Оценка инженерно-геологических условий и состояния окружающей среды при разработке открытым способом угольных месторождений ерунаковского района кузбасса
На правах рукописи
Трофимова Галина Ивановна
ОЦЕНКА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЕРУНАКОВСКОГО РАЙОНА КУЗБАССА
Специальность 25.00.08 – Инженерная геология, мерзлотоведение и
грунтоведение
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата геолого-минералогических наук
Томск, 2010
Работа выполнена в Томском государственном архитектурно-строительном университете
| Научный руководитель: | доктор геолого-минералогических наук, профессор Валентин Егорович Ольховатенко |
| Официальные оппоненты: | доктор геолого-минералогических наук, профессор Геннадий Иванович Швецов |
| доктор геолого-минералогических наук, профессор Виктор Семенович Кусковский | |
| Ведущая организация – ООО «Запсибгеология» | |
Защита диссертации состоится «29» ноября 2010 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.022.01 в Институте земной коры СО РАН по адресу 664033, г. Иркутска, ул. Лермонтова, 128
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского научного центра СО РАН (в здании ИЗК СО РАН), автореферат размещен на сайте http://www.crust.irk.ru/region/d003_022_01.html
Отзывы об автореферате в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу секретарю совета к.г.-м.н. Людмиле Павловне Алексеевой.
Тел. (3952) 42-27-77, факс 42-69-00, 42-70-00, e-mail: [email protected]
Автореферат разослан «__»__________ 2010 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат геолого-минералогиче-ских наук | Л.П. Алексеева |
Общая характеристика работы
Актуальность исследований. Кузнецкий угольный бассейн играет исключительно важную роль в обеспечении энергетической безопасности нашей страны. Это обусловлено наличием на его территории крупных угольных месторождений, общие запасы углей которых превышают 600 млрд. тонн. По своим геолого-структурным особенностям, условиям залегания мощных угольных пластов разработку значительной части угольных месторождений целесообразно вести наиболее экономически выгодным открытым способом. Последний предполагает строительство крупных карьеров глубиной до 500 м и применение мощной горнодобывающей техники. Наиболее перспективными для разработки открытым способом в Кузбассе являются угольные месторождения Ерунаковского района, где уже действуют несколько крупных карьеров и ведется проектирование новых горнорудных предприятий. Открытый способ разработки угольных месторождений имеет значительные преимущества перед подземным с точки зрения геоэкологической безопасности ведения горнопроходческих работ. В то же самое время при разработке угольных месторождений открытым способом и строительстве карьеров возникает целый комплекс проблем, среди которых первостепенное значение приобретает проблема устойчивости бортов глубоких карьеров. Строительство карьеров всегда сопряжено с нарушением геологической среды и интенсивным техногенным воздействием на ее компоненты. При этом происходят изменения напряженно-деформированного состояния горных пород в бортах карьеров, что наряду с динамическими воздействиями горнотранспортного оборудования нередко является причиной развития опасных техноприродных процессов в бортах карьеров. Изменениям и загрязнению подвергаются подземные и поверхностные воды, грунты, почвы и атмосфера. Строительство и эксплуатация угольных карьеров приводят к глобальным изменениям ландшафта местности, загрязнению атмосферы, угольной пылью и вредными веществами при выемке и транспортировке угля с применением горнотранспортного оборудования. Решение перечисленных проблем имеет исключительно актуальное значение при разработке угольных месторождений Ерунаковского района Кузбасса открытым способом, строительстве и эксплуатации глубоких карьеров.
Цель и задачи исследований. Целью исследований являются разработка теоретических положений и практических рекомендаций по оценке инженерно-геологических условий строительства крупных углеразрезов и их влияния на окружающую среду.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
- разработать теоретические положения и алгоритм изучения природно-технических систем угледобывающих комплексов;
- выявить закономерности инженерно-геологических условий угольных месторождений Ерунаковского района Кузбасса, разрабатываемых открытым способом;
- оценить влияние ведущих компонентов инженерно-геологических условий на строительство и эксплуатацию углеразрезов;
- выявить закономерности формирования физико-механических свойств углевмещающих пород при литогенезе и природу их прочности;
- дать характеристику физико-механических свойств горных пород и оценить их устойчивость в бортах карьеров;
- разработать рекомендации по охране окружающей среды от вредных воздействий горнопромышленного производства;
- разработать рекомендации по организации мониторинга окружающей среды;
- выявить изменения экологического состояния окружающей среды под влиянием техногенных воздействий при разработке угольных месторождений открытым способом;
Исходные материалы и методы исследований. Решение проблем, возникающих при разработке угольных месторождений открытым способом, потребовало применения комплексного системного подхода при проведении исследований. С этой целью использованы методы, позволившие изучить все основные компоненты статической, динамической и ретроспективной систем: натурные полевые исследования, лабораторные, статистические и расчетные методы. Полевые методы включали обследование бортов действующих карьеров, изучение состояния геологической среды и опасных геологических процессов и явлений в бортах карьеров. В лабораторных условиях изучался минеральный состав, структурно-текстурные особенности и физико-механические свойства пород. Статистические методы использованы в процессе обработки инженерно-геологической информации. Микроскопический метод использовался для изучения состава и структуры горных пород при выяснении условий формирования физико-механических свойств угленосных отложений при литогенезе и выборе расчетных характеристик. Мониторинговые исследования использовались для изучения динамической системы и включали наблюдения за изменением состояния атмосферы, подземных и поверхностных вод, почв и грунтов.
Для решения теоретических и прикладных задач использовались следующие материалы:
- результаты комплексных инженерно-геологических исследований угольных месторождений и действующих карьеров;
- данные лабораторных исследований состава и физико-механических свойств горных пород угленосных отложений;
- результаты натурного обследования бортов карьеров и материалы наблюдений за развитием опасных природных и техноприродных процессов;
- данные мониторинга окружающей среды и природно-технических систем;
- теоретические положения и практические рекомендации по изучению инженерно-геологических условий угольных месторождений;
- материалы исследований, выполненные в разные годы различными организациями, а также фондовые и литературные источники.
Научная новизна исследований состоит в следующем:
- проведены комплексные исследования инженерно-геологических условий и состояния окружающей среды угольных месторождений, с целью оценки условий строительства крупных углеразрезов;
- впервые установлены закономерности формирования физико-механических свойств горных пород угленосных отложений Ерунаковского района Кузбасса при литогенезе и природа их прочности;
- дана комплексная оценка инженерно-геологических условий разработки открытым способом угольных месторождений и устойчивости бортов глубоких карьеров;
- выявлены закономерности изменения экологического состояния окружающей среды под воздействием открытого способа разработки угольных месторождений;
- дано научное обоснование комплекса мероприятий по охране и защите территорий, находящихся в зоне влияния открытых разработок угольных месторождений.
Практическая значимость работы
Результаты исследований имеют важное практическое значение и использованы угледобывающими предприятиями Кузбасса при оценке инженерно-геологических условий реконструкции и расширения углеразрезов. Результаты расчетов устойчивости бортов карьеров использованы для обоснования оптимальных углов наклона, исключающих деформирование бортов и развитие геодинамических процессов. Внедрение концепции комплексного геоэкологического мониторинга позволяет осуществлять прогнозную оценку состояния и устойчивости геологической среды. Результаты исследований внедрены в организациях ООО Угольная кампания "Кузбассразрезуголь", ОАО разрез "Талдинский", ОАО разрез "Ерунаковский" и будут использованы в учебном процессе при подготовке специалистов горного, строительного и инженерно-экологического профиля.
Достоверность и обоснованность обеспечивается данными аналитических, экспериментальных и полевых исследований использованием системного подхода, применением комплекса методов, адекватных, целям и задачам исследований, а также качественным и количественным анализом экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации докладывались и обсуждались: на научной конференции, посвященной 120-летию со дня рождения профессора М.И. Кучина, г. Томск, 2007; Международной научно-практической конференции, г. Кемерово, ГУ КузГТУ, 2007г.; Международной научной конференции, г. Белово, 2008 г.; Международной научно-практической конференции, г. Новочеркасск, 2008 г.; Научной конференции по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, г. Томск, 2008 г.; Международной научно-практической конференции, г. Пенза, 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ из них 3 в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ.
Личный вклад автора. Диссертант лично участвовала в обследовании действующих карьеров в Ерунаковском районе Кузбасса, изучении опасных геодинамических процессов, разработке алгоритма экологической безопасности при освоении угольных месторождений, анализе и обобщении фондовых материалов и литературных источников, оценке воздействия на окружающую среду при разработке угольных месторождений открытым способом с 2004 по 2010 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающей 235 наименований. Работа содержит 150 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 39 таблиц.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору, академику МАН ВШ В.Е. Ольховатенко за выбор направления исследований, постоянную помощь при проведении исследований и подготовке диссертации, доктору геолого-минералогических наук, профессору Г.Г. Щербаку, доцентам А.А. Краевскому, О.А. Бычкову за ценные замечания, всему коллективу кафедры инженерной геологии и геоэкологии за постоянное внимание к работе и поддержку, руководству угледобывающих предприятий Кемеровской области за помощь в проведении исследований на угольных карьерах.
Защищаемые положения
Первое защищаемое положение. Оценка условий строительства углеразрезов, устойчивости их бортов, техногенных воздействий и изменений окружающей среды должна выполняться на основе использования алгоритма комплексного изучения природно-технических систем разработки угольных месторождений открытым способом.
Инженерно-геологические и геоэкологические проблемы урбанизированных территорий имеют исключительно актуальное значение в наше время в связи с возрастающей техногенной нагрузкой на окружающую среду при застройке городских территорий, строительстве линейных сооружений, разработке месторождений полезных ископаемых открытым и подземным способами, эксплуатации энергетических, нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих и лесоперерабатывающих комплексов. Решение инженерно-геологических и геоэкологических проблем нашло отражение в работах Е.М. Сергеева, В.И. Осипова, В.Т. Трофимова, Д.Г. Зиллинга, Г.И. Швецова, В.Е. Ольховатенко, Т.Г. Рященко, О.Н. Грязнова, С.Г. Дубейковского, Т.И. Подгорной и др.
Вопросы геохимии редких элементов в углях Кузнецкого бассейна рассмотрены в работе С.И. Арбузова, В.В. Ершова, А.А. Поцелуева, Л.П. Рихванова. Важная роль в изучении инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых открытым и подземным способами принадлежит В.Д. Ломтадзе, И.П. Иванову, Г.А. Голодковской, Л.В. Шаумян и другим. Применительно к угольным месторождениям инженерно-геологические условия освещаются в работах Г.Г. Скворцова, И.П. Иванова, Ф.П. Нифантова, В.Е. Ольховатенко, Б.В. Смирнова, В.В. Фромма, В.В. Гречухина, Г.Г. Щербака, В.Н. Пуляева, Н.С. Роговой, А.А. Краевского, Г.П. Сенотрусова, А.О. Бычкова, Т.А. Кожухарь и др.
Геологические исследования на территории Кузнецкого бассейна проводились М.А. Усовым, В.И. Яворским, В.А. Хахловым, Э.М. Сендерзоном, А.Н. Белицким, А.З. Юзвицким, Э.М. Паха, В.Я. Коудельным, Ю.Н. Поповым и др. Гидрогеологические условия Кузбасса изучались Г.М. Роговым, Д.С. Покровским, В.К. Поповым, Л.А. Соломко, В.В. Пономаревым, Г.А. Плевако, В.П. Дегтяревым и др.
При разработке угольных месторождений открытым способом возникает целый комплекс проблем, связанных с нарушением устойчивости бортов карьеров и развитием опасных геологических процессов, а также с изменением состояния окружающей среды при строительстве. Основными причинами развития опасных процессов являются: изменения напряженно-деформированного состояния и физико-механических свойств горных пород в бортах карьеров, работа горно-транспортного оборудования, система разработки угольных месторождений открытым способом с применением буровзрывных работ.
В процессе разработки месторождения открытым способом изменяется режим подземных вод, их динамика, химический состав и питьевые качества. Дренаж подземных вод карьерами приводит к истощению запасов и невозможности их использования для нужд населения. Одной из самых острых проблем при разработке угольных месторождений открытым способом являются глобальные изменения ландшафта и рельефа местности, что сопровождается появлением глубоких выемок на больших территориях, внешних и внутренних отвалов, а также гидроотвалов.
Разработанный алгоритм (рис. 1) раскрывает целостность опыта исследований природно-технических систем и дает системный подход, основанный на изучении статической, динамической, ретроспективной и тех-
нической систем при освоении угольных месторождений, подлежащих открытой разработке.
Второе защищаемое положение. Состояние и устойчивость геологической среды в бортах карьеров определяются условиями формирования физико-механических свойств горных пород при литогенезе и последующими изменениями в эпоху техногенеза.
Кузнецкий угольный бассейн по своему структурному положению является составной частью Алтае-Саянской складчатой области. По мнению ряда исследователей (Н. А. Белицкий, И. И. Молчанов, Э. М. Пах, А. В. Тыжанов), он представляет собой крупный синклинорий, заложенный в среднем и развивающийся преимущественно в позднем палеозое. На первом этапе своего развития он представлял краевой прогиб, который в более позднее время превратился в межгорную впадину. Границей бассейна на юге-западе является крупный тектонический разрыв – Тырганский надвиг, который примыкает непосредственно к Салаирскому кряжу. Последний представляет ранне-герцинскую структуру, не потерявшую активность в мезокайнозое.
Современное структурно-тектоническое положение Кузнецкого бассейна является результатом его длительного развития, сопровождающегося проявлением нескольких фаз тектогенеза. На структурный план и тектонику бассейна существенное влияние оказали тангециальные движения со стороны Салаира и Колывань-Томской складчатой области.
Тектоника Кузнецкого бассейна является сложной и неоднородной. Согласно тектонической схеме на территории бассейна выделены 4 геотектонические зоны.
1. Присалаирская зона линейной складчатости и разрывов;
2.Приколывань-Томская зона линейной складчатости и разрывов;
3. Центральная зона пологих складок и куполовидных поднятий;
4. Приалатаусская и Пригорношорская зоны моноклиналей.
Угольные месторождения Ерунаковского района приурочены к Центральной зоне пологих складок и куполовидных поднятий.
В геологическом строении данного района принимают участие угленосные отложения тайлуганской свиты (Р2 tl) кольчугинской серии.
Литологически угленосная толща представлена чередованием крупных слоев песчаников, алевролитов и углей. Причем на долю песчаников мелко- и среднезернистых приходится 23,7%, крупных алевролитов – 12,6%, мелких алевролитов 48,3%, аргиллитов 3,2%, каменного угля 12,2%. Угленосная толща перекрыта четвертичными отложениями, представленными суглинками и глинами, мощность четвертичных отложений колеблется от 1,5-2,0 м до 40-45 м (на водоразделах).
В пределах восточной части рассматриваемые территории развиты пологие складки синклинального и антиклинального типа, наиболее крупными из которых являются Талдинская и Ерунаковская синклинали. В целом район относится к тектоническому типу простых крупных складчатых структур.
В геологическом строении Талдинского месторождения принимают участие породы тайлуганской (Р2 tl), грамотеинской (Р2 gr ) и ленинской (Р2 ln) свит Ерунаковской подсерии Кольчугинской серии (Р2), а также четвертичные отложения. С точки зрения разработки открытым способом наибольший интерес представляют отложения тайлуганской свиты (Р 2 tl), в разрезе которой развиты песчаники, алевролиты, аргиллиты и каменные угли. В структурно-тектоническом отношении Талдинское месторождение представляет крупную брахисинклиналь. Центральная часть брахисинклинали является пологой структурой с падением крыльев до 10-200 и широкой горизонтальной замковой частью. Дизъюнктивная тектоника на Талдинском месторождении развита слабо и в основном проявляется лишь в северной части, где были выявлены разрывные нарушения.
Вопросам формирования физико-механических свойств углевмещающих пород посвящены работы В.Д. Ломтадзе, И.П. Иванова, В.Е. Ольховатенко, Г.Г. Щербака, В.В. Фромма, Б.В. Смирнова, А.А. Краевского, О.А. Бычкова, Т.А. Кожухарь, Е.М. Мухиной, Г.П. Сенотрусова, М.И. Юдина и др. Применительно к Кузнецкому угольному бассейну закономерности формирования физико-механических свойств горных пород освещается в работах В.Е. Ольховатенко, Г.И. Трофимовой и др.
Решающее значение при формировании физико-механических пород Кузбасса сыграли процессы, протекавшие на всех стадиях литогенеза, начиная с седиментогенеза, катагенеза и заканчивая конечным катагенезом и регрессивным литогенезом.
Катагенетические преобразования в прогрессивную фазу литогенеза оказали большое влияние на физико-механические свойства пород Кузнецкого бассейна. Исследованиями установлено, что формирование физико-механических свойств пород Ерунаковского района имеет свои особенности, обусловленные тем, что породы находятся на средней стадии катагенеза, а сами угольные месторождения имеют более простое тектоническое строение по сравнению с месторождениями Присалаирской или Приколывань-Томской зон интенсивной линейной складчатости. По своему марочному составу угли Ерунаковского района относятся к маркам ГЖ и Ж, а вмещающие их породы находятся на средней стадии катагенических преобразований.
Катагенетические процессы привели к тому, что уже на стадии, переходной от газово-жирных к жирным углям, в обломках пород произошло интенсивное замещение полевых шпатов карбонатным веществом. Одновременно наблюдалось растворение кварцевых зерен, что сопровождалось образованием причудливых кружевных форм обломков, а также накоплением аутигенных минералов.
Отмеченные преобразования пород на стадии катагенеза оказали большое влияние на их физико–механические свойства (рис. 2).
Из приведенных данных видно, что пределы прочности на сжатие и растяжение имеют существенные различия для горных пород, вмещающих угли марок ГЖ и Ж. Это лишний раз подчеркивает ведущую роль катагенетических преобразований в формировании прочности структурных связей пород. Одновременно установлено, что породы с глинистым цементом имеют самую низкую, а с карбонатным – самую высокую прочность.
Выявленные закономерности формирования физико-механических свойств при литогенезе позволили разработать инженерно-геологические классификации горных пород и оценить их устойчивость в бортах карьеров. Результаты изучения физико-механических свойств пород, затронутых выветриванием Ерунаковского Южного участка приведены в таблице 1, а незатронутых выветриванием в таблице 2.
Таблица 1
Физико-механические свойства пород, затронутые выветриванием
Ерунаковского Южного участка
| Свойства | Типы пород | ||
| песчаники | алевролиты | аргиллиты | |
| Плотность частиц, г/см3 | 2,62-2,69 2,66 | 2,60-2,92 2,69 | 2,65-2,74 2,69 |
| Плотность, г/см3 | 2,12-2,43 2,37 | 2,26-2,67 2,41 | 2,35-2,53 2,45 |
| Естественная влажность, % | 1,62-8,62 4,38 | 1,47-7,08 3,75 | 2,91-8,00 4,29 |
| Пористость, % | 10,15-5,57 16,14 | 5,36-20,89 12,80 | 8,92-12,78 11,07 |
| Временное сопротивление сжатию, МПа | 6,44-32,8 16,71 | 4,74-29,7 15,5 | 5,20-17,8 11,5 |
| Временное сопротивление растяжению, МПа | 0,68-3,28 1,84 | 6,65-4,85 2,29 | 0,37-2,43 1,40 |
Как видно из таблицы 1, предел прочности на сжатие песчаников в среднем составляет 16,71 МПа, а растяжение 1,84 МПа.
Прочность алевролитов ниже чем у песчаников и выше чем у аргиллитов (таблица 1). Физико-механические свойства пород незатронутые выветриванием существенно отличаются от свойств аналогичных пород, затронутых выветриванием (таблица 1, 2).
Так, временное сопротивление сжатию песчаников оказалось самое высокое и достигает в отдельных образцах 80 МПа при среднем значении 48,5 МПа.
Рис. 2. Изменение физико-механических свойств горных пород Ерунаковского месторождения на различных стадиях литогенетических преобразований (г – глинистый цемент; г-к – глинисто-карбонатный цемент; к – карбонатный цемент)
Таблица 2
Физико-механические свойства пород, незатронутые выветриванием
Ерунаковского Южного участка
| Свойства | Типы пород | ||
| песчаники | алевролиты | аргиллиты | |
| Плотность частиц, г/см3 | 2,50-2,82 2,67 | 2,61-2,87 2,70 | 2,59-2,72 2,64 |
| Плотность влажной породы, г/см3 | 2,34-2,65 2,51 | 2,20-2,64 2,54 | 2,35-2,59 2,48 |
| Естественная влажность, % | 0,91-5,34 2,43 | 1,29-7,38 3,04 | 0,42-4,58 2,41 |
| Пористость, % | 2,95-20,6 10,08 | 4,10-21,25 10,17 | 6,99-10,69 8,60 |
| Временное сопротивление сжатию, МПа | 14,4-80,1 48,5 | 6,6-51,8 31,4 | 7,80-27,3 21,1 |
Выполненные расчеты показали, что устойчивые углы наклона бортов карьеров для углеразреза Ерунаковского Южного участка при коэффициенте
запаса 1.3 и условии предварительного осушения составляют для глубины 200 м 31° и для глубины 100 м 35°.
Для Талдинского углеразреза соответственно получены углы наклона 36° (для глубины 100 м) и 31° (для глубины 200 м). Фактические углы наклона бортов, как показали натурные наблюдения, оказались больше расчетных, что явилось причиной развития геодинамических процессов в бортах карьеров.
Третье защищаемое положение. Техногенные воздействия на окружающую среду при строительстве и эксплуатации углеразрезов являются основной причиной необратимых изменений ее состояния и приводят к повышению степени геоэкологической опасности при разработке угольных месторождений открытым способом. Концепция обеспечения геоэкологической безопасности предусматривает проведение комплекса мероприятий на всех стадиях освоения угольных месторождений, начиная с разведки, проектирования карьеров и заканчивая ликвидаций угледобывающих предприятий.
Основной причиной возникновения экологических проблем является техногенное воздействие на геологическую среду, которое выражается в виде отчуждения геологического пространства, изменения свойств геологической среды, изменение форм поверхности (ландшафтов) и радикальном изменении гидродинамической и гидрогеохимической обстановки.
Основным источником техногенного воздействия при разработке угольных месторождений Ерунаковского района является применяемое горнотранспортное оборудование, взрывные работы, движение автотранспорта, переэкскавация вскрышных пород во внешние и внутренние отвалы, разработка рыхлых четвертичных пород гидромониторным способом с перекачкой гидропульты в хвостохранилища. Разработка открытым способом угольных месторождения приводит к нарушению динамического равновесия геологической среды и развитию опасных процессов. Наиболее опасными являются обрушения бортов карьеров, образование осыпей, оползней, как в бортах карьеров, так и в откосах отвалов. Яркими примерами развития оползней блокового типа являются борта карьеров Талдинского углеразреза.
Одной из главных причин развития оползней является превышение углов наклона бортов. Фактические генеральные углы наклона бортов оказались намного больше расчетных углов, полученных при инженерно-геологических исследованиях в период разведки Талдинского месторождения кафедрой инженерной геологии Томского строительного института. Второй причиной развития гравитационных процессов является изменение напряженно-деформированного состояния пород в бортах карьеров.
Не менее опасными являются оползни, развивающиеся в отвалах Талдинского углеразреза. Одним из них является оползень откоса конвейерного отвала. Смещение оползневых масс здесь составило 250 м. Гидрогеомеханические условия образования оползней на отвалах характеризуются опережающим ростом порового давления по сравнению с незначительным ростом эффективных напряжений, что не способствует быстрому упрочению отсыпаемых в отвал пород. Для угольных месторождений Ерунаковского района опасным является состояние геологической среды при котором развитие геологических процессов приводит к нарушению динамического равновесия в эксплуатации углеразрезов и возникновению чрезвычайных ситуаций. Наряду с этим происходит нарушения гидродинамического режима подземных вод и интенсивное их загрязнение. Наблюдаются необратимые процессы изменения ландшафта и рельефа местности за счет глубоких выемок и внешних отвалов. Концентрация угольной пыли и вредных веществ в атмосфере превышает ПДК в 2-5 раз. Для оценки степени опасности от развития геодинамических процессов в бортах карьеров рекомендуется использовать величину коэффициента устойчивости, рассчитанного по IX схеме ВНИМИ, по формуле:
Kу = 
с = Cos (tg 1 - tg ); = аТi – аtgi – СL;
S - площадь призмы упора, в м2;
- угол наклона основания призмы упора в градусах;
- угол внутреннего трения пород по наслоению, град;
а - ширина полосы призмы активного давления, в м;
- плотность, т/м3;
С1- сцепление по наслоению, т/м2;
С - сцепление под углом к наслоению, т/м2;
Q - угол пересечения поверхности скольжения призмы активного давления с основанием призмы упора, град;
L1 - длина поверхности скольжения по наслоению, в м;
L - длина поверхности скольжения по круглоцилиндрической поверхности, в м.
При коэффициенте устойчивости менее 1,06 устойчивость бортов будет необеспеченной, а состояние геологической среды опасным. Как показали расчеты устойчивости бортов карьеров, геоэкологическая безопасность будет обеспечена при заложении углов наклона бортов на Ерунаковском участке 35° (для глубины 100 м) и 31° (для глубины 200 м). Соответственно на Талдинском участке при углах наклона бортов 36° и 31°.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации на основе комплексных исследований дана оценка инженерно-геологических условий и прогноз изменения состояния окружающей среды под воздействием открытого способа разработки угольных месторождений Ерунаковского района Кузбасса.
Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы, определяющие научную, методическую и практическую значимость работы
1. Дано теоретическое обоснование и разработан алгоритм комплексного изучения инженерно-геологических условий и состояния окружающей среды при разработке угольных месторождений открытым способом.
2. Основными природно-техническими факторами, влияющими на разработку угольных месторождений открытым способом, являются геолого-структурные особенности месторождений, состав и условия залегания горных пород угленосных отложений.
3. Состояние и устойчивость геологической среды в бортах карьеров обусловлены условиями формирования физико-механических свойств горных пород при литогенезе и последующими изменениями в эпоху техногенеза. Выявлено, что горные породы Ерунаковского района Кузбасса находятся на средней стадии катагенетических преобразований и вмещают угли марок ГЖ-Ж. В песчаниках и алевролитах на данной стадии происходят значительные катагенетические преобразования, приводящие к появлению вторичных карбонатов, чаще кальцита и доломита, которые образуют псевдоморфы по обломкам эффузивов и полевых шпатов или замещают глинистый цемент. В том и другом случае это приводит к образованию вторичных, более прочных кристаллизационных структурных связей, повышению прочности и устойчивости пород.
4. Техногенное воздействие на окружающую среду при строительстве и эксплуатации углеразрезов является основной причиной необратимых изменений ее состояния и приводит к изменению состояния и устойчивости геологической среды в бортах карьеров, нарушению ландшафта и динамического режима подземных вод, загрязнению атмосферы, почв, поверхностных и подземных вод.
5. Для обеспечения геоэкологической безопасности на действующих углеразрезах Ерунаковского района необходимо строго придерживаться рекомендаций по оценке устойчивости бортов и охране окружающей среды. Для Ерунаковского углеразреза генеральные углы наклона бортов не должны превышать 350 (для глубины 100 м) и 300 (для глубины 200 м). Соответственно для Талдинского углеразреза они не должны превышать 360 и 310. Разработанный комплекс мероприятий по охране и защите окружающей среды позволит снизить степень опасности и уровень риска при разработке угольных месторождений открытым способом.
Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях автора:
- Ольховатенко В. Е., Трофимова Г. И. Формирование физико-механических свойств горных пород угленосных отложений Кузбасса при литогенезе // Материалы юбилейной научной конференции, посвященной 120-летию со дня рождения профессора М. И. Кучина. – Томск: Изд-во ТГАСУ, 2007. – С. 28 –31.
- Трофимова Г. И. Геоэкологические условия разработки открытым способом угольных месторождений Ерунаковского района Кузбасса // Материалы юбилейной научной конференции, посвященной 120-летию со дня рождения профессора М. И. Кучина. – Томск: Изд-во ТГАСУ, 2007. – С. 43 – 45.
- Трофимова Г. И. Экологические аспекты безопасности разработки открытым способом угольных месторождений Ерунаковского района Кузбасса // Материалы VII Международной научно-практической конференции: Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах. – Кемерово: Кузбас. гос. тех. ун-т, 2007. – Т. 2 – С. 75 – 78.
- Ольховатенко В. Е., Трофимова Г. И. Оценка геоэкологических условий территории строительства разрезов в Ерунаковском районе Кузбасса // Горная промышленность. – М., 2008. – №6. – С. 60 – 61.
- Трофимова Г. И. Оценка влияния состояния устойчивости геоэкологической среды на экологическую безопасность // Материалы VII Международной научной конференции: Наука и образование. – Белово: ООО «Канцлер», 2008. – Ч. 1 – С. 651 – 652.
- Трофимова Г. И. Техногенное воздействие на геологическую среду при открытой разработке угольных месторождений Ерунаковского района Кузбасса // Материалы научной конференции по проблемам геоэкологии и инженерной геологии и гидрогеологии: Международный год планеты Земля: проблемы геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. – Томск, 2008. – С. 104 – 107.
- Ольховатенко В. Е., Трофимова Г. И. Геоэкологические условия разработки открытым способом угольных месторождений Ерунаковского района Кузбасса // Материалы научной конференции по проблемам геоэкологии и инженерной геологии и гидрогеологии: Международный год планеты Земля: проблемы геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. – Томск, 2008. – С. 132 – 138.
- Трофимова Г. И. Техногенное влияние разработок угольных месторождений открытым способом на геоэкологическую среду // Безопасность труда в промышленности. – М., 2009. – №1. – С. 38 – 40.
- Ольховатенко В. Е., Трофимова Г. И. Геоэкологические проблемы при разработке угольных месторождений Кузнецкого бассейна открытым способом // Уголь. – М., 2009. – №2. – С. 58 – 60.
- Ольховатенко В. Е., Трофимова Г. И. Теоретические основы изучения состояния геологической среды при разработке угольных месторождений открытым способом и решение проблемы геоэкологической безопасности // Материалы Второй Всероссийской научно-практической конференции: Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2009. – С. 39-43.
- Ольховатенко В. Е., Трофимова Г. И. Трансформация геологической среды при разработке угольных месторождений Ерунаковского района Кузбасса открытым способом // Материалы Второй Всероссийской научно-практической конференции: Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2009. – С. 128-130.
- Трофимова Г. И. Геоэкологическая оценка состояния и прогноз изменения геологической среды под влиянием открытой разработки угольных месторождений // Материалы VIII Международной научно-практической конференции: Природно-ресурсный потенциал, экология – и устойчивое развитие регионов России. – Пенза, 2009. – С. 148 – 151.
- Трофимова Г. И. Техногенное воздействие на геологическую среду // Материалы VII Международной научно-практической конференции: Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и рационального природопользования. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. – С. 52 – 54.
- Трофимова Г. И., Трофимов И. Н., Трофимов Н. Н. Экология дорог // Материалы 1-ой Международной научно-практической конференции: Роль науки в устойчивом развитии общества. – Тамбов: ТАМБОВПРИНТ, 2009. – С. 86-89.
- Ольховатенко В. Е., Трофимова Г. И., Лазарев В. М., Чернышова Н. А. Общие вопросы инженерно-геологических изысканий при разработке открытым способом угольных месторождений Кузбасса // Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Сергеевские чтения. Выпуск 12. – М.: Московский университет Дружбы народов, 2010. – С. 465-470.
