CC BY
49
-------------------------------------- © А.В. Анциферов, М.Г. Тиркель,
Б. А. Закревский, 2006
УДК 550.83.04 (477.61/62)
А.В. Анциферов, М.Г. Тиркель, Б.А. Закревский
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕХНОГЕННЫХ НАГРУЗОК НА ОКРУЖАЮЩУЮ ПРИРОДНУЮ СРЕДУ
Семинар № 3
пыт эксплуатации зданий и сооружений, расположенных на подрабатываемых территориях показывает, что при проведении выемочных работ в недрах того или иного участка, дневная поверхность подвергается деформациям, осложненным наличием в геологическом разрезе пликативных и дизъюнктивных тектонических нарушений.
Указанные нарушения резко активизируются горными работами, что приводит к образованию уступов на дневной поверхности даже при пологом залегании отрабатываемых угольных пластов. При крутом залегании угольных пластов образование уступов происходит по плоскостям напластования. Положение усугубляется наличием на небольших глубинах старых горных выработок, состояние и положение которых зачастую либо неизвестно, либо известно недостоверно.
Исследование закономерностей деформаций земной поверхности над горными выработками является важнейшей задачей, от решения которой зависит устойчивость зданий и сооружений, расположенных на подрабатываемых территориях.
Точная количественная характеристика деформаций земной поверхности может быть получена только на основе периодически повторяющихся высокоточных геодезических наблюдений.
Определение мест возможных деформаций земной поверхности до начала их развития с успехом выполняется с помощью комплексных геофизических исследований, прежде всего, методом естественного импульсного электромагнитного поля Земли и детального структурного геодинамического картирования методом газо-эманационной съемки.
Для получения абсолютно необходимой дополнительной информации о состоянии и геоструктурных особенностях того или иного объекта выполняется комплекс геофизических исследований, включающий:
- вертикальные электрические зондирования для дифференциации геологического разреза по кажущемуся электрическому сопротивлению и выделению на этой основе горизонтальных и слабо наклонных слоев;
- симметричное и комбинированное электропрофилирование для детализации результатов интерпретации ВЭЗ и выделения в геологическом разрезе вертикальных и крутопадающих границ;
- профильная магнитная съемка и магнитовариационное профилирование для изучения структуры магнитного поля Земли и его вариаций, как отражения физико-геологических про-цессов и явлений в верхнем слое земной коры [1, 3].
Для уточнения гидрогеологической ситуации в массиве горных пород нами
применяются геофизические исследования в наблюдательных, параметрических и контрольных скважинах, как в пределах исследуемого объекта, так и в непосредственной близости от него: расходометрический и резистивиметрический каротаж, а также комбинированный метод заряженного тела и тяжелой жидкости [2].
Предпосылкой применения предложенного выше комплекса геофизических методов исследований для решения поставленных задач является возникновение зон напряженно-деформи-рованного состояния массива, горных пород вследствие ведущихся в нем горных работ.
Для выявления мест возможной деформации земной поверхности задолго до начала формирования мульды сдвижения достаточно разовых геофизических исследований без долговременных режимных наблюдений.
В случае необходимости изучения динамики формирования мульды сдвижения необходимы режимные наблюдения в течение всего периода выемочных работ по тому или иному угольному пласту [4].
При комплексных геолого-геофи-зических изысканиях в условиях крутопадающих пластов горных пород в квартале 2187 г. Горловки и МР 89 и 102 г. Дзержинска удалось выделить зоны возможного образования уступов земной поверхности в результате начавшейся отработки угольных пластов. При этом вдоль выходов угольных пластов под рыхлые отложения выявлены характерные однотипные аномалии геофизических полей.
Впоследствии результаты интерпретации материалов геофизических исследований полностью подтвердились, ни в одном случае деформации земной поверхности не вышли за пределы выявленных с помощью геофизических исследований аномальных зон.
В качестве примера одноразовых исследований в условиях пологого залегания горных пород можно привести комплексные геолого-геофизичес-кие изыскания на площадках проектируемых МР "Калининский" в г. Макеевке и "Магистральный" в г. Донецке, где непосредственно перед началом изысканий началась отработка угольных пластов на глубинах 660-870 м.
На границе формирующейся мульды сдвижения зафиксированы характерные изометричные аномалии геофизических полей, положение которых хорошо согласуется с маркшейдерскими представлениями о горной геомеханике в зоне подработки.
Непосредственно над горными выработками отмечены резко дифференцированные аномалии геофизических полей со значительными изменениями амплитуды. В ряде случаев аномалии геофизических полей были в значительной степени осложнены наличием пустот в старых горных выработках, залегающих на глубинах 45-70 м., что было подтверждено бурением контрольных скважин.
Примером режимных геофизических исследований могут служить изыскания по улице Раздольной в г. Донецке, где шахтой "9-Капитальная" проводилась отработка угольного пласта на глубине 470 м. непосредственно под двумя жилыми девятиэтажными домами. По согласованному графику геофизические исследования проводились параллельно с маркшейдерскими наблюдениями. Для установления исходного геодинамиче-ского состояния массива горных пород и высотного положения объекта совместные исследования были начаты за 3 месяца до начала подготовительных горных работ по системе параллельных профилей.
В этот период было детально изучено структурное строение массива горных по-
род, выявлен ряд разной активности гео-динамических зон. Спустя 3 суток после проходки разрезной печи непосредственно над ней произошла существенная перестройка геофизических полей, была выделена ранее отсутствовавшая четкая аномальная зона, нивелировкой II класса изменения в высотном положении объекта не зафиксированы.
В процессе очистных работ по угольному пласту комплекс геофизических и маркшейдерских наблюдений выполнялся с интервалом 2 раза в месяц. В этот период наблюдалась пос-тоянная перестройка аномалий геофизических полей, изменялись амплитуда аномалий и их плановое положение, резко возрастала геодинами-ческая активность массива горных пород, изменения высотного положения объекта не отмечены. После окончания очистных работ по угольному пласту была произведена одновременная обрезка крепи по всей лаве. Этот период характерен хаотичной перестройкой аномалий, маркшейдерские наблюдения зафиксировали начало вертикальных смещений земной поверхности.
Комплексные исследования продолжались до окончания сдвижения горных пород, показателем чему послужило отсутствие оседания земной поверхности по маркшейдерским наблюдениям в течение 3 месяцев.
Практика геолого-геофизических исследований, выполненных авторами на подрабатываемых территориях Донбасса и оползнеопасных участках Донецкой и Запорожской областей, показала хорошее совпадение выделенных по геофизическим данным геодинамических зон с деформациями зданий и сооружений [5].
В качестве примера можно привести старую часть МР “Восточный” в г. Макеевке. Построенные по результатам комплексных геолого-геофизи-ческих исследований активные геодинамические зоны
хорошо согласуются с деформациями зданий послевоенной постройки. Максимальные деформации стен отмечены в зданиях, расположенных по нормали к геодинамическим зонам. Ряд зданий, расположенных практически по оси даже наиболее активных зон или под острым углом к ним, существенных деформаций стен и фундаментов не имеют.
В случае необходимости в процессе интерпретации материалов комплексных геолого-геофизических исследований и после ее завершения производится бурение контрольных скважин. В любом случае в контрольных скважинах выполняются параметрические и технические исследования, направленные на получение дополнительной информации о геологическом и гидрогеологическом строении массива горных пород. Основное назначение контрольных скважин - подтвердить достоверность интерпретации материалов геофизических исследований, уточнить положение и состояние старых горных выработок, залегающих на глубинах до 70 м. Так, бурением контрольных скважин в кварталах 1161 г. Донецка, МР "Ленинский" и "Калининский" в г. Макеевке и ряде других объектов было подтверждено наличие и положение дизъюнктивных тектонических нарушений, выделенных по результатам комплексных геолого-геофизических исследований.
На участках с развитием старым горных выработок на глубинах до 70 м с целью определения глубины залегания и подтверждения наличия пустот и зависаний в их объеме бурение контрольных скважин выполняется в обязательном порядке.
В квартале 659 г. Донецка бурением контрольных скважин подтверждено наличие и положение значительных по объемам пустот в подготовительных выработках на глубине 27-42 м, в квартале 2187 г. Горловки подтверждено положе-
ние вентиляционного штрека, залегающего на глубине 62 м, установлено наличие в его объеме пустот и зависаний.
Бурением контрольных скважин в МР "Ветковский" г. Донецка доказано, что процесс сдвижения горных пород над горными выработками, залегающими на глубинах 37-70 м полностью завершился, пустоты и зависания в массиве горных пород не выявлены.
Таким образом, применение комплексных геолого-геофизических исследований в сочетании с разумным объемом бурения контрольных скважин позволяет получить практически непрерывную информацию о строении и состоянии массива горных пород в сложных горногеологических условиях подрабатываемых территорий с широким развитием пликативных и дизъюнктивных тектонических нарушений [6].
Весьма важной проблемой является наличие на подрабатываемых территориях значительного количества ликвидированных шахт и шурфов, координаты которых утеряны. Зачастую ликвидация этих объектов производилась с грубейшими нарушениями проекта ликвидации. Примером этого может служить провал, образовавшийся в конце апреля 2001 г. на территории рынка «Г вардейский» в г. Макеевке на месте ликвидированного в конце 60-х годов ХХ века ствола шахты № 614.
В течение ряда лет для поиска стволов шахт и шурфов, координаты которых утеряны, нами широко применяется комплекс геофизических методов, включающий электроразведку по способу срединного градиента, площадную микромаг-нитную съемку и некоторые модификации других методов. Этим способом выявлены стволы шахт и шурфов на площадках МР 89 и 102 г. Дзержинска, квартала 2187 г. Горловки, МР «Магистральный» и «Привокзальный» г. Донецка и т.д.
Во всех случаях для подтверждения положения и установления способа ликвидации выполнялось бурение контрольных скважин [7].
Не менее значительна для окружающей природной среды проблема горения породных отвалов угольных предприятий. Продукты горения активно загрязняют воздушный бассейн и, кроме того, создается опасность теплового взрыва.
Определение мест горения терриконов производится нами в два этапа. На первом этапе с помощью модернизированного нами инфракрасного лесопожарного авиадетектора «Тайга» выявляются участки поверхности террикона, разогретые до температуры 50°С и выше. С этой целью авиадетектор установлен на триггер теодолита и совмещен с его зрительной трубой. Вначале поверхность террикона сканируется с общим углом обзора 72°, затем на оптическую головку для детального определения мест разогрева устанавливается коллиматор с углом обзора 12° - 24°.
На втором этапе исследований с помощью контактного электрического термометра производится измерение температуры материала отвала на глубинах 0.2, 0.5, 1.0 и 2.5 м.
Электрический термометр проградуирован от ±0 °С до +750 °С, что позволяет охватить весь диапазон возможных в отвале температур. Этот вид исследований предпочтительно выполнять в утренние часы, либо в пасмурную погоду, чтобы максимально уменьшить влияние солнечной радиации. По указанной методике нами обследовано 5 терриконов шахт ГХК «Павлоградуголь», в кратчайшие сроки получены положительные результаты.
Рассмотрение методологических и физических основ разработанной авторами методики комплексных геологогеофизических исследований на подрабатываемых территориях свидетельствует о
том, что в комплексе с разумным объемом бурения разведочных скважин геофизические методы разведки можно успешно применять для изучения неблагоприятных физико-геологических процессов и явлений, протекающих в массиве горных пород:
- сдвижение горных пород и образование уступов земной поверхности при проведении в недрах горных работ,
- нарушение гидрогеологического режима в результате подработки, оползни на естественных и искусственных склонах,
- загрязнение подземных вод и грунтов промышленными стоками из гидротехнических сооружений,
- провальные явления над пустотами естественного и искусственного происхождения и т. д.
Специфические особенности геофизических методов исследований в варианте мониторинга позволяют однозначно зафиксировать любые изменения напря-женно-деформирован-ного состояния
массива горных пород непосредственно после проведения тех или иных горных работ в недрах территории.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ляховицкий В.И., Хмелевской В.К., Яцен-ко З.Г. Инженерная геофизика. - М.: Недра, 1989. - 262 с.
2. Матвеев В.С., Чубаров В.Н., Черняк Г.Я. и др. Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии. - М.: Недра, 1985. - 184 с.
3. Электрическое зондирование геологической среды. Ч.1. Под ред. Шевнина В.А., Хме-левского В.К. - М.: изд. МГУ, 1988.- 177 с.
4. Закревский Б.А. К вопросу о взаимосвязи деформаций земной поверхности с аномалиями геофизических полей. - В сб. Научные труды ВАГО. Геодезические работы на подрабатываемых территориях. - М.; изд. ВАГО, 1987.- с. 5З-57.
5. Закревский Б.А., Антюхов А.А. Применение эманационной съемки при изучении зо-
нальности распределения напряжений в оползневых склонах побережья Азовского моря. - В сб. Инженерно-технические изыскания и проектирование фундаментов в Донбассе. - Донецк, 1981. - с.24-26.
6. Соболев Е.Г., Закревский Б.А., Баженов А.П., Боровский В.А. Опыт геофизических работ на карьерах огнеупорного и карбонатного сырья Украины. - В сб. Скважинные и шахтнорудничные геофизические методы изучения минерального сырья. - М.: Недра, 1979. - с. 110-113.
7. Закревский Б.А. Опыт применения геофизических методов для целей строительного проектирования на подрабатываемых территориях Донбасса. - В сб. Инженерно-технические изыскания и проектирование фундаментов в Донбассе. - Донецк: 1981. - с.27-29.
_ Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------
Анциферов Андрей Владимирович - доктор технических наук, директор,
Тиркель Михаил Годелевич - кандидат технических наук, заместитель директора по научной работе,
Закревский Б.А. -
Украинский государственный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела НАН Украины (УкрНИМИ), г. Донецк.
