УДК 622.013 Пантюхина Евгения Анатольевна аспирант 1 года обучения кафедры геологии

УДК 622.013
Пантюхина Евгения Анатольевна
аспирант 1 года обучения кафедры геологии
Научный руководитель: Ческидов Василий Владимирович
доцент кафедры геологии, к.т.н.
Московский государственный горный университет
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ
УПЛОТНЕНИЯ НАМЫВНЫХ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИЙ С ЦЕЛЬЮ ОБОСНОВАНИЯ
ПРИРОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ
ANALYSIS OF METHODS FOR PREDICTING THE DENSIFICATION
PROCESS OF ALLUVIAL MINING FACILITIES IN ORDER TO
SUPPORT ENVIRONMENTAL MEASURES
При формировании гидроотвалов из тонкодисперсного материала или
при наличии в их основаниях глинистых слоев поведение системы
«сооружение - основание» определяется характером процессов уплотнения
и развития сдвиговых деформаций, которые во многом определяют
изменение инженерно-геологических свойств отложений во времени. В
которых под действием намываемых сверху пород возникает избыточнлое
поровое давление, в глинистом массиве процесс его рассеивания протекает
весьма длительное время (от нескольких лет до нескольких десятилетий)
(рис. 1).
Рис. 1. Схема распределения избыточного порового давления (Р и) в
водонасыщенных техногенных отложениях, уложенных на водоупор для
различных промежутков времени «отдыха» (t1> t2> t3> t4): h – мощность
слоя, z – глубина замера, Рэф – давление, передающееся на скелет грунта
(эффективное).
63
Для практических расчетов уплотнения преимущественно применяют
решения одномерных задач. Решение плоской задачи может быть
использовано как «эталонное» при оценке пригодности одномерных задач
для расчетов уплотнения оснований упорных призм и толщ намывных
тонкодисперсных грунтов [1].
Решения плоской задачи фильтрационной консолидации двухфазных
пород рассматривались преимущественно для полубесконечных массивов,
загруженных сосредоточенной силой, полосовой и полубесконечной
нагрузки.
При сплошной нагрузке, возникающей, например,
при
дополнительном намыве, нижележащие слои техногенных отложений
будет испытывать только вертикальное сжатие без возможности
расширения в стороны, так как тело гидроотвала ограничено дамбами и
склонами естественных возвышенностей. При этом объем массива будет
изменяться вследствие уменьшения пористости, слагающего материала,
объем минерального скелета при этом остается неизменным (рис. 2).
ha
hb
hc
hd
γa
А
γb
В
γc
С
D
γd
Рис.2. Схема распределения нагрузок в намывном массиве: А,B,C,D –
точки в середине соответствующих слоев массива; h и γ – мощность
намывных отложений соответствующего слоя и их плотность.
Нагрузка для точек А, В, С и D, показанных на рис. 2 соответственно
составит:
(1)
В рассматриваемом случае общая осадка за все время консолидации
техногенных отложений равна:
,
64
где h – начальная мощность отложений;
e1 и е2 – начальный и конечный коэффициенты пористости техноген
ных отложений.
Для оценки осадки слоя грунта при сплошной нагрузке для заданного
промежутка времени используется величина степени консолидации
(уплотнения), которая равна:
,
(2)
где St – величина осадки в момент времени t,
S – общая величина осадки слоя [3].
Так как на практике величину полной осадки вычислить в большинстве
случаев невозможно, то степень уплотнения определяют из соотношения:
(3)
где  - плотность намывных отложений;
h – мощность намывных отложений;
(Ри) – площадь эпюры избыточного порового давления.
При формировании гидроотвалов из тонкодисперсных грунтов
создаются условия для возникновения значительного избыточного
порового давления. В слоях большой мощности, сложенных грунтами с
низкими фильтрационными характеристиками, рассеивание порового
давления протекает очень медленно, что и следует учитывать при
назначении скорости отвалообразования.
Уравнение уплотнения двухфазной среды (скелет и вода) для плоской
задачи выглядит следующим образом:
где Сϑ – коэффициент консолидации.
Его решение для слоя конечной мощности представляется в виде:
где
– начальная величина давления в поровой воде;
h=2d; d=m/2 и d=m длина пути фильтрации воды соответственно при
двустороннем и одностороннем дренировании слоя мощностью m [2].
На практике избыточное поровое давление определяется из
соотношения:
Ри = Pw - γвhw,
(6)
где Pw – общее поровое давление;
65
γвhw – гидростатическое давление на точке замера (γв – плотность воды,
hw – высота столба воды).
Использование решений задач консолидации позволяет определять
осадки породных масс и производить оценку устойчивости намывных
сооружений исходя из прочности неконсолидированных грунтов их тела и
основания.
Проведенный анализ показал, что эпюры порового давления по
расчетным данным и действительным имеют различия около 15%. Такое
несоответствие ведет к достаточно большим ошибкам при решении
инженерных задач. Поэтому необходимо разработать набор методов,
которые позволят повысить точность расчётных значений степени
уплотнения намывных массивов с заданным временем отдыха tо (рис. 3)
[4, 5].
В данном случае предлагается разбивать массив на единичные слои,
мощность которого будет равна мощности намыва за один сезон, и
оценивать степень уплотнения на каждом слое отдельно.
Решение
задач
фильтрационной
консолидации
позволяют
удовлетворительно описывать развитие осадок тонкодисперсных
намывных грунтов в пределах 80-90% максимальной (стабилизированной)
осадки. Для повышения точности описания процесса уплотнения может
быть использовано решение
одномерной задачи консолидации и
ползучести двухфазных грунтов с учетом взаимодействия фаз, полученное
Ю.К. Зарецким и Н. А. Цытовичем.
С учетом специфики формирования и дальнейшего использования для
гидроотвалов и хвостохранилищ рассматриваются следующие случаи
уплотнения слоя отложений:
 переменной мощности, возрастающей во времени (намыв);
 после окончания намыва под действием собственной массы
слагающих его грунтов («отдых» слоя);
 под действием постепенно возрастающей нагрузки (намыв
вышележащего слоя);
 после окончания намыва вышележащих слоев под действием их
массы [1].
Особенность таких задач состоит в том, что в процессе консолидации
растет не только нагрузка, но и длина пути фильтрации воды в слое так же
увеличивается.
При формировании многослойных отвалов целесообразно выбирать
рациональное чередование слабофильтрующих и дренирующих слоев
исходя из условия максимально возможного уплотнения глинистых слоев
и увеличения приемной способности гидроотвала.
Разработка методов оценки уплотнения и осадок тонкодисперсных
глинистых пород, слагающих гидроотвалы, позволяет оперативно
разрабатывать мероприятия по увеличению вместимости техногенных
намывных массивов, что в конечном итоге позволит сократить площадь
66
нарушаемых территорий. Решение данной проблемы является актуальной
и при проведении рекультивации гидроотвалов и при использование их в
качестве оснований для “сухих” отвалов. Достоверная прогнозная модель
уплотнения отложений позволяет оценивать их несущую способность, а
соответственно составить план ведения горных работ по формированию
“сухих” отвалов на их основании.
а)
б)
в)
Рис.3. Эпюры порового давления на период зондирования для скважин:
1 – полученные данные, 2 – расчетные.
67
Литература.
1. Гальперин А. М., Дьячков Ю. Н. Гидромеханизированные и
природоохранные технологии. – М.: Недра. – 1993.
2. Зарецкий Ю. К. Теория консолидации грунтов. – М.: Издательство
«Наука». – 1967.
3. Цытович Н.А. Механика грунтов. – М.: Стройиздат, 1963.
4. Ческидов В.В. Комплексное зондирование намывных отложений
гидроотвала №3 разреза «Кедровский» // Горная промышленность, 2011. –
№100 (6). – С.70-76.
5. Ческидов В.В. Использование статистических и математических
методов при исследованиях намывных массивов // Горный
информационно-аналитический
бюллетень,
2009.
–
ОВ
№1
«Гидромеханизация». – С. 419-426.
Аннотация.
При гидромеханизированном вскрытии месторождении (наиболее
экономически выгодный способ) формируются массивы горных пород
занимающие огромные территории. Для сокращения площади нарушенных
земель
необходимо
разработка
специальных
мероприятий
обеспечивающих повышение вместимости гидроотвалов. В статье
рассмотрен способ оценки уплотнения намывных глинистых массивов,
который позволяет прогнозировать осадки на заданный момент времени и
соответственно разрабатывать мероприятия по повышению вместимости
сооружений.
When hydro mechanized development works (the most cost-effective way)
formed rock masses occupy vast areas. To reduce the area of disturbed land to
develop special measures to ensure increased capacity hydraulic dumps. In this
article the method of evaluation of alluvial clay seal arrays, which allows to
predict the precipitation at a given point of time and thus to develop measures to
improve the capacity of the facilities.
Ключевые слова.
открытые горные работы, техногенный массив, гидроотвал, степень
уплотнения, осадка массивов глинистых пород, консолидация грунтов
open mining works, technogenic array, hydraulic dump, the degree of
compaction, sediment arrays clays, consolidation of soils
68