Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
1 На правах рукописи
Смирнов Николай Александрович
КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ОПОЛЗНЕОПАСНЫХ ЗОН БОРТОВ РАЗРЕЗОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗОНДИРОВАНИЙ
Специальность: 25.00.16 - Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово 2012
Работа выполнена на кафедре теоретической и геотехнической механики в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева (КузГТУ).
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Простов Сергей Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Институт угля СО РАН, зам. директора по научной работе Зыков Виктор Семенович кандидат технических наук, доцент, КузГТУ, доцент кафедры физики Мальшин Анатолий Александрович Ведущая организация - Новационная фирма КУЗБАСС-НИИОГР
Защита состоится 18 мая 2012 г. в 1300 на заседании диссертационного совета Д 212.102.02 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева по адресу:
650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева.
Автореферат разослан л апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Иванов В. В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы В настоящее время значительная часть угля в России добывается открытым способом. На разрезах Кузбасса имеют место опасные деформации верхних уступов бортов, сложенных песчано-глинистыми четвертичными отложениями. Наблюдения показывают, что одной из основных причин оползнеобразования является формирование в массиве глинистых пород зон повышенной водонасыщенности. Водонасыщение значительно снижает прочностные свойства песчано-глинистых пород, что способствует снижению устойчивости борта и развитию оползней объемом до 300-500 тыс. м3.
Подобные нарушения имели место на разрезах Сартаки, Майский, Караканский-Южный, Губернский, Бачатский, Краснобродский и др., что способствовало снижению безопасности ведения горных работ. Устранение аварий, происшедших в результате несвоевременного или неточного прогноза, требует значительных экономических и трудовых затрат. Существенные трудности также возникают при повторной разработке намывных пород гидроотвалов.
В практике ведения открытых горных работ контроль состояния и свойств массива горных пород основан на применении геологомаркшейдерских методов. Данные методы требуют больших объемов буровых работ, включают трудоемкие инженерно-геологические изыскания, долговременные наблюдения за смещением массива. Рациональным является многоуровневый мониторинг, сочетающий минимальный базовый объем прямых измерений с детальными геофизическими исследованиями.
Для контроля параметров водонасыщенных зон в прибортовых массивах целесообразно развитие электрофизических методов, основанных на бесскважинном зондировании. Проведенные в этом направлении исследования показали их эффективность, поскольку аномальные по водонасыщенности зоны весьма контрастны по удельному электрическому сопротивлению. Вместе с тем, точность электрофизического контроля до настоящего времени остается недостаточно высокой, поскольку не решены следующие задачи:
методики измерений и их интерпретации не позволяют точно учесть геотехнологические особенности участков борта, не обоснованы оптимальные параметры измерительных установок, результаты геоконтроля недостаточно увязаны с методами прогноза водонасыщенности и устойчивости откосных сооружений.
Таким образом, актуальным является обоснование методик контроля параметров водонасыщенных зон и прогноза устойчивости откосных сооружений на основе результатов электрических зондирований.
Работа выполнена при поддержке ФЦП Научные и научнопедагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы (проекты № 14.740.11.0548-0747 и П234).
Цель работы - разработка методик контроля параметров водонасыщенных оползнеопасных зон бортов методом электрических зондирований, обеспечивающих повышение информативности и точности прогноза строения и состояния прибортовых массивов разрезов для безопасного ведения горных работ.
Основная идея работы заключается в использовании информационных критериев и методов интерактивной инверсии при обосновании параметров измерительных установок, разработке алгоритмов количественной интерпретации данных вертикальных электрических зондирований и электропрофилирований для оценки изменения водонасыщенности и оползнеопасности участков бортов разрезов.
Основные задачи
исследований:
- разработка методик интерактивного электрофизического контроля строения и физического состояния массивов песчано-глинистых отложений бортов разрезов;
- оценка строения и водонасыщенности прибортовых массивов разрезов по результатам электрофизического контроля;
- прогноз устойчивости бортов разрезов по данным электрических зондирований.
Методы и объекты исследований Выполнен обзор и анализ литературных источников по проблеме геофизического контроля массива горных пород и прогноза устойчивости откосных сооружений. Были использованы аналитические и численные методы решения прямых и обратных задач электроразведки, лабораторные исследования физико-механических свойств горных пород, производственные электрофизические исследования, статистический анализ данных, методы обратных геомеханических расчетов.
Объект исследований - прибортовые массивы песчано-глинистых горных пород разрезов. Предмет исследований - диагностируемые по аномалиям активных электрических полей водонасыщенные зоны, определяющие оползнеопасное состояние уступов бортов разрезов.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
- повышение точности определения параметров геоэлектрических разрезов при интерактивной интерпретации электрических зондирований на величину до 16-50% достигается циклическим корректированием опорной модели и введением дополнительных корректирующих коэффициентов, учитывающих влияние откосов уступов, зависящих от их углов и разноса установки;
- применение нелинейных зависимостей параметров установки электропрофилирования от отношения глубины расположения аномальной зоны к ее эффективному радиусу, мощности исследуемого слоя и диапазона ее изменения обеспечивает повышение до 2-2,3 раза информативности при диагностировании локальных водонасыщенных зон и увеличение до 1,5-2 раз разрешающей способности при картировании протяженных зон и мощности отложений;
- прогноз водонасыщенности грунтового массива по результатам электропрофилирования на межскважинных интервалах достигается с помощью зависимостей истинного электросопротивления промежуточного слоя от эффективного, определенных для трехслойных геоэлектрических разрезов, эквивалентных реальным многослойным;
- прогноз углов устойчивых откосов уступов включает определение геометрических параметров геомеханической модели путем интерактивной инверсии графиков электрических зондирований, прочностных свойств слоев с помощью обратных геомеханических расчетов и линейных корреляционных зависимостей от прогнозируемой влажности массива.
Научная новизна работы заключается:
- в разработке алгоритмов интерактивной инверсии электрических зондирований, обеспечивающих учет влияния геотехнологических особенностей уступов борта;
- в оптимизации параметров установки электропрофилирования при диагностировании и картировании аномальных зон на основе информационных критериев;
- в обосновании алгоритмов оценки водонасыщенности массива по истинному удельному электросопротивлению аномального слоя с использованием эквивалентных геоэлектрических разрезов;
- в разработке методики прогноза углов устойчивых откосов уступов, увязывающей результаты электрофизического контроля с прямыми и обратными геомеханическими расчетами.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- корректным применением апробированных методов решения прямых и обратных задач электроразведки;
- достаточными критериями тесноты связи и надежности оценки в полученных корреляционных зависимостях (коэффициент корреляции не менее 0,8);
- удовлетворительной сходимостью результатов прогнозных оценок с данными инженерно-геологических изысканий (расхождение не более 10%).
ичный вклад автора заключается:
- в теоретическом обосновании, разработке алгоритмов, программ для ЭВМ и методик интерактивной интерпретации электрических зондирований, оптимизации параметров электроустановок, прогноза водонасыщенности и устойчивости бортов разрезов;
- в участии в составе геофизической группы в экспериментальных лабораторных и производственных исследованиях, обработке экспериментальных данных, включающих априорную геологическую информацию.
Научное значение работы состоит в разработке комплекса алгоритмов интерактивной интерпретации электрических зондирований, оптимизации параметров измерительных установок, создании на этой основе методик прогноза водонасыщенности и определения границ оползнеопасных зон бортов разрезов.
Отличие от ранее выполненных работ заключается в применении методов интерактивной инверсии электрических зондирований с учетом геотехнологических особенностей уступов бортов разрезов и информационных критериев для обоснования оптимальных параметров установок, в установлении ранее неизвестных взаимосвязей аномалий активных электрических полей с геометрическими и физико-механическими параметрами водонасыщенных зон прибортовых массивов.
Практическая ценность работы состоит:
- в разработке методик и программ для ЭВМ, обеспечивающих интерактивную интерпретацию электрических зондирований, оптимизацию параметров электроустановок, прогноз водонасыщенности и устойчивости участков бортов, склонных к оползнеобразованию;
- в обосновании рекомендаций по безопасному ведению работ при подготовке участка к вскрышным работам (разрез Краснобродский), при разработке техногенных массивов намывных грунтов (разрез Кедровский), формировании откосных сооружений в зоне гидродинамического влияния гидроотвала (разрез Бачатский).
Реализация работы Основные положения разработанной методики изложены в двух корпоративных отраслевых методических документах:
- Методические указания по комплексному многоуровневому мониторингу физических процессов в техногенных грунтовых массивах гидроотвалов угольных разрезов / ГУ КузГТУ, ОАО УК Кузбассразрезуголь, НФ КУЗБАСС-НИИОГР. - Кемерово, 2010. - 64 с.;
- Методическое руководство по электромагнитному мониторингу физических процессов в грунтовых массивах оснований горнотехнических сооружений и бортов угольных разрезов / ГУ КузГТУ, ООО НООЦЕНТР-Д, ОАО УК Кузбассразрезуголь, НФ КУЗБАСС-НИИОГР. - Кемерово, 2011. - 68 с.
Методические документы согласованы с ОАО Кузбассгипрошахт и приняты к использованию на разрезах ОАО УК Кузбассразрезуголь.
Основные результаты исследований внедрены в производство на угольных разрезах Бачатский, Краснобродский, Кедровский.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы рассмотрены на VIII Международной научно-практической конференции Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах (г. Кемерово, 2009 г.), на Международном научном симпозиуме Неделя горняка2010, (г. Москва, 2010 г.); на Международной научно-практической конференции Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов (г. Новокузнецк, 2010 г.); на XIII Международной научнопрактической конференция Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (г. Кемерово, 2010 г.); на научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых КузГТУ, (г. Кемерово, 2008-2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 9 статей в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК, получено 2 свидетельства на регистрацию программ для ЭВМ.
Объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков, 8 таблиц, список литературных источников из 116 наименований, 2 приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе приведен анализ современного состояния проблемы геоконтроля массива горных пород.
В Кузбассе весьма распространены рыхлые песчано-глинистые отложения (в отдельных районах их мощность превышает 50 м), при разработке которых открытым способом необходимо учитывать ряд особенностей, определяемых характером связей между слагающими их частицами. При водонасыщении песчано-глинистые породы снижают прочностные свойства, что во многих случаях может привести к нарушению устойчивости массивов глинистых пород, слагающих уступы разрезов. За последние годы на разрезах Кузбасса произошел ряд нарушений устойчивости откосов в виде оползней объемом до 300-500 тыс. м3.
Основными причинами нарушения устойчивости являлись аномальные изменения физико-механических свойств пород вследствие их дополнительного водонасыщения атмосферными осадками и влияния близко расположенных водных объектов. Существенной частью рассматриваемой проблемы является необходимость повторной разработки намывных массивов, возникшая на некоторых разрезах Кузбасса. Такие массивы характеризуются неоднородностью механических свойств намывных пород, связанной с зонами остаточной водонасыщенности. Неправильные проектные решения, принятые в условиях недостатка информации о свойствах намывных пород могут стать причиной аварий.
Приведенные данные свидетельствуют о значительной распространенности нарушения устойчивости откосных сооружений на горнодобывающих предприятиях. Это требует дальнейшего развития и совершенствования методов контроля состояния и свойств прибортовых массивов, а также прогноза их безопасного состояния.
Развитию методов оценки геомеханического состояния и прогноза устойчивости откосных сооружений посвящены исследования А. И. Арсентьева, Ю. П. Астафьева, С. П. Бахаевой, Э. Л. Галустьяна, А. М. Гальперина, В. А. Гордеева, А. М. Демина, А. И. Ильина, Ю. И. Кутепова, Н. А. Кутеповой, М. А. Певзнера, В. Н. Попова, С. И. Протасова, В. В. Ржевского, Г. Л. Фисенко, В. К. Цветкова, П. С. Шпакова, J. Sjoberg и др.
Устойчивость откосных сооружений определяется напряжениями, действующими в приоткосном массиве по потенциальной поверхности скольжения, и прочностными параметрами горных пород. В настоящее время в практике горного дела расчеты устойчивости ведутся на основе решений, полученных для различных расчетных схем, выбор которых определяется горногеологическими условиями, при этом для расчета устойчивости требуется знание строения и свойств исследуемого массива.
Существенный вклад в развитие маркшейдерско-геодезических, инженерно-геологических, геофизических методов геоконтроля внесли В. А. Богословский, В. А. Бабелло, А. С. Вознесенский, С. В. Глебов, В. С. Зыков, А. И. Косолапов, Ф. М. Ляховицкий, Ю. М. Николашин, А. А. Огильви, В. Н. Опарин, В. А. Сазонов, А. Д. Сашурин, П. М. Тютюнник, А. С. Федянин, О. А Хачай, В. Л. Шкуратник, В. С. Ямщиков, R. Hack и др.
Анализ данных об известных в технической литературе результатах практического применения методов геоконтроля массива горных пород показал, что геофизические методы являются наиболее оперативными и малотрудоемкими, поскольку не требуют во многих случаях бурения дополнительных скважин. Вместе с тем, параметры, измеряемые геофизическими методами, как правило, весьма интегральны, а также подвержены влиянию целого ряда побочных факторов и помех, имеющих случайный характер. По данной причине применение описанных методов в конкретных условиях часто требует проведения дополнительных исследований.
В частности, метод электрических зондирований базируется на классических положениях электроразведки и горнопромышленного электрофизического контроля, наибольший вклад в развитие которых внесли Л. П. Альпин, И. М. Блох, А. А. Бобачев, В. Р. Бурсиан, Л. Л. Ваньян, В. В. Дырдин, М. С. Жданов, А. И. Заборовский, В. В. Иванов, А. П. Краев, В. П. Колесников, А. А. Мальшин, Б. К. Матвеев, И. Н. Модин, Б. С. Светов, В. К. Хмелевской, Н. Г. Шкабарня, Ю. В. Якубовский, M.H. Loke, R.D. Barker и др.
Основные нерешенные задачи развития метода электрических зондирований связаны с учетом геотехнологических особенностей откосов бортов разрезов, оптимизацией параметров измерительных установок, увязкой результатов геоконтроля с геомеханическими расчетами.
В результате комплексного анализа методов решения рассматриваемой проблемы сформулированы цель и задачи исследований, приведенные в общей характеристике работы.
Вторая глава посвящена разработке методик интерактивного электрофизического контроля строения и физического состояния массивов песчаноглинистых отложений бортов разрезов.
Количественная интерпретация (инверсия) данных вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) является важнейшим этапом электрофизического контроля, поскольку оценка параметров водонасыщенных зон возможна только на основе анализа распределения истинного удельного электрического сопротивления (УЭС). Инверсия данных ВЭЗ реализуется посредством подбора параметров геоэлектрического разреза, соответствующих наблюденным данным. Эта задача сводится к минимизации функции I, в качестве которой обычно берется среднее квадратичное отклонение наблюденных и рассчитанных данных:
т M к к I(1, h1, 2, h2, 3, h3,..., N ) I( p) j j , (1) т M к j j где p (1, h1, 2, h2, 3, h3,..., N ) - вектор, составленный из параметров геоэлектрического разреза; i, - УЭС слоев, Омм; hi - мощности слоев, м;
N - число слоев; М - общее число расчетных точек (число разносов питают щей линии установки); кj и кj - величина кажущегося (эффективного) УЭС в j-й расчетной точке на наблюденной и теоретической кривых ВЭЗ соответственно, Омм.
Методика интерпретации результатов ВЭЗ включает нормализацию наблюденных кривых с целью уменьшения влияния откосных сооружений, формирование опорной модели геоэлектрического разреза на основе данных инженерно-геологических изысканий и качественного анализа кривых ВЭЗ, количественную интерпретацию посредством минимизации невязки наблюденной и теоретической кривых ВЭЗ. Минимизацию функции невязки следует выполнять в интерактивном режиме путем циклического корректирования опорной модели, что позволяет выбрать из множества эквивалентных такое решение, которое при минимальной невязке подбора обеспечит наибольшую геологическую значимость геоэлектрического разреза (рис. 1).
Рис. 1. Алгоритм интерактивной интерпретации данных ВЭЗ:
x, y, z - координаты центра установки ВЭЗ; AB - разнос установки На практике может возникнуть необходимость провести измерения на сравнительно небольшом расстоянии от бровки уступа. Негоризонтальный характер рельефа поверхности может оказать значительное влияние на измеряемую разность потенциалов. В этом случае для количественной интерпретации данных электрических зондирований необходимо скорректировать кривые эффективного УЭС таким образом, чтобы они соответствовали кривым, полученным для горизонтально-слоистого массива. Поставленную задачу целесообразно решать методом математического моделирования. Рассмотрены расчетные схемы уступа борта и дамбы для однородной и неоднородной среды. В этом случае поправочные коэффициенты равны отношению величины измеряемого сигнала, рассчитанного в условиях влияния откосных сооружений, к значению сигнала, рассчитанного для полупространства.
Установлено, что при ВЭЗ, проводимом на расстоянии x от бровки уступа, с разносами AB > 5 x величина измеренного эффективного УЭС завышается, данные измерений следует делить на поправочный коэффициент, изменяющийся в диапазоне k1 = 1-2, зависящий экспоненциально от разноса AB установки, нелинейно уменьшающийся с уменьшением угла откоса и увеличением расстояния от бровки до оси профиля (рис. 2, а). При измерениях вблизи основания дамбы (верхнего уступа) эффективные УЭС занижаются, следует вводить поправочный коэффициент, изменяющийся в диапазоне k2 = 0,67-1, уменьшающийся экспоненциально при увеличении разноса AB, при этом величина поправки нелинейно возрастает с увеличением угла откоса и уменьшением расстояния до него (рис. 2, б).
а б Рис. 2. Зависимости коэффициентов k1 и k2, учитывающих влияние откосов уступа (а) и дамбы (б), от отношения базы установки AB к расстоянию x:
1 - = 90; 2 - = 60; 3 - = 45; 4 - = 30; 5 - = 15 Влияние дополнительного проводящего слоя на глубине h в приоткосной области занижает значение эффективного УЭС, максимум аномалии соответствует диапазону AB = (2-4) h. В реальном диапазоне геометрических параметров и УЭС аномального слоя его искажающее влияние не превы- шает 5%.
Таким образом, введение поправочных коэффициентов обеспечивает повышение точности определения параметров геоэлектрических разрезов до 16-50%.
При диагностировании протяженной локальной аномальной зоны методом электропрофилирования (ЭП) максимальное количество информации определяется по формуле, предложенной для использования при геоконтроле Турчаниновым И.А.:
m Im 1,445 ln , (2) Kв где m - максимальное относительное изменение измеряемого параметра вследствие наличия аномальной по электросопротивлению зоны; Kв - коэффициент вариации измеряемого параметра на участках, где отсутствуют локальные аномальные зоны.
окальная аномальная зона аппроксимировалась вытянутым сфероидом. Количество информации Im при диагностировании протяженной локальной аномальной зоны составляет 1,5-4,2 бит в диапазоне отношения глубины расположения аномальной зоны к ее удвоенному эффективному радиусу h/2a = 0,8-1,5. Поскольку при скважинном геоэлектрическом контроле напряженного состояния и трещиноватости массива уровень информативности составляет 1,2-2,7 бит, результаты приведенного анализа свидетельствуют о перспективности применения электропрофилирования для решения описанной задачи. Величина Im нелинейно возрастает с увеличением отношения размеров питающей и приемной линий установки, а также с увеличением соотношения УЭС среды и включения (рис. 3, а), и линейно убывает с увеличением относительной глубины расположения аномалии (рис 3, б). Таким образом, выбор параметров установки в соответствии с полученными зависимостями обеспечивает повышение информативности более чем в два раза.
Определение мощности рыхлых отложений, покрывающих коренные породы, является одной из основных задач при инженерно-геологических изысканиях на участках, запланированных к открытой разработке. Эти данные используются при определении объемов рыхлых пород, намеченных к отработке, а также при проектировании откосов. Значения мощности слоя рыхлых отложений являются важнейшими параметрами для формирования опорной модели геоэлектрического разреза при интерпретации данных электрических зондирований, проводимых с целью контроля параметров водонасыщенных зон. Методика прогноза изменения мощности рыхлых отложений включает (рис. 4): проведение ВЭЗ вблизи скважины; интерпретацию параметрической кривой ВЭЗ с целью определения обобщенных значений УЭС рыхлых отложений и коренных пород; выбор оптимального разноса установки ЭП; измерения методом ЭП, количественную интерпретацию и визуализацию наблюденных данных.
Оптимальный разнос ЭП равен такому разносу установки, при котором изменение мощности рыхлых отложений h максимально влияет на измеряемую разность потенциалов.
а б Рис. 3. Зависимости максимального значения количества информации Im от соотношения длин AB/MN питающей и приемной линий при h/2a = 1 (а) и относительной глубины расположения аномальной зоны h/2a (б) при различных соотношениях УЭС среды и аномальной зоны:
1 - 1/2 = 20; 2 - 1/2 = 10; 3 - 1/2 = Рис. 4. Схема доразведки мощности рыхлых отложений Разность потенциалов U для четырехэлектродной симметричной установки над двухслойным геоэлектрическим разрезом вычисляется по формуле I1 4a U UM U k n 1/ AB(a 1) (2nh)2 N 2a AB(a2 1) n 2 AB(a 1) 1/ (2nh)2 , (3) 2a где I - сила тока в источнике, А; a = AB/MN - параметр, характеризующий тип установки (a = 3 - для установки Веннера, a > 3 - для установки Шлюмберже); AB - разнос установки; k12 = (1 - 2)/(1 + 2) - коэффициент отражения; 1, 2 ЦУЭС первого и второго слоя, Омм; h - мощность первого слоя, м.
Оптимальный разнос (AB)0, наиболее чувствительный к конкретному изменению h, при котором начальная разность потенциалов U0 изменяется максимально, соответствует экстремальному значению функции (AB) = [U(AB) - U0(AB)] / U0(AB), (4) где U(AB) - разность потенциалов, соответствующая определенному изменению h при неизменных параметрах 1 и 2, В.
Величина оптимального разноса (AB)0 находится из уравнения (AB, a, 2 /1, h/ h0) 0. (5) (AB) На рис. 5 показано изменение относительного значения (AB)0/h в зависимости от соотношения 2/1. Оптимальный разнос ЭП, при котором при изменении мощности рыхлых отложений измеряемая разность потенциалов, определяющая разрешающую способность, возрастает в 1,5-2 раза, составляет (4-8) от мощности первого слоя, нелинейно возрастает при относительном увеличении УЭС основания и диапазона изменения мощности.
Программы для ЭВМ по оптимизации параметров установки ЭП и прогнозу залегания опорного горизонта защищены свидетельствами о государственной регистрации №№ 2011618528 и 2012610457.
Разработанные методики интерпретации данных ВЭЗ и ЭП позволили перейти к изучению строения прибортового массива и оценки водонасыщенности намывных массивов в условиях разрезов Кузбасса.
В третьей главе изложены результаты оценки строения и водонасыщенности прибортовых массивов разрезов по результатам электрофизического контроля.
На разрезе Краснобродский проведены измерения методами ВЭЗ и ЭП на намеченном к отработке участке Новосергеевского поля общей площадью 35 га. В результате интерпретации экспериментальных данных установлено, что диапазон изменения мощности рыхлых отложений составил 18-23 м (рис. 6, а) на профиле x1 и 23-28 м на профиле x2. При этом расхождение прогнозных оценок с данными инженерно-геологических изысканий не превысило 10%. Установлена граница зоны водонасыщенных пород, прилегающей к гидротехническому сооружению, ширина которой составляет 60-200 м. Данные об изменении мощности слоя рыхлых отложений и о границе зоны водонасыщения в комплексе с физико-механическими свойствами пород являются исходной информацией для расчета проектных параметров откосов и других технологических параметров вскрышных работ.
а б в Рис. 5. Взаимосвязь параметров геоэлектрического разреза 2/1 с относительной величиной оптимального разноса (AB)0/h для установки Шлюмберже, a = 10 (а) и Веннера, a = 3 (б) при 2 > 1, при 2 < 1 (в):
1 - h/h0 = 0,7; 2 - h/h0 = 0,9; 3 - h/h0 = 1,1; 4 - h/h0 = 1, а б Рис. 6. Результаты ЭП, прогноз изменения мощности h глинистых отложений и границы водонасыщенной зоны (а), объемная модель (б):
h - прогнозные значения мощности слоя четвертичных отложений;
hГ - усредненные значения h по геологическим данным; 1 - зона водонасыщения; 2 - песчано-глинистые отложения; 3 - коренные породы При приближении борта к гидроотстойнику возможно формирование водонасыщенных зон в приоткосном массиве. Построена объемная модель исследуемого массива (рис. 6, б).
В последние годы на разрезах Кузбасса возникла необходимость разработки намывных массивов, которые характеризуются неоднородностью механических свойств, связанной с наличием зон остаточной водонасыщенности. Методика прогноза изменения влажности на межскважинном интервале грунтового массива включает (рис. 7): измерения по схеме ВЭЗ вблизи скважин; интерпретацию параметрических кривых; выбор разноса ЭП, соответствующего исследуемому слою; проведение измерений методом ЭП и количественную интерпретацию наблюденных данных; определение с помощью рассчитанных зависимостей истинного УЭС промежуточного слоя от эффективного к изменения по профилю относительной влажности W/W0 путем замены реального многослойного на эквивалентный трехслойный геоэлектрический разрез.
Интерпретация данных ЭП Оценка выдержанности Проведение ВЭЗ геоэлектрического разреза вблизи скважин между точками ВЭЗ Интерпретация Выбор разноса, Да Разрез Нет параметрических соответствующего выдержан? кривых ВЭЗ исследуемому слою Ввод данных к(AB) и h1, h2, Е, hn Проведение в программу Проведение ЭП дополнительного ВЭЗ между скважинами Минимизация Расчет зависимости УЭС функционала исследуемого слоя от невязки эффективного УЭС Расчет относительного изменения влажности Геоэлектрический Определение изменения по формуле разрез с истинными n УЭС исследуемого слоя W УЭС слоев по изменению W0 0 эффективного УЭС Рис. 7. Алгоритм прогноза изменения влажности между скважинами:
W0, 0 - опорные значения параметров, определенные предварительно Определение изменения УЭС исследуемого слоя при измеренных значениях эффективного УЭС производится на основе зависимости 1AB(a2 1) AB AB dk к (AB) N R0 (k)J0k 4a 2 2a AB AB dk, (6) RN (k)J0 k 2 2a 0 где AB - разнос установки, м; a = AB/MN - параметр, характеризующий тип установки (a = 3 - для установки Веннера, a > 3 - для установки Шлюмберже); RN - приведенный импеданс слоистой среды, для трехслойной среды RN (k) cthkh1 arcth cthkh2 arcth ; 1, 2, 3 - УЭС слоев, 1 2 Омм; h1, h2 - мощности слоев, м; J0(kr) - функция Бесселя; k - переменная интегрирования.
Результаты ЭП и прогноза изменения влажности намывного массива гидроотвала № 3 разреза Кедровский по изложенной выше методике приведены на рис. 8.
а в б Рис. 8. Схема опытного участка (а), результаты ЭП (б), прогноза изменения относительной влажности промежуточного слоя намывного массива (в): 1 - Пихтовский отвал; 2 - зона замещения намывных пород насыпными; 3 - гидроотвал; 4 - ограждающая перемычка; 5 - тальвег лога;
С1-С3 - геологические скважины;
х, у1, у2 - продольный и поперечные профили; 6 - 2005 г.; 7 - 2010 г.
Основные результаты проведенных комплексных геологогеофизических исследований состояния намывного массива состоят в следующем:
- намывной массив неоднороден по остаточной влажности по глубине и в плане, верхний слой насыпных и выветрелых намывных пород мощностью 14-21 м имеет относительно высокие значения УЭС, что свидетельствует об относительно низкой остаточной влажности; нижний слой намывных пород мощностью 21-25 м имеет относительно высокую остаточную влажность;
- локальные аномальные водонасыщенные зоны с относительным увеличением остаточной влажности до 1,4 раза связаны с гидродинамическим влиянием водоемов и процессами фильтрации, происходящими в теле гидроотвала.
В четвертой главе изложены результаты прогноза устойчивости откосов бортов разрезов по данным электрических зондирований.
Расчет проектных параметров откоса проводится в рамках геомеханической модели приоткосного массива, включающей структурную модель, гипотезу о возможном характере деформирования приоткосного массива, физико-механические свойства инженерно-геологических элементов (ИГЭ).
Методика определения элементов геомеханической модели включает: определение априорной физико-геологической модели (ФГМ) оползневого массива и оценку потенциальной проявленности элементов ФГМ на геоэлектрическом разрезе; определение геометрических параметров ИГЭ по всему объему исследуемого массива; уточнение механических свойств ИГЭ, слагающих исследуемый массив на основе обратных расчетов для участков с ранее произошедшими оползнями; прогноз изменения свойств массива на основе установленных статистических зависимостей между влажностью и прочностными свойствами глинистых пород, а также анализа изменения влажности по всему объему исследуемого массива (рис. 9).
Определение структурной модели и характера Определение механических деформирования изучаемого массива свойств ИГЭ, слагающих массив Измерения по Анализ данных Корректировка схемам ВЭЗ и ЭП инженерномеханических свойств по всему участку геологических с использованием изысканий к(x, y, z, AB) обратных расчетов Установление Количественная Определение схемы статистических связей интерпретация деформирования между влажностью и данных откосов механическими свойствами (x, y, z) Определение Определение Определение влажности ИГЭ априорной ФГМ, геометрических по всему массиву на основе соответствующей параметров ИГЭ анализа распределения УЭС расчетной схеме по всему массиву Элементы геомеханической модели прибортового массива i, hi Ci, i, i Рис. 9. Алгоритм определения элементов геомеханической модели:
i, hi - углы падения и мощности слоев, слагающих массив На участке прибортового массива № 4 разреза Бачатский, где зафиксированы периодически повторяющиеся оползни глинистых отложений, проведена серия измерений методом ВЭЗ (рис. 10).
а б в Рис. 10. Схема опытного участка (а), зависимости проектных углов откосов от коэффициента запаса устойчивости (б) и продольной координаты x (в):
1 - борт разреза; 2 - оползни; 3 - автоотвал на площади гидроотвала Сагарлыкский; - центры установок ВЭЗ; x, x1 - профили зондирований; 52-68 - профильные линии (п. л.); 4 - профили y1 и y5; 5 - y2; 6 - y3; 7 - y4; 8 - = 1;
9 - = 1,1; 10 - = 1,2;
Результаты исследований физико-механических свойств глинистых горных пород, представленных разновидностями глин и суглинков, позволили установить линейные регрессионные зависимости:
C 0,00219W 0,1141; (r 0,83); (7) 0,25W 14,48; (r 0,8), где C - сцепление, МПа; - угол внутреннего трения, град; W - влаж- ность, %; r - коэффициент корреляции.
Произведено корректирование механических свойств инженерногеологических элементов на основе обратных расчетов по результатам произошедшего на исследуемом участке оползня участка борта. В результате инверсии кривых вертикальных электрических зондирований определено строение прибортового массива. Анализ данных ВЭЗ подтвердил наличие водонасыщенного слоя в зоне гидродинамического влияния Сагарлыкского гидроотвала (табл. 1).
Таблица Расчетные параметры прибортового массива Мощность Мощность водо- Угол внут№ слоя рых- Влажность Сцепление насыщенного реннего ВЭЗ лых отло- W, % C, МПа слоя h2, м трения жений H, м Данные по профилю x 1 37 13,4 37 0,028 2 32 12,7 37 0,028 3 30 11,7 30 0,045 4 25 10,8 35 0,033 5 27 9,5 38 0,026 Данные по профилю x1 33 12,1 38 0,026 2 37 14,6 38 0,026 3 36 15,3 31 0,043 4 33 13,5 35 0,033 5 35 11,8 37 0,028 Диапазон изменения углов устойчивых откосов составляет 15-20 при коэффициенте запаса устойчивости = 1,1, причем наименьшее значение соответствует интервалам x = 200-600 м и x > 1200 м (рис. 10, б, в).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические решения по контролю параметров водонасыщенных зон бортов разрезов методом электрических зондирований, включающие алгоритмы и критерии интерактивной инверсии зондирований с учетом геотехнологических особенностей борта, оптимизации параметров установки, прогноза строения, физического состояния и устойчивости, обеспечивающие повышение информативности и точности геоконтроля без увеличения объемов инженерно-геологических изысканий, что имеет значение для горнодобывающей отрасли.
Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему.
1. Одной из основных причин нарушения устойчивости уступов бортов, сложенных песчано-глинистыми отложениями, и намывных откосных сооружений карьеров, является образование в массиве локальных водонасыщенных зон. Для контроля гидрогеологического состояния массива целесообразно развитие методов оперативного бесскважинного электрического зондирования. Существующие методики электрофизического мониторинга не обеспечивают учета влияния геотехнологических особенностей объектов на результаты вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) и электропрофилирований (ЭП), требуемой точности прогноза параметров водонасыщенных зон и устойчивости оползнеопасных участков массива.
2. Повышение точности определения параметров геоэлектрического разреза по данным электрических зондирований обеспечивается интерактивным режимом интерпретации (инверсии), включающим формирование и циклическое корректирование опорной модели для минимизации функции невязки. При зондировании с разносами установки AB, большими 5 расстояний x1 от бровки нижнего уступа, следует вводить поправочный коэффициент k1 = 1-2, а при зондировании на расстоянии x2 от бровки верхнего уступа при AB > 5 x2 - поправочный коэффициент k2 = 0,67-1. Коэффициенты k1, kнелинейно зависят от угла откоса уступа и отношения AB/x. Искажающее влияние аномального слоя в приоткосной зоне не превышает 5%.
При диагностировании локальных водонасыщенных зон повышение информативности до 2-2,3 раза обеспечивается рациональным соотношением параметров установки ЭП в соответствии с их нелинейными зависимостями от глубины расположения и эффективного радиуса аномальной зоны. При диагностировании протяженных водонасыщенных зон и картировании мощности рыхлых отложений повышение разрешающей способности в 1,5-2 раза достигается выбором разноса AB установки ЭП, величина которого нелинейно связана с мощностью исследуемого слоя, диапазоном ее изменения и соотношением УЭС слоев. Погрешность прогноза при определении мощности слоя песчано-глинистых отложений Новосергеевского поля разреза Краснобродский составила менее 10%.
3. Прогноз изменения относительной влажности грунтового массива по профилю на межскважинных интервалах обеспечивается с помощью рассчитанных зависимостей истинного УЭС промежуточного слоя от эффективного путем замены реального многослойного геоэлектрического разреза на эквивалентный трехслойный. В условиях техногенного намывного массива на площади выведенного из эксплуатации гидроотвала № 3 разреза Кедровский установлено, что на глубине 14-21 м сформировался слой мощностью до 21-25 м с относительно высокой остаточной водонасыщенностью, величина которой может изменяться вдоль профиля в 1,4 раза, что способствует снижению устойчивости борта гидромеханизированного забоя.
4. Прогноз устойчивости борта разреза по данным ВЭЗ и ЭП в прибортовой зоне обеспечивается оценкой изменяющегося вдоль продольного профиля угла устойчивого откоса, рассчитанного для геомеханической модели, геометрические параметры которой устанавливают путем интерактивной инверсии графиков ВЭЗ, а прочностные свойства слоев определяют с помощью линейных корреляционных зависимостей по прогнозируемому изменению влажности массива вдоль профиля и обратных геомеханических расчетов для участков с ранее произошедшими оползнями. Для участка борта разреза Бачатский, находящегося в зоне гидродинамического влияния гидроотвала Сагарлыкский, установлено, что оползнеопасные участки имеют протяженность 300-400 м, при этом диапазон изменения углов устойчивых откосов составляет = 15-20 при коэффициенте запаса = 1,1.
5. Результаты исследований реализованы в форме двух корпоративных отраслевых методических документов, согласованных с головной проектной организацией ОАО Кузбассгипрошахт и принятых к использованию на разрезах ОАО Кузбассразрезуголь, а также рекомендаций по безопасному ведению горных работ на разрезах Краснобродский, Кедровский, Бачатский.
Внедрение разработок позволило без увеличения объема инженерногеологических изысканий обеспечить прогноз физического состояния и устойчивости участков бортов, сложенных глинистыми отложениями.
Основное содержание диссертации опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК России 1. Смирнов, Н. А. Исследование влияния параметров бортов карьеров на результаты электрических зондирований / Н. А. Смирнов, С. М. Простов // Известия вузов. Горный журнал. - 2010. - № 4. - С. 50Ц56.
2. Смирнов, Н. А. Детализация изменений свойств прибортового массива угольного разреза электрофизическим методом / Н. А. Смирнов, С. М. Простов // ГИАБ. - 2010. - № 12. - С. 138Ц143.
3. Смирнов, Н. А. Об оптимальных параметрах установки электропрофилирования при картировании мощности покровных отложений / Н. А. Смирнов, С. М. Простов // Известия вузов. Горный журнал. - 2010. - № 8. - С. 130Ц135.
4. Смирнов, Н. А. Оценка информативности диагностирования локальных аномальных зон методом электропрофилирования / Н. А. Смирнов, С. М. Простов // Известия вузов. Горный журнал. - 2011. - № 2. - С. 106Ц112.
5. Смирнов, Н. А. Геолого-геофизический мониторинг при отработке намывных массивов гидроотвалов / Н. А. Смирнов, С. М. Простов // Вестник КузГТУ. - 2011. - № 4. - С. 3Ц7.
6. Смирнов, Н. А. Прогноз влагонасыщенности намывного массива электрофизическим методом / Н. А. Смирнов, С. М. Простов // Вестник КузГТУ. - 2011. - № 4. - С. 7Ц11.
7. Смирнов, Н. А. Прогноз параметров откосов бортов карьеров по данным геофизического мониторинга / Н. А. Смирнов, С. М. Простов // Вестник КузГТУ. - 2012. - № 1. - С 3Ц7.
8. Смирнов, Н. А. Определение углов устойчивого откоса борта угольного разреза / Н. А. Смирнов, С. М. Простов // Вестник КузГТУ. - 2012. - № 1. - С. 7Ц11.
9. Простов, С. М. Прогнозирование устойчивости откосов глинистых уступов по данным электрофизического мониторинга / С. М. Простов, Н. А.
Смирнов, С. П. Бахаева // Безопасность труда в промышленности. - 2012. - № 3. - С. 43Ц48.
в прочих изданиях 10. Смирнов, Н. А. Контроль гидрогеологического состояния бортов угольных разрезов на основе инверсии электрических зондирований / Н. А. Смирнов, Е. В. Гамаюнова, С. М. Простов // Управление механическими процессами дезинтеграции, инъекционного уплотнения и переработки горных пород : м-лы науч.-практ. конф. - Кемерово, 2009. - С. 193Ц203.
11. Простов, С. М. Прогноз устойчивости участков борта Бачатского угольного разреза, расположенных в зоне гидродинамического влияния гидроотвала / С. М. Простов, Н. А. Смирнов, Е. В. Гамаюнова // Вестник КузГТУ. - 2009. - № 5. - С. 7Ц11.
12. Смирнов, Н. А. Контроль процессов влагонасыщения и прогноз устойчивости участков четвертичных отложений борта карьера на основе инверсии электрических зондирований / Н. А. Смирнов, С. М. Простов // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах : м-лы VIII Междунар. науч.-практ. конф. (Т. 1). - Кемерово, 2009. - С. 80Ц83.
13. Простов, С. М. Электрофизический мониторинг рыхлых отложений на угольных разрезах / С. М. Простов, Н. А. Смирнов // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов : м-лы междунар.
науч.-практ. конф. - Новокузнецк, 2010. - С. 346Ц349.
14. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011618528. Оптимизация параметров установки электропрофилирования / Н. А. Смирнов, С. М. Простов; Заявл. 12.09.2011; № 2011616779; Зарегистр.
31.10.2011.
15. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012610457. Прогноз залегания опорного горизонта методом электроразведки / Н. А. Смирнов, С. М. Простов; Заявл. 08.11.2011; № 2011618395; Зарегистр. 10.01.2012.