CC BY
50
-------------------------------------- © В.В. Мельник, А. Л. Замятин,
2005
УДК 622.83
В.В. Мельник, А.Л. Замятин
ИССЛЕДОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ ГЕОЛОГОСТРУКТУРНОЙ И ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УЧАСТКА НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ*
Семинар № 2
ш ш ри проектировании и строительстве
-Ж.-1 разного рода инженерных сооружений, будь то здание, газопровод или хвосто-хранилище, в обязательном порядке проводятся инженерные изыскания. Смысл проводимых работ заключается, как правило, в изучении свойств подстилающих сооружение грунтов. Результаты проводимых исследований практически не влияют на выбор места строительства инженерного сооружения. Изменяется лишь подход к строительству, изобретаются и используются различные технологии, призванные повысить устойчивость сооружения за счет укрепления его фундамента, но никогда речь не идет о переносе места строительства, хотя зачастую это единственно верное решение проблемы устойчивости.
Происходит это из-за недостаточной информативности методов, в обязательном порядке используемых при проектировании сооружений. Само понятие - зона влияния сооружения, изучаемая при проведении такого рода исследований совершенно не отражает объективной ситуации, возникающей при тектонической нарушенное™ горного массива, залегающего в его основании. Как показывает опыт проводимых исследований, даже в случае глубокого (свыше 100 метров) залегания скального массива, тектонические нарушения оказывают огромное влияние на формирование и структуру осадочного чехла. Точечные исследования на площадке строительства, такие как бурение скважин по конверту, не несут по своей сути никакой информации о структуре массива в целом, так как в литологический состав грунтов при бурении в осадочной толще не изменяется в зависимости от местонахожде-
ния скважины, а при бурении в скальном массиве и попадании в тектоническую зону, практически невозможно достать керн, и все списывается на недостаточное качество проходки скважин. При этом массив, как правило, считается однородным, и свойства принимаются по исследованиям керна, полученного из «качественных» скважин.
Для решения проблем устойчивости инженерных сооружений, контроля над несущей способностью подстилающих грунтов и ее изменением в процессе горного и инженерного производства, целесообразно использование дистанционных и контактных геофизических методов исследования горных пород и массивов.
Преимущества данных методов состоит в относительной дешевизне работ при получении достоверной информации по состоянию массива горных пород в районе проведения исследований, формированием геолого-струк-турной и геомеха-нической моделей с выдачей рекомендаций по строительству и благоприятному расположению объекта строительства.
Диагностика осуществляется путем изучения строения массива горных пород, выделения потенциально опасных тектонических нарушений, геодинамическая активность которых может послужить причиной возникновения катастроф, и определения численных значений параметров геодинамической активности выделенных тектонических нарушений для прогноза опасности их влияния на объекты недропользования и разработки, в случае необходимости, конструктивных мер, нейтрализующих их негативное воздействие.
Создание геолого-структурной модели уча-
* Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента РФ ведущих научных школ 226
стка недропользования является первым этапом методики диагностики участка недропользования по фактору опасности природнотехногенных катастроф. В задачу этого этапа входит выявление всех тектонических нарушений, имеющих выход на земную поверхность или находящихся в осадочной толще, если решается проблема с наземными объектами, или выявление всех тектонических нарушений массива горных пород в области влияния подземного объекта.
На начальной стадии необходимо определить их местонахождение, параметры залегания, мощность, слагающие породы, состояние, в котором они находятся. Информационной базой для этой стадии могут послужить результаты геологической разведки участка, материалы инженерно-геологичес-ких изысканий под конкретные объекты. При отсутствии результатов инженерно-геологических изысканий или иных геологических данных этот этап может быть совмещен с последующими этапами изучения участка геофизическими методами.
При построении геолого-структурной модели исследуемого участка принимаются во внимание все без исключения тектонические нарушения массива горных пород, создающие ему иерархически блочное строение. На этой стадии нет оснований для оценки их значимости. Практика свидетельствует, что геодинами-ческая активность тектонических нарушений не всегда соответствует их рангам, присваиваемым по размерам. Второстепенные, маломощные тектонические нарушения иногда имеют более высокий уровень геодинамиче-ской активности в отношении короткопериодных современных геодинамических движений. Иногда геодинамическая активность отдельных тектонических нарушений инициируется под влиянием техногенной деятельности.
В связи с этим, результаты первого этапа рассматриваются как исходный материал для последующих этапов и чем детальнее и тщательнее он будет отражать действительную структуру массива горных пород, тем меньше промахов будет на последующих стадиях диагностики, на которых из всего множества тектонических нарушений будут выделены геодинамически активные, будет произведена их ранжировка по параметрам современных геодинамических движений.
В задачу второго этапа диагностики территорий под объекты недропользования входит выявление состояния тектонических наруше-
ний и оценка их геодинамической активности. Из множества тектонических нарушений, слагающих иерархически блочную структуру массива горных пород, необходимо выделить те нарушения, которые представляют потенциальную опасность по воздействию на объекты недропользования. Для этой цели используется комплекс геофизических методов, позволяющих экспериментальным путем получить необходимые сведения о состоянии массива горных пород тектонических нарушений и примыкающих участков структурных блоков.
Применение геофизических методов производится в стадийном порядке с углублением и расширением получаемой информации, начиная с менее трудоемких методов для первичной ранжировки нарушений по геодинамической активности.
На первой стадии используется метод изучения распределения интенсивности радоновой эмиссии по диагностируемой территории. Результаты этой стадии исследований выполняют две функции: уточняют тектоническое строение диагностируемого участка, полученные на первом этапе; осуществляют первичную ранжировку геодинамической активности тектонических нарушений по интенсивности родоновой эмиссии.
Измерения интенсивности родоновой эмиссии осуществляется маршрутными съемками с помощью РГА-500, позволяющим производить экспресс измерения в отдельных точках. Вся получаемая информация пространственно координируется с помощью геодезического обоснования, разбиваемого на местности.
Следующий шаг диагностики состоит в углублении познания параметров, состояния и свойств тектонических нарушений с использованием методов электрометрии в различных вариантах и метода спектрального сейсмопрофилирования. Эти методы более трудоемки в сравнении с исследованием радоновой эмиссии, но дают представление о геометрических параметрах тектонических нарушений, их точном местоположении, мощности дезинтегрированной зоны, а также о некоторых свойствах слагающих пород.
Результаты электрометрических исследований в вариантах вертикального электрозондирования (ВЭЗ), срединного градиента (МСГ), естественного поля и др. позволяют построить геоэлектрическую модель диагностируемого участка, в основе которой используется электрическое сопротивление пород. Величины
электрического сопротивления взаимосвязаны с литологическим составом пород, их структурой, т.е. степенью дезинтеграции, напряженно-деформирован-ным состоянием, а также с гидрогеологическим режимом и другими факторами.
Геоэлектрическая информация и построенная на ее основе структурная модель диагностируемого участка позволяют существенно углубить и расширить представление о строении массива горных. Однако эта информация носит опосредованную взаимосвязь с возможными геомеханическими процессами, отражая в большей мере структурные особенности.
Завершающей стадией этапа уточнения структурной модели участка недропользования является исследование его с помощью спектрального сейсмического профилирования (ССП). Метод ССП по своей сущности обеспечивает томографию массива горных пород по наличию в нем плоскостей нарушений, которые либо находятся в состоянии подвижности, либо достигли предельного состояния нарушения их устойчивости.
Следовательно, метод ССП дает геомеха-ническую информацию о состоянии массива горных пород и, что особенно важно, о наличии массива горных пород тектонических нарушений зон тиксотропии, в которых горные породы находятся в подвижном состоянии и имеют в массиве пониженные прочностные и деформационные характеристики.
Таким образом, информация о структуре массива горных пород и состоянии пород в зонах тектонических нарушений позволяет выделить на диагностируемом участке наиболее опасные тектонические нарушения, которые могут вызвать разрушение инженерных сооружений даже на стадии их строительства.
На завершающей стадии диагностики участка недропользования исследованию подвергаются те зоны, которые выделяются двумя предшествующими стадиями в качестве потенциально опасных для находящихся там объектов, либо проектируемых. На этой стадии определяются численные параметры, характеризующие геодинамические движения, а именно: скорости трендовых движений; амплитуды и частоты короткопериодных геодинамических движений. Для этих целей используются высокоточные геодезические методы измерения движений и деформаций земной поверхности и массива горных пород.
При последовательном определении параметров смещений и деформаций поле деформаций строится в статике по выбранным параметрам, полученным в разное время.
Таким образом, параметры поля деформаций, полученные на завершающем этапе диагностики, дают четкое представление о деформационных процессах, протекающих на диагностируемой территории под влиянием современных геодинамических движений. Эти данные служат основой для прогнозных оценок развития природно-техно-генных катастроф на объектах недропользования. Прогноз осуществляется путем сопоставления полученных параметров деформирования с прогностическими признаками соответствующих объектов недропользования. При этом учитывается весь спектр геодинамических движений от трендовых, с их относительно постоянными скоростями движения и развития деформаций, до цикличных, с их знакопеременными деформациями, тиксотропными явлениями в массивах горных пород и усталостными эффектами в конструктивных элементах объектов недропользования.
Такой подход к изучению участка недропользования и созданию его геомеханической модели целесообразен как на стадии проектирования инженерных сооружений, так и на стадии исследования причин каких-либо техногенных катастроф. Естественно, определив истинные параметры участка недропользования до проектирования инженерных сооружений и введя необходимые поправки в проектное решение, не стоит опасаться осложнений при строительстве и эксплуатации этих сооружений.
Примером изучения геолого-структурной модели участка недропользования может служить работа по исследованию структуры массива горных пород промплощадки шахты Эксплуатационной Высокогорского ГОКа. В предохранительном целике промплощадки ведутся горные работы по выемке рудных запасов и для прогнозной оценки воздействия процесса сдвижения на охраняемые объекты необходимо выявить расположение и параметры тектонических нарушений, по границам которых, как известно, происходит концентрация сдвижений. Исследования выполнялись двумя методами.
и выявленного нарушения
На первом этапе были проведены исследования методом срединного градиента (электроразведка) на участке, прилегающем к территории адмбыткомбината, для уточнения параметров тектоники в его основании. Площадные работы проводились с использованием четырех электродной установкой с неподвижными питающими электродами АВ и подвижной приемной линией МЫ, при этом расстояние между приемными электродами было выбрано 5 м, для того чтобы можно было провести корреляцию между исследованиями ССП и СГ, так как шаг съемки методом ССП был принят равным 5 м.
территории (грунт, асфальт) для обеспечения хорошего заземления, так и научной важности участка. Планшеты расположены в северной части промплощадки и захватывают участок, прилегающий к зданию рудоподъемника и адмбыткомбината.
На рис. 1 представлена план-схема расположения планшетов электроразведки с вынесенной на него тектонической зоной, явно выраженной в электрических полях повышением удельного электросопротивления (осушенный трещиноватый массив).
Участок был исследован по пяти профилям с длинной приемной линии МЫ - 5 ми меняющимся расстоянием между питающими электродами АВ. Величина АВ выбиралась таким образом, чтобы получить срез поверхности по глубинам 30, 40 и 50 м от земной поверхности. Полученные при этом планшеты подтвердили наличие этого нарушения по всем трем глубинам и уточнили его структуру в геоэлектрических параметрах.
Профилирование методом ССП на территории промплощадки осуществлялось с шагом 5 м.
Рис. 2. Профиль № 1 спектральносейсморазведочного профилирования
Всего сделано 5 профилей различной формы и размеров. Схема расположения профилей приведена на рис. 3.
Каждый отдельный профиль рассматривался как обособленный участок. Основным признаком наличия на ССП-разрезе тектонических нарушений являются воронкообразные объекты.
По профилю 1 такие объекты обнаружены в интервалах 30-45 м по ходу профиля, 115-160 м, 190-220 м, 270-300 м. Эти интервалы были вынесены на профиль 1, рис. 2.
В результате получилось порядка пяти тектонических зон с различным простиранием (рис.
3).
Таким образом видно, что тектоническое нарушение выявленное методом СГ (рис.1) подтверждается по данным метода ССП (рис. 3). В целом, в условиях тектонических помех промплощадки шахты метод ССП показал себя более устойчивым и информативным.
Данные о структуре массива горных пород положены в основу прогнозной оценки безопасности объектов шахты в процессе подработки ее промплощадки.
— Коротко об авторах -----------------------------
Мельник В.В. - младший научный сотрудник,
Замятин А.Л. - аспирант,
Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.
