Контроль параметров водонасыщенных оползнеопасных зон бортов разрезов методом электрических зондирований

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. м. Подобные нарушения имели место на разрезах «Сартаки», «Майский», «Ка-раканский-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 геолого-маркшейдерских 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 бес-скважинном 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 научно-педагогические 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 оползне-опасности 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%).

Личный 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 водонасы-щенных 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 е.;

— 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 горняка-2010», (г. Москва, 2010 г.) — на Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк, 2010 г.) — на XIII Международной научно-практической 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.

Выводы.

1. 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 разрезеопределение геометрических параметров ИГЭ по всему объему исследуемого массивауточнение механических свойств ИГЭ, слагающих исследуемый массив на основе обратных расчетов для участков с ранее произошедшими оползнямипрогноз 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.

2. На участке прибортового массива № 4 разреза Бачатский, где зафиксированы периодически повторяющиеся оползни глинистых отложений, серия измерений методом ВЭЗ подтвердила наличие водонасыщенного слоя в зоне гидродинамического влияния Сагарлыкского гидроотвала. На основе определенных линейных корреляционных зависимостей между сцеплением, углом внутренного трения и влажностью суглинков установлено, что диапазон изменения углов устойчивых откосов составляет 15−20° при коэффициенте запаса устойчивости г) = 1,1, причем наименьшее значение соответствует интервалам х = 200−600 м и х > 1200 м.

3. Результаты исследований по контролю параметров водонасыщенных зон бортов разрезов методом электрических зондирований реализованы в двух корпоративных отраслевых методических документах, согласованных с головной проектной организацией ОАО «Кузбассгипрошахт» и принятых к использованию на угольных разрезах ОАО «Кузбассразрезуголь», а также в форме практических рекомендаций по безопасному ведению горных работ на разрезах «Краснобродский», «Кедровский», «Бачатский».

Внедрение разработок позволяет повысить информативность геоконтроля и точность прогноза устойчивости бортов разрезов без дополнительных инженерно-геологических изысканий.

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 лг" т л тттттт лтттт гг УХ С^ГТглг" ГТТТ^Т"/Л ТТ /-VTT /~ч Т1Л Л ТТЛПГТТГЛЛТ^ТПГ ТГГЧТ ТЛТ^ПТТТТТТ тттл ТГ1″ иС-5 увеличения ииьсмив ИИ/ЛСИС|Л1и-1 сили! ИЧС^ЛИЛ шшълашш, ни 1 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 АВ, большими 5 расстояний XI от бровки нижнего уступа, следует вводить поправочный коэффициент к = 1−2, а при зондировании на расстоянии х2 от бровки верхнего уступа при АВ > 5×2 — поправочный коэффициент к2 = 0,67−1. Коэффициенты къ к2 нелинейно зависят от угла откоса уступа и отношения АВ/х. 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 АВ 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 «Красно-бродский» 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 «Кедров-ский» 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 прибор-товой 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 «Ба-чатский», находящегося в зоне гидродинамического влияния гидроотвала «Сагарлыкский», установлено, что оползнеопасные участки имеют протяженность 300−400 м, при этом диапазон изменения углов устойчивых откосов составляет, а = 15−20° при коэффициенте запаса г| = 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 рекомендации по безопасному ведению горных работ на разрезах «Краснобродский», «Кедровский», «Ба-чатский».

Внедрение разработок позволило без увеличения объема инженерно-геологических изысканий обеспечить прогноз физического состояния и устойчивости участков бортов, сложенных глинистыми отложениями.