CC BY
36
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК 550.372: 550.837
Н. А. Смирнов, С. М. Простов
ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПРИ ОТРАБОТКЕ НАМЫВНЫХ МАССИВОВ ГИДРООТВАЛОВ
Для производства вскрышных работ на угольных разрезах Кузбасса используется технология гидромеханизации. На данный момент гидромониторный смыв пород с размещением их на гидроотвалы является неотъемлемой частью открытой геотехнологии в Кузбассе, где суммарное количество гидроотвалов превышает 50 при общей
площади более 7000 га. *
В последние годы в ряде случаев возникла необходимость повторной разработки намывных массивов. Такие массивы характеризуются неоднородностью механических свойств намывных пород, связанной с наличием зон остаточной вла-гонасыщенности. Неправильные проектные решения, принятые в условиях недостатка информации
о свойствах намывных пород могут стать причиной нарушений устойчивости откосов. Необходимость безопасной отработки намывных пород требует знания особенности свойств массивов песчано-глинистых грунтов гидроотвалов. Поскольку гидроотвалы имеют значительные площади, прямые инженерно-геологические изыскания не могут обеспечить требуемой детальности и информативности прогноза состояния и свойств намывного массива. Целесообразно проводить геофизи-
более важных свойств горных пород.
Разработана методика комплексного геологогеофизического мониторинга, основные положения которой приведены ниже.
На гидроотвале №3 филиала ОАО УК «Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез» длительное время проводятся геологомаркшейдерские исследования различными организациями. С целью изучения гидрогеологических условий намывного массива и изменчивости физико-механических свойств грунтов по глубине в марте 2004 г. ООО «Геотехника» на всю мощность намывных отложений проведены инженерно-геологические изыскания, в результате которых установлено, что пляжная зона гидроотвала сложена насыпными (элемент 1) и намывными (элементы 1 б и 1 в) грунтами, залегающими на аллювиальных и элювиальных суглинках четвертичного возраста, подстилаемых скальными грунтами пермского возраста. В таблице приведены механические свойства грунтов (плотность у, угол внутреннего трения ф, сцепление С, консистенция 1Ь), слагающих намывной массив.
Вскрытые отложения «сухих» (элемент 1) отвалов свидетельствуют о развитии при отвалооб-
Характеристика и свойства инженерно-геологических элементов
Наименование Вид грунта Мощность Свойства
Элемент 1 (* біу) Насыпной грунт, представленный суглинком дресвянистым бурового цвета 22,5 м в районе скважины С2-2004 у = 1,97-2,08 т/м3 ф = 23-27° С = 0,022-0,050 МПа 1ь = (-0,33)-(-0,14)
Элемент 1 б ( біу)- Намывной грунт, представленный суглинком бурым 17,5 м в районе скважины С2-2004 у = 1,85-1,96 т/м3 ф = 10-19 ° С = 0,014-0,023 МПа 4 = 0,4-0,59
Элемент 1 в (1 біу) Намывной грунт, представленный суглинком, реже глиной, бурый 39,5 м в районе скважины С3-2004 у = 1,79-1,83 т/м3 ф = 14-20 ° С = 0,006-0,009 МПа 4 = 0,72-1,71
ческие зондирования массива на межскважинных интервалах по основным профилям для детализации пространственно-временных изменений наи-
*Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
разовании на гидроотвалах оползневых деформаций подподошвенного типа, когда деформирование сопровождается выдавливанием пород основания отвала - намывных пород и замещением их насыпными отложениями из смежного отвала.
На рис. 1 представлены зависимости физикомеханических параметров намывных пород гидроотвала от глубины залегания к в различные мо-
менты времени консолидации. При этом для сравнения использованы результаты инженерногеологических изысканий, проведенных отделом инженерных изысканий ПО «Кузбассгипрошахт» вблизи скважины С2-2004 в 1993 г.
Из приведенных зависимостей следует, что за период с 1993 до 2004 гг. в пределах намывного слоя произошло изменение почти всех физикомеханических свойств, причем характерным является увеличение диапазонов изменения свойств массива с глубиной к.
В ходе инженерно-геологических изысканий по поверхности намывного массива гидроотвала в
а
1,8 1,9 2,0 У,
в
пор, приводящим к передаче давления на порона-сыщающую жидкость. Эти процессы, присущие большинству гидроотвалов, осложнены оползневыми деформациями подподошвенного типа, результатом которых стало частичное замещение намывных пород насыпными грунтами. При таких условиях в массиве формируется избыточное по-ровое давление, изменяющее жесткость скелета породы, его напряженное состояние и устойчивость.
Геологические особенности намеченного к отработке техногенного массива, указанные выше, предопределяют необходимость постоянного мо-
б
г
Рис. 1. Графики зависимостей плотности у (а), угла внутреннего трения ф (б), сцепления С (в), консистенции 1Ь (г) намывных пород от глубины залегания к и времени консолидации
грунтов:1 - скв. С4-1993; 2 - скв. С2-2004
2004 году вскрыт техногенный водоносный горизонт, приуроченный к намывным грунтам. Кровля водоносного горизонта залегает на глубине от 0,3 м до 22,5 м, что обусловлено фильтрационной неоднородностью грунтов, слагающих данный массив. Подземные воды являются напорными, что вызвано наличием избыточного порового давления в намывном массиве в результате воздействия на него нагрузок слабопроницаемых вышележащих слоев. Уровень воды установился на глубине от поверхности: 1,5 м в скважине С2-2004 и
0,0 м в скважине С3-2004.
Таким образом, инженерно-геологические изыскания показали, что в техногенном грунтовом массиве, сформированном с применением технологии селективного намыва при периодическом отдыхе гидроотвала, происходят сложные геоме-ханические и гидродинамические процессы, связанные с консолидацией пористой среды под действием гравитационных сил, объемным сжатием
ниторинга физико-механических свойств с целью выявления динамики изменения состояния и свойств исследуемого массива. При этом прямые инженерно-геологические изыскания не смогут обеспечить требуемую плотность наблюдений. Оптимальным с точки зрения эффективности и экономической целесообразности является сочетание прямых (скважинных) и косвенных (геофизических) методов исследования грунтовых массивов [1].
Для глинистых горных пород механические свойства во многом определяются влажностью, причем зачастую зависимости сцепления и угла внутреннего трения от влажности пород близки к линейным [2]. Следовательно, установив статистические связи между влажностью и механическими свойствами грунтов, необходимыми для проектирования откосов, возможно по изменению влажности контролировать изменение основных механических свойств. Для большинства горных
пород удельное электрическое сопротивление (УЭС) определяется пористостью и степенью во-донасыщенности [1, 3]. Отсюда следует, что весьма перспективным методом для исследования структуры и свойств намывного массива является метод УЭС. Большинство измерений этим методом выполняется по схемам вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) и электропрофилирования (ЭП), служащим соответственно для вертикальной стратификации грунтовых массивов и для исследования параметров геологического разреза вдоль определенного направления при относительно постоянной глубине [1, 3, 4].
На рис. 2 показана в графической форие методика прогноза относительного изменения влажности массива электрофизическим методом, основанная на сочетания прямых методов исследования и косвенных, включающих ВЭЗ и ЭП.
На первом этапе необходимо провести измерения по схеме ВЭЗ вблизи скважин, то есть над массивом с известным геологическим строением. Результатами измерений методами ВЭЗ и ЭП являются зависимости эффективного (кажущегося) УЭС от разносов установки АВ и координат центра установки.
Эффективное УЭС является весьма интегральным параметром, зависящим как от параметров среды, так и от схем измерений разности потенциалов. Чтобы определить истинные УЭС слоев, слагающих массив, необходимо выполнить количественную интерпретацию [1, 3, 4]. Кривые
ВЭЗ, измеренные над массивом с известными мощностями слоев называют параметрическими. Интерпретация таких данных необходима, чтобы определить истинные УЭС слоев. Количественная интерпретация данных ВЭЗ обычно реализуется методом подбора, который сводится к сопоставлению теоретической кривой, рассчитанной для горизонтально-слоистой среды с известными параметрами мощности к и УЭС рг слоев, с экспериментальной кривой ВЭЗ, полученной в результате измерения разности потенциалов на поверхности среды.
Подбор теоретических кривых обычно реализуется посредством минимизации функционала невязки, в качестве которой берется среднее квадратичное отклонение сравниваемых функций:
\2
1
N
р к- (АВ) -р к- ( АВ)
—
р т- (АВ)
(1)
где рк (АВ) - наблюденная кривая зондирования;
рк(АВ)- теоретическая кривая зондирования;
р = {к1, к2, р1, р 2, р 3} - вектор параметров трехслойного разреза; N - число разносов питающей линии установки.
Далее по данным ВЭЗ необходимо выбрать разнос установки (расстояние между питающими электродами), соответствующий исследуемому
\-------------------------------------
Интерпретация данных ЭП
Проведение 1 Оценка выдержанности
ВЭЗ вблизи 1 геоэлектрического разреза
скважин 1 между точками ВЭЗ
Интерпретация параметрических кривых ВЭЗ
Минимизация
функционала
невязки
Г еоэлектрический разрез с известными истинными УЭС слоев
и
Выбор разноса, соответствующего исследуемому слою
Проведение ЭП между скважинами
Расчет относительного изменения влажности по формуле
ч-П
ж
ж
_р_ р 0
Проведение
дополнительного
ВЭЗ
Расчет зависимости рк = рк(АВ,р) при заданном разносе и параметрах геоэлектрического разреза в зависимости от УЭС исследуемого слоя
Определение изменения УЭС исследуемого слоя по изменению эффективного УЭС
Рис. 2. Методика прогноза изменения влажности между скважинами электрофизическим методом
слою и провести измерения по схеме ЭП по профилю между скважинами.
Поскольку прогноз влажности исследуемого массива возможен только на основе данных об изменении истинного УЭС исследуемого слоя, необходимо выполнить количественную интерпретацию данных ЭП. На настоящий момент отсутствуют надежные методы количественной интерпретации данных ЭП для многослойных гео-электрических разрезов. Это связано с тем, что даже при оптимальном разносе установки (исследуемый слой оказывает наибольшее влияние на измеряемый параметр) в большинстве случаев параметры других слоев оказывают значительное влияние на измеряемый параметр. Таким образом, количественная интерпретация данных ЭП без надежных сведений о параметрах других слоев будет недостаточно точной. Однако в некоторых случаях, когда в пределах исследуемого участка слои достаточно выдержаны по мощности и УЭС, возможно в первом приближении оценить изменение УЭС исследуемого слоя. При этом возможность количественной интерпретации данных ЭП оценивается на основе анализа единичных ВЭЗ на исследуемом участке и априорной информация о структуре массива. Следовательно, перед интерпретацией данных ЭП необходимо убедиться в выдержанности параметров геоэлектрического разреза в пределах изучаемого участка.
Интерпретация данных ЭП представляет собой определение УЭС исследуемого слоя при известных значениях эффективного УЭС, разноса установки и принятых параметрах геоэлектриче-ского разреза. Для многослойных разрезов в целях упрощения расчетов разумно производить замену исходного разреза на эквивалентный трехслойный разрез с истинным сопротивлением второго (исследуемого) слоя и эквивалентными значениями параметров других слоев, определенных по ВЭЗ.
Теоретическая кривая эффективного сопротивления для трехслойного разреза рассчитывается по формуле [5]
р. <АВ>< |< м. (f - % ))*-
АВ АВ
(2)
|яЫ (км0 [к[ —+—
где АВ - разнос установки, м; а = АВ / МЫ - параметр, характеризующий тип установки (а = 3 -для установки Веннера, а > 3 - для установки
Шлюмберже), м; ЯЫ - приведенный импеданс
слоистой среды, для трехслойной среды
( (
(к) = йш кк1 + агсШ
кк2 + агсШ
Р2
//
Рі, р2, р3 - УЭС слоев, Омм; к\, Н2 - мощности слоев, м; М(кг) - функция Бесселя.
Получить аналитическую зависимость р2 в зависимости от рк, типа установки установки и параметров геоэлектрического разреза весьма трудно. Поэтому целесообразно рассчитать палетку рк от р2 при заданных параметрах геоэлектрического разреза и разносе установки. Далее по палетке, характерной для изучаемого участка, определяется изменение УЭС исследуемого слоя.
В теории электроразведки приводятся полу-эмпирические зависимости для трехкомпонентной среды, которую представляет собой трещиноватопористая порода с частично заполненными пустотами [6,7]:
атап
к тЛ
РгРв
(3)
Рг -параметр, учитывающий образование проводящих пленок в порах при глинистых растворах; рв - УЭС поровой влаги; от, О, - эмпирические постоянные, изменяющиеся в диапазоне 0,41,6; кп - коэффициент пористости породы; кв -коэффициент водонасыщенности породы; т -постоянная, зависящая от структуры порового пространства, т = 1,3-2,2; п - постоянная, зависящая от степени гидрофобности пород (смачиваемости породы раствором), для глинистых гидрофильных коллекторов п < 1,6.
Из уравнения (3) следует, что изменение УЭС глинистых грунтов в пределах геологически однородного слоя (при постоянной пористости) определяется, в основном, изменением коэффициента водонасыщенности. Поскольку глинистые породы характеризуются сравнительно постоянной пористостью, из уравнения (3) можно получить следующую зависимость
{ \-п Р
(4)
Ж0 [Р0 у
где ро и W0 - значения УЭС и влажности изучаемого слоя в начальной точке профиля (у скважины); р и Ж - определяемые по результатам ЭП значения УЭС и влажности слоя.
Результаты реализации изложенной методики будут приведены в следующей работе авторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Огильви, А. А. Основы инженерной геофизики / Под ред. В. А. Богословского. - М. : Недра, 1990. -501 с.
2. Попов, В. Н. Управление устойчивостью карьерных откосов / В. Н. Попов, П. С. Шпаков, Ю. Л. Юнаков. - М. : Изд-во МГГУ 2008, - 683 с.
3. Хмелевской, В. К. Основной курс электроразведки. Часть 1 - М. : Изд-во Московского университета, 1970. - 300 с.
4. Якубовский, Ю. В. Электроразведка: учеб. для вузов / Ю. В. Якубовский, И. В. Ренард - М. : Недра, 1991. - 359 с.
5. Светов, Б. С. Основы геоэлектрики. - М. : Изд-во ЛКИ, 2008. - 656 с.
6. Кобранова, В. Н. Петрофизика. - М. : Недра, 1986. - 392 с.
7. Латышева, М. Г. Практическое руководство по интерпретации данных ГИС / Латышева М. Г., Мартынов В. Г., Соколова Т. Ф. . - М. : ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. - 327 с.
□ Авторы статьи:
Смирнов Простов
Николай Александрович, Сергей Михайлович,
аспирант ГУ КузГТУ. докт.техн. наук; профессор
Email: SmimovNick@vandex.ru; каф. теоретической и геотехнической
механики КузГТУ.
Тел. 89050757924
УДК 550.372: 550.837
Н. А. Смирнов, С. М. Простов
ПРОГНОЗ ВЛАГОНАСЫЩЕННОСТИ НАМЫВНОГО МАССИВА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
В работе* рассмотрены результаты применения методики, изложенной в статье [1], на гидроотвале №3 филиала ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез». Опытный участок располагался ниже ограждающей перемычки 4 по тальвегу лога в районе опытных скважин С2-2004 и С3-2004 (рис. 1).
Цель исследований состояла в прогнозе структуры намывного массива и изменения влажности водоносного горизонта по наиболее опас-
массива, соответствующие указанным профилям, представлены на рис. 2.
Результаты ВЭЗ приведены на рис. 3. Результаты ЭП по профилям х, уі и у2 приведены на рис. 4. Повторные измерения показали уменьшение на большинстве интервалов исследования на 10-20% уровня кажущегося УЭС, вызванное увеличением влажности грунтового массива. Из графиков ЭП следует, что на профиле х возникла отрицательная аномалия в зоне влияния водоема, природа кото-
род насыпными; 3 - гидроотвал; 4 - ограждающая перемычка; 5 - тальвег лога; С1-С3 - геологические скважины; х, у1, у2 - п родольный и поперечные профили
ному сечению. Для этого на исследуемом участке в 2005 году было проведено 2 вертикальных электрических зондирования (ВЭЗ) в районе опытных скважин С2-2004 и С3-2004 и электропрофилирование (ЭП) по профилям х, у1 и у2. В 2010 г. были проведены повторные измерения. Поперечное и продольное вертикальные сечения намывного
*Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
рого связана с фильтрацией жидкости через ж.д. отвал (рис. 4). На профиле у1 выявлено уменьше ние УЭС по всей длине профиля, что связано с нтенсификацией процессов фильтрации через ограждающую перемычку.
Обработка кривых ВЭЗ выполнялась в программе IPI2Win. В качестве априорной информации были введены значения мощностей слоев, известные из геологических скважин. Результаты количественной интерпретации кривых ВЭЗ (инверсии) показаны на рис. 5, 6. В районе скважины
220 • 200180
СЗ-2004 216.0
ВЭЗ №2
чч
С2-2004 222.0
“V
ЭП
/ '17S.II
\\
220
200
180
Рис. 2. Сечение намывного массива со старой дневной поверхностью по поперечным
у1, у2 и продольному х профилям
б
10 II 12 13 14 15 16 рк,0м-м
ЛИ, м
Рис. 3. Результаты ВЭЗ №1 в районе скв. 2-
1 -2005 г.;
С3-2004 намывной массив целесообразно разделить на два слоя: слой, залегающий у поверхности и глубинный, наиболее водонасыщенный слой. По результатам интерпретации выявлено уменьшение значений УЭС верхних слоев.
Из геологических данных известна граница внедрения насыпных пород (рис. 1). На графиках ЭП в районе этой границы зафиксировано понижение значения эффективного УЭС. Таким образом, в пределах профиля ЭП можно выделить две зоны со сравнительно выдержанным геоэлектри-ческим разрезом.
Методика расчета истинного УЭС намывного
■2004 (а) и ВЭЗ №2 в районе скв 3-2004 (б):
2 -2010 г.
слоя включает замену многослойного разреза на эквивалентный трехслойный разрез с истинным сопротивлением второго слоя и эквивалентными значениями параметров других слоев, соответствующих значениям параметров, определенных по данным ВЭЗ. На рис. 7 показаны совмещенные графики теоретических кривых ВЭЗ, полученных по результатам интерпретации, с эмпирически подобранными графиками ВЭЗ, соответствующие эквивалентному трехслойному геоэлектрическому разрезу. Основным требованием к эквивалентным кривым было пересечение с теоретической кривой при разносе АВ, равным разносу ЭП.
рк. Ом • м
21 -
20 -
19 -
18 -
17 -
16 -
15 -I----1------
б О
рк, Ом - м
16 -
15 -
14 -
20
40
60
80
у |, м
10
20
30
40
50
а
в
Рис. 4. Результаты ЭП по профилю х (а) у1 (б) и у2 (в) при АВ = 115 м:1 - 2005 г.; 2 - 2010 г.
На рис. 8 приведена палетка, рассчитанная для параметров геоэлектрического разреза, определенных по данным интерпретации ВЭЗ. Перед интерпретацией графиков ЭП для уменьшения помех измерений целесообразно произвести сглаживание данных. Результаты ЭП после сглаживания методом усреднения по нескольким точкам показаны на рис. 4, а.
На рис. 9 приведены графики изменения влажности намывного слоя между скважинами С2-2004 и С3-2004 в 2005 и 2010 гг.
Основные рекомендации и результаты проведенных комплексных геолого-геофизических исследований состояния намывного массива гидро-
отвала №3 филиала «Кедровский угольный разрез» состоят в следующем.
1. Намывной массив неоднороден по остаточной влажности по глубине и в плане:
- верхний слой насыпных пород имеет относительно высокие значения УЭС, что свидетельствуют об относительно низкой остаточной влажности;
- нижний слой намывных пород мощностью 20-30 м имеет относительно высокую остаточную влажность.
2. Локальные аномальные водонасыщенные зоны с относительным увеличением остаточной влажности до 1,4 раз связаны с гидродинамиче-
N р | Ь | с! | Абс
1 14.6 3.2 3.2 -3.2
2 21.1 18.8 22 -22
3 12.3 21 43 -43
А 20.3 5 48 -48
5 51.1
Рис. 5. Результаты инверсии ВЭЗ в районе скважины С2-2004 (а) и С3-2004 (б) в 2005 г.
N р | И | [І | А6ЇГ
10.2 3.3 3.3 -3.3
18.9 17.6 20.9 -20.9
■ П1ЕИ 21.3 42.2 -42.2
19.5 51.2 5.35 47.5 47.55
Рис. 6. Результаты инверсии ВЭЗ в районе скважины С2-2004 (а) и С3-2004 (б) в 2010 г
ским влиянием водоемов и процессами фильтра ции, происходящими в теле гидроотвала
3. Остаточная водонасыщенность поверхностного слоя и части намывной толщи зависит от количества атмосферных осадков и температурного режима и может изменяться в широких пределах.
4. При расчете коэффициента запаса устойчивости борта (гидромеханизированного забоя) намывной массив следует рассматривать как двух-
слойную среду. Диапазон изменения физикомеханических свойств массива определяется диапазоном изменения его остаточной влажности.
При ведении горных работ в зонах гидромеханического влияния вероятно резкое снижение прочностных свойств и повышение опасности оползнеобразования, поэтому целесообразно и в дальнейшем проводить периодический электрофизический мониторинг.
рк, Ом • м
22
Рис. 7. Замена многослойного разреза на эквивалентный трехслойный разрез для кривых, полученных в районе скважины С2-2004:1, 3 - эквивалентные трехслойные кривые рк; 2, 4 - теоретические графики р„ полученные в результате инверсии
р, Ом • м
Рис. 8. Палетка для определения истинного УЭС промежуточного слоя:
1 - р1 = 13,5 Омм, р3 = 40 Омм, Н1 = 14,3 м, Н2 = 25,2 м; 2 - р1 = 14,2 Омм, р3 = 40 Ом м, Н1 = 14,3 м, Н2 = 25,2 м; 3 - р1 = 20 Ом м, р3 = 50 Ом м, Н1 = 22 м,
И2 = 21 м; 4- р} = 17,5 Омм, р3 = 50 Ом м, /?; = 21 м, И2 = 21,2 м
IV
П'о
0,6 -*—I---------------------------------------------------------1-1-1-1-1-
0 50 100 150 200 250 м
Рис. 9. Результаты прогноза изменения относительной влажности промежуточного слоя намывного массива по продольному профилю х: 1 - 2005 г.; 2 - 2010 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Смирнов, Н. А. Геолого-геофизический мониторинг при отработке намывных массивов гидроотвалов / Н. А. Смирнов, С. М. Простов // Вестник КузГТУ, 2011, №4. С. 3-7.
□ Авторы статьи:
Смирнов Простов
Николай Александрович, Сергей Михайлович,
аспирант КузГТУ. докт.техн. наук; проф. каф. теорети-
ЕшаП: SmimovNick@vandex.ru; ческой и геотехнической механики
КузГТУ. Тел. 89050757924
