754

пористости и коэффициента фильтрации. В результате после повышения уровня подземных вод грунты оснований превращаются в слабые грунты.

Для ведения работ нулевого цикла на таких территориях необходимо проведение специализированных мероприятий, к которым в первую очередь относятся: трамбование, гидровиброуплотнение, вертикальные песчаные дрены, фабричные дрены.

В работах, связанных с устройством нулевого цикла в сложных инженер- но-геологических условиях принимает участие установка УГВ-1, прообразом которой является конструкция ВНИИГСа ВУУП-6, подробное описание которой было приведено в справочнике проектировщика «Основания и фундаменты», выпущенного большим тиражом Стройиздатом в 1985 г. В нее были введены дополнительные консоли, осуществлена подводка труб для подачи к уплотненной песчаной массе цементного молока и другие дополнения. В результате установка позволяет укреплять цементом большие массивы грунта, воспринимать повышенные нагрузки, а также преобразовывать пылеватые и мелкие пески, на что ВУУП не был способен.

Заторфованные территории имеют большое распространение в нашей стране. К ним, в первую очередь относятся массивы, перекрытые с поверхности торфами или заторфованными грунтами или, во вторую очередь, имеющие эти разновидности слабых грунтов по глубине массива.

Опыт длительной эксплуатации ряда зданий и сооружений, основанием которых служат заторфованные грунты, свидетельствуют о том, что причиной серьезных деформаций их надфундаментных конструкций прежде всего были большие, средние и неравномерные осадки фундаментов, но не исчерпание несущей способности основания, сопровождающееся в ряде обследованных нами случаев аварией с выбором грунта. Иначе говоря, здание или сооружение на заторфованном основании вследствие его повышенной деформативности может достигнуть состояния, затрудняющего их нормальную эксплуатацию в целом или только отдельных конструкций из-за появления недопустимых перемещений (осадок, кренов, расстройств соединений их конструкций и т.д.) задолго до того, как наступит первое предельное состояние по устойчивости.

Для ведения работ нулевого цикла на таких территориях, необходимо проведение специализированных мероприятий, к которым относятся: гидровиброуплотнение, взрыв, самоформирующиеся дрены, плоские песчаные дрены, фабричные дрены, универсальная глубинная установка (УГВ-1).

Территории, сложенные водонасыщенным глинистыми грунтами, и современные методы проектирования на них сооружений учитывают совместную работу сооружения и основания. Основные сложности, возникающие при строительстве сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах, обусловлены отжатием поровой воды до дренажной поверхности. Время

31

отжатия воды (время консолидации) зависит от пути фильтрации, который проходит отжимаемая вода до дренажной поверхности.

К наиболее ответственной и трудоемкой части работы следует операции по созданиюнадежныхиндустриальныхтехнологий улучшениясвойствгрунтовых оснований.

В данном случае к надежным индустриальным технологиям следует отнести технологию изготовления виброметодом непосредственно в грунте основания вертикальных песчаных дрен, круглых в поперечном сечении. Устройство по глубине основания таких дрен осуществлено до 20–25 м. Они способствуют отводу воды из грунта и его уплотнению. Дрены вступают в работу после создания в окружающем ее грунте избыточного порового давления путемотгрузкиее споверхности, например,слоемнамывного песка. Вобщем итоге, водонасыщенный слабый грунт, прорезанный вертикальными песчаными дренами, как фитилями, выводит из водонасыщенного грунта воду под воздействием огрузки.

Аналогичным образом работают плоские песчаные дрены. Их преимущество состоит в следующем. Когда в грунте образуют круглую вертикальную дрену по ее внешнему контуру формируется уплотненная зона грунта (зона замазывания), которая имеет пониженные фильтрационные свойства, т.е. снижает способность дрены принимать подходящую к ней воду. У плоской дрены с отношением сторон, например 1 : 5, образуемой с помощью конструкции спаренных швеллеров или двутавров, при погружении в грунт он максимально уплотняется у ее коротких сторон, а у длинных составляющих 70–80 % его периметра — несущественно. Вследствие этого плоские дрены будут работать более эффективно чем круглые своими боковыми гранями.

На участках,гдесверхунамытслойпесчанойпульпы,рациональноприменить новую технологию изготовления самоформирующихся песчаных дрен. Обсадную трубу 325 мм с раскрывающимся башмаком на расстоянии от шарнира лепестков башмака покрывают отверстиями 36 мм до основания трубы.

При погружении трубы вибратором в грунт, когда уровень его боковых отверстий совпадет с верхним уровнем залегания намывного песка, последний будет заполнять обсадную трубу. После достижения острием проектной отметки обсадная труба при работающем вибраторевыдергиваетсяиз грунта. Вместо нее в грунте остается вертикальный песчаный столб (дрена). Дренирование отведенного для этой цели участка продолжается в той же последовательности, что была описана выше. Шаг между дренами составляет 1,5– 2,0 м и должен быть подтвержден расчетом.

Иногда дренированиетерриторий осуществляется с помощью фабричных дрен (дрен заводского изготовления). Дрена представляет собой лентушириной 100 мм и толщиной 4 мм, изготовленную из пластмассы с продольными

32

бороздами для движения по ним воды (сердечник), которая обернута в водонепроницаемую синтетическую ткань. Дрены изготавливаются в виде бухт длиной 200 м, свернутых в рулоны. Погружение дрен ведется агрегатами, оснащенными специальными ножами, обеспечивающими их задавливание на глубину 15–20 м. После погружения она обрезается у поверхности грунта (+0,5 м), а затем огружается слоем песчаного (или любого минерального) грунта.К сожалению, наша промышленность таких агрегатовневыпускает.

Чтобы вести работы нулевого цикла на таких территориях необходимо проведение одного из специализированных мероприятий, а именно, устройство вертикальных песчаных дрен, самоформирующихся дрен, плоских песчаных дрен, фабричных дрен или применение универсальной глубинной установки (УГВ-1).

Площадки, образованные отсыпкой промышленных и бытовых отходов в последнее время все чаще становятся объектом для устройства складских помещений, торговых и выставочных залов и т.п. Промышленные отходы подчаспредставляютсобойотходы строительныхматериалови конструкций, битых кирпичей. Территории, занятые этими грунтами, обычно представляют собой бывшиебалки,овраги,пруды, поймы,русларекит.д.В связисэтим размеры площадей, сложенных намывными грунтами, а также толщина слоя их в значительной степени зависит от природного рельефа местности.

Бытовые отходы по содержанию органических веществ подразделяются на два вида: без органики и с содержанием органических веществ.

Для ведения работ нулевого цикла на таких территориях необходимо проведение одного из специализированных мероприятий (установок):

—универсальная глубинная установка (УГВ-1);

—установка для устройства известковых свай (УГБ-50-А).

При обнаружении отдельными выработками слоев, прослоек или линз заторфованного грунта или погребенного торфа должны назначаться дополнительные изыскания с целью определения их толщины и размеров в плане. Расстояниемеждуотдельными дополнительными выработками в этомслучае должноприниматьсяне более 20 м;глубина выработокдолжна быть неменее ширины здания, но не более 20 м.

С помощью специальной установки ведется изготовление известковых свай для территории, отсыпанной с использованием бытовых отходов.

И, наконец, для территории, отсыпанной промышленными отходами, установкой УГВ-1 выполняются упрочненные цементные элементы.

33

УДК 371.315

В.Е. Ольховатенко (ТГАСУ)

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУЗБАССА И УСТОЙЧИВОСТЬ БОРТОВ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ

Кузнецкий угольный бассейн является одним из крупнейших с запасами угля, превышающими 905 млрд т [1]. Разработка угольных месторождений в Кузбассе осуществляетсякак подземным, так иоткрытым способами.Причем в последние годы предпочтение отдается наиболее экономически выгодному и безопасному открытому способуразработки угольных месторождений, что сопровождается строительством сверхмощных карьеров. В связи с этим возникает целый комплекс инженерно-геологических и геоэкологических проблем. Одной из центральных при разработке месторождений открытым способом является проблема устойчивости бортов карьеров, от решения которой во многом зависит обеспечение геоэкологической безопасности при освоении месторождений.

Современное структурно-тектоническое положение Кузнецкого бассейна является результатом его длительного развития, сопровождавшегося проявлением нескольких фаз текногенеза. Причем в древнекеммерийскую фазу текногенеза на территории бассейна в основном произошло складкообразование с последующим усложнением его в новокеммерийскую фазу. Это обусловило формирование двух структурных ярусов: нижнего, включающего интенсивно дислоцированные породы верхнего палеозоя, и верхнего, представленного породами мезозоя, претерпевшими меньшие изменения в процессе текногенеза [1, 2].

На структурныйпланитектоникубассейнасущественноевлияние оказали тангенциальные движения со стороны Салаира и Колывань-Томской складчатой области [2]. Характер и интенсивность этих движений в различных частях бассейна проявились по-разному. На границе с Салаиром и КолываньТомской областью шло формирование дугообразных линейных складчатых структур, значительно осложненных дизъюктивной тектоникой. По мере удаления от Салаира и Колывань-Томской складчатой области тектоника упрощается, напряженная зона линейной складчатости сменяется брахисинклиналями, а затем в юго-восточной и восточной частях на границе с Горной Шорией и Кузнецким Алатау — моноклинальным спокойным залеганием пород.

В геологическом строении Кузнецкого бассейна принимают участие морские отложения (D1-C1t), лагунно-континентальные отложения балахонской серии (C2-3-P1bl), континентальные угленосные отложения кольчугинской серии (P2), отложения тарбаганской серии (I1-2), четвертичные отложения (QIII-IV). С инженерно-геологической точки зрения наибольший интерес пред-

34

ставляют угленосные отложения балахонской (C2-3-P1bl) и кольчугинской (P2) серий,которые окажутсяв бортах карьеров, устойчивость которых вомногом будет зависеть от возраста пород, их состояния, степени дислоцированности

итектонической нарушенности, а также от физико-механических свойств, особенно прочностных характеристик. Отложения балахонской серии представлены песчаниками, алевролитами,аргиллитамииихуглистымиразностями, а также пластами угля различной мощности.

Континентальные отложения кольчугинской серии делятся на три подсе-

рии: кузнецкую безугольную (P2kz); ильинскую (P2il) и ерунаковскую (P2er) угленосные. В инженерно-геологическом отношении наибольшее значение

при разработке месторожденийоткрытым способом имеют отложенияерунаковской подсерии, представленные песчаниками, алевролитами и аргиллитами. В обломочной части песчаников преобладают зерна кварца, кремнистых

иосадочных пород, полевых шпатов. Алевролиты в составе ерунаковской подсерии представлены различными типами — от крупных до мелкозернистых и даже тонкозернистых.

Согласно тектонической смены Кузнецкого бассейна на его территории выделяется четыре геотектонических зоны.

Присалаирская зона линейной складчатости и разрывов в юго-запад-

ной части бассейна, характеризуется сложным тектоническим строением и отчетливо делится на две подзоны: интенсивной линейной складчатости и пологой линейной складчатости. В подзоне интенсивной линейной складчатости развиты узкие кулисообразные брахискладки, углы падения, которых составляют 60–90°. Горные породы в этой подзоне интенсивно разбиты системой тектонических нарушений. Вподзоне пологой линейнойскладчатости развиты преимущественно угленосные отложения кольчугинской серии. Характернымдля брахиструктур этойзоны является ассиметричное строение с крутыми западными (45–70°) и пологими восточными (10–30°) крыльями.

Приколывань-Томская зона линейной складчатости, образовалась в результате тангенциальных движений со стороны Колывань-Томской складчатой дуги. Характерной особенностью является наличие крупных тектонических нарушений и интенсивная трещиноватость горных пород.

Центральнаязона пологихскладокикуполовидныхподнятийявляет-

ся переходной от зоны линейных складок к зоне моноклиналей. Для нее характерна значительно меньшая дислоцированность осадков и разнообразная ориентировка осей складок.

Пригорношорская зона моноклиналей характеризуется спокойным мо-

ноклинальным залеганием горных пород с углами падения 10–30°, низкой степенью дислоцированности и нарушенности горных пород.

Отмеченные особенности геологического строения и тектоники Кузбасса, нарядус многочисленными исследованиями состава и физико-механических

35

свойств пород, использовались для типизации угольных месторождений. Предварительно с помощью факторного анализа устанавливалось влияние различных факторов на деформируемость и устойчивость пород в бортах карьеров. В процессе анализа выявлено влияние на величины генеральных углов наклона бортов карьеров следующих факторов: глубины карьера, составаи прочностныхсвойств пород,слагающих борта карьера, углов падения пород и тектонических нарушений, мощности зоны выветрелых пород и их дислоцированности, гравитационных нормальных напряжений, развитых в бортахкарьеров.Дляместорождений ужеразрабатываемыхоткрытымспособом, перечисленные факторы анализировались с учетом фактических углов наклона бортов карьеров. В случае же отсутствия последних углы наклона бортов были получены расчетным путем.

При типизации угольных месторождений Кузбасса использовались наиболееинформативныепоказатели,характеризующиесостав,состояние,прочностные свойства и устойчивость горных пород в бортах карьеров. Инженер- но-геологическая типизация угольных месторождений приведена в табл. 1.

36

Классификация угольных месторождений Кузбасса по степени устойчивости пород в бортах карьеров приведена в табл. 2.

Таблица 2

Классификация угольных месторождений Кузбасса по степени устойчивости пород в бортах карьеров

37

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что инженерно-геологические условия разработки угольных месторождений открытым способом и устойчивость бортов глубоких карьеров во многом зависит от геолого-структурных особенностей, тектоники, состава и физикомеханических свойств пород, которые положены в основу разработанной инженерно-геологической типизации месторождений. Для всех выделенных типов месторождений выполнены расчеты устойчивости бортов, которые использованы проектными организациями Кузбасса при проектировании и реконструкции углеразрезов.

Библиографический список

1.Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР. Т.7. Кузнецкий, Горловский и другие угольные месторождения западной Сибири. М.: Изд-во «Недра», 1969, 420 с.

2.Юзвицкий А.З. Кузнецкий угольный бассейн // Угольная база России, Т. 2. Угольные бассейны и месторождения Сибири / Под ред. В.Ф. Череновского;ООО «Геоинформцентр». М.,

2003. 205 с.

38

УДК 371.315

В.Е. Ольховатенко, Г.И. Трофимова (ТГАСУ)

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЗРАБОТКИ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЕРУНАКОВСКОГО РАЙОНА КУЗБАССА

Кузнецкий угольный бассейн играет исключительно важную роль в обеспечении энергетической безопасности нашей страны. Наиболее перспективными для разработки открытым способом в Кузбассе являются угольные месторождения Ерунаковского района, где уже действует несколько крупных карьеров и ведется проектирование новых горнорудных предприятий.

При разработке угольных месторождений открытым способом возникает целый комплекс проблем, связанных с нарушением устойчивости бортов карьеров и развитием опасных геологических процессов, основными причинами развития опасных процессов являются: изменения напряженно-дефор- мированного состояния и физико-механических свойств горных пород в бортах карьеров.

Существенные изменения гидрогеологических условий территории обусловлены изменениями динамики и режима подземных вод, их химического состава и питьевых качеств. Дренаж подземных вод карьерами может привести 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 появлениемглубоких выемокна больших территориях, внешних и внутренних отвалов, а также гидроотвалов.

Угольные месторождения Ерунаковского района приурочены к Центральной зоне пологих складок и куполовидных поднятий.

Вгеологическом строении Ерунаковского района принимают участие

угленосные отложения тайлуганской свиты (Р2 tl) кольчугинской серии. Литологически угленосная толща представлена чередованием крупных

слоев песчаников, алевролитов и углей.

Впределах 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.

Вгеологическом строении Талдинского месторождения данного района

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 (Р2 tl), в разрезекоторойразвитыпесчаники,алевролиты, аргиллиты икаменныеугли.

39

Алевролиты пользуются широким распространением и имеют мощность от 2 до 55 м. В составе обломочного материала присутствуют: кварц (от 15– 20 до 30–35 %), полевые шпаты (от 10–15 до 20–25 %), эффузивы (15–20 %),

карбонаты (20–50 %).

Состав цемента сложный. В большинстве случаев это тот же тонкоперетертый материал, который присутствует в обломках. В небольших количествахкнемупримешиваютсякаолинит,гидрослюды икарбонаты.Типцемента — поровый или пленочный.

Песчаники имеют темно-серую, серую и светло-серую окраску. Минеральный состав обломочного материала песчаников сложный и представлен в следующем виде: кварц (35–45 %), микрокварциты (5–20 %), кислые эффузивы (15–20 %), полевые шпаты (10–15 %), карбонаты (до 10–12 %). Состав цемента сложный, чаще кремнисто-карбонатный или кварцево-гидрослюди- стый.

Аргиллиты имеют ограниченное распространение и встречаются в виде небольших линз мощностью 2–5 м.

В структурно-тектоническом отношении Талдинское месторождение представляет крупную брахисинклиналь. Центральная часть брахисинклинали является пологой структурой с падением крыльев до 10–20° и широкой горизонтальной замковой частью. Дизъюнктивная тектоника на Талдинском месторождении развита слабо.

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 своемумарочномусоставууглиЕрунаковского района относятся к маркам ГЖ и Ж, а вмещающие их породы находятся на средней стадии катагенических преобразований. В данном случае во вмещающих породах при давлении более 100 МПа происходило уплотнение и сближение частиц между собой. При этом в обломочных породах с малым содержанием цемента огромное давление, передаваемое на обломки пород, приводило к их растворению и переотложению в других близлежащих местах. Цементирующий глинистый материал испытывал значительное воздействие давления, подвергаясь изменениювбольшейстепени,чемматериалглинистыхпород.Одновременнопод воздействием давления он приспосабливался к новым условиям, нередко изгибаясь и обвивая обломки пород. Наряду с этим протекали физико-хими- ческие процессы с участием подземных вод, способствующих растворению однихвеществ,переносуипереотложениюдругих.Всеэтипроцессы 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 зе-

40