CC BY
30
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК 622.271.45; 624.131.4 С. М. Простов МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЛЕКСНОГО МОНИТОРИНГА ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОГНОЗА УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСНЫХ СООРУЖЕНИЙ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ
По результатам экспериментально -теоретических исследований, проведенных в рамках Федеральной целевой программы, разработаны научные основы методического обеспечения системы комплексного мониторинга откосных сооружений угольных разрезов.
Разработаны алгоритмы диагностирования горизонтальных смещений и оседаний техногенных грунтовых массивов, основанных на пошаговой обработке каркасных и погоризонтных цифровых моделей, являющихся результатом аэрофо-тографического мониторинга. Алгоритмы реализованы в форме циклических компьютерных программ.
Разработана система многоуровневого ком-
плексного мониторинга физического состояния неустойчивых зон грунтовых оснований горнотехнических сооружений, включающая глобальный аэрофотографический мониторинг для выявления опасных зон на объектах с большой площадью, региональный геолого-маркшейдерский мониторинг для обоснования необходимости прогноза устойчивости, локальный электрофизический мониторинг гидрогеологических аномалий на межскважинных интервалах, компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния техногенного массива и расчет коэффициентов запаса устойчивости в наиболее опасных сечениях.
Точная локализация аномальных зон в масси-
Ввод начальных данных р.Ддг. у,А И)
. .
I Іредварнтельная обработка результатов измерений
1_г
Исключение ошибочных данных
Нормализация наблюденной кривой
Формирование опорной модели
Аналнз данных региональною гелого-маркшейдерского мониторинга
Определение типа кривой В'З'Э посредством визуального анализа
Определение диапазонов изменения парамсіров геоэлектрического разреза
Минимизация функции невязки в интерактивном режиме
Рис. 1. Алгоритм интерактивной интерпретации данных вертикальных электрических зондирований
а б
Рис. 2. Коэффициент, учитывающий влияние откоса уступа на измеряемую разность потенциалов для классической установки ВЭЗ при АВ /МЫ = 5 (а) и АВ /МЫ = 2 (б):
1 - а = 90°; 2 - а = 60°; 3 - а = 45°; 4 - а = 30°; 5 - а = 15°
ве горных пород электрофизическим методом возможна только на основе количественной интерпретации данных. Основная сложность, возникающая при количественной интерпретации, связана с некорректностью обратных задач электроразведки.
Основными методами решения обратных задач геофизики являются методы регуляризации, суть которых заключается в том, что решение исходной некорректно поставленной задачи заменяется решением множества корректно поставленных задач и выбором из большого числа полученных приближенных решений некоторого одного решения, наилучшим образом описывающего точное решение, устойчивое по отношению к погрешностям исходных данных.
Алгоритм интерактивной интерпретации данных вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) при локализации влагонасыщенных зон на участках четвертичных отложений бортов карьеров включает: выбор опорных моделей геоэлек-трического разреза изучаемого профиля на основе предварительного анализа априорной информации в виде координат х, у, 2 аномального слоя, полученных по данным визуальных наблюдений; определение диапазонов изменений электрических свойств пород и координат границ слоев; определение типов геоэлектрических разрезов путем визуального сопоставления всех графиков ВЭЗ.
Расчетная часть алгоритма представляет собой одномерную инверсию графиков ВЭЗ и включает: формирование массива данных опорных моделей; решение прямой задачи электроразведки с расчетом кривых кажущегося электросопротивления рк, соответствующих опорным моделям; корректировку опорных моделей посредством минимизации квадратичных невязок между исходными
полевыми кривыми и результатами расчетов по опорным моделям; построение конечного одномерного геоэлектрического разреза изучаемого профиля с горизонтальными границами влагонасыщенных зон (рис. 1).
При ВЭЗ, проводимом вблизи бровки уступа, величина измеренного эффективного удельного электросопротивления (УЭС) завышается, следует вводить поправочный коэффициент, изменяющийся в диапазоне к1 = 1...2, зависящий экспоненциально от разноса АВ установки АЫЫВ, нелинейно уменьшающийся с уменьшением угла откоса а и увеличением расстояния х1 от бровки до оси профиля (рис. 2).
Рис. 3. Коэффициент, учитывающий влияние дамбы на измеряемую разность потенциалов для классической установки ВЭЗ при АВ /МЫ = 5:
1 - а = 15°; 2 - а = 30°; 3 - а = 60°; 4 - а = 90°
Рис. 4. Алгоритм создания объемной геоэлектрической модели при доразведке мощности рыхлых отложений
При измерениях вблизи основания дамбы эффективное УЭС занижается, следует вводить поправочный коэффициент, изменяющийся в диапазоне к2 = 0,67...1, уменьшающийся экспоненциально при увеличении разноса АВ, при этом величина поправки нелинейно возрастает с увеличением угла откоса а и уменьшением расстояния х2 до него (рис. 3).
Влияние дополнительного проводящего слоя на глубине к в приоткосной области занижает значение эффективного УЭС, максимум аномалии соответствует диапазону АВ = (2-4)к.
В реальном диапазоне геометрических параметров и УЭС аномального слоя его искажающее влияние не превышает 5 %.
Алгоритм создания объемной геоэлектрической модели включает: ввод граничных координат исследуемой области массива, задание границ аномальных зон по истинному УЭС, определение их горизонтальной протяженности, детализацию структуры влагонасыщенных зон в плане по данным электропрофилирования (ЭП), интерполяцию и экстраполяцию вертикальных и горизонтальных границ в объеме; выбор наиболее информативного вида объемной модели для визуализации (рис. 4).
Проведенные исследования позволили рекомендовать следующие технологические решения при мониторинге и прогнозе устойчивости участков бортов карьеров, сложенных песчаноглинистыми грунтами четвертичных отложений:
расчетные модели борта должны составляться с учетом выявленных при геофизическом мониторинге аномалий геологической структуры массива в виде ослабленного водонасыщенного слоя; в расчетах устойчивости необходимо применять скорректированные прочностные параметры грунтов, полученные путем обратных расчетов для профилей с наиболее развитыми деформациями борта.
Расчет коэффициента запаса устойчивости ^ верхней части борта карьера по схеме обводненного откоса включает: определение геометрических параметров влагонасыщенной зоны в расчетном сечении из объемной геоэлектрической модели; корректирование физико-механических свойств пород путем обратных расчетов на основе линейной зависимости сцепления и угла внутреннего трения массива от коэффициента запаса устойчивости (рис. 5).
При неучете результатов геофизического мониторинга величина коэффициента запаса устойчивости борта может быть завышена на 19-88 %, а без корректирования прочностных свойств грунтов - на 11-56 %.
Установлены основные закономерности формирования оползнеопасных зон и критериальные значения контролируемых параметров при прогнозе их устойчивости.
В частности, установлено, что штатный режим эксплуатации гидроотвалов при наращивании ограждающих дамб и отсыпке вскрышных пород
Рис. 5. Схема прогноза устойчивости техногенного грунтового массива:
1 - характеристика изменений свойств массива в пространстве; 2 - стратиграфический разрез; 3 - соотношение литологических разностей; 4 - визуальные признаки развития оползня; 5 - гидрогеологические аномалии; р' - средняя плотность грунта; ф - угол внутреннего трения; С - сцепление; Нст - статический уровень воды; Нп - избыточное поровое давление; Ш - влажность
на намывное основание характеризуется монотонным смещением точек откоса со скоростью до 100 мм/год, непрерывным рассеиванием порового давления в намывном массиве со средней скоро-
стью Р' = 9-20 кПа/год, что приводит к ежегодному повышению коэффициента запаса устойчивости на 3-5 %.
Основной причиной снижения устойчивости
Рис. 6. Схема формирования порового давления в намывном массиве при отвалообразовании встречными заходками, 1-й этап (а), 2-й этап (б), 3-й этап (в),
4-й этап (г)
откосов гидроотвалов при их эксплуатации является нарушение процессов фильтрационной разгрузки и консолидации намывного массива, приводящее к формированию ослабленных зон, сложенных слабо уплотненными суглинками и глинами текуче- и мягкопластичной консистенции с остаточной влажностью 31-40 %, сцеплением 2030 кПа, в которых поровое давление Р стабилизируется или повышается на 40-50 кПа/мес. Указанные зоны диагностируются по отрицательным аномалиям удельного электросопротивления в диапазоне р = 10-30 Ом-м методами электромагнитного сканирования или электрического зондирования, а оперативный мониторинг обеспечивается измерением порового давления в пределах этих зон и расчетом критических уровней в диапазоне Ркр = 100-1000 кПа.
Основной причиной снижения устойчивости техногенного массива при отсыпке вскрышных пород на намывное основание является формирование под отвальным блоком на глубине 12-15 м напряженной зоны с поровым давлением, достигающим Pmax = 4,49 МПа при отсыпке блока на полную высоту до 20 м и Pmax = 2,57 МПа при отсыпке слоями мощностью до 5 м, что снижает коэффициент запаса устойчивости соответственно на 10-24 % и не более, чем на 8 %. При отвалооб-разовании встречными заходками внешняя грани-
□ Автор статьи:
Простов Сергей Михайлович? докт. техн. наук, профессор каф. теоретической и геотехнической механики КузГТУ,
E-mail [email protected]
ца напряженной зоны выходит за контуры блока на расстояние до 20 м, что приводит к необходимости вести мониторинг в режиме управляемых деформаций (рис. 6).
При оползневых деформациях в процессе эксплуатации комбинированного отвала в приоткос-ной зоне техногенного массива формируются аномальные ослабленные зоны, требующие проведения дополнительного геофизического и гидрогеологического мониторинга и снижающие устойчивость системы «отвальный блок - ограждающая дамба - борт карьера».
Разработанные система многоуровневого мониторинга, методики инструментальных наблюдений внедрены и проходят опытнопромышленную проверку на угольных разрезах ОАО «УК «Кузбассразрезуголь».
В частности, ведется непрерывный мониторинг на гидроотвалах угольных разрезов «Кедров-ский», «Бачатский», «Краснобродский», «Сарта-кинский». Использование разработок позволяет увеличить базу мониторинга до 2000 м и одновременно повысить его точность для объектов большой площади (отвалов, шламохранилищ, насыпей), снизить риск техногенных аварий и затраты на безопасную эксплуатацию горнотехнических сооружений.
УДК 622.279.72:622.831.322 Т.Л.Ким
ОБРАЗОВАНИЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ ПРИРОДНОГО ГАЗА В УГОЛЬНОЙ МАТРИЦЕ
Проблема борьбы с внезапными выбросами угля и газа при подземной разработке угольных месторождений остается актуальной на сегодняшний день, но неоднозначность интерпретаций результатов текущего прогноза не позволяет однозначно судить о возможности проявлений газодинамических явлений1. На сегодняшний день на шахтах России произошло 910 внезапных выбросов угля и газа [1].
Условия возникновения и формы проявления газодинамической активности угольных пластов разнообразны. Чаще всего процессы, приводящие
Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда Михаила Прохорова, № договора 145/12
к внезапным выбросам угля и газа, развиваются в диаметрально противоположных направлениях. В настоящее время до конца не решены вопросы, связанные с формами связи метана с угольной матрицей, а так же неясно, откуда берутся большие объемы газа при внезапных выбросах, превышающих объемы, обусловленные природной газоносностью угольных пластов.
Было показано[2], что в «свободном» состоянии газа в поровом пространстве пласта находится значительно меньше, чем фиксируется при внезапных выбросах. Возникает вопрос о возможности существования иной формы связи молекул газа с угольной матрицей, кроме адсорбционной. Первым этапом нашего исследования стало изучение термодинамических условий, т.е. парамет-
