CC BY
92
© Н.Г. Шкабарня, А.И. Агошков, Г.Н. Шкабарня, В.Ч. Мясник,
И.В. Калинин, 2007
УДК 550.837:622.271.333
Н.Г. Шкабарня, А.И. Агошков, Г.Н. Шкабарня,
В. Ч. Мясник, И.В. Калинин
ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕХНОГЕННЫХ ОПОЛЗНЕВЫХ ЯВЛЕНИЙ НА УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗАХ
Гехногенные оползневые явления возникают на бортах крупных карьеров и разрезов, создаваемых для открытой разработки месторождений полезных ископаемых, чаще всего угля и относятся к числу чрезвычайных ситуаций. В процессе разработки нарушается устойчивость естественного залегания пород на бортах разрезов за счет подрезки или повышенного увлажнения. Обоснованная оценка оползневой опасности требует решения целого ряда вопросов, касающихся структурнотектонического строения склона, его состава, состояния физических свойств, условий залегания и мощности отдельных слоев вмещающих горных пород и угольных пластов, их водообильно-сти и режима подземных вод. Детальное изучение этих факторов с применением геофизических методов исследования оползневых массивов наряду с показателями прочности пород (сцепление и коэффициент внутреннего трения), климатическими и гидрогеологическими условиями разреза, материалами о деятельности человека являются основой для проведения расчетов устойчивости склона.
Все известные оползневые явления на разрезах связаны, в основном, с глинистыми грунтами. Глины, встречающиеся в природе, очень разнообразны. С точки зрения оползневых процессов особый интерес представляют те глины, которые кажутся плотными, но имеют своеобразную внутреннюю структуру, предопределяющую их необычную пластичность. Смещение оползневых массивов по поверхности скольжения в глинах с высоким коэффициентом пластичности, начавшиеся с незначительных подвижек, может завершиться огромными перемещениями гор-
ных пород. Эти перемещения похожи на настоящие течения, поскольку излишек воды в глинах превращают первоначально твердый материал в мягкопластичный и даже текучую грязь, способную смещать большие блоки рыхлых пород. Такие оползни представляют большую опасность для устойчивой работы горнодобывающих предприятий и жизни людей. В литературе описано множество катастрофических оползней.
Мероприятия по предотвращению оползневых явлений требуют огромных затрат человеческого труда, материалов и денежных средств. Поэтому при планировании и эксплуатации угольных разрезов необходима информация о структурнотектоническом строении и свойствах грунтов, а главное, закономерностях изменения их во времени.
Известные технологии инженерно-геологических изысканий безусловно являются эффективными, но они не всегда могут с необходимой полнотой оценить развитие оползневых процессов в пространстве и времени, учитывая экономическую и экологическую целесообразность. Особенно это касается исследований на крутых склонах в сложных условиях рельефа местности и при постановке режимных наблюдений.
Применение геофизических методов открывает дополнительные возможности при решении инженерно-геологи-ческих и гидрогеологических задач. Они позволяют обследовать большие площади при необходимой детальности наблюдений, получать пространственные структурно-тектони-ческие модели, определять напряженное состояние массивов горных пород, наблюдать за колебаниями влажности и минерализации вод, получать необходимые количественные показатели. Плотность получаемой информации в пространстве и во времени совершенно недоступна для других видов исследования. Причем наблюдения не воздействуют на геологическую среду, не изменяют ее параметры и могут повторяться сколь угодно число раз.
Наиболее эффективными для оценки оползневых явлений [1, 5], особенно при выделении и прослеживании глинистых слоев разреза, считаются методы электроразведки. В процессе исследований используют различные модификации и, в первую очередь, электрические зондирования (ВЭЗ и ВЭЗ-ВП). В методе ВЭЗ используют постоянные либо низкочастотные поля. В результате измерений определяют кажущиеся сопротивления (рк) и
поляризуемости (^к) с помощью установок с разными расстояниями (г).
Известно, что удельные сопротивления большинства осадочных пород, которые слагают оползневые массивы, определяются, в основном, минерализацией подземных вод, пористостью, влажностью, глинистостью и температурой. Обычно песчано-глинистые породы состоят из минерального скелета -песка и пор, которые заполнены водой, глиной или воздухом. Минеральный скелет и воздух практически не проводят электрический ток, и поэтому он протекает по открытым порам, заполненным водой или глиной.
В каждом конкретном случае для определенных литологопетрографических типов пород составляются корреляционные зависимости удельного сопротивления от инженерно-геологических свойств пород, которые удовлетворительно работают на ограниченных площадях оползневого массива. Наиболее надежные данные получают при высокой минерализации поровой влаги и значительной пористости. Для глинистых пород необходимо считаться как с объемной проводимостью, обусловленной свободной гравитационной водой, так и с поверхностной проводимостью, обусловленной прохождением электрического тока по слоям связанной воды.
Метод ВЭЗ-ВП основан на изучении вторичных электрических полей, имеющих электрохимическое происхождение. С помощью таких же, как в методе ВЭЗ, установок определяются кажущиеся поляризуемости ( г!к), а при интерпретации зависимостей = f(г) имеем сведения об изменении поляризуемостей
слоев.
Поляризуемость, также как и удельное сопротивление, зависит от ряда структурных и текстурных особенностей горных пород, их минерального состава, влажности, пористости и минерализации поровой влаги. Но иные причины лежат в основе возникновения электродвижущих сил на границах ионных и электронных проводников. Увеличению интенсивности вторичного поля способствует присутствие в пористой среде некоторого количества глинистых частиц, адсорбирующих анионы из раствора за счет своей поверхностной активности. В чистой глине вто-
ричное поле существенно понижается вплоть до почти полного исчезновения.
Электрические зондирования модификациями ВЭЗ и ВЭЗ-ВП наиболее уверенно выделяют мощные слои, отличающиеся контрастными удельными сопротивлениями либо показатели поляризуемости. Если слои маломощны и слабо дифференцированы по электрическим параметрам, то определяется совокупность таких слоев или эквивалентные горизонты. Для установления количественных параметров каждого слоя в процессе интерпретации требуются априорные сведения о среде.
В основе электрического профилирования (ЭП) лежит получение кажущихся сопротивлений или величин поляризуемости установками, перемещаемыми на поверхности вдоль заданных направлений, причем размеры установок сохраняют постоянными. Глубина исследования такими установками примерно постоянна в каждой точке наблюдения, а получаемые результаты отражают изменение электрических свойств горных пород вдоль профилей или на площади. Метод успешно применяют в условиях резкой дифференциации пород в горизонтальном направлении, когда среда представлена крутопадающими слоями, контактами, зонами нарушений или локальными объектами.
Метод заряда (МЗ) основан на изучении электрического поля точечного источника постоянного или низкочастотного тока, расположенного в проводящем объекте, вскрытом скважиной. Параметры поля обычно измеряют на поверхности земли. Но можно проводить и объемные наблюдения, используя скважины и горные выработки. Метод успешно применяют при гидрогеологических исследованиях для определения направления и скорости потока подземных вод. Съемка методом естественного поля (ЕП) основана на изучении локальных естественных электрических полей, создаваемых природными электронными проводниками, фильтрационными и диффузионными процессами, происходящими в земле. Измеряются потенциалы и градиенты потенциала поля. Съемка используется для определения мест повышенной инфильтрации поверхностных вод, мест разгрузки подземных вод, прослеживания неглубоко залегающих водотоков.
При оценке оползневых процессов электроразведочные методы решают следующие задачи:
- картирование массива оползня, имеющих литологические и гидрогеологические особенности;
- определение мощностей и электрических свойств отдельных слоев либо обобщенных электрических горизонтов;
- определение глубины залегания подстилающих пород;
- картирование элементов тектоники и оценки степени трещиноватости и выветренности пород;
- изучение участков разреза ослабленных пород и установление поверхности скольжения;
- определение поверхностей древних оползней;
- определение направления и скорости движения оползня в целом и отдельных его участков;
- установление направления и скорости движения подземных вод;
- оценка водно-физических и физико-механических свойств грунтов, степени обводненности пород в естественном залегании.
Границы оползня и его блоков во многих случаях устанавливаются путем визуальных наблюдений без применения геофизических исследований. Но в отдельных случаях они выделяются неуверенно и тогда используется комплекс электроразведоч-ных и других геофизических методов.
Сложное структурно-тектоническое строение самих оползневых массивов, резкая геоэлектрическая неоднородность разреза по площади и глубине, неровности рельефа местности требуют густой сети наблюдений при проведении полевых работ. Методика работ с применением электрических зондирований предусматривает расположение профилей и пунктов наблюдений на них по сети не более чем 50 х 20 м. При этом максимальные разносы установок должны превышать предполагаемую мощность рыхлых отложений на порядок и более.
В процессе работ часто применяют трехэлектродные двухсторонние зондирования, которые обеспечивают повышенную разрешающую способность при анализе право- и левосторонних кривых кажущихся сопротивлений с определением глубины, мощности, угла падения и удельных сопротивлений геоэлектри-ческих горизонтов. Кроме того, для надежности применяются методические приемы, такие как способы двух составляющих, кустовые наблюдения, объемного геоэлектрического картирова-
ния, сплошных зондирований по профилям, которые обеспечивают повышенную точность определения параметров поля и возможность построения пространственной геоэлектрической модели.
Электрические профилирования выполняются по густой сети профилей и точек на них: расстояния между профилями составляют 10-25 м, а между точками - 5 м. Иногда ставятся отдельные точки зондирований. Методика работ с использованием двух разносов обеспечивает исследование разреза на двух глубинах, а применение трехэлектродных или дипольных установок
- повышенную разрешающую способность при выделении крутопадающих объектов и контактов.
При выполнении съемки методом ЕП расстояние между профилями сохраняется равным 10 м, а между приемными электродами 5 м. Результаты наблюдений существенно зависят от условий заземления.
Как известно, наибольшую оползневую опасность представляют слои глинистых пород с высокими характеристиками пластичности. Глины характеризуются низкими удельными сопротивлениями, не превышающими 10-20 Омм. Для выделения и прослеживания глинистых слоев чаще всего применяют электрические зондирования. Этот метод позволяет определить положение кровли и подошвы слоя глин, что дает возможность оценить зону ослабленных пород. Именно в таких условиях существует четко выраженная поверхность скольжения, а породы оползневого массива обычно отличаются повышенной разрых-ленностью, трещиноватостью и увлажненностью.
Благоприятными объектами для применения электрических зондирований являются оползневые массивы, когда смещения происходят по границе между глинистыми слоями и слабо выветренными высокоомными породами, в том числе скальными. Тогда геологический разрез в этой части представлен типом Н и кривые кажущиеся сопротивления имеют тот же тип. В этом случае уверенно определяется пространственное положение проводящего горизонта, мощность его, поверхность скольжения и физические свойства пород.
Изучение гидрогеологической обстановки проводится комплексом электроразведочных методов, включая электри-ческие зондирования, методы естественного поля и заряда. Задачей ис-
следований является установление характера за-легания и движения подземных вод с определением выдержанных и невыдержанных водоупоров. Важным фактором является установление региональных водоносных горизон-тов. Используются корреляционные зависимости между электрическими параметрами и коэффициентами фильтра-ции отложений.
Оползневой массив нередко оказывается дреной, собирающей подземные воды с определенной площади. Тогда отдельные его части служат барражами, препятствующими пе-ремещению воды, с чем связано заболачивание и повышение увлажненности этих частей.
Своеобразие фильтрационного поля находит отражение на картах электрических потенциалов. Аномалии естественного поля определяются, в основном, фильтрацией подземных вод в проницаемых породах. Изменения потенциала появляются за счет гидравлического уклона в водоносном горизонте, а также в местах нисходящих и восходящих потоков. Локальные отрицательные аномалии интенсивностью до нескольких десятков милливольт приурочены к местам вертикальной разгрузки подземных вод.
Метод ЕП в комплексе с методом заряда успешно применяется при определении направления и скорости движения подземных вод. Для этого обычно используется съемка градиентов потенциала при нескольких ориентировках приемной линии на каждой точке. Направление движения вод определяется по зоне максимального градиента. В методе заряда направление и скорость подземных вод определяются на основе анализа смещения эквипотенциальных линий во времени до и после засолки воды в скважине.
Электрические параметры горных пород слабо зависят от прочностных свойств. Однако, в отдельных случаях, для песчано-глинистых отложений удается установить корреляционные зависимости и по формулам определить предварительные величины модуля деформации, силу сцепления и углы внутреннего трения. Ценную информацию о степени упрочнения цементного камня при создании противофильтрационных завес дает электрическое профилирование.
Для изучения динамики оползневого массива в отдельных случаях применяются режимные наблюдения методами ВЭ3, ЕП и МЗ. Законы изменения удельных сопротивлений, потенциала и градиента потенциала характеризуют зависимость во времени таких важных факторов, как влажность и водонасыщенность массива, особенности движения вод. ориентировку зон трещиноватости, мощности ослабленных пород, минерализации подземных вод и другие. Слежение за изменением этих параметров во времени позволяют прогнозировать перемещение тела оползня.
Достоверный прогноз основывается на анализе представительного числа режимных наблюдений, правильного выбора сети наблюдений и последовательности их проведения. Частота наблюдений обычно увеличивается в период дождей, когда оползневая активность увеличивается. Наиболее ценную информацию получают в результате стационарных наблюдений.
Опыт применения электроразведочных методов для оценки оползневых процессов показывает, что полезные аномалии наблюдаются на уровне высоких помех. Структурно-тектоническое строение большинства массивов обычно сложное как по площади, так и по глубине. Иногда решающее влияние на устойчивость откосов показывают тонкие пропластки слабых и пластичных глинистых пород, выявление которых требует высокой детальности исследований.
Такие условия требуют применения новых технологий инженерной геофизики, которые разработаны и внедряются в последние десятилетия. Из новых электроразведочных тех-нологий для оценки оползневых явлений целесообразно ис-пользовать электрическую томографию и георациолокацию. Измерительная аппаратура этих модификаций является цифровой, имеет сопряжение с полевым компьютером, на котором производится первичная оперативная обработка материалов.
Методика полевых работ электрической томографией предусматривает размещение большого числа электродов, управление которыми осуществляется программой. Компьютерные программы интерпретации обеспечивают построение геоэлектриче-ских моделей, на основе которых формируются геологогеофизические и истрофизические разрезы. Такая методика обладает более высокой детальностью по сравнению с традиционными методами электроразведки постоянным током. Ее можно рассматривать как многоразносное профилирование или как сис-
тему зондирований с частым шагом (2-5 м) по профилю. Опробование электрической томографии проведено на территории Лучегорского угольного разреза [2] с определением геометрических и физических параметров оползневого склона.
На протяжении всего периода строительства и эксплуатации Лучегорского буроугольного разреза, который является наиболее крупным в Приморском крае, наблюдались оползни бортов и уступов. Последние значительно усложняли проведение добычных работ. Так в январе 2004 года на одном из опасных участков при отработке угольного пласта четвертой группы произошел отрыв оползневого массива объемом 2,5 млн. м3 предположительно по кровле угольных пластов пятой группы. Горные работы на разрезе, которые должны были дать в 2004 году 1,5 млн.т угля, остановлены до разработки специального проекта безопасной отработки участка.
В результате опытно-методических работ электрической томографией на опасных участках в 2004-2006 гг. установлены: условия залегания, геометрические и электрические свойства основных комплексов горных пород оползневого массива; фаци-альные замещения и выклинивания отдельных слоев; пространственное положение ослабленных слоев, представленных мягкопластичными глинами в толще аллювиальных четвертичных отложений, текучепластичными глинами неогенового возраста, водонасыщенными песчано-гравийными и песчано-глинистыми породами четвертичного возраста.
Экспериментальные работы электрической томографией в комплексе с методом георадиолокации и единичными скважинами будут продолжены на оползневых участках в 2007 году. Применение метода георадиолокации возможно позволит идентифицировать залегающие слои песка, глины и водонасыщенные слои, определить уровень грунтовых вод, условия их залегания и границы между слоями с различной степенью водонасыщения.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богословский В.А., Жигалин А.Д., Хмелевской В.К. Экологическая геофизика. - М.: изд. МГУ, 2000.
2. Мясник В.Ч., Калинин И.В., Шкабарня Г.Н. Изучение структурнотектонического строения угольных месторождений методом электрической томографии // Горный журнал.- 2006. - № 12.
3. Огильви А.А. Основы инженерной геофизики. - М.: Недра, 1999.
4. Электроразведка: Справочник геофизика. В 2-х кн. - М.: Недра, 1989.
5. Электроразведка методом сопротивлений. - М.: МГУ, 1994.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Шкабарня Н.Г. - доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией ИГД ДВО РАН,
Агошков А.А. - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой ДВГТУ,
Шкабарня Г Н. - научный сотрудник. ТОИ ДВО РАН,
Мясник В Ч. - генеральный директор ДВ «Энергетическая компания», Калинин И. В. - генеральный директор «Разрез Лучегорский».
