CC BY
27
--© Ю.И. Кутепов, H.A. Кутепова,
C.B. Практика, Г.Л. Мильман, 2012
УДК 622.271.6:622.271:622.693.25
Ю.И. Кутепов, H.A. Кутепова, C.B. Практика, Г.П. Мильман
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И МЕТОДИКА ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ОТВАЛЬНЫХ НАСЫПЕЙ И НАМЫВЕ ГИДРООТВАЛОВ
Рассмотрены технические средства и методика гидрогеомеханического мониторинга при формировании отвальных насыпей и намыве гидроотвалов, приведен пример контроля порового давления в породах основания формируемой отвальной насыпи, рассмотрены гидрогеомеханические условия возникновения подпо-дошвенного оползня.
Ключевые слова: гидроотвалы, мониторинг безопасности, наблюдательные скважины, отвальные насыпи.
Согласно Федеральным Законам № 116-ФЗ "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" и № 117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений» обеспечение безопасности горных работ при формировании отвалов и гидроотвалов на горных предприятиях должно осуществляться при постоянном контроле их состояния, который выполняется обычно в рамках систем мониторинга безопасности. Задачи, объекты, функции мониторинга безопасности, а также требования к его организации, определены «Инструкцией о порядке ведения мониторинга безопасности гидротехнических сооружений предприятий, организаций, подконтрольных органам Госгортехнадзора России» и «Временным положением о горно-геологическом мониторинге».
Мониторинг безопасности осуществляется с целью обеспечения постоянного контроля состояния горнотехнических и гидротехниче-
ских сооружений, предотвращения возникновения аварийных ситуаций и создания условий безопасной эксплуатации и ведения на них горных работ. Одной из основных задач мониторинга является контроль состояния устойчивости внешних откосов сооружений.
Цели и задачи мониторинга безопасности достигаются посредством организации системы постоянных (непрерывных) визуальных и инструментальных (в том числе автоматизированных, дистанционных) наблюдений, обеспечивающих получение качественной и достоверной информации в необходимых объемах. Измерения и наблюдения выполняют с использованием различных методов и средств контроля, в том числе гидрогеомеханического.
Гидрогеомеханический мониторинг — система натурных измерений и наблюдений за изменением инженерно-геологических условий сооружений и управления гидрогеомехани-ческими процессами, необходимая
для оценки и прогноза состояния устойчивости отвальных насыпей, плотин и дамб, условий работы горнотранспортного оборудования, а также выдачи рекомендаций по предупреждению возникновения опасных деформаций.
Гидрогеомеханический мониторинг выполняет следующие функции:
• регистрация изменений строения, состава, напряженно-деформированного состояния и физико-механических свойств пород намывных и насыпных техногенных массивов, оснований сооружений, тел плотин и дамб, а также гидродинамического режима подземных вод естественных водоносных горизонтов в основаниях сооружений;
• оценка состояния устойчивости сооружения и прогноз возникновения опасных деформаций в связи с зарегистрированными инженерно-геологическими и гидрогеологическими изменениями.
Основными контролируемыми параметрами, оказывающими определяющее и непосредственное влияние на состояние устойчивости сооружений в целом или отдельных их элементов (ярусов), являются:
• уровни воды в техногенных массивах сооружений и их основаниях;
• поровое давление (напор) в породах техногенных массивов сооружений и их оснований;
• физико-механические свойства пород (плотность, характеристики сопротивления сдвигу и др.).
Дополнительные контролируемые объекты оказывают влияние на изменение основных контролируемых параметров или являются признаком снижения степени безопасности сооружения. К ним относятся: фильтрационные выходы на откосах, выпоры и заболачиваемость пород основания у нижней
бровки, эрозионный размыв откосов, нарушение сплошности тела дамб, образование трещин, утечки пульпы из неисправных пульповодов и др.
Для выполнения гидрогеомехани-ческого мониторинга организуется оптимальная пространственно-временная система, включающая стационарную режимную сеть наблюдательных скважин за изменением основных контролируемых параметров — гид-рогеомеханическая станция. Станция обычно состоит из одного или нескольких профилей наблюдательных скважин, расположенных на откосах сооружения перпендикулярно их простиранию. Для наблюдений выбираются наиболее ответственные участки откосов, характеризующиеся наихудшими условиями устойчивости. Рекомендуется закладка наблюдательных станций на участках с наибольшей мощностью намывных пород, приуроченных к понижениям естественного рельефа (в тальвегах логов), с повышенной мощностью песчано-глинистых отложений в основании плотин и намывного массива, на участках примыкания к дамбам прудковой зоны.
Скважины наблюдательной станции оборудуются контрольно-измерительной аппаратурой для замеров по-рового давления в породах призмы возможного оползания, а также напоров естественных водоносных горизонтов в основании сооружения. Для этих целей целесообразно использовать дистанционно считываемую аппаратуру. Из серийно выпускаемых приборов рекомендуются датчики струнного типа ПДС конструкции ПО «Спецэнергоавтоматика».
Датчики устанавливают в процессе бурения скважин в водонасыщенные пылевато-глинистые породы намывного массива и обводненные слои естественного основания. Необходимое
количество приборов и точек расположения их в массиве определяется, исходя из требования получения полной информации о распределении порового давления (напоров) в пределах призмы возможного оползания откоса сооружения на участке наблюдений.
При оборудовании наблюдательной станции гидрогеомеханического мониторинга следует проводить инженерно-геологические исследования, направленные на уточнение строения откосных частей сооружения на контролируемых участках, определение расчетных параметров физико-механических свойств пород, закладываемых в гидрогеомеханиче-скую модель откоса. Для этих целей в процессе бурения наблюдательных скважин производят описание керна, отбор монолитов для лабораторного изучения. В лаборатории определяют показатели физического состояния пород (плотность, влажность, консистенция), параметры сопротивления сдвигу.
Оценка состояния устойчивости контролируемых сооружений по результатам гидрогеомеханического мониторинга осуществляется двумя способами. Первый способ — непосредственный расчет коэффициента запаса устойчивости откоса с использованием фактически замеренных величин порового давления и положения де-прессионной поверхности, выполняемый на ЭВМ на базе разработанной гидрогеомеханической схемы, охарактеризованной соответствующими для данного этапа эксплуатации сооружения строением, геометрическими параметрами и показателями физико-механических свойств. Второй способ состоит в сравнении замеренных величин порового давления со значениями критериев безопасности (предельно-допустимым и крити-
ческим значением порового давления), рассчитанными заранее для конкретного этапа эксплуатации сооружения.
Согласно нормативам в области обеспечения безопасности гидротехнических сооружений понятие «критерии безопасности» означает предельные значения количественных и качественных показателей состояния сооружения и условий его эксплуатации, соответствующие допустимому уровню риска аварии. В качестве критериев безопасности в системе гидрогеомеханического мониторинга предлагается использовать следующие показатели.
Критерии 1-ого уровня — значения порового давления (Ри1) по каждому датчику, соответствующие распределению порового давления в пределах призмы возможного оползания, при котором коэффициент запаса устойчивости (по наиболее напряженной поверхности скольжения) равен нормативному значению для основного сочетания нагрузок, что соответствует нормальным условиям эксплуатации сооружения.
Критерии безопасности 2-ого уровня — значения порового давления (Ри2) в пределах призмы возможного оползания, при которых коэффициент запаса устойчивости равен нормативному показателю для особого сочетания нагрузок; при превышении данных значений эксплуатация в проектном режиме не допустима, т.к. состояние сооружения может перейти в предаварийное.
Для контролирования состояния откосов с невысоким коэффициента запаса (близким к нормативному) необходимо также знать значения критического порового давления (Рикр), при котором коэффициент устойчивости близок к единице (состояние предельного равновесия).
Для оперативной передачи информации в управляющий центр мониторинга разработано специальное устройство — скважинный автоматический периодомер с радиоканалом САП-IM/GSM. Оно осуществляет измерения порового давления одновременно по 10 датчикам типа ПДС, накопление результатов измерений и их передачу по сотовой GSM-сети на базовый компьютер (рис. 1).
Устройство состоит из 4-х блоков: электронного (БЭ), соединительного (БС), блока питания (БП) и блока батарей (ББ), каждый из которых выполнен в герметичном корпусе из алюминиевого сплава. БЭ и БС соединены жестко между собой. БП соединяется с БЭ кабелем длиной 3 м. На корпусе БП расположен разъем для подключения кабеля питания и разъем для подключения антенны. В БП устанавливаются, GSM модем Enfora GSM0116-00 с держателем SIM-карты, разъем для подключения к компьютеру, тумблер включения и светодиод. Доступ в блок необходим только для установки SIM карты в модем, подключения устройства к компьютеру и отключения устройства при замене батарей или при подключении датчиков. В ББ устанавливаются 6 стандартных элемента питания типа «D» (R20). ББ подключается к БП кабелем с разъемом.
В БЭ расположена вся электронная схема устройства. Доступ в блок при исправной работе не требуется. В БС находятся соединительные клеммы для подключения кабелей датчиков. Ввод кабелей осуществляется через герметичный кабельный ввод. Блоки имеют крепежные планки для крепления в скважине. Габаритные размеры устройства позволяют устанавливать его в скважине диаметром от 100 мм.
Устройство имеет 3 режима работы: (1) «компьютер» — в этом режиме управляющая программа позволяет
программировать, тестировать устройство и считывать накопленные данные; (2) «регистрация» — в этом режиме устройство производит опрос датчиков с заданным периодом времени (от 6 с до 24 ч), причем список опрашиваемых датчиков и время начала регистрации записываются при программировании режима работы, а в остальное время устройство находится в «спящем» режиме, потребляя минимальную энергию; (3) «связь» — в этом режиме устройство передает данные в компьютер базовой станции по вБМ-сети, причем сеансы происходят с заданным интервалом времени; предусмотрена также возможность аварийной сигнализации, то есть при превышении критериев безопасности данные немедленно передаются оператору на компьютер базовой станции.
При монтаже устройства на объектах необходимо подключить кабели датчиков к (БС), а затем установить блоки и закрепить их в скважине выше уровня грунтовых вод. Подключить кабель антенны и закрепить антенну на расстоянии от поверхности земли, обеспечивающий максимальный уровень принимаемого сигнала. Уровень сигнала можно проконтролировать по индикатору сотового телефона, работающего в той же сети, что и модем устройства. Включить питание устройства. Устройство начнет вызов базовой станции для получения текущего времени и, при необходимости, параметров конфигурации. В это время на компьютере базовой станции должна быть запущена программа приема. На время связи све-тодиод в блоке питания устройства включен. После этого, устройство, в зависимости от режима, или начнет регистрацию или будет ожидать время начала регистрации.
Рис. 1. Принципиальная схема организации интерактивного мониторинга безопасности сооружений промышленной гидротехники с использованием датчиков порового давления, приборов для сбора и накопления контролируемых показателей и их передачи через мобильную связь
Гидрогеомеханический мониторинг состояния техногенных массивов был организован в Кузбассе на 7 гидроотвалах, 1 хвостохранилише и в нескольких случаях при формировании отвальных насыпей на слабых во-донасышенных основаниях. В частности, на гидроотвале № 3 при реализации рекомендаций по формированию разделительных отвальных насыпей, обеспечиваюшей устойчивость неудаляемой части сооружения (рис. 2). Ее отсыпка сопровождалась наблюдениями за поровым давлением в намывном массиве по датчикам порового давления и деформациями поверхности отвала по реперам маркшейдерской станции (рис. 3). Во время формирования второго яруса отвальной насыпи высотой около 40 метров возник под-подошвенный оползень, захвативший в деформационный процесс участок насыпи протяженностью 100
м и намывной массив практически на всю мошность 40 м (рис. 2).
Данный пример приведен в статье для иллюстрации влияния порового давления на характер деформаций отсыпаемой отвальной насыпи на слабом водонасышенном основании. Из графиков хорошо видно как изменяется поровое давление в нагружаемом намывном массиве на различной глубине. Датчики № 201 и № 257 расположены в верхней части массива, поэтому колебания порового давления здесь имеет наиболее выраженных характер: при нагружении происходит достаточно быстрое нарастание давления, а при «отдыхе» — интенсивное его рассеивание. Датчики № 541 и № 548 установлены в нижней части разреза на глубинах 35 и 40 м., что естественно проявилось в плавном характере изменений избыточного порового давления как при нагружении, так и «отдыхе». Наблю-
Рис. 2. Оползень при формировании разделительной насыпи
Рис. 3. Графики изменения избыточного порового давления по датчикам геомеханического мониторинга и смешения репера при развитии оползня на разделительной насыпи гидроотвала № 3
гидро-
дения за деформациями насыпи по реперам, установленным на ее поверхности, позволяют отметить привязанность деформационного процесса к этапам отсыпки пород в отвал и соответственно возрастанию поро-вого давления в намывном массиве. Установленные закономерности оползневого процесса, а также обратные расчеты по нему, позволили уточнить параметры прочности намывных пород для расчетов устойчивости и, в
конечном итоге, обосновать критерии безопасности по поровому давлению в намывном массиве.
Выводы
1. При формировании гидроотвалов и отвалов на слабых водонасы-щенных основаниях в породных массивах под влиянием технологических процессов формируется избыточное поровое давление, существенно определяющее устойчивость откосов намывных и насыпных техногенных мас-
сивов. Это обстоятельство предопределяет организацию для таких условий наблюдений за поровым давлением в рамках гидрогеомеханического мониторинга.
2. Гидрогеомеханический мониторинг безопасности — система натурных исследований и наблюдений за изменением инженерно-геологических условий гидротехнических сооружений, выполняемых с целью контролирования состояния устойчивости их внешних откосов, а также предупреждения опасных деформаций на основе прогноза и управления гидрогеомеханической обстановкой посредством технологических мероприятий.
3. Эффективное функционирование системы гидрогеомеханиче-ского мониторинга безопасности осушествляется на базе надежной аппаратуры для замеров порового давления, оперативной системы передачи информации в управ-ляюший центр мониторинга и программного обеспечения для обработки результатов замеров с целью оценки текушего состояния устойчивости откосов сооружений, плотин или дамб.
4. На примере отсыпки насыпи на гидроотвале № 3 показана эффективность системы гидрогеомеханиче-ского мониторинга безопасности. Я2Н
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Кутепов Юрий Иванович — доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией гидрогеологии и экологии Научного центра геомеханики и проблем горного производства, Кутепова Надежда Андреевна — кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Научного центра геомеханики и проблем горного производства, Практика Станислав Валерьевич — научный сотрудник Научного центра геомеханики и проблем горного производства.
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет) СПбГГИ(ТУ).
Мильман Григорий Львович — ведущий специалист НПФ «Карбон».
д
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ЮГО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
РЫКУНОВА Ираида Олеговна Модель, алгоритм и метод оценки и управления уровнем загрязнения воздушной среды с использованием геоинформационных систем 05.13.10 к.т.н.
