Прогноз безопасного состояния намывного массива участка открытых горных работ на основе гидрогеологического мониторинга Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

УДК 622.271.333: 624.131.5

С. М. Простов, Е. В. Костюков, С. П. Бахаева,

М. А. Кузнецов, Р. Ю. Сорокин, А. В.Щупаковский

ПРОГНОЗ БЕЗОПАСНОГО СОСТОЯНИЯ НАМЫВНОГО МАССИВА УЧАСТКА ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ НА ОСНОВЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

С 2002 г. НФ "КУЗБАСС-НИИОГР" совместно с ГУ Куз-ГТУ ведутся инструментальные геолого-геофизические и маркшейдерские наблюдения1 за

геомеханическими и гидродинамическими процессами, протекающими в массиве намыв-

серого цвета, плотными, полутвердой консистенции.

Безопасное состояние массивов, сложенных слабыми водонасыщенными породами, определяют на основании расчетов устойчивости. В соответствии с нормативно-

сивов из слабых водонасыщенных пород определяют расчетами устойчивости методом алгебраического суммирования сил по наиболее напряженной криволинейной поверхности. Положение вероятной поверхности скольжения определяют

обрушения: УГВ - уровень грунтовых вод; Нп, - избыточное поровое давление; Нст - статический уровень напора; а- результирующий угол наклона откоса

ных глинистых пород гидроотвала №3 Кедровского угольного разреза и сооруженной на нем перемычки из насыпных пород

[1]. Намывной грунт представлен двумя основными слоями влагонасыщенных суглинков:

мягкой и тугопластичной консистенции; текуче- и текучепластичной консистенции. Верхний слой основания намывного массива сложен влагонасыщенными суглинками, аллювиальными

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ по проекту №05-05-64100

методическими документами величина коэффициента запаса устойчивости для намывных массивов должна составлять не менее 1,2 [2]. Несоответствие параметров откосов условиям устойчивости приводит к развитию оползней, которые по положению поверхности скольжения относительно основания делятся на подподошвенные, подошвенные и надподошвен-ные. Трем выделенным типам потенциальных оползней соответствуют расчетные схемы и методики расчета оптимальных параметров объекта.

Параметры намывных мас-

следующими условиями (рис. 1): в верхней части откоса эта поверхность проходит под углом 45° + ф/2 к линии горизонта; в нижней части она составляет с поверхностью откоса угол 45° - ф/2. По этим условиям строят ряд (не менее 3-4) плавных криволинейных поверхностей, из которых выбирают наиболее напряженную.

Учет гидростатических и гидродинамических сил в расчетах устойчивости производят следующим образом. На геологическом разрезе определяют наиболее напряженную поверхность скольжения. В массиве

Технические характеристики аппаратуры САП-1М

Рабочий диапазон измерения периода - 400..2000 мкс

Амплитуда входного сигнала......... - не менее 2 мВ

Количество каналов.................. - 10

Погрешность измерения................ - не более 0,1%

Амплитуда импульса возбуждения... - не менее 80 В (при

ип = 4 В)

Объем памяти....................... - до 64500 отсчетов

Период измерения..................... - от 6 с до 24 час

находят положение депресси-онной поверхности и линий равных напоров, для чего используют данные натурных измерений или аналитические расчеты. Если в массиве ожидается возникновение избыточного порового давления, то его учитывают в расчетах путем увеличения напоров на величину водного столба соответствующей высоты. Для каждого блока полученной призмы определяют силу гидростатического взвешивания

Ф1=ув(Н1-У,)а1 /соъа1 (1)

где И - средний напор в пределах блока, м; Уа - средняя ордината скольжения в пределах блока (ее отсчитывают от произвольно выбранной горизонтальной плоскости АА'), м; а, -ширина блока, м; ув - удельный вес воды, кН/м3.

Коэффициент запаса устойчивости откоса в этом случае определяют по формуле п

£(р соъа, - Ф, + СД

п = 4=1-------------------------

Ер ът аа

(2)

где Ра - вес пород блока вместе с заключенной в нем водой; ф и С - угол внутреннего трения и сцепление; I, - длина а-го участка кривой скольжения; п - число блоков.

В случае, если силы сцепления и трения не могут быть представлены отдельными характеристиками сцепления С и угла внутреннего трения ф, расчет устойчивости производят в следующем порядке:

- в серединах оснований блоков, на которые разбивается призма, определяют касатель-

ные тс и нормальные ап напряжения по формулам

°п = каГсоъ а ; (3)

тс = 0,5кауът2аа , (4)

где к - высота отдельного блока, м; а, - угол наклона основания блока, град; у- удельный вес породы, кН/м3;

- расчетную поверхность с отмеченными серединами оснований блоков развертывают в горизонтальную прямую и в каждой отмеченной точке по оси ординат откладывают отрезки, соответствующие касательным напряжениям тс, концы которых соединяют; площадь, ограниченная осью абсцисс и этой кривой, выражает сумму сдвигающих сил, действующих по расчетной поверхности;

- по графикам сопротивления сдвигу пород при соответствующих нормальных напряжениях определяют сопротивления сдвигу, величины которых также откладывают по оси ординат и соединяют между собой; площадь этой эпюры выражает сумму удерживающих сил £ту, а коэффициент запаса устойчивости рассчитывают по отношению

п = Ъту/ЪТс . (5)

Для инструментальных наблюдений за поровым давлением жидкости в намывном слое были оборудованы три контрольные скважины. Для мониторинга применяли скважинный автоматический периодомер САП-1М конструкции ВНИМИ, предназначенный для измерения в автоматическом режиме периодов колебаний струнных датчиков давления типа ПДС,

накопления результатов измерения в энергонезависимой памяти и последующем выводе их на компьютер [3].

Принцип измерения аппаратуры САП-1М заключается в подаче короткого высоковольтного импульса на обмотку возбуждения датчика и измерении периода свободных затухающих колебаний, наводимых струной датчика в обмотке, после снятия импульса возбуждения. Период колебаний зависит от внешнего давления на мембрану датчика. Устройство запоминает результаты измерений во внутренней энергонезависимой памяти, что позволяет записывать данные по 10 каналам с периодом измерения 1 час в течение 268 суток. Данные могут быть в любой момент считаны в компьютер по стандартному последовательному интерфейсу Я8-232. Устройство имеет два режима работы: "Регистрация" и "Компьютер". В режим "Компьютер" устройство автоматически переходит при подключении кабеля связи к разъему на блоке питания. В этом режиме управляющая программа в компьютере позволяет программировать, тестировать устройство и считывать накопленные данные. В режим "Регистрация" устройство переходит при включении питания, если кабель связи не подключен, или автоматически после отключения кабеля от разъема на блоке питания. В режиме "Регистрация" устройство производит опрос датчиков с заданным периодом от 6 с до 24 ч. Список опрашиваемых датчиков (каналов) записывается при программировании режима работы. В остальное время устройство находится в "ждущем" режиме, потребляя минимальную энергию. Расположение датчиков в скважинах на опытном участке показано на рис 2.

Ниже приведены результаты расчетов по прогнозу устойчивости намывного массива, выполненные по результатам комплексных геолого-

-354м

-►И-

■ 320м-

Скв. С2-2002

Скв. С3-2004 215,9

V

21

33

208

266

527

1в

л/ _ — / Л/ I ✓V — |

Рис 2. Схема расположения датчиков порового давления в скважинах:

1 - техногенный грунт, представлен суглинком дресвяным, твердым;

1а - насыпной грунт, представлен глыбовым и дресвяно-щебнистым грунтом;

1б - намывной грунт представлен суглинком мягкой и тугопластичной консистенции, насыщенным водой; 1в - намывной грунт, представлен суглинком текуче- и текучепластичной консистенции, насыщенным водой; 5 - суглинок серого цвета, аллювиальный, полутвердой консистенции, плотный, насыщенный водой; 11 - аргиллит серый, выветрелый до глины твердой, очень плотный, маловлажный, с включением щебня до 20 %; 18 - скальный грунт, представлен аргиллитом прочным, трещиноватым; справа от места установки датчика - номер датчика, слева - глубина установки датчика

инструментальных исследований.

По данным проведенных инженерно-геологических изысканий и маркшейдерских из-

нии.

Коэффициент запаса устойчивости определяли для следующих условий: при фактическом поровом давлении; с от-

скольжения АС, поскольку первый участок находится ближе к забою, чем второй. Вместе с тем, величина п по поверхности АО меньше, чем по другим по-

Таблица 1

Изменение коэффициента запаса устойчивости намывного массива в зависимости

Поверхность скольжения Коэффициенты запаса устойчивости п

С учетом порового давления и гидростатического давления воды Без учета порового давления, но с учетом гидростатического давления воды Без учета порового давления и гидростатического давления воды

АВ 1,33 1,66 2,28

АС 1,73 2,38 3,35

АО 1,28 2,03 2,72

мерений намывного массива построен разрез по линии скв. С2-2002 (т. Б) - скв. С2-2004 (т. С) - скв. С3-2004 (т. В) - забой гидромонитора №4, отметка 200 м (т. А) (рис. 3). По результатам пьезометрических измерений построены изогипсы порового давления. С использованием описанной выше методики и полученных в результате испытаний образцов физикомеханических свойств пород построен ряд потенциальных поверхностей скольжения. Получившиеся области вероятного сплыва, ограниченные поверхностями скольжения, разбиты на блоки, для каждого из которых определяли поровое давление, действующее в его основа-

сутствием порового давления, но с учетом действия гидростатического давления поровой воды; с отсутствием порового давления и воды в расчетной зоне массива.

Основные результаты расчетов приведены в табл.1.

Как следует из табл. 1, фактические коэффициенты запаса устойчивости превышают минимально допустимый (п = 1,2), то есть намывной массив находится в устойчивом состоянии. Влияние гидродинамических и гидростатических сил приводит к снижению величины п соответственно в 1,25 и 1,71 раз. В частности, величина п по поверхности скольжения АВ меньше, чем по поверхности

верхностям, несмотря на то, что она является самой удаленной от забоя и более пологой. Это обусловлено тем, что поверхность скольжения АО проходит в области действия высоконапряженного ядра, которое и выводит эту часть массива из устойчивого состояния.

Слаболитифицированные мягкие глинистые грунты техногенных намывных массивов преимущественно характеризуются водно-коллоидными

структурными связями, прочность которых в значительной степени зависит от влажности. В естественном напряженном состоянии нагрузки, возникающие в массиве, воспринимаются скелетом грунта и водой, нахо-

дящейся в порах. Ведение гидромеханизированных работ по смыву гидроотвала приводит к неизбежному деформированию прилегающего к забою массива в виде сплыва. По теоретическим представлениям д.т.н., проф. Ю. И. Кутепова (ВНИ-МИ) при деформациях в массиве возникают растягивающие напряжения, которые приводят к нарушению его сплошности и

разрушению скелета грунта, поэтому та часть нагрузок, которая ранее воспринималась скелетом, передается на воду, заключенную в порах. В результате этого в грунте возникает избыточное поровое давление. Соответственно, период, предшествующий сплыву массива, будет характеризоваться максимальными напряжениями в скелете твердой фазы массива.

Процесс формирования сплыва от момента увеличения растягивающих напряжений (начальный этап) до полного формирования поверхности скольжения и сплыва массива характеризуется продолжительным периодом времени, что делает этот процесс прогнозируемым. Эта идея и заложена в основу мониторинга безопасности намывных массивов участ-

ности скольжения; 2 - изолинии порового давления

Таблица 2

Максимальные (критические) значения порового давления по блокам при достижении коэффициента запаса устойчивости

____________________________п = 1,2____________________________

Номер блока Максимальное поровое давление, м. вод. ст. (МПа)

АВ АС АО

1 2,5 (0,025) 8,8 (0,088) 3,1 (0,031)

2 3,5 (0,035) 17,9 (0,179) 11,8 (0,118)

3 3,5 (0,035) 11,3 (0,113) 16,8 (0,168)

4 3 (0,03) 10,9 (0,109) 17,3 (0,173)

5 3 (0,03) 8,4 (0,084) 11,6 (0,116)

6 2,5 (0,025) 6 (0,06) 7,5 (0,075)

7 2,5 (0,025) 5,4 (0,054) 4,8 (0,048)

8 2 (0,02) 4,8 (0,048) 2,7 (0,027)

9 2 (0,02) 4,3 (0,043) 1,7 (0,017)

10 2 (0,02) 3,8 (0,038) 0,7 (0,007)

11 2 (0,02) - -

ков открытых горных работ. Приведенные в табл. 1 значения коэффициентов запаса устойчивости определены для фактического состояния массива с учетом натурных наблюдений за поровым давлением по станциям гидрогеомеханического контроля. Из приведенных выше теоретических представлений следует, что основным критерием устойчивого состояния намывного массива является давление воды в порах грунта. Для нахождения критических значений порового давления расчеты устойчивости были повторены, при этом изменяли величину

порового давления в каждом расчетном блоке до тех пор, пока коэффициент запаса устойчивости не становился равным нормативному (п = 1,2).

Анализ полученных результатов (табл. 2) показал, что для перехода массива в предельнонапряженное состояние поровое давление должно в среднем увеличиться в 1,2 раза. При этом следует отметить, что при "отдыхе" массива (прекращении гидромеханизированных работ в зимний период, отступлении фронта работ на периферию разрабатываемого участка и т. п.) происходит рассеивание

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

порового давление и его снижение.

Так как технически мониторинг порового давления может осуществляется в дискретных точках, а не во всех блоках вдоль поверхности скольжения, были определены критические значения порового давления в точках установки пьезометрических датчиков (рис. 2). Расчетные значения критического порового давления представлены в табл. 3.

Таблица 3

Критические значения порово-го давления в точках установки скважинных датчиков

№ дат- чика Величина порового давления , м. вод. ст. (МПа)

скв. С2-2002

201 4,5 (0,045)

465 12,5 (0,125)

скв. С2-2004

859 11 (0,11)

скв. С3-2004

208 7 (0,07)

Приведенные в работе новые подходы к прогнозу устойчивости намывного массива и конкретные результаты их применения будут способствовать безопасности ведения горных работ.

1. Кузнецов, М. А. Маркшейдерско-геофизический мониторинг состояния глинистых горных пород борта Кедровского угольного разреза /М.А. Кузнецов, С.М. Простов, С.П. Бахаева, Е. В. Костюков, Е.А. Серегин // Безопасность жизнедеятельности предприятий угольных регионов : М-лы VI Межд. науч.-практ. конф. - Кемерово, ГУ КузГТУ. - С. 179-182.

2. Указания по методам геомеханического обоснования оптимальных параметров гидроотвалов и отвалов на слабых основаниях. Часть II. Обоснование оптимальных параметров отвальных сооружений / М-во угольной пром-ти СССР. Всесоюзн. ордена Трудового Красного Знамени науч.-исслед. ин-т горн. геомех. и маркшейд. дела. - Л.: 1990. - 55 с.

3. Бахаева, С. П. Исследование гидрогеомеханических процессов техногенных массивов / С. П. Бахаева, С. И. Протасов, Е. В. Костюков, А. И. Федосеев, С. В. Практика. - Вестн. КузГТУ. - 2005. - №3. - С. 41-45.

□Авторы статьи:

Простов Сергей Михайлович - докт.техн.наук, проф. каф. теоретической и геотехнической механики

Костюков Евгений Владимирович - канд.техн.наук, ст. преп. каф. теоретической и геотехнической механики

Сорокин Роман Юрьевич - инженер каф. электропривода и автоматики

Бахаева Светлана Петровна - канд.техн.наук, зам. директора НФ "КУЗБАСС-НИИОГР"

Щупаковский Александр Владимирович - студент гр. ФП-001

Кузнецов Максим Аркадьевич - аспирант каф. теоретической и геотехнической механики