Возведение подземных воздухорегулирующих сооружений и экологическая безопасность Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 2

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© М.В. Щекина, Е.А. Салтанова, А.В. Ермолов, 2001

УДК 53.07:001.8:622.02

П

М.В. Щекина, Е.А. Салтанова, А.В. Ермолов

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ

того зонда; поровое давление в различных точках намывного массива и на разной глубине ( при зондировании и по стационарным датчикам); осадки намывного массива (с помощью геодезических измерений по основным и вспомогательным профилям); ли-тологический состав намывного массива (при бурении инженерно-геологических и наблюдательных скважин и отборе образцов проб для лабораторных исследований, а также по данным зондирования). Техногенные илы дополнительно подвергаются спектральному анализу для определения элементов-загрязни-телей [1].

Система натурных измерений состоит из технических средств и программного обеспечения.

Технические средства, применяемые кафедрой геологии МГГУ при исследовании техногенных массивов, включают в себя: зонд трехструнный (разработка МГГУ-ДИГЭС); компьютер портативный; устройство сопряжения (УСП) зонда с компьютером (разработка ДИГЭС, модернизация МГГУ):

- блок питания УСП (аккумулятор 12 В); Р^М DAQ-700 фирмы National Instrument (многоканальный аналого-цифровой преобразователь); соединительные кабели; датчики-пьезодина-

мометры.

ри эксплуатации и рекультивации намывных горнотехнических сооружений (гидроотвалов и хвосто-хранилищ), а также хранилищ илового осадка большое значение приобретают вопросы, связанные с геомеханическими процессами, которые во многом определяют экологическую безопасность сооружения, его вместимость и направление дальнейшего использования.

Исследования на гидроотвалах глинистых и смешанных грунтов направлены на изучение пространственной изменчивости свойств и состояния намывных масс различного «возраста», формирующихся при гидравлической разработке вскрышных пород. В лабораторных условиях определяются следующие характеристики намывных масс и грунтов оснований гидроотвалов: показатели компрессии; показатели водно-физических свойств; сопротивление сдвигу; гранулометрический состав; минеральный состав и микростроение. В натурных условиях определяются основные параметры техногенного массива: уровень воды в гидроотвале (по профилю) в различные сезоны; сопротивление сдвигу намывных отложений и грунтов основания гидроотвала с помощью крыльча-

Устройство для комплексного зондирования служит для получения комплекса информации о состоянии и свойствах слабых грунтов путем непрерывного или дискретного зондирования техногенного массива [2].

При исследованиях массива гидроотвалов КМА «Березовый Лог», «Лог Шамаровский» и иловых площадок Люблинских полей фильтрации (ЛПФ) использовалась модернизированная переносная зондировочная установка конструкции ВНИМИ, которая имеет ряд преимуществ перед самоходными буровыми установками: переноска оборудования и проведение экспериментов осуществляются бригадой из 3 человек, диаметр рабочих штанг, составляющий 3,4 см, практически не влияет на результаты эксперимента, т.к. диаметр зонда составляет 7,5 см. Установка общим весом около 250 кг состоит из модулей, каждый из которых может транспортироваться к точкам зондирования с минимальной несущей способностью (Рдоп> 0,013 - 0,015 МПа). Для сравнения, техника в болото-ходном исполнении имеет удельные нагрузки на грунт от 0,018 МПа до 0,023 МПа. Зондировочная установка полностью обеспечивает предусмотренные стандарты скорости подачи и вращения пенетрометра (2 см/с и 0,5 град/с) [3]. Она имеет ручной привод устройств задавли-вания и вращения зонда на намывных грунтах мощностью до 50 м.

Зондировочное устройство предназначено для определения физико-механических свойств слабых грунтов и обеспечивает отбор информации непосредственно на измерительном горизонте, что позволяет повысить точность измерения комплекса параметров свойств грунта на 10-15 % [4].

Устройство сопряжения (УСП) предназначено для ввода в ЭВМ измерительной информации пенетрометра, характеризующей со-

стояние и свойства грунта в условиях естественного залегания, а также техногенных отложений. Измерительная информация поступает от струнного измерительного преобразователя (СИП) и содержит данные об усилии осевого задавливания, крутящем моменте при вращательном срезе и поро-вом давлении.

УСП выполняет следующие функции:

• принимает по последовательной связи сигнал запуска с компьютера;

• обеспечивает одновременное возбуждение сигнала трех струнных измерительных преобразователей;

• обеспечивает одновременное измерение периода сигнала трех СИП и передает в компьютер код, соответствующий периодам сигнала СИП.

Все указанные действия УСП производит под управлением программы, расположенной в памяти компьютера [5, 6], привязанной к решению конкретных гидрогео-механических задач оценки устойчивости обводненных откосов, уплотнения и несущей способности техногенных массивов.

Программа контроля устойчивости откосных сооружений предназначена для расчета коэффициента запаса устойчивости дамб в зависимости от положения де-прессионной кривой, задаваемой показаниями прибора ПЦП (пе-риодомер цифровой портативный), измеряющего периоды колебаний струнных датчиков, заложенных в тело уступов (плотин).

Для начала работы в программе вводится название уступа, который разбивается на п-ное количество отсеков, в пределах которых породный массив имеет одинаковые свойства. Для элемента вводится Х-координата и количество породных слоев, а для каждого породного слоя изменение Y-координаты и номера горных пород и их параметры: плотность

(т/м3), сцепление (т/м2), угол внутреннего трения (град). Если есть данные депрессионной кривой и кривой ослабления, то они вводятся дополнительно. Для ввода требуются паспортные данные датчиков, заложенных в массив. После ввода измеренных величин периодов колебаний струнных датчиков производится расчет положения депрессионной кривой, расчет серии различных линий скольжения коэффициента запаса устойчивости и автоматический выбор линии скольжения с наименьшим коэффициентом запаса устойчивости. В программе используются два метода расчета коэффициента устойчивости: алгебраического суммирования и многоугольника сил [7].

Программа уплотнения намывных массивов предназначает для расчета степени уплотнения и осадок техногенных отложений. Для работы в этой программе необходимо ввести данные лабораторных исследований пород: плотность грунта у, начальный коэффициент консолидации С°, показатель консолидации X, угол внутреннего трения неконсолидированный рз, начальный коэффициент пористости и зависимость его от уплотняющей нагрузки (ком-прессионная кривая), коэффициент ¡3, учитывающий боковой распор и коэффициенты, учитывающие сцепление и угол внутреннего трения. Все эти показатели уточняются зондированием на первой стадии исследований.

Пьезометрический уровень воды и предварительная уплотняющая нагрузка определяются в натурных условиях.

Скорость намыва слоя, год начала и время намыва вводятся по фактической производственной документации.

В результате на экран выводятся исходные данные, график Ри = f (Ья) и расчетные параметры: поровое давление Ри, нагрузка от подушки из дренирующего мате-

риала q, коэффициент уплотнения Cv, коэффициент /л, степень уплотнения U и осадка слоя S(t).

Зондированием гидроотвала "Лог Шамаровский" в 1995-1999 гг. установлено избыточное поровое давление в ряде скважин, расположенных на периферийных (по отношению к головной дамбе) участках гидроотвала.

Мощность намывного массива h определяется с учетом изменчивости всех трех измеряемых параметров (qcp, т, Ри) и оказывает существенное влияние на степень уплотнения, осадки и несущую способность намывных отложений по зонам.

С учетом полученных при зондировании намывных массивов «Лога Шамаровский» (рис. 1), «Березового Лога» и хранилища илового осадка ЛПФ (рис. 2) величин порового давления, степени уплотнения и фактических данных о мощности и скорости формирования техногенных отложений произведены обратные расчеты коэффициента консолидации Cv, выполненные на IBM PC.

С учетом развивающегося подтопления гидроотвала «Лог Ша-маровский» вследствие наращивания хвостохранилища и отсутствия эффективных мер по дренажу

намывного массива выявлено изменение пространственного положения инженерно-геологических участков и снижение степени уплотнения намывного массива по

Рис. 1. Колонка зондирования намывного массива гидроотвала «Лог Шамаровский».

Рис. 2. Колонка зондирования хранилища илового осадка ЛПФ

сравнению с периодом крупномасштабных полевых работ 1997 г.

На основании обратных расчетов установлены зависимости коэффициента консолидации Су (м2/сут) от уплотняющей нагрузки q (кг/см2) вида Су = Су ° ехр-(Яд) для различных зон:

• промежуточной Су = =°,°5-ехр(-°,°6ф;

• промежуточно-прудко-вой Су = °,°38-ехр(-°,°9ф;

• прудковой Су = =°,°25 -ехр(-°,14ф.

Для техногенных илов установлены условно-мгновен-ные характеристики сопротивления илового осадка сдвигу ф = 7°, с = 0,2 МПа- 10-1 и предельно-длительные ф « «7°, с = 0,04 МПа- 10-1.

Комплексное зондирование хранилища илового осадка геодезические данные о нестабилизированном состоянии илового осадка (степень уплотнения и = 0,44-0,65). По результатам зондирования поворотной крыльчаткой получено ф = =4,1°, с = 0,25 МПа- 10-1.

Эти данные необходимы при прогнозировании продолжительности "отдыха" намывных тонкодисперсных грунтов для оценки возможности дальнейшего использования территорий гидроотвалов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инструкция по проектированию и эксплуатации полигонов для твердых отходов. / Минжилкомхоз РСФСР, акад.ком.хоз-ва им.Панфилова, М., 1982.

2. Гальперин А.М., Зайцев В.С., Кириченко Ю.В., Хейфиц В.З., Петрашень И.Р., Зиновьев Р.К. и др. , всего 9 чел. Устройство для комплексного зондирования грунтов. Патент РФ № 2025559 от 30.12.1994.

3. Грязное Т.А. Оценка показателей свойств грунтов полевыми методами. -М., Недра, 1984.

4. Гальперин А.М., Ферстер В., Шеф Х.-Ю. Техногенные массивы и охрана окружающей среды. -М.: Изд. МГГУ, 1997.

5. Гальперин А.М., Зуй В.Н., Кириченко Ю.В. Совершенствование методов прогноза и контроля устойчивости откосных сооружений гидроотв алов. В сб.: «Вопросы гидрогеологии и гидрогеомеханики горного производства». -С-Пб.: ВНИМИ, 1998, -С. 154-155.

6. Кириченко Ю.В., Щекина М.В. Современные методы и способы контроля геомеханических процессов в намыв-

ных горнотехнических сооружениях. Горный инф.-аналит. 7. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов и отвалов. -М.:

бюл. Вып. 6, -М.: Изд-во МГГУ, 1998, -С. 90-94. Недра, 1965.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

/_й

Гп

^ Щёкина Марина Владимировна — доцент, кандидат технических наук, кафедра геологии, Московский государственный горный университет.

Салтанова Елена Александровна — аспирантка, кафедра геологии, Московский государственный горный университет.

Ермолов Александр Валерьевич — студент, кафедра геологии, Московский государственный горный университет.