Прогнозирование зон скрытой фильтрации в грунтовом массиве при ведении открытых горных работ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

В. А. Хямяляинен, М.А. Кузнецов, 2005

УДК 622.271.333: 550.372

С.М. Простов, Е.В. Костюков, В.А. Хямяляйнен,

М.А. Кузнецов

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗОН СКРЫТОЙ ФИЛЬТРАЦИИ В ГРУНТОВОМ МАССИВЕ ПРИ ВЕДЕНИИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ*

Семинар № 2

ТТри ведении горных работ на уча-

И. стке ОАО "Бачатский угольный разрез" произошло резкое снижение устойчивости западного рабочего борта: имели место многочисленные оползни глинистых отложений различного объема с отдельными водопроявлениями, зафиксированными на глубине 13-17 м от земной поверхности. Обрушение борта происходило с оседанием на 3-4 м призмы прибортового массива. При этом в верхней части обрушения участок уступа высотой до 3-6 м имел угол откоса, близкий к 90о, а в нижней части он выполаживался до 20-30° Обрушение пород происходило с образованием трещин отрыва. На оползнеопасных участках производили отсыпку скальных вскрышных пород и бульдозерное планирование откоса до углов 15-20о, обеспечивающих стабильное состояние глинистых пород.

Основной причиной снижения устойчивости грунтов явилось образование обводненных зон в прибортовом массиве за счет фильтрации воды из намывных грунтов выведенного из эксплуатации гидроотвала Сагарлыкский, на поверхности которого был организован отвал вскрышных пород с высотой насыпного массива до 2030 м. Для отвода фильтрационных и поверхностных вод по границе Сагарлыкско-го гидроотвала был сооружен канал шириной 1,5-2 м и глубиной 1-2 м. С целью

выявления путей фильтрации грунтовых вод в прибортовом массиве были проведены геофизические исследования на участке длиной 2000-2200 м (вдоль бровки борта карьера) и шириной 300-500 м. Схема опытного участка представлена на рис. 1.

Для исследования прибортового массива было намечено 6 профилей: продольные О1х1 и О2х2, параллельные бровке борта; поперечные О1у1, О^у2, О3у3 и О4у4, расположенные в створе с зонами наиболее интенсивных оползней. Анализ геологического строения массива показал, что в пределах исследуемого участка происходит монотонное увеличение мощности слоя И глинистых отложений в направлении, обратном осям О1х1 и О 2х2, и в направлениях осей О1у1, О2у2, О3у3 и О4у4. Минимальные, максимальные значения И и координаты соответствующих отметок приведены в таблице.

Из геологических данных следует, что плоскость границы между рыхлыми грунтовыми отложениями и твердыми коренными породами имеет падение в сторону обнажения (борта карьера), что способствует сползанию глинистого массива по этой поверхности скольжения на участках насыщения грунтов влагой.

Поскольку под данными породами залегают значительные запасы угля, а развитие горных работ и перемещение борта

*Работа выполнена при поддержке РФФИ грант № 05-05-64100. 64

Параметры слоя Профиль

О 2х2 О* О4у4 О3у3 О2у2 Оіуі

^тт 7,0 20,0 3,0 3,0 17,0 23,0

(координата, м) (1520) (1250) (-450) (-450) (-350) (-450)

^тах 29,0 37,0 45,0 32,0 42,0 37,0

(координата, м) (-150) (-150) (-200) (300) (230) (20)

требует принятия специальных мер по повышению устойчивости, руководством УК "Кузбассразрезуголь" была поставлена задача установления зон скрытой фильтрации в прибортовом массиве.

Для решения этой задачи был применен бесскважинный геоэлектрический метод, основанный на связи электрофизических свойств пористых грунтов со степенью влагонасыщенности пор. Экспериментально-аналитические основы метода, схемы измерений и применяемая аппаратура описаны в [1]. Методика исследований состояла в следующем: в точках О1, О2 и О3 проводили вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) с максималь-

ным разносом питающих электродов АВтах = 300 м с целью установления расположения аномальной по удельному электросопротивлению (УЭС) зоны в глубине массива; по профилям О1х1 и О '2х2 проводили электропрофилирование (ЭП) с разносом, соответствующим середине аномальной зоны. Данная методика была ранее использована при прогнозе устойчивости техногенных массивов насыпных дамб [2].

Результаты ВЭЗ, приведенные на рис. 2, свидетельствуют о том, что водоносному коллектору соответствуют следующие интервалы на графиках:

Рис. 1. Схема исследуемого участка: 1 - профили зондирования и электропрофилирования; 2 -зоны наиболее интенсивных проявлений оползней; 3 - контуры выявленных зон скрытой фильтрации

Рис. 2. Прогноз глубины расположения водоносного коллектора по графикам ВЭЗ в точках О1 (а), О2 (б) и О3 (в): 1 - рыхлый почвенный слой; 2 - слой глинистых отложений; 3 - коренные породы; 4 - водоносный коллектор

Рис. 3. Прогноз расположения водоносных коллекторов в плане по графикам ЭП по профилям О 'х (а) и О1х1 (б)

АВ = 1°°-14° (х1 = °ХАВ = 7°-13° (х1= рыхлый почвенный слой 1 с относитель-

= 450 м), АВ = 120-150 (х1 = 1°5° м). На но высоким УЭС, слой глинистых отло-

графиках ВЭЗ уверенно выделяются три жений 2; коренные породы 3. Внутри

геоэлектрических слоя массива. слоя 2 границы водоносного

коллектора отмечаются резкими отрицательными аномалиями с амплитудой 10-15 %. Величина разноса, относящаяся к средине аномальной зоны, составила АВ = 120 м, что соответствует глубине зондирования к = 18 м.

Результаты ЭП приведены на рис. 3. Характерным является монотонное повышение среднего уровня эффективного УЭС рк в направлениях осей ОіХі и О 2х2 , отражающее уменьшение мощности к глинистого слоя. При отсутствии аномалий в данном слое взаимосвязь между величинами рк и к описывается следующей зависимостью [1]:

к( х) = / [рк(х)/ Р ]

к0 /(Рк0/ Р1) ’

где к0, рк0 - значения к и рк для начальной

точки графика ЭП; р - УЭС первого гео-электрического слоя (проводимостью почвенного слоя пренебрегают); /(рк /р1) -

решение прямой задачи электроразведки (палетка) для 2-слойной среды.

На фоне монотонных изменений рк зоны водоносных коллекторов выделяются

резкими отрицательными аномалиями с амплитудой до 25-30 %.

Обобщение результатов проведенных исследований позволило установить расположение зон скрытой фильтрации на плане участка (рис. 1, поз. 3) и в поперечных сечениях.

Для предотвращения оползней борта предложены следующие меры:

• устранение источника влагона-

сыщения грунтов (водоотводящего канала и отстойника);

• водопонижение через систему дренажных скважин на выявленном участке скрытой фильтрации в сочетании с возведением противофильтрационной завесы;

• приведение параметров уступа

борта в соответствие с изменившимися физико-механическими свойствами пород;

• укрепление борта (возведение

контрфорсов, удерживающих плит, штанг, канатов и др.).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические указания по контролю гео-механических и фильтрационных процессов в техногенных породо-грунтовых массивах гидротехнических сооружений горных предприятий комплексным геоэлектрическим методом/ ГУ КузГТУ, НФ "КУЗБАСС-НИИОГР". - Кемерово, 2003. - 42 с.

2. Костюков Е.В. Совершенствование методов прогноза устойчивости техногенных массивов гидротехнических сооружений на основе геоэлек-трического контроля их состояния/ Е.В. Костюков, С.М. Простов, С.П. Бахаева, С.И. Протасов// ГИАБ. - 2004. - №6. - С. 111-116.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------

Простов С.М. - доктор технических наук, профессор кафедры теоретической и геотехнической механики ГУ КузГТУ,

Костюков Е.В. - аспирант ГУ КузГТУ,

Хямяляйнен В.А. - доктор технических наук, заведующий кафедрой теоретической и геотехнической механики ГУ КузГТУ,

Кузнецов М.А. - руководитель группы геомеханических исследований НФ "КУЗБАСС-НИИОГР".