CC BY
20
УДК 622:51-7
Буй Куок Зунг
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОМПЛЕКСНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
При инженерно-геологических исследованиях техногенных массивов КМА и Кузбасса разработаны и внедрены новые способы и средства зондирования техногенных массивов и дистанционного контроля их состояния. Большое распространение на отвалах рыхлых пород и гидроотвалах получил метод вращательного среза, который для части ядерных зон применяют с непосредственным задавливанием крыльчатого зонда (без бурения скважин). В МГИ-МГГУ совместно с ДИГЭС разработан ряд внедренных на объектах КМА и Кузбасса модификаций комбинированных зондов для определения параметров прочностных свойств и величины поро-вого давления. Сравнительно простым методом изучения состояния намывных массивов гидроотвалов и хвостохранилищ является статическое зондирование, по результатам которого судят об однородности техногенных отложений, их физико-механических свойствах и ориентировочно устанавливают границы внутренних зон этих сооружений. Анализ опыта зондирования внутренних зон гидроотвалов и хвостохранилищ выявил необходимость разработки нового типа зонда - многопараметрического, обеспечивающего одновременное получение информации об избыточном поровом давлении Ри, сопротивлении задавливанию зонда (пенетрации) д. и сопротивлении вращательному срезу т. Рациональным вариантом является использование комбинированного зонда МГГУ-ДИГЭС, устанавливаемого на штангах буровых машин с помощью переходного устройства. Необходимо автоматизировать процесс сбора данных о сопротивлении пенетрации, поровом давлении и моменте вращения крыльчатки, а также расчета степени уплотнения исследуемых слоев, их несущей способности и коэффициента запаса устойчивости системы техногенный массив-основание. Ключевые слова: комбинированный зонд, сопротивление пене-трации, сдвигу, поровое давление.
Высокий удельный вес открытого способа разработки российских месторождений полезных ископаемых свидетельствует о сохранении этого направления развития горнодобывающих отраслей. Производство открытых горных работ сопровождается формированием отвальных насыпей, хвосто-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 11. С. 365-372. © 2016. Буй Куок Зунг.
хранилищ, гидроотвалов. При этом воздействие на окружающую среду современных карьеров и техногенных массивов приобретает региональный характер.
Средняя высота отвальных насыпей в Кузбассе превышает 100 м, а в регионе КМА приближается к этой величине. Внедрение комплексного зондирования позволяет оперативно получать информацию о прочностных характеристиках отвальных масс и их оснований в условиях их реального напряженно-деформированного состояния [1,2].
При инженерно-геологических исследованиях техногенных массивов КМА и Кузбасса разработаны и внедрены новые способы и средства зондирования техногенных массивов и дистанционного контроля их состояния [3, 4]. Большое распространение на отвалах рыхлых пород и гидроотвалах получил метод вращательного среза, который для части ядерных зон применяют с непосредственным задавли-ванием крыльчатого зонда (без бурения скважин). Аппаратура, используемая при полевых работах, показана на рис. 1, 2, 3.
В МГИ-МГГУ совместно с ДИГЭС разработан ряд внедренных на объектах КМА и Кузбасса модификаций комбинированных зондов для определения параметров прочностных свойств и величины поро-вого давления (рис. 1, 3), защищенных авторским свидетельством и патентами РФ [№ 1649035 (1993), № 2025559 (1994)].
Сравнительно простым методом изучения состояния намывных массивов гидроотвалов и хвостохранилищ является статическое зондирование, по результатам которого судят об однородности техногенных отложений, их физико-механических свойствах и ориентировочно устанавливают границы внутренних зон этих сооружений. Для гидроотвалов Кузбасса ВНИМИ получена следующая зависимость между пределом прочности при вращательном срезе т (МПа • 10-1) и давлением задавли-
Рис. 1. Конструкция устройства для комплексного зондирования намывных грунтов: 1 — датчик порового давления; 2 — переходник; 3 — конус; 4 — пористый камень; 5—гид-равлический канал; 6 — лопатка
Рис. 2. Струнная аппаратура, используемая при проведении полевых работ: 1 — ПДС-3П (пьезодинамометр), 2 — комбинированный крыльча-тый зонд, 3 — пенетрометр, 4 — периодомер цифровой, 5 — ПДМ-40 (пьезодинамометр для высоких давлений), 6 — ШПД (штанговый пьезодинамометр), 7 — ДТС (датчик температур), 8 — ГД (грунтовый динамометр), 9 — ПДС (плоский пьезодинамометр)
Рис. 3. Комбинированные зонды МГГУ-ДИГЭС
вания #0(МПа • 10-1) конуса с площадью 10 см2 и углом при вершине 60°:
т = 0,073q0 - 0,002q02 (1)
Предел прочности на сдвиг т и давление задавливания зонда q0 изменялись соответственно в следующих пределах (МПа): 0,008-0,07 и 0,02-1,4. Для глинистых намывных пород выделены зоны с текучей, текучепластичной < 1 МПа) и мягко-пластичной консистенцией > 1 МПа).
Крыльчатое зондирование применяется для определения общего сопротивления сдвигу песчано-глинистых пород. Испытание заключается в срезе пород вращением вокруг продольной оси четырехлопастного наконечника, вдавленного в забой скважины. Срез породы происходит по цилиндрической поверхности. Во время испытания измеряют крутящий момент (М ) [4].
Для крыльчатого наконечника постоянная В определяется из выражения ^л / г-> \
В = ^(| + я) (2)
где Б, H — соответственно диаметр и высота крыльчатки.
Для комбинированного наконечника
в Ж
^ — КОН
О,
Нкр
(3)
где ^кон, Нкр соответственно диаметр конуса и высота крыльчатки.
Сопротивление сдвигу (вращательному срезу)
т = Мкр/В (4)
Показатель т обычно служит для определения значений С и Ф, используемых в инженерных расчетах. При зондировании водонасыщенных отложений текучей и пластичной консистенций, например, намывных породных масс гидроотвалов, их общее сопротивление сдвигу в расчетах принимается равным сцеплению, т.е. т = С.
В последние годы в практике инженерных изысканий на намывных объектах широко используют скважинное зондирование, позволяющее получать информацию о состоянии грунтов (по величине Ри), их прочностных (по величинам т, С, ф) и деформационных (по величине модуля деформации Е) свойствах [5].
Анализ опыта зондирования внутренних зон гидроотвалов и хвостохранилищ выявил необходимость разработки нового
типа зонда — многопараметрического, обеспечивающего одновременное получение информации об избыточном поровом давлении Ри (определяемом как разность между измеряемым общим давлением воды и гидростатическим давлением на глубине расположения водоприемной части зонда), сопротивлении задавливанию зонда (пенетрации) qi и сопротивлении вращательному срезу т. Общий вид комбинированных струнных зондов конструкции МГГУ-ДИГЭС, на которые получены патенты России, представлен на рис. 3. Конструкции зондов предусматривают возможность использования в качестве измерителей как струнных, так и тензометрических датчиков.
Например, зонд комплексного зондирования включает в себя корпус, продольные лопасти и измеритель порового давления с приемными фильтрами и измерителем давления жидкости с датчиком. В полом корпусе, снабженном коническим наконечником, размещен измеритель давления жидкости и на наружной поверхности закреплены продольные лопасти. Приемные фильтры выполнены в виде пористого камня, заполняющего расположенные между продольными лопастями радиальные отверстия в корпусе устройства.
Для комплексного зондирования предназначена модификация зонда, представляющая собой стальной полый корпус с наконечником, на котором закреплены четыре взаимно перпендикулярные продольные лопасти. Датчик порового давления размещается внутри корпуса и посредством приемных фильтров и каналов в лопастях гидравлически связан с внешней средой, воспринимая давление поровой жидкости. Система каналов и фильтр заполнены невытекающей дегазированной жидкостью, что обеспечивает минимальное время передачи давления в порах грунта на датчик.
Необходимость исследования состояния, состава и физико-механических свойств горных пород возникает при решении многих инженерно-геологических задач, геоэкологических исследованиях, изучении различных видов загрязнений геологической среды, изучении свойств техногенных отложений, радиоэкологических исследованиях и др. [2].
Большой цикл научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ привел к формированию нового направления исследований на стыке инженерной геологии и каротажной геофизики — созданию метода пенетрационного каротажа [2]. Отечественная пенетрационно-каротажная станция, разработанная ВСЕГИНГЕО и СКБ «Геотехника», представляет со-
бой вдавливающее устройство на транспортной базе высокой проходимости и аппаратурный комплекс, состоящий из измерительного зонда, приемопередающего устройства и полевого вычислительного комплекса (рис. 4). За рубежом статическое зондирование выполняется установками Гоуда, Фугро (Норвегия), Боррос (Швеция), Геомил (Финляндия — Швеция), Ван-ден-Берг (Голландия — США), Пагани (Италия) и др. [5, 6]. Однако стоимость этих установок в разы превышает стоимость российского оборудования при сопоставимых технических данных.
На объектах ЛГОКа и СГОКа работала установка СПК-Т со сцинцилляционным детектором гамма-каротажа, определяющим естественный радиоактивный фон. В результате полевых испытаний горных пород определяют: удельное сопротивление породы наконечнику зонда — R, МПа; удельное трение породы по боковой поверхности зонда — Т, МПа; объемную влажность породы нейтрон-нейтронным каротажом (ННК) — Wo, в долях единицы; плотность породы гамма-гамма каротажом (ГГК) — у, т/м3 ; естественную радиоактивность породы гамма-каротажом (ГК) — I, мкР/ч; однородность горных пород, исходя из значений R, Т, I; вид пород по отношению R/T и значения I; количественную оценку механических, фильтрационных, просадочных физических характеристик пород. Запись информации при проведении испытаний осуществляется синхронно, по мере вдавливания зонда, с помощью датчика глубины. С использованием станции СПК-Т проведено зондирование естественных оснований хвостохранилищ Лебединского и Стойленского ГОКов КМА, намывного массива гидроотвала «Березовый Лог» и насыпного массива мелового отвала Стойленского ГОКа [6].
Рис. 4. Общий вид станции СПК-
Анализ ситуации с комплексным зондированием в условиях ограниченного финансирования инженерно-геологических исследований различного назначения показывает, что рациональным вариантом является использование комбинированного зонда МГГУ-ДИГЭС, устанавливаемого на штангах буровых машин с помощью переходного устройства. Необходимо автоматизировать процесс сбора данных о сопротивлении пе-нетрации, поровом давлении и моменте вращения крыльчатки, а также расчета степени уплотнения исследуемых слоев, их несущей способности и коэффициента запаса устойчивости системы техногенный массив-основание.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аноров Н. Н., Гальперин А. М. Аппаратура для измерения порового давления и возможности ее применения в горнотехнической практике. Научные труды МИРГЭМ. Сборник 50. - М., 1964. - С. 200-206.
2. Грязнов Т. А. Оценка показателей свойств пород полевыми методами. - М.: Недра, 1984. - 197 с.
3. ГОСТ25260-82. Породы горные Метод полевого испытания пене-трационным каротажом.
4. ГОСТ 20276-2012. Метод вращательного среза. - С. 17-19.
5. Galperin А. М. Using of Man-Made Massives in Russian Mining (Engineering-Geological Aspects). Proc. of XXII IAEG Congress, Vol. 6. Engineering Geology for Society and Territory, Torino, Italy, 2014, pp. 1057-1062.
6. Гальперин А. М., Кутепов Ю. И., Кириченко Ю. В. и др. Освоение техногенных массивов на горных предприятиях. - М.: Изд-во «Горная книга», 2012. - 336 с. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРE
Буй Куок Зунг - аспирант, МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: ud@msmu.ru.
UDC 622:51-7
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 11, pp. 365-372. Bui Quoc Dung
PROSPECTS OF THE COMPLEX PROBING AT THE MINING ENTERPRISES
Under the engineering-geological man-made massives of the KMA and KUZBASS new ways and means of the man-made massives' probing and the remote monitoring of their state has been elaborated and introduced. The method of rotary cut at the loose rock dumps and the hydraulic dumps was widely spread. It is used in some nuclear areas with the direct crushing of the vane probe ( without drilling wells).
In MSI-MSMU shared with the DIGES there were worked out a number of the introduced modifications of the combined probes to define parameters of strength properties and values of the porous pressure at the KMA and KUZBASS objects.
Comparatively simple method of the studying the state of the filling structures of the hydraulic dumps and tailing dams is the static probing the results of which are told of the uniformity of the man-made deposits and their physical-mechanical properties and approximately established the boarders of the inner zones of these structures.
Analyses of the probing of the inner zones at the hydraulic dumps and the tailing dams has singled out the necessity of the developing of the new type of probe- multivariable probe which provides simultaneous receiving of information about the excess pore pressure Pu ( defining as the difference between the measured common water pressure and hydrostatic pressure at the depth of the water intake probe's part), resistance of the probe's crushing (penetration) and resistance to the rotary cut.
Analyses of the situation with the complex probing under the conditions of the limited financing of the engineering-geological investigations of the different types shows that the rational variant is using of the combined probe MSMU-DIGES maintained on the rod rigs with the help of the transitional device. It is necessary to automate the process of collecting data of the penetration resistance, pore pressure and the moment of the rotation of the impeller, but also calculation of the degree of compaction of the investigating layers their bearing capacity and the coefficient of the stability margin of the man-made massive system - foundation.
Key words: combined probe, penetration resistance to shear, porous pressure.
AUTHOR
Bui Quoc Dung, Graduate Student,
Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia, e-mail: ud@msmu.ru.
REFERENCES
1. Anorov N. N., Gal'perin A. M. Apparatura dlya izmereniya porovogo davleniya i vozmozhnosti ee primeneniya v gornotekhnicheskoy praktike. Nauchnye trudy MIRGEM. Sbornik 50 (Apparatus for measuring the pore pressure and possibility for applying it in the mining-engineering practice. Science works MIRGEM. Collection 50), Moscow, 1964, pp. 200-206.
2. Gryaznov T. A. Otsenka pokazateley svoystv porod polevymi metodami (Assessment of the properties rock characteristics by the field methods), Moscow, Nedra, 1984, 197 p.
3. Porody gornye Metodpolevogo ispytaniyapenetratsionnym karotazhom. GOST25260-82 (Mining rocks. Method of the field testing by the penetrating logging. State Standart 25260-82).
4. Metod vrashchatel'nogo sreza. GOST 20276-2012 (Method of the rotary cut. State Standart 20276-2012), pp. 17-19.
5. Galperin A. M. Using of Man-Made Massives in Russian Mining (Engineering-Geological Aspects). Proc. of XXIIIAEG Congress, Vol. 6. Engineering Geology for Society and Territory, Torino, Italy, 2014, pp. 1057-1062.
6. Gal'perin A. M., Kutepov Yu. I., Kirichenko Yu. V. Osvoenie tekhnogennykh massivov na gornykh predpriyatiyakh (Provision of the man-made massives at the mining enterprises), Moscow, Izd-vo «Gornaya kniga», 2012, 336 p.
