
— устройство противооползневых выемок специальной формы (рис. 2) с учётом минимальной ширины отвальной заходки.
На рис. 1 приведено удаление слабого слоя на площадке формирования первого яруса отвала «Конвейерный» разреза «Восточный» ФАО «ЕЭК».
На рис. 2 приведено устройство противооползневых выемок специальной формы.
Инструментальное наблюдение за поверхностью отвала «Конвейерный» разреза «Восточный» с помощью БПЛА приведено на рис. 3.
На рис. 4 приведена конструкция противооползневых выемок специальной формы с шагом устройства, равным минимальной ширине отвальной заходки.
Характеристика отрабатываемых вскрышных пород, распределение пород по литологическим разностям приведены в табл. 4.
Влажность пород внешней вскрыши — 5–10 %.
Средняя объёмная масса (плотность) внешней вскрыши — 2,3 т/м3.
Объёмная масса пород на карбонатно-глинистом цементе:
песчаник — 2,12 т/м3;
алевролит — 2,41 т/м3,
аргиллит — 2,04 т/м3.
В отвал «Конвейерный» разреза «Восточный» складируются разнородные породы, которые перемешиваются в процессе отсыпки, в результате чего образуется качественно новая масса с иными свойствами, чем исходные компоненты. При этом размеры кусков после дробления варьируются от 0 до 300 мм.
По результатам инженерно-геологических исследований поверхности формирования отвала физико-механические свойства грунтов следующие: естественная влажность 16–35 %, удельная плотность 2,74 г/см3, объёмная плотность 1,79–1,89 г/см3.
Плотность сухого грунта 1,43–1,55 г/см3, коэффициент пористости 0,78–0,96, пористость 43,1–47,8 %, пределы текучести 0,41–0,60, раскатывания 0,19–0,24, число пластичности 0,20–0,36. Коэффициент сдвига (tgφ 0,249– 0,322; угол внутреннего трения (ρ0) 140–180; удельное сцепление 0,42–0,56 кг/см2. Модуль деформации (Е) при естественной влажности равен в среднем 66–83 кг/см2, при замачивании снижается до 60 кг/см2. Грунты обладают слабой просадочностью, но это не оказывает негативных последствий при складировании вскрышных пород.
По вышеуказанным факторам все внешние отвалы разреза «Восточный» ФАО «ЕЭК» равноценны по составу вскрышных пород, складируемых в отвалы, что даёт возможность проецировать установленные параметры внешних высоких отвалов.
При моделировании и принятии решений по максимальным параметрам отвальных ярусов учитывались следующие известные из практики сведения:
— при различных технологических условиях формирования отвала с использованием горнотранспортного оборудования высота отдельных ярусов может составлять от 28,0 до 90,0 м;
— для смешанных нагруженных скальных и полускальных пород отвала коэффициент устойчивости ярусов и отвала требуется принимать в интервале 1,2–1,3.
Необходимо отметить, что для повышения надёжности расчётных параметров яруса к учёту принимались варианты, в результате расчёта которых величина коэффициента запаса устойчивости n составила не ниже 1,4.
В частности, в результате многолетних наблюдений и расчётных материалов по безопасным устойчивым параметрам внешних отвалов отвал «Конвейерный» разреза «Восточный» ФАО «ЕЭК» формируется со следующими значениями:
— первый ярус: высота 90 м; ширина бермы 100 м; угол откоса яруса 350, коэффициент запаса устойчивости 1,4;
— второй ярус: высота 75 м; ширина бермы 100 м; угол откоса яруса 350; коэффициент запаса устойчивости 1,4.
Принятые технические решения подтверждены стабильным состоянием отвальных ярусов.