Инженерно-геологическое обоснование обеспечения устойчивости и повышения вместимости отвальных горно-технических сооружений

27





ОГЛАВЛЕНИЕ



	ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………….… 4

	Глава 1. Определение несущей способности естественных и искусственных          оснований……………………………………………………………….…..9

	Оценка возможностей применения теории консолидации в горном             деле…………………………………………………………………………9

	Уплотнение и несущая способность намывных и слабых                               оснований………………………………………………………………… 15

	Выводы по 1  главе…………….………………………………………………20

	Глава 2. Лабораторные исследования намывных и естественных тонкодисперсных отложений…………………………………………….................22

	2.1.    Исходные положения нелинейной фильтрационной консолидации......22

	2.2. Определение консолидационных параметров и характеристик ползучести тонкодисперсных отложений ………………………………..………......26

	Выводы  по 2  главе…………………………………………………………....36

	Глава 3. Инженерно-геологическое районирование намывных                                   территорий ……………………………………………………………….38

	3.1. Принципы районирования………………………………………………….38

	3.2. Обобщение материалов районирования для объектов КМА и                        Кузбасса………………………………………….……………………….39

	Выводы  по 3  главе………………………………………………………….…66

	Глава 4. Обоснование мероприятий по освоению техногенных   массивов………………………………………………………………………….67

	4.1. Комплексное использование территории гидроотвала «Лог                           Шамаровский»…………………………………………………………….67

4.2. Определение параметров хранилища фосфогипса ОАО «Воскресенские       минеральные удобрения» ……………….................................................71

4.2.1. Устойчивость отвалов слабых пород на прочном основании…………79



4.2.2. Расчеты уплотнения отвального массива……………………………….86

Выводы по 4 главе ………………………………………………………………91

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………….…... 92

Список литературы……………………………………………….………….…..94

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	ВВЕДЕНИЕ

	Актуальность работы.  Сложившаяся в Российской Федерации ситуация в области обращения с отходами ведет к опасному загрязнению окружающей природной среды и создает реальную угрозу здоровью населения. С отходами теряются минеральные ресурсы, многими из которых страна практически не располагает. На территории России в отвалах различных типов накоплено более 90 млрд. т твердых отходов, в том числе 80 млрд. т – горно-промышленных, количество которых ежегодно увеличивается почти на 3 млрд. т; также техногенными массивами  занято свыше 300 тыс. га земель.

	Важный элемент проектирования открытых разработок - определение высоты и объема карьерных отвалов, а также необходимых для их размещения площадей. Основной процесс, с которым связано изменение состояния отвальных пород во времени, - их уплотнение (под действием внешней нагрузки - для оснований, или собственного веса - для тела отвалов). В зависимости от фазового состава (водонасыщенности) породных масс отвалов для прогнозных расчетов их уплотнения используется аппарат теории фильтрационной консолидации или ползучести.

	Если основание или тело отвала сложены глинистыми породами, привлечение аппарата теорий консолидации и ползучести позволяет определить геометрические параметры насыпей с учетом ряда технологических факторов, оказывающих совокупное влияние на сопротивление пород сдвигу. При этом степень уплотнения породных слоев следует устанавливать с помощью зависимостей, в которые вводится скорость подвигания фронта отвала, и затем использовать выбранный по величине степени уплотнения график сопротивления пород сдвигу для оценки устойчивости откосов. Таким образом, производится проверка режима отвалообразования с позиций устойчивости откосов, и оценивается эффективность мероприятий по инженерной подготовке слабых оснований, что является основой для разработки эффективных мероприятий по освоению техногенных массивов.

	Состояние отвальных массивов (гидроотвалов, хвостохранилищ и отвальных насыпей) определяется масштабом и скоростью развивающихся в них процессов уплотнения и ползучести. Для оценки устойчивости откосных сооружений ограждающих дамб и обеспечения максимальной вместимости внутренних зон намывных сооружений необходимо располагать информацией о степени уплотнения намывных отложений с учетом динамики их формирования. Данный вопрос недостаточно исследован и освещен в литературных источниках.

	В связи с вышесказанным совершенствование методов оценки уплотняемости и несущей способность отвальных массивов тонкодисперсных отложений является актуальной научной задачей.

		Целью диссертационной работы является  инженерно-геологическое обоснование обеспечения устойчивости и повышения вместимости отвальных горно-технических сооружений на основе уточненных прогнозных расчетов уплотняемости и несущей способности техногенных массивов тонкодисперсных отложений.

		 Идея работы состоит в повышении вместимости техногенных массивов и экономии земельных ресурсов на основании определения степени уплотнения  на  различных этапах формирования отвальных сооружений и нагружения естественных слабых оснований с учетом зависимостей  сцепления  и угла внутреннего трения, что позволяет оценивать предельно допустимые нагрузки на искусственные и естественные основания. 

		Задачи исследований:

	- анализ опыта освоения техногенных массивов в горно-технической практике с целью обеспечения устойчивости и повышения вместимости отвальных сооружений;

	- оценка возможностей применения теории фильтрационной  консолидации и ползучести  грунтов в горно-технической практике;

	- установление зависимостей коэффициента консолидации от уплотняющих нагрузок;

		- расчеты уплотнения намывных отложений и прогноз их несущей способности во времени;

	- инженерно-геологическое районирование естественных и искусственных слабых оснований, сложенных тонкодисперсными отложениями;

	- апробация усовершенствованного метода оценки уплотняемости и несущей способности отвальных массивов тонкодисперсных отложений в условиях полигона складирования ОАО «Воскресенские минеральные удобрения».

	Основные научные положения, выносимые на защиту:

	Методика расчета уплотнения отвальных массивов и естественных слабых оснований должна учитывать нелинейную зависимость коэффициента консолидации (интегральной характеристики уплотняемости водонасыщенных грунтов) от уплотняющих нагрузок, обусловленных собственным весом сжимаемого слоя переменной мощности и вышележащих слоев с учетом режима формирования отвального массива (периодов роста и перерывов в нагружении).

		Несущую способность техногенных (отвальных) массивов (допустимая нагрузка на основание) необходимо определять как функцию сцепления и угла внутреннего трения, учитывая зависимости сцепления C(U) и угла внутреннего трения ?(U) от степени уплотнения линейного вида, получаемые при трехосных испытаниях. 

		Инженерно-геологическое районирование техногенных (отвальных) массивов необходимо производить с учетом предварительно определяемых зависимостей несущей способности от времени «отдыха» (длительности периода после прекращения намыва или отсыпки), устанавливаемых дифференцированно для различных участков, исходя из мощности и степени уплотнения намывных отложений, характера фракционирования и физико-механических показателей.

	Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждается: анализом опыта формирования и последующего освоения техногенных массивов на горных предприятиях; расчетами уплотнения техногенных отложений с использованием аппарата теории фильтрационной консолидации и ползучести; натурными и лабораторными исследованиями намывных тонкодисперсных отложений с использованием устройств для измерения порового давления, комбинированных зондов, приборов плоскостного среза, компрессионных и трёхосного сжатия (стабилометров); высокой сходимостью  около 80 % полученных результатов расчета несущей способности намывных оснований на объектах Лебединского и Михайловского ГОКов с фактическими данными о проходимости различных типов горного оборудования на этих территориях.

		Методы исследований: анализ и обобщение материалов ранее  выполненных работ в области оценки несущей способности слабых оснований;  методы теорий фильтрационной консолидации  и ползучести грунтов, а также предельного напряженного состояния и предельного равновесия; натурные и лабораторные методы исследования состояний и свойств грунтов оснований; методы компьютерного моделирования; методы контроля и прогноза геомеханического состояния; методы оценки и расчетов устойчивости отвалов.

			Новизна работы заключается в установлении зависимости несущей способности намывных оснований различной мощности от времени «отдыха» с учетом величины степени уплотнения, и уточнении методики расчетов уплотнения намывных массивов, описывающей все стадии их формирования и соответствующие изменения коэффициента консолидации от нагрузки.

			Научное значение  работы состоит в совершенствовании методов обработки геологической информации в процессе освоения техногенных массивов для повышения вместимости отвальных сооружений и экономии земельных ресурсов. 

			Практическое значение и реализация результатов работы состоит в разработке предложений по освоению территории заполненного гидроотвала Лог Шамаровский (МГОК), в определении геометрических параметров и осадок техногенного массива фосфогипса ОАО «Воскресенские минеральные удобрения», которые учтены в проекте наращивания этого сооружения.

		Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международном симпозиуме  «Неделя Горняка» (Москва, 2013-2016 гг.), на заседаниях кафедры Геологии Горного института НИТУ «МИСиС» поэтапно, по мере выполнения отдельных разделов работы, сделан доклад на Болгарской XIII национальной конференции с международным участием «Открытая и подводная добыча полезных ископаемых».

		Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 работы в изданиях, рекомендованные ВАК. 

			Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 176 источников, ___ приложений, содержит 32 рисунка и 17 таблиц. 

			Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук профессору Гальперину А.М. за всестороннюю помощь при выполнении исследований и  особое внимание к работе, а также благодарит научного руководителя, к.т.н. Щёкину М.В. и коллектив кафедры Геологии за поддержку настоящей работы.

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	Глава 1 Определение несущей способности естественных и                         искусственных оснований

	

	1.1 Оценка возможностей применения теории консолидации                      в горном деле

	

	В горнотехнической практике создаются намывные гидротехнические сооружения  –  гидроотвалы и хвостохранилища, которые являются объектами повышенной экологической и промышленной опасности. С возведением этих сооружений связано загрязнение воздушного бассейна, поверхностных и подземных вод, а также нарушение прилегающих территорий из-за изъятия плодородных земель и перекрытия их оползневыми массами при прорыве ограждающих дамб.

При формировании техногенных массивов (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 избыточное поровое давление, в глинистом массиве процесс его рассеивания протекает весьма длительное время (от нескольких лет до нескольких десятилетий). Скорость рассеивания порового давления необходимо иметь в виду при определении темпов отвалообразования. 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.[31,153]

	

Уплотнением (консолидацией) породы называется процесс  более плотной укладки минеральных частиц под действием   нагрузки, при котором сопровождается  уменьшение пористости-влажности и повышение плотности породы. При уплотнении водонасыщенной глинистой породы в поровой воде возникает избыточное давление, называемое поровым. [30,95]

	

	Сопротивление сдвигу на любой площадке определяется:

	?=С?+(?-Ри) tg ??,                                          (1.1)

	где С? и ??  соответственно сцепление и угол внутреннего трения для консолидированной породы (определены по эффективным напряжениям);	

	? - полное нормальное напряжение;

	Ри - поровое давление.

Как видно из выражения (1.1), по мере уплотнения и понижения давления в поровой воде сопротивление сдвигу растет, приближаясь к величине сопротивления вполне стабилизованной породы. Этим обстоятельством в значимой мере складывается практический интерес к определению наибольшей величины порового давления и изучению изменений его во времени. Характер уплотнения глинистой породы значительно меняется, если в порах имеется защемленный воздух. Наличие вязкого трения (ползучести минерального скелета) и газообразной составляющей, обладающей деформирующими свойствами, значительно понижают величину порового давления и увеличивают долю вторичной консолидации в общей осадке. Наличие в водонасыщенной породе 5%  защемленного воздуха от общего объема пор может понизить величину порового давления на 30-40% .  Роль ползучести минерального скелета увеличивается с повышением плотности. [30, 31, 95]

Отечественные и зарубежные авторы посвящали многочисленные труды вопросам теории консолидации многофазных грунтов. Основной вклад в изучении этих вопросов внесли В. А. Флорин, Н. М. Герсеванов, К. Терцаги, Ю. К. Зарецкий, Л. Шукле  [39, 60, 143, 152].

	Основные направления теории консолидации:

	теории, которые рассматривают процесс уплотнения двухфазного  грунта как результат под давлением нагрузки фильтрования воды из пор грунта  (фильтрационная или "первичная” консолидация);

	теории консолидации двух- и трехфазных грунтов, которые  учитывают влияние на процесс уплотнения реологических свойств скелета, сжимаемости поровой жидкости, вязкости связанной воды, а также взаимодействие фаз  [24, 65].  

	Ю. К. Зарецкий отмечает, что имеющиеся теории различаются друг от друга полнотой описания уравнений состояния грунта, характера взаимодействия отдельных фаз грунта, определяющего формы связи между напряжениями и деформациями грунтовой системы, и закономерностей отношения фаз в единице объема в процессе консолидации [58, 65].

	Первые решения теории уплотнения двухфазной земляной среды в постановке одномерной задачи были получены К. Терцаги [133] и Н. М. Герсевановым. Д. Е. Польшиным получено  решение о начальном распределении напряжений в полностью водонасыщенном основании после приложения равномерно распределенной полосовой нагрузки (плоская задача) и осуществлена постановка пространственной задачи [39]. 

	Теория фильтрационной консолидации Терцаги-Герсеванова получила дальнейшее развитие в трудах Н. Н. Веригина, В. Г. Короткина, М. В. Малышева, В. П. Сипидина, В. А. Флорина, Н. А. Цытовича, Л. Рендулика, Н. Карильо, Р. Гибсона, Д. Тейлора и др. [16, 17, 85, 143].

	В. А. Флориным при обобщении одномерной задачи на трехмерный случай предложена "основная модель", базирующаяся на принципе гидроемкости Н. М. Герсеванова и принципе постоянства в процессе уплотнения полных напряжении, которые принимаются равными напряжениям после окончания уплотнения породы под действующими нагрузками. Для учета объемных сил используется модель "объемных сил" Флорина-Био; теория, основанная на этой модели рассматривается как развитие теории фильтрационной консолидации, использующей "основную модель". Модель "объемных сил" используется в работах Тан Тьонг-Ки, Р. Гибсона, И. Манделя, В. Н. Николаевского, Ю. К. Зарецкого  [58, 101, 128].

	Наибольшей полнотой отличается предложенная Ю. К. Зарецким теория, основные выводы которой подтверждаются данными экспериментов [58].  Деформирование во времени многофазного грунта рассматривается Ю. К. Зарецким как результат одновременного развития процесса формоизменения (сдвига) во времени "скелета" грунта и процесса изменения объема. При этом развитие первого процесса объясняется деформированием вязких связей между минеральными частицами, второго - взаимным перемещением фаз грунта и объемными деформациями скелета грунта.	

	Если по теории Терцаги-Герсеванова компрессионная зависимость (без учета ползучести скелета) записывается в виде:

	?0 - ? = k q - k Pи                                              (1.2),

	то по Ю. К. Зарецкому 

	?0 - ? = k q - Pи                                              (1.3),

	где	?0, ?	-  значения коэффициента пористости, соответственно, начальное и при внешней уплотняющей  нагрузке q;

	Pи  - поровое давление ;

	ак - коэффициент сжимаемости при компрессии.

	Принятая Ю. К. Зарецким обобщенная модель объемных сил Флорина-Био учитывает переменность коэффициента Пуассона, внутриобъемное набухание грунтов и ползучесть скелета грунта с использованием теории наследственной ползучести. Общие уравнения трехмерной консолидации многофазных грунтов с учетом ползучести скелета, полученные Ю. К. Зарецким, включают как частные случаи теории ползучести грунтов В. А. Флорина и Тан Тьонг Ки.

	Значительный вклад в развитие теории консолидации многофазных грунтов внесен Н. М. Гольдштейном, А. И. Ксенофонтовым, 3. Г. Тер-Мартиросяном, Тан Тьонг Ки, Д. Тейлором, Л. Шукле и др. [41, 76,130].

	Динамика порового давления исследовалась преимущественно в лабораторных условиях Я. Л. Коганом, С. Р. Месчаном, А. Л. Ничипоровичем, В. М. Павилонским, С. С. Бабицкой [12, 72, 90, 102, 107].

	Определению величины коэффициента порового давления, оценке влияния сжимаемости поровой жидкости и связной воды на развитие процесса уплотнения посвящены работы Н. Я. Денисова, А. И. Ксенофонтова, З. Г. Тер-Мартиросяна, В. И. Сипидина, Н. Н. Сидорова, Р. Э. Дашко [46, 51, 52, 76, 127, 131].

	 Влияние скелета грунта на механизм передачи нагрузки на поровую воду изучалось Н. Н. Масловым [87, 88].

	При уплотнении глинистых пород до определенных значений пористости наблюдается явление начального градиента. Специальными исследованиями процесса консолидации глинистых пород с учетом начального напорного градиента занимались В. А. Флорин, С. А. Роза, М. Ю. Абелев, Э. М. Добров [1, 2, 54, 126, 143].

	Применительно к условиям депрессионного уплотнения глинистых толщ широкий комплекс экспериментальных исследований явления начального градиента на универсальных стабилометрах ВИОГЕМ выполнен Н. П. Верещагиным [15].

	Теоретические и экспериментальные исследования процессов консолидации глинистых водонасыщенных пород в горнотехнической практике выполнялись в большей степени с целью оценки устойчивости системы "слабое основание - откос" при формировании отвалов. К нашему времени накоплен вполне представительный материал по вопросам фильтрационной консолидации однородных многослойных оснований отвалов, и насыпей или намывных сооружений другого назначения [24, 28, 105, 106, 140, 141, 142, 144].

	Представительные исследования слабых грунтов выполнены М. Ю. Абелевым. По М. Ю. Абелеву  к слабым следует относить связные грунты, имеющие прочность на сдвиг в условиях природного залегания при испытании устройством вращательного среза менее 0,075 МПа, удельное сопротивление статическому зондированию конусом с углом при вершине a = 30° менее 0,02 МПа либо модуль осадки при нагрузке 0,25 МПа более 50 мм/м (модуль деформации ниже 5 МПа). При отсутствии данных испытаний к слабым грунтам следует относить: торф и заторфованные грунты, илы, сапропели, глинистые грунты с коэффициентом консистенции более 0,5, иольдиевые глины, грунты мокрых солончаков. К слабым водонасыщенным глинистым грунтам относят грунты различного происхождения (аллювиальные, морские, делювиальные и т.д.), которые в итоге литогенеза или остальных природных причин стали сильносжимаемыми и водонасыщенными. К данной группе относят илы, ленточные глины, водонасыщенные лессовые макропористые и заторфованные грунты, а также намывные тонко-дисперсные  грунты (гидроотвалы, хвостохранилища). [1, 2, 3, 4, 5, 6, 117].

	Особое место занимают задачи уплотнения пород тела отвальных насыпей. Методы определения порового давления в водонасыщенных породах насыпей являются весьма приближенными вследствие сложности граничных условий данной задачи. Решение плоской задачи фильтрационной консолидации насыпей с использованием способа конечных разностей рассмотрено в монографии В. А. Флорина [140].    Теоретическая оценка процессов уплотнения насыпей для плоской задачи дана также Ф. Шлоссером, предпринявшим попытку учета вторичных временных эффектов  [171].    Учет нестабилизированного состояния породных масс при оценке устойчивости откосов целесообразно осуществлять с использованием инженерных методов предельного равновесия по слабейшим поверхностям, положение которых устанавливается подбором. Термин "метод предельного равновесия" введен Г. Л. Фисенко  [140, 141, 142] при выделении двух основных групп задач в рамках разработанной В. В. Соколовским [128] теории предельного равновесия сыпучей среды и относится к задачам, в которых условие предельного равновесия удовлетворяется лишь на внутренней границе некоторой области массива. Использование методов предельного напряженного состояния сыпучей среды (решающих задачи, в которых условие предельного равновесия удовлетворяется в каждой точке некоторой области) для оценки устойчивости водонасыщенных породных масс с учетом их нестабилизированного состояния вызывает потребность в совместном решении системы уравнений предельного равновесия и теории уплотнения. Совместное решение вызывает большие затруднения [145], т.к. очертание линий скольжения зависит от объемных изменяющихся во времени фильтрационных сил, а значения напоров зависят от напряжений в условиях предельного равновесия. Для оценки устойчивости карьерных откосов в условиях нестабилизированного состояния слагающих их пород наиболее пригодны инженерные методы алгебраического суммирования сил (или касательных напряжений при криволинейном паспорте прочности породы) или многоугольника сил в зависимости от формы поверхности (линии) скольжения [138, 140].

	Выполненные к настоящему времени теоретические исследования в области ползучести горных пород  и консолидации грунтов обеспечили получение многочисленных аналитических решений.

	Эти решения, несмотря на их теоретическую строгость в пределах поставленных задач, далеко не всегда могут быть использованы для прогноза динамики геомеханических процессов на карьерах по следующим причинам:

	отсутствует четкая дифференциация предлагаемых решений для пород различных инженерно-геологических классов;

	имеющиеся теоретические решения задач ползучести и консолидации не учитывают динамики горных работ и требуют трудоемкого, преимущественно лабораторного, определения многочисленных исходных показателей;

	слабо разработаны пригодные для широкого использования в проектной и производственной практике инженерные расчетные методы, которые, несмотря на их меньшую точность в механико-математическом отношении, были бы более правомерными с позиций учета физической природы описываемых процессов (как это, например, имеет место применительно к разработанным Г. Л. Фисенко инженерным методам расчета устойчивости карьерных откосов).

	

  Уплотнение и несущая способность намывных и слабых                     оснований

	

	Необходимо производить проверку несущей способности тонкодисперсных грунтов с использованием методов  предельного напряженного состояния при оценки устойчивости сухих техногенных массивов, расположенных на слабых намывных основания, а также при решении вопросов рекультивации внутренних зон гидроотвалов и хвостохранилищ [120, 122, 141, 117, 153].

	Для прогноза работ по дальнейшему использованию намывных территорий необходимо определить продолжительность периода консолидации тонкодисперсных водонасыщенных грунтов. Несущая способность тонкодисперсных грунтов  становится более высокой после периода консолидации, что позволяет производить рекультивацию территории, а также формировать сухие отвалы на намывных основаниях[28, 95].

	 Время «отдыха» намывных тонкодисперсных грунтов определяется на основания решения задач уплотнения и предельного напряженного состояния грунтов. Внешняя нагрузка рассматривается как полосовая (при формировании дренажных призм в тонкодисперсных грунтах и отсыпке заходок сухих отвалов) и как прямоугольная при учете действия массы оборудования, используемого для рекультивации. 

	Различаются начальное критическое давление Рн, при котором порода находится в фазе уплотнения, и предельное критическое давление , при котором исчерпывается полностью несущая способность грунта 30, 31, 95, 117, 153]. Приближенная оценка устойчивости откосов на слабых основаниях или проходимости оборудования выполняется путем сравнения действующего давления с предельным критическим

	=5,14  С+q,                                            (1.4)

	где q – давление от подушки из дренирующего материала, предварительно укладываемой для подготовки слабых оснований (при отсутствии подушки q=0) [31, 95, 117, 153].

	Для осесимметричной пространственной задачи (площадь загружения ограничена кругом или квадратом)

	=5,7 С+q,                                             (1.5)  

	где q -  предварительно приложенное к основанию уплотняющее давление (от предотвала или намывной подушки), равное ?С [31, 95, 117, 153].

	Для оценки максимально несущей способности основания используется формула Прандтля-Райснера:

	,            (1.6)                           

	Расчетная схема к оценке несущей способности намывного основания изображена на рисунке 1.1.

	

	Рисунок 1.1 – Расчетная схема к оценке несущей способности намывного основания

	На рисунке 1.2  для расчетов по формуле (1.6) при ? = 0?10 построен график к определению  /С в зависимости от угла ?. Несущая способность основания по отношению к заданной нагрузке Рдоп обеспечивается при        Рдоп = /?, где ? – коэффициент запаса (?=1,2) [31, 95].

	

	

		Рисунок 1.2 – Графики зависимости Ркрпр  / С от ? при различных значениях ?

	

	В применении  к задачам определения длительности  «отдыха» намывных массивов с точки зрения их рекультивации либо укладки «сухих» отвалов рассматривается уплотнение выделяемых из намывной толщи расчетных  слоев, мощность которых hр определяется глубиной залегания нижней границы области предельного состояния намывных грунтов с учетом условия [87]:

	?max =  ?к,                                                     (1.7)

где  ?max - максимальное касательное напряжение, равное  0,3Р  при полосовой нагрузке интенсивностью Р; 

	       ?к  - сопротивление грунтов сдвигу (вращательному срезу) [30, 95].

	Принимая расчетную нагрузку от рекультивационного оборудования         Рвн=0,15 МПа и ?=1,2, получаем ?max = 0,054 МПа. Результаты по зондированию, которые проводились  поворотными крыльчатками на гидроотвалах Кузбасса и КМА показывают, что во время формирования слоев тонкодисперсных грунтов (т.е. при t0=0)  общей мощностью 15-60 м величина hр=10-25 м.

	При оценке общей устойчивости дамб гидроотвалов необходимо определять степень уплотнения  всей намывной толщи, так как она пересекается вероятными кривыми скольжения на полную мощность. В таком случае по известной величине степени уплотнения U приближенно определяют соответствующие характеристики сопротивления сдвигу намывных масс путем интерполяции с использованием значений С и ? при U=0 и U=1. ) [30, 95].

	 Для примерного определения степени уплотнения намывных толщ, обеспечивающей достаточную несущую способность, в полученные по формулам 1.4-1.6  при известном предельно-критическом давлении  значения С вводят коэффициент запаса ? и далее по расчетной величине      Ср=?С определяют методом интерполяции величину U=Ср - Сз / Ск - Сз,  где Сз – сцепление для неконсолидированного (U=0) грунта,  Ск –  сцепление для консолидированного (U=1) грунта.

	С применением решения задачи об уплотнении намывного слоя (переменной мощности) под действием своей собственной массы слагающих его грунтов после завершения  намыва по графикам зависимостей для известных значений степени уплотнения U и параметра µ= hvн /Cv (h – мощность слоя, м, vн – скорость намыва, м/год; Cv – коэффициент консолидации породы, м2/год) определяется параметр m = ?2 Cv t0 /(4h2p ) [28, 95].

	Время «отдыха» слоя t0, по окончанию которого территорию гидроотвала можно использовать для дальнейших работ, определяется из соотношения:

	,                                                 (1.8)

	 Таким образом, предложенная методика позволяет решать следующие группы задач:

	- определение степени уплотнения техногенных массивов (расчетным путем или с помощью натурных измерений порового давления) с дальнейшим установлением  величины допустимых внешних нагрузок;

	- установление времени «отдыха» гидроотвала в зависимости от величины внешней нагрузки оборудования для рекультивации или дополнительного объема вскрыши.

	Установление продолжительности периодов  «отдыха»  намывных массивов под действием собственной массы слагающих их грунтов («пассивного отдыха») позволяет планировать мероприятия по направленному изменению состояния техногенных массивов с целью ускорения консолидации и ускоренного достижения необходимой несущей способности.

	В случае применения песчаных дрен и дренажных прорезей расчеты прочности намывных оснований возможно выполнять способами, которые используются в строительной практике [2, 5, 30, 95]. 

	Для первого способа в основании отстраивают поверхности скольжения, по которым определяют сдвигающие и удерживающие силы с учетом значений порового давления в соответствующих точках для различных периодов времени.

	Для второго способа расчета прочности основания предусматривается учет изменений влажности в процессе консолидации и использование зависимостей сопротивления грунтов сдвигу от влажности. М. Ю. Абелевым дано экспериментальное обоснование использования для случаев применения вертикальных и горизонтальных дрен следующей зависимости, предложенной Н. Н. Масловым [87, 95]:	

	Wt = Wнач- (Wнач – Wкон) U? ,                             (1.9)

	где Wt - влажность грунта в момент t, %;

	     Wнач — начальная влажность в момент приложения нагрузки, %;    

	     Wкон - влажность грунта после окончания его уплотнения под данной нагрузкой, %;

	    U? -  общая степень консолидации, определяемая для случая совместного применения вертикальных песчаных дрен или прорезей и песчаной подушки [87, 95].

	Выполненные М. Ю. Абелевым натурные эксперименты проводились с дренажными прорезями неглубокого заложения (около 2 м). Для оперативного контроля и прогноза состояния намывных горнотехнических сооружений следует использовать методы, обеспечивающие надежную оценку пространственно-временной изменчивости прочностных характеристик массивов, мощность которых измеряется десятками метров.

	

	Выводы по 1 главе

	

	Анализ работ, посвященных консолидации глинистых грунтов, показывает, что применительно к условиям формирования карьерных отвалов с преобладанием песчано-глинистых пород целесообразно использовать решение задач консолидации слоя переменной мощности (для массивов отвальных насыпей, гидроотвалов и хвостохранилищ) с учетом нелинейной зависимости коэффициента консолидации от уплотняющих нагрузок. 

	Для отвальных насыпей глинистых пород на слабых основаниях эту нелинейную зависимость  (Cv  от q) следует учитывать для пород тела и основания отвального массива.

	Интенсивность уплотнения отвальных массивов определяется скоростью подвигания фронта отвальных насыпей или темпом намыва гидроотвалов, мощностью слоев, последовательностью укладки раздельно-зернистых и тонкодисперсных масс, показателями сжимаемости пород с учетом их нелинейной зависимости от уплотняющих нагрузок.

	Следует учитывать наличие градиента напора в глинистых слоях и параметры ползучести при компрессии для расчета степени уплотнения и осадок насыпных и намывных отвальных масс, а также  слабых естественных оснований.

	

	

	

	

	

	

	



Глава 2 Лабораторные исследования намывных и естественных        тонкодисперсных отложений



2.1 Исходные положения нелинейной фильтрационной                           консолидации



Во время лабораторных исследований  определялись показатели  водно-физических свойств (влажность, плотность, плотность минеральных частиц, пористость, водонасыщенность), значения  компрессии и консолидации, гранулометрический состав, сопротивление сдвигу, минеральный состав и микростроение намывных и естественных тонкодисперсных отложений.

Водно-физические свойства пород гидроотвалов определялись в период производства полевых работ  и в стационарной лаборатории. Для механических испытаний использовали универсальные стабилометры М-2 конструкции МИИТа и УСВ-2 конструкции ВИОГЕМа, а также сдвиговый и компрессионно-фильтрационный приборы конструкции Гидропроекта. Гранулометрический состав определяли с помощью комбинированного гранулометрического анализа, предусматривающего использование ситового и пипеточного методов [97, 95].

Обобщенные компрессионные зависимости коэффициента пористости ? от уплотняющего давления ?п для тонкодисперсных грунтов на различных участков (зонах) гидроотвала «Березовый Лог» (КМА) показаны на рисунке 2.1. 

Компрессионные зависимости глинистых пород пляжных и ядерных зон гидроотвалов Кузбасса также свидетельствуют об увеличении сжимаемости намывных масс при повышении их дисперсности (рисунок 2.2). 



Рисунок 2.1 – Зависимости коэффициента пористости ? от уплотняющего давления ?п для тонкодисперсных грунтов различных участков гидроотвала              «Березовый Лог» (КМА): глинисто-меловых паст двух участков первой 2,3 и второй 4, 5 секций ядерной зоны





Рисунок 2.2 –  Зависимости коэффициента пористости ? от уплотняющего давления ?п  для намывных грунтов пляжной 1, промежуточной 2 и ядерной 3 зон гидроотвалов разрезов Кузбасса: а — «Свободный»; б — «Бековский»; в — «Новобачатский»



Для прогноза уплотняемости и оценки устойчивости тонкодисперсных водонасыщенных породных масс с учетом их нестабилизированного состояния необходимо располагать данными об изменении коэффициента консолидации во времени под действием возрастающих нагрузок. Коэффициент консолидации во времени определяется как Cv = Кф + (1 — ?ср)/а?в.

Осложнение прогнозирования осадок и динамики порового давления в тонкодисперсных водонасыщенных породных массах вызывает то, что сжимаемость грунтом напрямую зависит от нагрузки, а коэффициент фильтрации заметно уменьшается в пр.......................