CC BY
131
------------------------------- © Г.Н. Шкабарня, Н.Г. Шкабарня,
2009
УДК 550.837:622.271.333
Г.Н. Шкабарня, Н.Г. Шкабарня
ОЦЕНКА СТРУКТУРНОЙ МОДЕЛИ ОПОЛЗНЕВЫХ ОТКОСОВ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ
и я ри разработке месторождений угля открытым способом
О. по бортам разрезов часто развиваются оползневые процессы, которые препятствуют устойчивой и эффективной работе горнодобывающих предприятий. Мероприятия по предотвращению оползней требует значительных финансовых затрат. Поэтому при планировании и эксплуатации угольных разрезов нужно знать геологическую обстановку и, в особенности, геометрию и прочностные свойства горных пород.
Конфигурация поверхностей скольжения определяется условиями напластования литологически различных пород, степенью их выветрелости и увлажнения, наличием тектонических нарушений и радом других геологических факторов. Все известные оползневые явления связаны, в основном, с глинистыми грунтами. Глины, встречающиеся в природе, очень разнообразны. Их разновидности составляют непрерывный ряд - от уплотненной глины, которая близка к сланцу, до очень мягкой.
С учётом закономерностей образования оползневых процессов особый интерес представляют те глины, которые кажутся плотными, но имеют своеобразную внутреннюю структуру, предопределяющую их необычайную пластичность. Смещение оползневых массивов по поверхности скольжения в глинах с высоким коэффициентом пластичности, начавшись с незначительных подвижек, может завершиться огромными перемещениями оползневых накоплений.
В песчаных и гравийных грунтах, которые относятся к зернистым материалам, возникают иные оползневые процессы. Здесь естественный уклон откосов, когда слагающие его песок или гравий пребывают в состоянии покоя, называют углом естественного откоса. Если борта угольных разрезов имеют наклоны выше угла ес-
тественного откоса, то опасность обрушения таких откосов настолько очевидна, что в них намерено делают уступы, чтобы искусственно сгладить излишнюю крутизну
Основными показателями прочности горных пород для расчётов устойчивости бортов являются характеристики сопротивления сдвигу, включающие сцепление С и угол внутреннего трения р. В «Правилах обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах» (СПб, 1998 г.) подробно описана система основных законов и моделей оползневых процессов, определяющая возможность и условия их возникновения, оценка устойчивости бортов и инженерно-технические мероприятия, повышающие устойчивость откосов.
Обоснованная оценка оползневой опасности на разрезах требует решения целого ряда задач, касающихся строения откосов, его литологического состава, состояния, свойств, условий залегания и мощностей отдельных слоёв, их водообильности и режима подземных вод. Изучение этих факторов и необходимых параметров является основой для проведения расчётов устойчивости откосов. Достоверное определение параметров зависит от количества скважин.
Учитывая, что оползневые массивы находятся под воздействием множества факторов, которые незакономерно изменяются в пространстве и во времени, обычно на площади массивов требуется густая сеть дорогостоящих скважин. Но бурение инженерногеологических скважин на площади откоса не всегда осуществимо. Поэтому в комплексе со скважинами целесообразно применять геофизические методы исследовании.
В силу своей пространственной и временной плотности результаты геофизических работ представляют особую ценность, поскольку дают детальную информацию о геометрических и прочностных параметрах горных пород на основе изучения физических полей. Как установлено [1], наибольшими преимуществами для решения этих задач обладает электрическая томография, которая постепенно вытесняет ранее применяемые модификации электрических зондирований и электропрофилирований.
Оценка структурно-тектонического строения оползневого склона с применением электрической томографии проводилась в пределах самого крупного в Приморье Бикинского буроугольного месторождения на разрезах «Лучегорский-1» и «Лучегорский-2». Здесь на протяжении всего строительства и эксплуатации разрезов
(с 1973 г.) наблюдались оползни бортов, значительно осложняющие добычу угля.
Наибольший объём исследований с помощью электрической томографии проводился на одном из участков разреза, который отличается самыми сложными инженерно-геологи-ческими и гидрогеологическими условиями. Эти условия характеризуются наклонным залеганием слоёв в сторону выработанного пространства под углами до 25°, наличием в кровле и почве угольных пластов слабых пластичных пропластков аргиллитов, а также ослабленных глинистых слоёв в четвертичных отложениях с низкими характеристиками сопротивления сдвигу, высокими напорами подземных вод из нижележащих невскрытых групп угольных пластов. Выше перечисленные условия являются главными факторами, отрицательно влияющими на устойчивость бортов разреза.
По данным последних инженерно-геологических работ с бурением пяти скважин на бровке борта разрез сверху представлен насыпным грунтом, почвенно-растительным слоем (до 1.5 м) и комплексом аллювиальных пород четвертичного возраста (до 21 м). Насыпной грунт включает суглинок со щебнем и дресвой, а также глины и аргиллито-алевролитовые породы вскрыши. Аллювиальные породы четвертичного возраста сложены преимущественно мягко- и тугопластичными глинами и суглинками, переходящими с глубиной в полутвердые суглинки и глины, песчаноглинистые отложения, иногда выделяются русловые гравийно-галечниновые образования. Слои и пропластки мягко- и тугопластичных пород, песчано-глинистые и гравийно-галичниковые отложения в разрезах по редким скважинам обычно не выделялись. Ниже четвертичного осадочного комплекса залегают реликтовые третичные покровные глины. Они мягкопластичные до текучепластичных, вскрытая мощность их колеблется в диапазоне 2^6 м. Отнесение этих отложений к покровным объясняется тем, что они присутствуют в кровле нижележащих палеогеовых образований независимо от орографии поверхности последних.
На границе третичных реликтовых глин и палеогеновых образований (верхняя угленосная толща) залегают полутвердые аргиллитоподобные суглинки мощностью до 1 м. Эти суглинки кальма-тируют кровлю палеогеновых образований и являются водоупорным горизонтом. Верхняя угленосная толща в этой части месторождения содержит до 15 групп пластов угля. Вмещающими порода-
ми являются алевролиты, аргиллиты, тонко- и мелкозернистые песчаники. Именно в этой толще выделяются слабые пластичные пропластки аргиллитов.
Особое внимание уделялось комплексу третичных глин, как одному из экзогенных факторов, способствующих оползнеобразо-ваниям при техногенном воздействии. Эти глины в естественном состоянии имеют мягкопластичную, текучепластичную или текучую консистенцию, которая зависит от условий питания их подземными водами. В современных условиях этот слой имеет высокую степень водонасыщения. О наличии свободной воды можно судить по границе установления уровня грунтовых вод после бурения скважин.
Ниже по борту ослабленными слоями являются нижнечетвертичные песчано-гравийные отложения, залегающие до отработки в основании аллювиальной глинистой толщи, а также пропластки пластичной глины в угленосной толще. Следует отметить, что литологический состав пород верхней части разреза рассматриваемого участка невыдержанный, характеризуется частыми фациальны-ми замещениями и выклиниваниями. Породы слабо литифициро-ваны: песчаники по свойствам близки к пескам, а алевролиты и аргиллиты - к супесям и глинам.
Основными задачами электрической томографии при оценке модели оползневых откосов были:
^ получение структурно-тектонического строения, включая определение геометрических и электрических параметров основных комплексов геологической среды;
^ обнаружение и пространственное прослеживание ослабленных слоев, связанных с мягкопластичными и пластичными глинами, обводненными песчано-гравийными либо техногенными отложениями;
^ исследование динамики развития инженерно - геологических элементов среды во времени.
От пространственной ориентировки ослабленных слоев в оползневом массиве в значительной степени зависят положение и форма поверхностей скольжения. Этот фактор является одним из решающих при оценке устойчивости откосов, сложенных слоистыми породами и грунтами при направлении падения слоев в сторону выработанного пространства.
Предполагалось, что плотная информация поля кажущихся сопротивлений по профилям и глубине может обеспечить получение сведений о пространственной ориентировке ослабленных слоёв и физических свойствах горных пород. Поэтому для решения поставленных задач предварительно проводилось моделирование электрических полей и изучение их закономерностей, используя результаты инженерно-геологических исследований.
На основе анализа данных моделирования установлено, что на площади оползневого массива с указанными параметрами вмещающих пород мягкопластичные глины выделяются и прослеживаются в поле кажущихся сопротивлений на практических матрицах в случае, если их мощность превышает 7 м. Этот вывод подтверждён при анализе более пяти десятков теоретических матриц, полученных на разных участках оползневого массива.
Опытно-методические работы электрической томографией выполнялись с помощью электротомографической аппаратуры SARIS. Исследования проводились по прямолинейным профилям, в основном, вдоль и параллельно бровке борта разреза. Большинство расстановок включало 75 электродов с расстоянием между ними 4.5 м и соответственно длина профиля составляла 333 м. Но есть отдельные расстановки по 100 электродов, для которых длина профиля составляла 445.5 м. Всего выполнено 24 профиля.
Исходные материалы наблюдений после трансляции на ПЭВМ составили основу базы данных. На первой стадии обработки проверялись качество замеров разности потенциалов и силы тока на основе анализа нормированного градиента. В среднем браковались до 5% замеров. На следующей стадии проводилось построение разрезов кажущихся сопротивлений. На основе детального анализа разрезов, сравнения их с теоретическими разрезами (функциями рк = /(г)), использования результатов моделирования получены сведения о закономерностях изменения удельных сопротивлений по глубине и профилям.
Количественная интерпретация осуществлялась с помощью программы Res2dinv, где для математического моделирования использовалась двумерная модель разреза. Для определения истинных удельных сопротивлений пород применялась схема инверсии наименьших квадратов. Использование информации о предварительных параметрах и результаты моделирования позволили существенно повысить качество интерпретации. В результате инверсии
получены геоэлектрические модели по каждому профилю в двух вариантах с меньшей и большей погрешностями сравнения практических и теоретических матриц. На моделях первого варианта видны детальные закономерности удельных сопротивлений, а на разрезах второго - грубое представление этих закономерностей.
На геоэлектрических разрезах установлены основные элементы структурно-тектонического строения площадей исследования. Высокими удельными сопротивлениями от 34 до 100 Омм выделяются сухие насыпные грунты, техногенные образования и гравийно-галечные отложения. Сопротивлениями в диапазоне 14^34 Омм отмечаются тугопластичные глины, суглинки и песчано-глинистые отложения. Интервалы разреза с сопротивлениями ниже 14 Омм соответствуют сильно обводненным породам разного состава, мягкопластичным и текучепластичным глинам. В качестве примера на рис. 1 приведены геоэлектрический разрез по профилю № 2 и по профилю № 5 на котором выполнены режимные наблюдения.
После истолкования геоэлектрических разрезов и наполнения их геологическим содержанием, привязки электрических горизонтов к литологическим комплексам с учётом коэффициента анизотропии по слоям построены 24 геолого-геофизичес-ких разреза. Здесь представлены окончательный разрез по профилю № 2 и его режимный повтор (рис. 2), на которых видны условия и характер залегания основных инженерно-геологических комплексов оползневого массива.
На площадях оползневого склона породные комплексы располагаются сверху вниз следующим образом:
1. Насыпные грунты ОФгу), местами погребенный почвеннорастительный слой мощностью от 1 м до 10 м с удельным сопротивлением 34^100 Омм.
Глины, суглинки, песчано-глинистые и песчано-гравийные отложения (aQIV) мощностью до 30 м с удельным сопротивлением от 14 до 34 Омм; глины и суглинки тугопластичные полутвёрдые имеют сопротивления 14^20 Омм, песчано-глинистые и песчаногравийные отложения - 20^34 Омм; среди этого комплекса вблизи поверхности уверенно выделяются линзы мягкопластичных глин с сопротивлением 10^15 Омм и мощностью до 10 м.
Depth Iteration 4 RMS error = 1.55 %
0.0 72.0 144 216 288 m.
8.0 9 6 11.5 13.8 16.6 20 24 29 34 41 50 59 71 86 103
Рис. 1. Геоэлектрические разрезы по профилю № 2 и его режимному повтору по профилю № 5
2. Третичные глины, мягкопластичные до текучепластичных (N1), сильно обводнённые аргилитоподобные суглинки (Р3- N1), мощность более 20 м, удельные сопротивления изменяются в пределах от 8 до 12 Омм.
Геологическое строение верхних двух комплексов характеризуется разными изменениями условий вдоль склона: наблюдаются частые фациальные замещения и выклинивания слоёв. Линзы мягкопластичных глин имеют локальное распространение. Переход тугопластичных глин вблизи поверхности в мягкопластичные происходит во времени.
Особый интерес среди пород второго комплекса представляют линзы мягкопластичных глин и суглинков. На профилях, которые расположены у бровки борта, они имеют локальное распространение. В середине склона и, особенно, ближе к выработанному пространству, линзы становятся более протяжёнными и мощность их увеличивается. Такая закономерность прослеживается не только по площади оползневого склона, но и во времени. Так, на представленных режимных наблюдениях с интервалом в шесть месяцев по профилю № 2 (повторный № 5), видно, что общая протяжённость мягкопластичных пород увеличилась на 44 м. При этом увеличилась и мощность глин примерно на 2-3 м. Отмеченные закономерности представляют факторы развития оползневых процессов.
На площадях, примыкающих к мульдовой части разреза, наблюдается другая последовательность залегания комплексов.
1. Насыпной грунт представлен видоизмененными до рыхлых песчаными, песчано-гравийными смесями, супесями с обломками пород различного состава ^^). Мощность их местами достигает 24 м, удельные сопротивления изменяются в диапазоне 20^80 Омм.
2. Угленосные отложения (Р3- N1), сложенные переслаивающими аргиллитами, алевролитами, песчаниками и бурыми углями; комплекс сильно обводнён и местами выходит на поверхность, удельные сопротивления изменяются от 8 до 18 Омм.
По направлению к мульде гидрогеологические условия характеризуются активной разгрузкой угленосного водоносного горизонта в вышележащие отложения. Минерализация вод повышается и поэтому удельные сопротивления местами уменьшаются. Здесь установлено пространственное поведение кровли водонасыщенной толщи, которая является поверхностью скольжения потенциального оползня.
ПР2 tG і v скв 4
ЗО -
Т h, М
3 4 | IV I 5 I аС) IV| 6 I Р-И, I 7 I X I 8 I @ I 9
Рис. 2. Геолого-геофизические модели для профилей 2 и 5: 1 - насыпной грунт; 2 - глины, глинистые породы; 3 - песчаноглинистые отложения; 4 - аргиллитоподобные суглинки; 5 - техногенные четвертичные отложения; 6 - отложения четвертичного возвраста, 7 - олигоцен-миоценовые отложения (глины и аргиллитоподобные суглинки); 8 - значения коэффициента анизотропии, 9 - значения удельного сопротивления
98
Главным результатом проведённых исследований является выделение ослабленных контактов, связанных с кровлей мягкопластичных глин или с кровлей водонасыщенных песчано-гравийных, песчано-глинистых пород. Закономерности поведения ослабленных контактов в пространстве и времени используются геологической службой разрезоуправления «Лучегорский» для оценки развития оползневых процессов.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бобачев А.А. Многоэлектродные электрические зондирования в условиях горизонтально-неоднородных сред. Разведочная геофизика: Обзор / А.А. Бобачев, И.Н. Модин, Е.В. Перваго, В.А. Шевнин. - М.,1996. - 50 с.
2. Горяинов Н.Н. Изучение оползней геофизическими методами / Н.Н. Го-ряинов, А.Н. Боголюбов, Н.М. Варламов. - М.: Недра, 1987. - 155 с.
3. Огильви АА Основы инженерной геофизики. - М.: Недра, 1990. - 501 с.
4. Мясник В. Ч Изучение структурно-тектонического строения угольных разрезов методом электрической томографии / В.Ч. Мясник, И.В. Калинин, Н.Г. Шкабарня, Г.Н. Шкабарня // Горный журнал. - 2006. - № 12. - С. 16-19.
5. Шкабарня Г.Н. Обоснование новой технологии электрической томографии для разведки угольных месторождений / Г.Н. Шкабарня, Н.Г. Шкабарня // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск: Дальний Восток. - 2007. - № ОВ 9. - С. 377-390.
6. Шкабарня Н.Г. Возможности методов электроразведки для оценки техногенных оползневых явлений на угольных разрезах / Н.Г. Шкабарня, А.И. Агошков, Г.Н. Шкабарня, В.Ч. Мясник, И.В. Калинин // Горный информационноаналитический бюллетень. Отдельный выпуск: Дальний Восток. - 2007. № ОВ 9. -С. 391-400.
7. Шкабарня Г.Н. Возможности и перспективы электрической томографии при детальном изучении геологической среды // ГеоИнжиниринг. - 2006. - № 1. -С. 48-51.
8. Шкабарня Н.Г. Электрическая томография при инженерно-геологических изысканиях / Н.Г. Шкабарня, Г.Н. Шкабарня, Б.Е. Голованов, В.В. Горелов // Вестник отделения строительных наук. - 2006. - Вып. № 10. - С. 262-271. ЕШ
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Шкабарня Н.Г. - доктор геолого-минералогических наук, профессор, зав. лабораторией
Институт горного дела ДВО РАН, Хабаровск.
E-mail: shkabarnya@mail.ru
Шкабарня Г.Н. - кандидат технических наук, научный сотрудник Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН, Владивосток, Email: pacific@vlad.ru______________________________________________
