CC BY
42
----------------------------------- © Ю.В. Кириченко, М.В. Щёкина,
2006
УДК 550.8
Ю.В. Кириченко, М.В. Щёкина
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ИЗЫСКАНИЙ ПРИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ
Семинар № 1
1ГТ езопасная и эффективная экс-
ЛЗ плуатация техногенных массивов на всех этапах существования обеспечивается принятием грамотных многовариантных решений. Обоснованность этих решений базируется на достоверных данных о состоянии массива и динамики его изменения во времени.
Исследования производятся с целью получения информации, использование которой позволяет решать конкретные задачи. Инженерно-гео-логические исследования техногенных массивов близки к изысканиям для строительства и к поискам и разведке полезных ископаемых.
В результате многолетнего опыта исследований гидроотвалов, хвосто-
хранилищ, отвальных массивов в горной и строительной промышленностях, коммунальном хозяйстве г. Москвы выявлены главные принципы инженерногеологических исследований таких массивов.
1. Принцип полноты исследований, который требует получение максимально достоверной информации о состоянии и свойствах техногенного массива (включая район его расположения). Первое требование полноты инженерногеологических исследований - оконту-ривание массива, т.е. выделение полигона, на котором будут производиться изыскания. Второе требование - изуче-
ние не только пород слагающих массив, но основания и откосных сооружений. Третье - комплексный подход, т.е. изучение массива с учетом всех направлений его дальнейшего использования: от рекультивации до разработки массива с целью вторичного использования слагающих его грунтов.
2. Принцип последовательных приближений заключаются в последовательном изучении массива по этапам и стадиям.
3. Принцип равной достоверности подразумевают более или менее равномерное изучение всего массива.
4. Принцип наименьших трудовых и материальных затрат - один из главных и требует, чтобы количество исследований было минимальным, но полученные результаты были достоверны и достаточны для решения всего круга задач, которые могут возникнуть при дальнейшем использовании массива.
5. Принцип наименьших временных затрат (или срочности информации) заключается в получении максимально возможной информации в кратчайшие сроки.
6. Принцип непрерывности («вчерашней необходимости»). Исследования необходимо начинать на стадии проектирования горнотехнических соруже-ний, вести в течение всего периода эксплуатации и заканчивать только после
полной рекультивации массива (остаются контрольные наблюдения).
Техногенные массивы обладают значительной пространственно-вре-менной изменчивостью, что обусловлено рядом факторов, как природных, так и техногенных. Поэтому при инженерногеологических исследованиях важно определить характер и причины изменчивости, что позволяет скорректировать исследования и более полно изучить массив. Под характером изменчивости понимают общую тенденцию изменений, т. е. возрастающие, убывающие, волнообразные, скачкообразные и их комбинации. Основная трудность при составлении плана инженерногеологических изысканий является определение направления, характера и объема работ. Задача существенным образом облегчается при исследованиях отложений, для которых степень изменчивости состава, свойств и характеристик выявлена предшествующими исследованиями.
Применительно к намывным массивам изменчивость свойств и состояния техногенных отложений в значительной степени зависит от технологии возведения сооружения и геологических условий вскрышного участка (для гидроотвалов) или применяемого вида обогащения (для хвостохранилищ). Например, грансостав отложений имеет квазифункциональную изменчивость по фронту намыва (у выпусков сосредотачиваются песчаные фракции, а в прудковой зоне - глинистые и коллоидные частицы). Показатели водно-
физических свойств, показатели компрессии и сопротивления сдвигу в однородном намывном массиве также имеют функциональную изменчивость по глубине массива.
Следует учитывать, что в намывных массивах изменчивость по фрон-ту на-
мыва меньше и она в основном закономерна, чем вкрест фронта. По глубине массива основное влияние на характер изменчивости оказывает вид укладываемого грунта и интенсивность возведения сооружения.
Изучение закономерностей изменчивости позволяет определять допустимые величины интерполяции и экстраполяции полученных данных.
На базе сформулированных принципов приоритетные направления инженерно-геологических исследований техногенных массивов по степени достоверности результатов можно классифицировать:
- натурные (полевые) исследования техногенных отложений, откосных сооружений и грунтов оснований, позволяющие получать информацию непосредственно в массиве (in situ). К ним относятся определения сопротивлений пенетрации (задавливанию конических зондов) и сдвигу (с помощью крыльча-того зонда), порового давления (с помощью датчиков-пьезо-динамометров), уровня депрессионной кривой (с помощью пьезометров или замеров воды в скважинах), лито-логического состава (при бурении инженерно-геологических скважин, а также по сопротивлению за-давливания зонда);
- маркшейдерские наблюдения за уровнем воды в прудке-отстойнике намывных сооружений, осадками техногенных массивов, сдвиговыми деформациями откосных сооружений. Маркшейдерские наблюдения правомерно отнести к натурным исследованиям, но они предназначены не для изучения состояния и свойств техногенных отложений, а для фиксирования процессов, происходящих в них. В то же время посредством решения обратных задач можно определить ряд свойств этих отложений;
- лабораторные испытания грунтов, при которых определяют гранулярный состав техногенных отложений, показатели водно-физических свойств, компрессии, сопротивления сдвигу и т.п.
Все эти направления взаимосвязаны между собой, дополняют одно другое, их результаты влияют на объемы исследований по отдельным группам изысканий, поэтому большое значение имеют достоверность и представительность получаемой информации. Чем обширнее изыскания, чем масштабнее и полновесней исследования, тем меньше вероятность ошибки и расхождения полученных характеристик с характеристиками отложений в массиве. В то же время большие объемы исследований связаны с высокими трудовыми и экономическими затратами, значительной временной протяженностью работ.
Достижение идеального сочетания принципов инженерно-геологических
исследований - задача практически невыполнимая. Например, при исследовании намывного массива гидроотвала «Лог Шамаровский» была оборудована сеть маркшейдерского обеспечения,
включающая шесть опорных триангуляционных пунктов (Рис.1). Причем пункты №№ 3, 5 и 6 создали из-за недостаточной топографической основы ложа и поверхности гидроотвала. Для контроля за уровнем воды в прудке-отстойнике и осадками намывного массива оказалось достаточно наблюдений с пунктов №№
1, 2 и 4 (т.е. не были соблюдены принципы 4 и 5).
На рисунке показана карта фактического материала и инженерногеологическое районирование территории гидроотвала «Лог Шамаровский» (07.1999 г.), где 1 - упорная призма (плотина №4); 2 - вспомогательные дамбы обвалования; 3 - граница запол-
нения гидроотвала; 4 - во-доотводная канава; 5 - репера; 6 - стационарная наблюдательная скважина; 7 - зондиро-вочные скважины; 8 - инженерно-
геологические скважины; 9 - шурфы; 10
- рекультивированная территория гидроотвала; 11 - промоина; 12 - хвосто-хранилище; 13 - контрольный профиль;
14 - места закладки пьезодинамометров;
15 - границы инженерно-геологи-ческих
зон; 16 - границы инженерно-
геологических участков; 17 - заболоченная часть, заросшая камышом и тальником; 18 - шурфы 07.1999 г.; © -пляжная зона степень уплотнения и=1,0; сущая способность Рдоп > 1,5 кг/см2; © - пляжно-промежуточная зона и=0,85; Рдоп=1,0 - 1,5 кг/см2; © - про-
межуточная зона и=0,6 - 0,85; Рдоп=0,75
- 1,0 кг/см2; © - промежуточно-
прудковая зона и=0,4 - 0,6; Рдоп=0,5 -
0,75 кг/см2; © - прудковая зона и <
0,4; Рдоп << 0,5 кг/см2; © - зеркало воды.
Из-за отсутствия достоверных данных о мощности намывных отложений и строении массива (недостаток исходной документации о свойствах разрабатываемых пород, порядке и времени укладки их в гидроотвал) при зондировании массива комбинированным зондом МГГУ пришлось дополнительно измерять мощности намывных отложений и пробурить ряд инженерно-
геологических скважин с отбором проб и замерами глубины. Как видно из рисунка скважины 5, 6, 8, 9 и 28; 13 и 14;
11, 12 и 26; 19-25; 15-18 и 22 находятся в одних и тех же зонах гидроотвала, т. е. при проведении полевых работ около 25-30 % скважин оказались лишними, так как не несли качественно новой информации о свойствах намывных отложений.
Карта фактического материала и инженерно-геологическое районирование территории гидроотвала «Лог Шамаровский» (07.1999 г.)
В пляжной зоне гидроотвала была оборудована стационарная наблюдательная скважина № 2, в которой на различной глубине заложили 3 датчика-пьезодинамометра. Однако после камеральной обработки результатов зондирования в пунктах 1, 4, 7 установлено, что процессы консолидации в этой зоне намывного массива окончились, информация от этих датчиков не позволяла по-новому прогнозировать «поведение» объекта в будущем, то есть не соблюдены принципы 4, 5 и частично - 1.
Поэтому после проведения первых стадий научно-исследовательских работ на гидроотвале «Лог Шамаровский» было разработано программное обеспечение с использованием компьютера «Compaq», позволяющее обрабатывать данные зондирования одновременно с внедрением зонда. В то же время для соблюдения принципа 4 и определения области применения компьютерной программы пройдено дополнительно четыре скважины ( 27, 27, 28 и 28'), при зондировании в которых применялись параллельно традиционные и компьютерные замеры показаний и обработки данных. Дальнейшее совершенствование этой программы осуществлено при зондировании Ш-й секции гидроотвала «Березовый Лог».
Анализ показал, что при изучении массива гидроотвала «Лог Шамаров-ский» около 20 % скважин практически не давали новую информацию о физико-механических и прочностных свойствах пород гидроотвала. Так, при зондировании по основному инженерно-геологическому профилю 1-1 и вспомогательному - Ш-Ш из 18 зонди-ровочных скважин шесть (4, 6, 8, 11, 20, 21) дали лишь незначительную дополнительную информацию о свойствах намывных отложений и основания,
которая не оказала влияния на прогноз состояния гидроотвала.
В то же время для обеспечения точности получаемых результатов необходимо знать минимальное количество замеров по зонам, учитывающим степень однородности отложений (показателей и свойств).
Необходимое количество измерений (проб, точек зондирования и т.п.) определяется с учетом среднего квадратичного отклонения Б
- х )2
п -1
(1)
и коэффициента статистической изменчивости
V = -.100%
X
(2)
где X - среднее значение из п показателей и хі - частное значение.
В частности, при оценке состояния гидроотвала «Лог Шамаровский» Михайловского ГОКа кафедрой геологии МГГУ было пройдено 44 скважины (всего более 420 пог. м). Полевые работы производились в течение 1995-1999 гг. и состояли из 7 этапов. Кроме этого было пройдено 18 шурфов и отобрано около 50 проб для лабораторных исследований грунтов.
Для оценки состояния намывного массива применялись датчики, которые закладываются или задавливаются в грунт, типа ПДС-3п, ПДС-10п с диапазоном измерения порового давления до 3-10 кг/см2 (0,3-1 МПа) с погрешностью измерения не более 2 %. Именно этими датчиками были оснащены комбинированные зонды МГГУ-ДИГЭС, которыми проводилось зондирование гидроотвала «Лог Шамаровский», занимающего
площадь 250 га и вместимостью 21,0
3
млн м суглинистых грунтов; мощность
намывных масс hя достигает 28 м. Исследования проводились с целью обоснования выбора направления рекультивации.
Полученные прогнозные значения осадок и несущей способности намывного массива имели расхождение с фактически измеренными впоследствии не более 10 %. Расчетные значения осадок определялись по формуле:
8 1 П „ Су
S() = aoPhя 1--------7 X "Г ■е
п „=1,3,5 „
Определение мощности намывного массива производилось по длине буровых штанг металлической рулеткой (РМ-30) и погрешность сть составляла не более ±1 см. Так как в выражении (3)
1 -
8
1
2 2
П п=1,3,5 П
= и,
(3)
где 0,5укя = Р - давление от собственного веса, слагающего массив грунта, т/м2; Су - коэффициент консолидации, м2/сут.; (о - время «отдыха» гидроотвала, сут.; а
а0 =-------- - приведенный коэффици-
1 + Єср
ент сжимаемости, м /т; а - длина пути фильтрации, м; єср - средний коэффициент пористости; у' - плотность грунта.
т/м3.
На начальном этапе исследовании оказалось, что расчетные и фактические значения осадок имеют значительное расхождение (до 30-50 %). Анализ приведенных исследований показал, что ошибка возникла вследствие неправильного определения бокового распора при компрессионных испытаниях грунта. Это связано, в первую очередь, с трудностью отбора и сохранения образцов пластичного и текучепластичного грунта в естественном состоянии.
По фактическим измеренным осадкам был уточнен коэффициент относительной сжимаемости (ао) и при дальнейших расчетах он принимался в виде:
аэ0 = а0 • в (4)
где в - коэффициент, учитывающий боковой распор [1].
то точность определения степени уплотнения и значительно влияла на точность определения осадок. Применяемые при зондировании намывного массива зонды имеют погрешность измерения не более 2 %. Поэтому при варьировании степени уплотнения в различных зонах гидроотвала от 0,1 до 1,0, расхождение могло составить от 0,002 до 0,02.
Стандарт погрешности (среднеквадратическая погрешность - СКП) при этом составит:
о) +
(5)
где ста - стандарт погрешности по коэффициенту относительной сжимаемости; стг - стандарт погрешности по плотности намывных грунтов; сту, - стандарт погрешности по мощности намывного массива; сти - стандарт погрешности по степени уплотнения.
Применительно к условиям промежуточной зоны гидроотвала «Лог Ша-маровский» составляющие формулу (5) варьировались в следующих пределах:
Параметр Значение
ШІП шах
н 0,0066 0,0085
СЛ 1,85 2,04
Ья, м 3,2 20
и 0,05 1,0
Расчеты свидетельствуют, что точность определения искомых параметров является достаточной для последующего
0
Є
обоснования инженерных решений по рекультивации гидроотвала. Анализ статистических данных, полученных при зондировании техногенных массивов, показывает, что для более достоверного определения точности измерений необходимо учитывать ковариацию исследуемых параметров [2, 3].
1. Кириченко Ю.В. Геоэкологические аспекты формирования техногенных массивов.
- М.: Геология и разведка, №6, 1999, с.124-129
2. Кордонский Х.Б. Приложение теории вероятности в инженерном деле. - Л.: Гос.изд-во физ-мат. лит-ры, 1963, 434 с.
Успешная рекультивация значительной части территории гидроотвала «Лог Шамаровский» подтвердила достоверность полученных при инженерно-геологических исследованиях данных и целесообразность разработанных инженерных решений.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Смирнов Н.В., Белугин Д.А. Теория вероятностей и математическая статистика в приложении к геодезии. - М.: Недра, 1969, 379 с.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------
Кириченко Ю.В., Щёкина М.В. - кафедра геологии, Московский государственный горный университет.
------------------------------------------------------- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
1. Кармановская Н.В. Разработка системы обработки статистических данных (528/12-06 — 19.10.06) 4 с.
2. Маркеев М.А., Петухова Л.И. Организационно-технологические принципы формирования горно-металлургического производства (529/12-06 — 19.10.06) 4 с.
3. Петухова Л.И. Анализ иерархической структуры модулей горно-металлургического производства (530/12-06 — 19.10.06) 4 с.
4. Петухова Л.И. Влияние внешних факторов на эффективность функционирования модулей обработки и транспортирования (531/12-06 — 19.10.06) 5 с.
