Развитие гидрогеомеханических процессов в различных инженерно-геологических, гидрогеологических и горно-технических условиях. Совершенствование методов и технических средств изучения водонасыщенных породных массивов в полевых и лабораторных системах.
Аннотация к работе
В работе использован комплексный подход к решению проблемы, включающий системный анализ, естественноисторический и сравнительно-геологический методы; лабораторные и натурные исследования с применением инженерно-геологических, гидрогеологических и маркшейдерско-геодезических методов, аналитические методы механики грунтов для решения задач теории консолидации и ползучести, математическое моделирование напряженно-деформированного состояния с использованием метода конечных элементов, промышленные испытания разработанных методик и рекомендаций по ведению горных работ при развитии гидрогеомеханических процессов. При обосновании устойчивости гидроотвалов следует учитывать, что нагружение намывных массивов сопровождается изменением напряженно-деформированного состояния слагающих их пород не только в зоне сжатия, но и в непригруженной части массива - зоне влияния. На основе всестороннего анализа работ, посвященных изучению природы прочности и деформируемости горных пород различной литогенетической принадлежности, разработано представление о гидрогеомеханической модели, рассматривающее водонасыщенную породу, во-первых, как структурированное минеральное образовании, которое благодаря прочности структурных связей способно воспринимать внешние нагрузки без разрушения, а вследствие дискретности - обладает водопроницаемостью и способностью деформироваться при изменении напряженного состояния, и, во-вторых, как динамическую многофазную систему, в которой энергия взаимодействия между твердыми и жидкими компонентами изменяется в ходе деформирования, что в общем случае определяет непостоянство свойств пород, нелинейность зависимостей «напряжения-деформации», нестационарность развития деформаций во времени. При идентификации фазового состава логично выделять инертную и активную твердые фазы по их способности к активизации межфазовых взаимодействий при нарушении структуры, изменении физического и напряженного состояния пород, а жидкую субстанцию - разделять на три самостоятельные составляющие, различающиеся функционально по характеру своего участия в гидрогеомеханическом процессе - гидродинамическую (гравитационная вода), консолидационную (вода преимущественно переходных категорий) и граничную (адсорбционно-связанная вода) фазы. Применение методологических принципов, отраженных в данной типизации, демонстрируется в работе на примере выполнения инженерно-геологического обоснования с целью решению трех задач - прогноз деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок, оценка оползнеопасности естественных склонов в сфере влияния горных работ, обеспечение безопасности горных работ при эксплуатации объектов промышленной гидротехники.Результаты исследований представляют собой законченную научно-квалификационную работу, в которой решена крупная научная проблема - разработано научно-методическое обоснование прогноза гидрогеомеханических процессов, что имеет важное практическое значение в области обеспечения промышленной и экологической безопасности горнодобывающего производства.
Вывод
Результаты исследований представляют собой законченную научно-квалификационную работу, в которой решена крупная научная проблема - разработано научно-методическое обоснование прогноза гидрогеомеханических процессов, что имеет важное практическое значение в области обеспечения промышленной и экологической безопасности горнодобывающего производства.
Список литературы
1. На основании анализа техногенных изменений геологической среды при разработке МПИ открытым и подземным способом выявлены опасные горно-геологические явления, осложняющие производство горных работ в водонасыщенных породных массивах и нарушающие условия функционирования инженерных сооружений. На сегодняшний день актуальными гидрогеомеханическими задачами являются: прогноз деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок, оценка оползнеопасности естественных склонов в сфере влияния горных работ, обеспечение безопасности горных работ при эксплуатации объектов промышленной гидротехники.
2. По результатам исследования закономерностей деформирования пород различной литогенетической принадлежности сформулировано представление о гидрогеомеханической модели и деформационном поведении водонасыщенных горных пород, разработана типизация, которая позволяет выбрать адекватные математические модели оценки напряженно-деформированного состояния пород в рамках решения гидрогеомеханических задач, обосновать состав необходимых параметров свойств пород и методику их определения.
3. На основании инженерно-геологического анализа результатов экспериментальных исследований установлены закономерности развития гидрогеомеханических процессов в техногенно-нарушенных породных массивах при затоплении шахт и карьеров. С учетом установленных закономерностей разработаны: - методический подход к прогнозированию деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок;
- принципы геомеханической схематизации с использованием критерия определения направленности ожидаемых деформаций;
- определены условия применимости методов численного моделирования для оценки напряженно-деформированного состояния техногенно-нарушенных водонасыщенных массивов.
4. Изучение оползневых склонов в Кузбассе показало, что подземные горные работы и намыв гидроотвалов изменяют гидрогеомеханическую обстановку территорий и являются причиной активизации оползнепроявлений покровного типа. Разработаны принципы оценки степени оползнеопасности территорий с учетом совместного влияния природных и техногенных факторов, методика прогноза скорости оползневых смещений на базе реологических расчетов и методика определения расчетных реологических параметров глинистых пород.
5. Технолитогенез, как процесс формирования свойств намывных пород, контролируется образованием и рассеиванием порового давления. Выявлена зональность в намывных массивах по механизмам формирования порового давления, установлены закономерности его развития в зависимости от гидрогеомеханических условий, технологии и интенсивности нагружения. Обоснованы методики изучения и прогнозирования порового давления.
6. Сформулированы общие закономерности развития гидрогеомеханических процессов при реализации различного рода горнотехнических мероприятий. Разработана единая система научно- методического обеспечения безопасности горных работ и методологические принципы ее функционирования, определяющие цели, задачи, программу работ и методы исследований, выполняемых в рамках трех направлений: - изучение породных массивов в сфере влияния горных работ - обоснование оптимальных параметров технологических процессов и мер инженерной защиты; - мониторинг состояния природно-техногенной системы.
7. Обеспечение безопасности объектов промышленной гидротехники достигается посредством интерактивного гидрогеомеханического мониторинга. Определен порядок организации мониторинговых наблюдений, обоснованы состав контролируемых показателей и способы определения критериев безопасности, разработаны технические средства автоматизированных наблюдений с использованием сотовой GSM связи, методика управления устойчивостью гидротехнических сооружений посредством регулирования параметров технологических процессов.
8. Результаты исследований использованы при оценке экологических последствий затопления шахт г. Анжеро-Судженск, карьеров «Южный» и трубки «Мир», обосновании мер противооползневой защиты г. Осинники и промплощадки разреза «Ерунаковский» в Кузбассе, разработке рекомендаций по намыву гидроотвалов и отсыпке отвалов на слабом основании, экономический эффект от внедрения которых на предприятиях ОАО «УК» Кузбассразрезуголь» составил более 5 млрд. руб. в ценах 2009 г.
Список основных публикаций по теме диссертации
1. Кутепова Н.А. Уплотнение гидроотвалов в связи с их рекультивацией / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова // Физические процессы горного производства: Тр. ЛГИ. - Л, 1986. - С. 70-76.
3. Кутепова Н.А. Обеспечение безопасных условий эксплуатации гидроотвалов и хвостохранилищ / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, В.В. Ермошкин // Проблемы геодинамической безопасности: II Международное рабочее совещание. 24-27 июня 1997. СПБ.: Изд-во ВНИМИ, 1997. - с.164-169.
4. Кутепова Н.А. Оценка влияния подземных горных работ на устойчивость подрабатываемых естественных склонов / Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А. // Экологические проблемы горного производства: тр. Конференции МГИ. - М., 1999. - С.551-552.
5. Кутепова Н.А. Методика прогноза напряженного состояния обводненных песчано-глинистых массивов / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, В.А Подольский // Горная геомеханика и маркшейдерское дело: Сб. научн. тр. - СПБ.: Изд-во ВНИМИ, 1999. - С. 94-103.
6. Кутепова Н.А. Обеспечение промышленной и экологической безопасности строительства, эксплуатации, консервации и ликвидации гидроотвалов на разрезах Кузбасса / Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Практика С.В. и др. // Сб. нучн. тр. Кемеровского политехнического института - Кемерово, 2001 г. - С.114-121.
7. Изучение намывных техногенных массивов / Ю.И. Кутепов, Н.А., Кутепова // Современные проблемы гидрогеологии и геомеханики: Сб. докл. Конференции - СП б.: Изд-во СПГУ, 2002. С.287-295.
9. Кутепова Н.А. Прогноз гидрогеомеханических процессов в прибортовом массиве при затоплении карьера / Кутепов Ю.И, Кутепова Н.А., Подольский В.А..// ГИАБ, 2004. №5 - М.: Изд-во МГГУ. - С.65-73.
10. Кутепова Н.А. Изучение инженерно-геологических условий гидроотвалов Кузбасса на различных этапах существования / Ю.И. Кутепов Ю.И., Н.А. Кутепова., А.Х.Саркисян // ГИАБ, 2004. №5 - М.: Изд-во МГГУ. - С.145 - 149.
11. Кутепова Н.А. Закономерности оползневых процессов на подрабатываемых склонах // Геоэкология, 2005, №5. - С. 431-441.
12. Кутепова Н.А. Инженерно-геологическое и экологическое обоснование рекультивации гидроотвалов вскрышных пород / Ю.И. Кутепов, Н.А.Кутепова, В.В.Ермошкин, В.П Жариков // Сергеевские чтения. Инженерно-геологические и геоэкологические проблемы утилизации и захоронения отходов. Выпуск 7. - М.: ГЕОС, 2005. - С. 132-137.
13. Кутепова Н.А. Обеспечение безопасности гидроотвалов при их экскавации и размещении отвалов «сухих» пород / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, В.В Ермошкин // Гидромеханизация -2006: Материалы четвертого съезда гидромеханизаторов России. Выпуск 4 - М.: Изд-во МГГУ, 2006. - С.296-304.
14. Изучение порового давления в намывных массивах / Ю.И.Кутепов, Н.А. Кутепова // Геоэкология, 2006, №2. - С.156-166.
15. Кутепова Н.А. Обеспечение безопасности гидроотвалов при открытой добыче угля / Ю.И. Кутепов, Н.А.Кутепова, В.В. Ермошкин // ГИАБ, 2007. №1 - М.: МГГУ. - С. 125-131.
16. Кутепова Н.А. Studying of hyrogeomechanical processes / J. I.. Kutepov, N.A. Kutepova, G.B. Pospehov // Heft 2007-1. Statusbericht 2006. Institute of Geotechnical - TU Bergakademie Freiberg, 2007. - Р.253-258.
17. Кутепова Н.А. Изучение отложений золоотвалов ТЭЦ в связи с инженерной подготовкой территорий для строительства // Н.А. Кутепова, Ю.И. Кутепов, Ф.П. Стрельский и др. // Геоэкология, 2008. №1. - С.14-28.
18. Кутепова Н.А. Специфические особенности водно-физических, фильтрационных и механических свойств отложений золоотвалов // ГИАБ, 2008. № 9 - М.: МГГУ. С. 292-301.
19. Закономерности формирования порового давления при гидроотвалообразовании и отсыпке «сухих» отвалов / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова // ГИАБ, 2008, № 11. - М.: МГГУ. - С. 212-220.
20. Кутепова Н.А. Изучение инженерно-геологических условий ликвидации гидроотвалов / Н.А. Кутепова, Ю.И. Кутепов, Ф.П. Стрельский, А.И. Федосеев // ГИАБ, 2008. №6 - М.: МГГУ. - С.202-210.
22. Кутепова Н.А. Методика и технические средства гидрогеомеханического мониторинга безопасности промышленных гидротехнических сооружений / Ю.И. Кутепов, Н.А. Кутепова, Г.Л. Мильман // Инженерные изыскания, 2009, май. - С 54-59.
23. А.С. № 1399642 (СССР) Устройство для измерения деформаций откосов. (Авт. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Стешова И.В., Костин Е.В.), Опубликовано в БИ №20, 1988.
24. А.С. №146573 (СССР) Способ переформирования гидроотвала. (Авт. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Семикобыла Я.Г., Костин Е.В.). Опубликовано в БИ №10, 1989
25. А.С.№1641955 (СССР) Устройство для исследования механических свойств горных пород. ( Авт. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А.). Опубликовано в БИ №14, 1991.
26. А.С. № 1671858 (СССР) Способ отвалообразования. (Авт. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Семикобыла Я.Г., Демченко А.В). Опубликовано в БИ №14, 1991.
27. Рекомендации по инженерно-геологическому обоснованию параметров отвалов сухих пород, отсыпаемых на гидроотвалах / Ю.И. Кутепов, Ю.А. Норватов, Е.В. Костин, Н.А. Кутепова и др. - Л.: Изд-во ВНИМИ, 1985.- 84 с.
28. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть 1. Изучение гидрогеомеханических условий строительства и рекультивации отвальных сооружений / Ю.И. Кутепов, Ю.А. Норватов, Н.А. Кутепова и др. - Л.: Изд-во ВНИМИ, 1989. - 55 с.
29. Указания по методам гидрогеомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть II. Обоснование оптимальных параметров отвальных сооружений / / Ю.И. Кутепов, Ю.А. Норватов, Н.А. Кутепова и др. - Л.: Изд-во ВНИМИ, 1990. - 51 с.
30. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах / Г.Л. Фисенко, Т.К. Пустовойтова, А.М. Мочалов, Э.Л. Галустьян и др. (в т.ч. Н.А. Кутепова). - СПБ, 1998. - 208 с. (Минтопэнерго РФ. РАН. Гос. НИИ горн. геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ).