Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время значительная часть угля в России добывается открытым способом. На разрезах Кузбасса имеют место опасные деформации верхних уступов бортов, сложенных песчано-глинистыми четвертичными отложениями. Наблюдения показывают, что одной из основных причин оползнеобразования является формирование в массиве глинистых пород зон повышенной водонасыщенности. Водонасыщение значительно снижает прочностные свойства песчано-глинистых пород, что способствует снижению устойчивости борта и развитию оползней объемом до 300-500 тыс. м3. Подобные нарушения имели место на разрезах «Сартаки», «Майский», «Ка-раканский-Южный», «Губернский», «Бачатский», «Краснобродский» и др., что способствовало снижению безопасности ведения горных работ. Устранение аварий, происшедших в результате несвоевременного или неточного прогноза, требует значительных экономических и трудовых затрат. Существенные трудности также возникают при повторной разработке намывных пород гидроотвалов.
В практике ведения открытых горных работ контроль состояния и свойств массива горных пород основан на применении геолого-маркшейдерских методов. Данные методы требуют больших объемов буровых работ, включают трудоемкие инженерно-геологические изыскания, долговременные наблюдения за смещением массива. Рациональным является многоуровневый мониторинг, сочетающий минимальный базовый объем прямых измерений с детальными геофизическими исследованиями.
Для контроля параметров водонасыщенных зон в прибортовых массивах целесообразно развитие электрофизических методов, основанных на бес-скважинном зондировании. Проведенные в этом направлении исследования показали их эффективность, поскольку аномальные по водонасыщенности зоны весьма контрастны по удельному электрическому сопротивлению. Вместе с тем, точность электрофизического контроля до настоящего времени остается недостаточно высокой, поскольку не решены следующие задачи: методики измерений и их интерпретации не позволяют точно учесть геотехнологические особенности участков борта, не обоснованы оптимальные параметры измерительных установок, результаты геоконтроля недостаточно увязаны с методами прогноза водонасыщенности и устойчивости откосных сооружений.
Таким образом, актуальным является обоснование методик контроля параметров водонасыщенных зон и прогноза устойчивости откосных сооружений на основе результатов электрических зондирований.
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (проекты № 14.740.11.0548-0747 и П234).
Цель работы - разработка методик контроля параметров водонасыщенных оползнеопасных зон бортов методом электрических зондирований, обеспечивающих повышение информативности и точности прогноза строе-
ния и состояния прибортовых массивов разрезов для безопасного ведения горных работ.
Основная идея работы заключается в использовании информационных критериев и методов интерактивной инверсии при обосновании параметров измерительных установок, разработке алгоритмов количественной интерпретации данных вертикальных электрических зондирований и электропрофилирований для оценки изменения водонасыщенности и оползне-опасности участков бортов разрезов.
Основные задачи исследований:
разработка методик интерактивного электрофизического контроля строения и физического состояния массивов песчано-глинистых отложений бортов разрезов;
оценка строения и водонасыщенности прибортовых массивов разрезов по результатам электрофизического контроля;
прогноз устойчивости бортов разрезов по данным электрических зондирований.
Методы и объекты исследований
Выполнен обзор и анализ литературных источников по проблеме геофизического контроля массива горных пород и прогноза устойчивости откосных сооружений. Были использованы аналитические и численные методы решения прямых и обратных задач электроразведки, лабораторные исследования физико-механических свойств горных пород, производственные электрофизические исследования, статистический анализ данных, методы обратных геомеханических расчетов.
Объект исследований - прибортовые массивы песчано-глинистых горных пород разрезов. Предмет исследований - диагностируемые по аномалиям активных электрических полей водонасыщенные зоны, определяющие оползнеопасное состояние уступов бортов разрезов.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
повышение точности определения параметров геоэлектрических разрезов при интерактивной интерпретации электрических зондирований на величину до 16-50% достигается циклическим корректированием опорной модели и введением дополнительных корректирующих коэффициентов, учитывающих влияние откосов уступов, зависящих от их углов и разноса установки;
применение нелинейных зависимостей параметров установки электропрофилирования от отношения глубины расположения аномальной зоны к ее эффективному радиусу, мощности исследуемого слоя и диапазона ее изменения обеспечивает повышение до 2-2,3 раза информативности при диагностировании локальных водонасыщенных зон и увеличение до 1,5-2 раз разрешающей способности при картировании протяженных зон и мощности отложений;
прогноз водонасыщенности грунтового массива по результатам электропрофилирования на межскважинных интервалах достигается с помощью зависимостей истинного электросопротивления промежуточного слоя от эф-
фективного, определенных для трехслойных геоэлектрических разрезов, эквивалентных реальным многослойным;
- прогноз углов устойчивых откосов уступов включает определение
геометрических параметров геомеханической модели путем интерактивной
инверсии графиков электрических зондирований, прочностных свойств слоев
с помощью обратных геомеханических расчетов и линейных корреляцион
ных зависимостей от прогнозируемой влажности массива.
Научная новизна работы заключается:
в разработке алгоритмов интерактивной инверсии электрических зондирований, обеспечивающих учет влияния геотехнологических особенностей уступов борта;
в оптимизации параметров установки электропрофилирования при диагностировании и картировании аномальных зон на основе информационных критериев;
в обосновании алгоритмов оценки водонасыщенности массива по истинному удельному электросопротивлению аномального слоя с использованием эквивалентных геоэлектрических разрезов;
в разработке методики прогноза углов устойчивых откосов уступов, увязывающей результаты электрофизического контроля с прямыми и обратными геомеханическими расчетами.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
корректным применением апробированных методов решения прямых и обратных задач электроразведки;
достаточными критериями тесноты связи и надежности оценки в полученных корреляционных зависимостях (коэффициент корреляции не менее 0,8);
удовлетворительной сходимостью результатов прогнозных оценок с данными инженерно-геологических изысканий (расхождение не более 10%).
Личный вклад автора заключается:
в теоретическом обосновании, разработке алгоритмов, программ для ЭВМ и методик интерактивной интерпретации электрических зондирований, оптимизации параметров электроустановок, прогноза водонасыщенности и устойчивости бортов разрезов;
в участии в составе геофизической группы в экспериментальных лабораторных и производственных исследованиях, обработке экспериментальных данных, включающих априорную геологическую информацию.
Научное значение работы состоит в разработке комплекса алгоритмов интерактивной интерпретации электрических зондирований, оптимизации параметров измерительных установок, создании на этой основе методик прогноза водонасыщенности и определения границ оползнеопасных зон бортов разрезов.
Отличие от ранее выполненных работ заключается в применении методов интерактивной инверсии электрических зондирований с учетом геотехнологических особенностей уступов бортов разрезов и информационных критериев для обоснования оптимальных параметров установок, в установ-
лении ранее неизвестных взаимосвязей аномалий активных электрических полей с геометрическими и физико-механическими параметрами водонасы-щенных зон прибортовых массивов.
Практическая ценность работы состоит:
в разработке методик и программ для ЭВМ, обеспечивающих интерактивную интерпретацию электрических зондирований, оптимизацию параметров электроустановок, прогноз водонасыщенности и устойчивости участков бортов, склонных к оползнеобразованию;
в обосновании рекомендаций по безопасному ведению работ при подготовке участка к вскрышным работам (разрез «Краснобродский»), при разработке техногенных массивов намывных грунтов (разрез «Кедровский»), формировании откосных сооружений в зоне гидродинамического влияния гидроотвала (разрез «Бачатский»).
Реализация работы
Основные положения разработанной методики изложены в двух корпоративных отраслевых методических документах:
Методические указания по комплексному многоуровневому мониторингу физических процессов в техногенных грунтовых массивах гидроотвалов угольных разрезов / ГУ КузГТУ, ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», НФ «КУЗБАСС-НИИОГР». - Кемерово, 2010. - 64 с;
Методическое руководство по электромагнитному мониторингу физических процессов в грунтовых массивах оснований горнотехнических сооружений и бортов угольных разрезов / ГУ КузГТУ, ООО «НООЦЕНТР-Д», ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», НФ «КУЗБАСС-НИИОГР». - Кемерово, 2011.-68 с.
Методические документы согласованы с ОАО «Кузбассгипрошахт» и приняты к использованию на разрезах ОАО «УК «Кузбассразрезуголь».
Основные результаты исследований внедрены в производство на угольных разрезах «Бачатский», «Краснобродский», «Кедровский».
Апробация работы. Материалы диссертационной работы рассмотрены на VIII Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» (г. Кемерово, 2009 г.), на Международном научном симпозиуме «Неделя горняка-2010», (г. Москва, 2010 г.); на Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк, 2010 г.); на XIII Международной научно-практической конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 2010 г.); на научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых КузГТУ, (г. Кемерово, 2008-2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 9 статей в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК, получено 2 свидетельства на регистрацию программ для ЭВМ.
Объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков, 8 таблиц, список литературных источников из 116 наименований, 2 приложения.
