ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВАХ ВЫСОКИХ ОТВАЛОВ НА ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИЙ ИХ РАЗМЕЩЕНИЯ

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВАХ ВЫСОКИХ ОТВАЛОВ НА ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИЙ ИХ РАЗМЕЩЕНИЯ

Научная статья

Кутепов Ю.И.¹, Мухина А.С.^2, *

² ORCID^:0000-0002-0707-8914;

^{1, 2} Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (aleksandra_sergeevna94[at]mail.ru)

Аннотация

В статье выполнен анализ горно-геологических условий формирования и функционирования высоких отвалов угля в Кузбассе и рассмотрены основные факторы, определяющие их устойчивость; показана особая роль гидрогеологического фактора; изложены результаты многолетних исследований гидрогеомеханических процессов, возникающих в водонасыщенных массивах природно-технических систем «отвал-естественное основание»; приведены условия образования в техногенных массивах «сухих» отвалов безнапорных водоносных горизонтов; дано описание оползневых процессов, произошедших на данных объектах и приведены причины их образования; на основании анализа условий устойчивости отвалов выполнена оценка геоэкологического влияния на окружающую природную среду, выделены наиболее опасные последствия от развития в отвальной природно-технической системе гидрогеомеханических процессов.

Ключевые слова: отвалы, гидродинамический режим, геоэкологические условия, мониторинг безопасности.

AN ASSESSMENT OF THE INFLUENCE OF HYDRO-GEOMECHANICAL PROCESSES IN ANTHROPOGENIC MASSES OF HIGH STOCKPILES ON THE GEOECOLOGICAL CONDITIONS OF SURROUNDING TERRITORIES

Research article

Kutepov Yu.I.¹, Mukhina A.S.^2, *

² ORCID^:0000-0002-0707-8914;

^{1, 2} Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia

* Corresponding author (aleksandra_sergeevna94[at]mail.ru)

Abstract

The article analyzes the mining and geological conditions of formation and functioning of coal stockpiles in the Kuznetsk Basin and the main factors that determine their stability; demonstrates the special role of hydrogeological factors and the results of multi-year research on hydro-geomechanical processes occurring in waterlogged soil mass of the natural and technical "stockpile-natural soil" systems; presents the formation conditions of "dry" stockpiles of unconfined aquifers in man-made masses; describes of the landslide processes occurring on these masses and the reasons of their formation. The study conducts an assessment of the geoenvironmental impact on the natural environment based on the analysis of the conditions of the stockpile stability as well as details the most dangerous consequences of the development of hydro-geomechanical processes in the natural and technical system of the stockpiles.

Keywords: stockpiles, hydrodynamic regime, geoecological conditions, safety monitoring.

На сегодняшний день Кузбасс занимает одно из лидирующих мест по добыче угля в РФ. По данным Министерства энергетики за 2019 год было добыто порядка 438 млн. т угля, при этом доля открытой разработки в Кузбассе составила около 150 млн. т [5]. В свете решения актуальной проблемы охраны окружающей среды и рационального использования земельных ресурсов в настоящее время в Кузбассе встают вопросы сокращения площадей земельного отвода путем увеличения высот горнотехнических сооружений [2], [4]. И если вопросам геомеханического контроля устойчивого состояния подобных техногенных массивов в последнее время уделяется значительное внимание [1], [9] в связи с участившимися проявлениями катастрофических деформационных процессов на отвалах свыше 80 м, то вопрос геоэкологического контроля природно-технической системы (ПТС) на стадии формирования и эксплуатации традиционно игнорируется.Анализируя геометрические параметры отвалов, следует отметить тенденцию их увеличения. Внешние отвалы региона представляют собой техногенные массивы из насыпных и намывных пород по форме близкой к усеченному конусу, которые занимают площади от десятков до нескольких сотен гектар и характеризуются значительными высотами.В процессе формирования и функционирования высоких отвалов происходит изменение инженерно-геологического строения отвального массива, состава, состояния и свойств техногенных отвальных пород и естественных пород основания, что предопределяет развитие геомеханических и гидродинамических процессов, представляющих угрозу для окружающей среды и объектов инфраструктуры в виде проявления деформаций.

Устойчивость подобных сооружений зависит от ряда факторов, наиболее значимые из которых – инженерно-геологические и гидрогеологические условия техногенного массива и его основания.

Исследования последних лет, посвященные изучению инженерно-геологического строения высоких отвалов Кузбасса и развивающихся в них гидрогеомеханических процессов [4], позволили установить, что:

1. Физико-механические свойства пород углевмещающей толщи Кузбасса определяются возрастом отложений, составом и типом цемента исходных вскрышных пород, а также их прочностью. Изучения изменения гранулометрического состава под действием вертикальных нагрузок до 5,0МПа показало, что для пород балахонской серии характерны два резких изменения фракционного состава, при высотах отвалов 85 и 150 м; а для пород кольчугинской серии, находящихся на более низкой стадии катагенеза, изменения гранулометрического состава происходят при нагрузках 0,5 и 1,2МПа (30 и 65 м).

 

Рис. 1 – Влияние вертикальных нагрузок на гранулометрический состав отвальных пород Кузбасса

 

Такое изменение состава негативно отражается на прочностных свойствах отвальной массы, приводя к снижению сцепления и угла внутреннего трения. Также на физико-механические свойства техногенных пород влияет процент содержания глинистых дезинтегрированных неоген-четвертичных отложений, размещаемых в отвалах.

Перечисленные особенности при наличии инфильтрационного питания могут привести к формированию техногенного водоносного горизонта, который во многом будет определять состояние устойчивости откосов [9]. На основании экспериментальных данных было установлено пороговое значение коэффициента фильтрации 2,5 м/сут, превышение которого существенно снижает коэффициент запаса устойчивости.

2. Значения сцепления пород естественного и техногенного основания под влиянием вертикальной нагрузки соответствующей высоте отвала от 100м, практически не различаются, величина сцепления характеризуется постоянным значением с=70-80 кПа, а угол внутреннего трения φ=9-12°. Различия прочностных параметров между техногенными и естественными породами нивелируются, их можно отнести к одному типу техногенно-нарушенных отложений.

Особенно важным для случаев отвалообразования на водонасыщенном основании является изучение формирования избыточного порового давления в нагружаемых естественных и техногенных породах различной влажности и консистенции [8]. В породах основания текучей и мягкопластичной консистенции наблюдается формирование порового давления, величина которого близка к нагрузке от веса отвальной насыпи. После прекращения отсыпки происходит постепенное рассеивание избыточного порового давления и консолидация пород основания.

Таким образом, инженерно-геологическое понимание ПТС является несколько ограниченным в площадном выражении, и для комплексной оценки устойчивости ПТС необходимо рассматривать понятие ПТС, как целостной, упорядоченной в пространственно-временном отношении совокупности взаимодействующих компонентов, включающей геоэкологическую оценку ее состояния.

Негативное воздействие отвалов на компоненты окружающей среды проявляется в виде изменения водного режима, заболачивания прилегающих к отвалу территорий, изменения глубины сезонного промерзания-оттаивания грунтов в результате эндогенных процессов горения, повышения уровня запыленности атмосферного воздуха и нарушения биогеоценозов [3], [6], [10]. Формирование подобных техногенных массивов сопряжено с трансформацией территорий, площадь которой значительно превышает зону влияния сооружения в инженерно-геологическом понимании.

Актуальными примерами необходимости комплексного подхода к оценке влияния сооружений на окружающую среду, в том числе и для превентивного контроля устойчивого ее состояния, могут послужить отвалы «Северный» Ерунаковского разреза и «Южный» Талдинского разреза, где в 2019 г. были зафиксированы оползневые деформации, связанные с развитием геомеханических и гидрогеомеханических процессов.

Рис. 2 – Фрагмент публичной карты. Отвал «Северный». Участок деформаций и зоны затопления

 

Натурное обследование отвалов «Северный» и «Южный» показало изменение геометрии откосов. На основании анализа фотоснимков и визуального обследования сделан вывод, что отвалообразование на данных участках осложнялось наличием водоносного горизонта в теле отвалов. Этот факт подтверждается, в том числе наличием различных по площади водоемов как непосредственно на оползневом теле, так и вблизи нижней части откоса (рис. 2). Их появление связано со снижением проницаемости отвальной массы в результате изменения ее гранулометрического состава, наличием глинистого заполнителя, а также интенсивной инфильтрацией атмосферных осадков.

До отсыпки отвалов данная территория не характеризовалась наличием поверхностных водоемов. На данном участке зафиксировано угнетенное состояние берез, возраст которых (6-8 лет), следовательно, обводнение прилегающей территории происходило неоднократно. Устойчивость таких видов древесной растительности как березы к затоплению неодинакова и варьируется в зависимости от условий среды [7]. Деревья переносят приповерхностные и кратковременные подтопления, но погибают при повторном затоплении на глубину более 1 м. Этот факт свидетельствует о цикличности процесса подтопления, и выражался в локальных оплывинах, о чем свидетельствуют наклонно растущие деревья вне зоны деформации.

Своевременное выявление степени трансформации экосистем прилегающих территорий, с акцентом на видах-индикаторах со специфической реакцией на изменение естественной среды, позволил бы провести превентивные мероприятия для стабилизации состояние ПТС.

Комплексная оценка фактического состояния ПТС отвалов, включая установление закономерностей влияния гидрогеомеханических процессов в техногенных сооружениях на геоэкологическое состояние прилегающих территорий, позволит оптимизировать контроль за устойчивостью системы. Совместный анализ геомеханической и геоэкологической оценки отвалов «Южный» и «Северный» показал возможность использования растительных видов-индикаторов как составной части комплексного мониторинга безопасности ПТС.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы/ References

1. Гальперин А.М. Проблемы геомеханики и инженерной геологии в техногенных массивах / А.М. Гальперин, В.В. Мосейкин, С.А. Пуневский // Горный информационно-аналитический бюллетень. –2018. –№ 1. –С. 5–13.
2. Жариков В.П. Рекультивация гидроотвалов вскрышных пород на разрезах Кузбасса / В.П. Жариков // Горный информационно-аналитический бюллетень. –2012. –С. 42–47.
3. Коновалов В.Е. Миграция вещества при добыче полезных ископаемых и их первичной переработке / В.Е. Коновалов, Ю.Г. Германович //Известия вузов. Горный журнал. –2018. –№ 2. –С. 30–39.
4. Кутепов Ю.И. Обоснование устойчивости внешних отвалов Кузбасса и мониторинг их состояния / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, А.Д. Васильева // Горный информационно-аналитический бюллетень. –2019. –№ 4. –С. 109–120.
5. Министерство энергетики Российской Федерации [Электронный ресурс] – URL: https://minenergo.gov.ru/activity/statistic (дата обращения: 20.09.2019).
6. Фурманова Т.Н. Техногенная трансформация ландшафтов в зоне влияния активно разрабатываемых месторождений полезных ископаемых региона КМА / Т.Н. Фурманова, М.А. Петина, А.Н. Петин // Успехи современного естествознания. –2016. –№11(2). –С. 422–426.
7. Bartsch N. Wälder auf Landschaftsebene / N. Bartsch, E. Röhrig // Waldökologie. –2016. –P. 115–125.
8. Korobanova T. N. Dangerous geodynamic processes accompanying dump’s formation / T. N. Korobanova // Applied and Fundamental Studies: Proceedings of the 8th International Academic Conference. St. Louis: Science and Innovation Center Publishing House. –2015. –P. 84–90.
9. Kutepov Yu.I. Hydrogeomechanical processes in development of spoil dumps and hydraulic fills / Yu.I. Kutepov, N.A. Kutepova, M.A. Karasev // Eurock2018: Geomechanics and geodynamics of rock masses. Proceedings of the 2018 European rock mechanics symposium. –2018. –P. 1645–1652.
10. Mukhina A. Geoecological justification of reclamation of outer coal waste piles / A. Mukhina // Scientific and Practical Studies of Raw Material Issues. –2020. –P. 157–164.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Galperin A.M. Problemy geomehaniki i inzhenernoy geologii v tekhnogennyh massivah [Problems of geomechanics and engineering geology in man-made massives] / A.M. Galperin, V.V. Moseykin, S.A. Pynevskiy // Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten. –2018. –№ 1. –P. 5–13. [in Russian]
2. Zharikov V.P. Rekul'tivatsiya gidrootvalov vskryshnykh porod na razrezakh Kuzbassa [Recultivation of overdoor hydraulic dumps on Kuzbass sections] / V.P. Zharikov // Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten' (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal). –2012. –P. 41–47 [in Russian]
3. Konovalov V.E. Migratsiya veshchestva pri dobyche poleznykh iskopayemykh i ikh pervichnoy pererabotke [Substance migration at minerals production and primary processing] / V.E. Konovalov, Iu.G Germanovich // Izvestiya vuzov. Mining journal. –2018. –№ 2. –P. 30–39 [in Russian]
4. Kutepov Yu.I. Obosnovaniye ustoychivosti vneshnikh otvalov Kuzbassa i monitoring ikh sostoyaniya [Stability of external Kuzbass dumps and monitoring of their condition] / Yu.I. Kutepov, N.A. Kutepova, A.D. Vasileva // Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten. –2019. –№ 4. –P. 109–120 [in Russian]
5. Ministry of Energy of the Russian Federation [Electronic resource] – URL: https://minenergo.gov.ru/activity/statistic (accessed 20.09.2020). [in Russian]
6. Furmanova T.N. Tekhnogennaya transformatsiya landschaftov v zone vliyania aktivno razrabatyvaemykh mestorozhdeniy poleznykh iskopaemykh regiona KMA [Technogenic transformation of landscapes in the zone of influence of actively developed mineral deposits of the KMA region] / T.N. Furmanova, M.A. Petina, A.N. Petin // Uspekhi sovremennogo yestestvoznaniya. –2016. –№11(2). –P. 422-426. [in Russian]
7. Bartsch N. Wälder auf Landschaftsebene [Forests at landscape level] / N. Bartsch, E. Röhrig // Waldökologie [Forest ecology]. –2016. –P. 115–125. [in German]
8. Korobanova T. N. Dangerous geodynamic processes accompanying dump’s formation / T. N. Korobanova // Applied and Fundamental Studies: Proceedings of the 8th International Academic Conference. St. Louis: Science and Innovation Center Publishing House. –2015. –P. 84–90.
9. Kutepov Yu.I. Hydrogeomechanical processes in development of spoil dumps and hydraulic fills / Yu.I. Kutepov, N.A. Kutepova, M.A. Karasev // Eurock2018: Geomechanics and geodynamics of rock masses. Proceedings of the 2018 European rock mechanics symposium. –2018. –P. 1645–1652.
10. Mukhina A. Geoecological justification of reclamation of outer coal waste piles / A. Mukhina // Scientific and Practical Studies of Raw Material Issues. –2020. –P. 157–164.