Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы прогноза устойчивости бортов карьеров и откосов техногенных грунтовых сооружений 15
1.1. Устойчивость бортов глинистых пород и грунтовых откосных сооружений 15
1.2. Методы контроля физических параметров и гидрогеомеханических процессов в грунтовых массивах 30
1.2.1. Прямые методы контроля 34
1.2.2. Косвенные (геофизические) методы контроля 38
1.2.3. Геоэлектрические методы контроля 41
1.3. Методы прогноза устойчивости бортов глинистых пород
и грунтовых откосных сооружений 49
1.4. Выводы, цель и задачи исследований 53
2. Формирования опасных зон в техногенных дисперсных грунтовых массивах 56
2.1. Факторы, определяющие состояние грунтового массива 56
2.2. Нарушение устойчивости откосных грунтовых сооружений 65
2.3. Анализ состояния техногенных грунтовых массивов гидротехнических сооружений 73
2.4. Классификация опасных зон в бортах глинистых пород и откосах грунтовых сооружений 85
Выводы 94
3. Обоснование и разработка методики комплексного мониторинга гидродинамических и геомеханических процессов в техногенных грунтовых дисперсных массивах 95
3.1. Разработка методики инженерно-геологического контроля 95
3.2. Обоснование методики маркшейдерско-геодезического контроля 105
3.3. Обоснование и разработка электрофизического метода оперативного прогноза скрытых стадий развития оползня 112
3.3.1. Взаимосвязи электрофизических свойств глинистых пород с их пористостью и влагонасыщенностью 112
3.3.2. Диагностирование геометрических параметров влагонасыщенных зон методами электроразведки 120
3.3.3. Методика контроля геологической структуры и параметров влагонасыщенных зон 131
Выводы 135
4. Изучение закономерностей изменения состояния, свойств пород и физических процессов в грунтовых дамбах 137
4.1. Мониторинг грунтовых дамб равнинного типа 137
4.2. Мониторинг грунтовых дамб овражного типа 144
4.3. Мониторинг грунтовых дамб на намывном основании 151
Выводы 165
5. Исследование закономерностей изменения состояния техногенных дисперсных грунтовых массивов бортов угольных разрезов 167
5.1. Изучение зональности физических свойств дисперсных грунтовых массивов бортов разрезов и взаимосвязей между ними 167
5.2. Диагностирование фильтрационных коллекторов на участках бортов, прилегающих к водным объектам 184
5.3. Мониторинг деформационных процессов в намывных массивах 188
5.4. Исследование гидрогеомеханических процессов в техногенных массивах 202
5.5. Моделирование напряженно-деформированного состояния намывных массивов на основе результатов мониторинга 207
Выводы 219
6. Совершенствование способов и методик прогноза устойчивости откосных грунтовых сооружений и бортов разрезов, сложенных глинистыми грунтами 222
6.1. Совершенствование методик расчета коэффициента запаса устойчивости техногенных дисперсных грунтовых массивов 222
6.2. Разработка способов прогноза устойчивости откосных грунтовых сооружений и бортов карьеров на основе геофизического мониторинга 232
6.3. Разработка алгоритмов программ для расчета устойчивости откосов и оценки ущерба от аварий гидротехнических сооружений 246
6.4. Прогноз безопасности ГТС, расположенных на подработанной территории 256
Выводы 271
7. Внедрение разработанных способов и методик на угольных предприятиях сибирского региона 275
7.1. Внедрение разработок при мониторинге состояния, свойств и
прогнозе устойчивости техногенных дисперсных грунтовых
массивов
7.2. Технико-экономическая оценка внедрения разработок 288
Выводы 292
Заключение 293
Список литературы
- Методы контроля физических параметров и гидрогеомеханических процессов в грунтовых массивах
- Нарушение устойчивости откосных грунтовых сооружений
- Обоснование методики маркшейдерско-геодезического контроля
- Мониторинг грунтовых дамб овражного типа
Введение к работе
Актуальность работы
При ведении открытых горных работ в массивах песчано-глинистых по-род четвертичных отложений имеют место оползни объемом до 700 тыс. м , приводящие к нарушению технологического режима, выводу из строя оборудования и технологических коммуникаций. Эксплуатация гидротехнических сооружений (ГТС) накопителей жидких промышленных отходов (гидроотвалы, хвостохранилища, отстойники) осложняется технологическими авариями, вызванными неправильными проектными решениями, некачественным строительством и нарушениями нормативных режимов эксплуатации грунтовых дамб. Основными физическими причинами нарушения устойчивости техногенных дисперсных грунтовых массивов являются: естественная пространственная неоднородность механических свойств породного массива, обусловленная его геологической структурой; изменение во времени прочностных свойств пород вследствие влагонасыщения под воздействием гидрогеологических и климатических факторов; дезинтеграция массива при подработке.
Прогноз безопасного состояния техногенных дисперсных грунтовых массивов основан на применении прямых (инженерно-геологического, гидрогеологического, маркшейдерско-геодезического, тензометрического) и геофизических (звукометрического, термического, геомагнитного, электрометрического, электромагнитного) методов контроля геомеханических и гидродинамических процессов. При этом прямые методы, обеспечивающие основной объем информации о строении, состоянии и свойствах грунтов, трудоемки, недостаточно детальны и оперативны. Поэтому автором предложено их применение сопровождать непрерывным геофизическим мониторингом процессов формирования зон влагонасыщения и разуплотнения. Расчет коэффициента запаса устойчивости техногенных дисперсных грунтовых массивов угольных разрезов основан на предельном равновесии сдвигающих и удерживающих сил в преде-
лах призмы возможного обрушения с учетом сил гидростатического взвешивания и гидродинамического давления.
До настоящего времени не выявлены опасные зоны в техногенных дисперсных грунтовых массивах, подлежащие мониторингу; не обоснованы схемы и режимы комплексного мониторинга процессов в техногенных массивах; не установлены закономерности изменения состояния, свойств и физических процессов в техногенных дисперсных грунтовых массивах (дамб, бортов) угольных разрезов; не разработаны способы и методики прогноза устойчивости объектов на основе данных мониторинга.
Изложенное позволяет считать актуальной разработку способов прогноза устойчивости техногенных дисперсных грунтовых массивов угольных разрезов на основе результатов геологического, маркшейдерского, геофизического методов контроля геомеханических и гидродинамических процессов. Использование в практике промышленных предприятий результатов работы позволит снизить затраты на исследование состояния техногенных массивов, повысить точность прогноза их устойчивости.
Исследования выполнялись в рамках реализации Федеральных законов "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" (№ 116-ФЗ от 21.07.97) и "О безопасности гидротехнических сооружений" (№ 117-ФЗ от 21.07.97) по плану работ Новационной фирмы "КУЗБАСС-НИИОГР", являющейся аналитическим центром по мониторингу безопасности ГТС предприятий угольной промышленности России, в которых автор диссертации, аттестованный эксперт высшей квалификации в области промышленной безопасности, являлся руководителем.
Исследования по электрофизическому мониторингу поддержаны грантом РФФИ по проекту №> 05-05-64100.
Цель работы - оценка состояния и прогноз устойчивости техногенных дисперсных грунтовых массивов-угольных разрезов на основе комплексного мониторинга, обеспечивающие повышение технической и экологической безо-
7 пасности горных работ, увеличение сроков безаварийной эксплуатации грунтовых дамб.
Основная идея работы заключается в использовании закономерностей деформационных, гидродинамических процессов и взаимосвязанных с ними изменений физических полей для прогноза устойчивости техногенных дисперсных грунтовых массивов угольных разрезов.
Задачи исследований:
выявление причин формирования опасных зон в техногенных дисперсных грунтовых массивах;
обоснование и разработка методики комплексного мониторинга гидродинамических и геомеханических процессов в техногенных грунтовых дисперсных массивах;
изучение закономерностей изменения состояния, свойств пород и физических процессов в грунтовых дамбах;
исследование закономерностей изменения состояния техногенных дисперсных грунтовых массивов бортов угольных разрезов;
совершенствование способов и методик прогноза устойчивости откосов грунтовых дамб и бортов угольных разрезов, сложенных глинистыми грунтами.
Методы и объекты исследований
Выполнен комплекс исследований, включающий: анализ и обобщение научно-технической информации в областях прогноза устойчивости бортов угольных разрезов и откосных грунтовых сооружений, методов контроля состояния и свойств массива горных пород; мониторинг геомеханических и гидродинамических процессов в техногенном грунтовом массиве визуальным, геологическим, маркшейдерским, гидрогеомеханическим и геофизическим методами; обработку результатов мониторинга методами математической статисти-
8 ки и корреляционного анализа; компьютерное моделирование с использованием методов геометризации и конечных элементов; реализацию многоэтапных и циклических расчетов с использованием компьютерных программ.
Объекты исследований — техногенные дисперсные грунтовые массивы насыпных, намывных дамб и бортов угольных разрезов, находящихся в зонах гидродинамического влияния ГТС.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
основным фактором, определяющим опасность оползнеобразования прибортовых массивов, является дополнительное влагонасыщение дисперсных грунтов вследствие формирования фильтрационных коллекторов в зоне гидродинамического влияния ГТС;
снижение трудоемкости оценки расположения протяженных влагона-сыщенных зон обеспечивается продольным электропрофилированием с базой установки, в 3,2-6,9 раза превышающей глубину опорной отметки, определяемой инженерно-геологическими изысканиями с бурением скважин или гидрогеологическими измерениями, использованием палеток для двухслойной среды, учетом экранирующего влияния откоса и степени заполнения ГТС;
влагонасыщенные зоны в теле грунтовых дамб накопителей формируются по контакту с естественным основанием, ширина этих зон составляет до 20 м для дамб овражного типа и до 100м- равнинного, форма депрессионной поверхности повторяет скорректированный график поперечного электропрофилирования, а зоны скрытой фильтрации от ГТС в прибортовых массивах залегают на глубине 6-18 м и имеют ширину до 120 м;
физическое состояние влагонасыщенного грунтового массива характеризуется показателем текучести її, линейно связанным с плотностью, углом
внутреннего трения и сцеплением грунтов; в намывных массивах при І > 0,75 происходит поступательное горизонтальное движение слоя мягкопластичных суглинков на глубине 5-18 м по естественному склону в сторону обнажения и вращательное опрокидывание верхнего менее пластичного слоя в обратном на-
9 правлении при средних скоростях горизонтальных смещений, составляющих 55-90 % от скоростей оседаний;
избыточное поровое давление, формируемое в намывных грунтах мягко- и текучепластичной консистенции, возрастает с глубиной пропорционально величине внешней нагрузки, использование данных гидрогеологического мониторинга в качестве корректирующих параметров обеспечивает прогноз расположения потенциальной поверхности скольжения и размеров зон, опасных по обрушению;
повышение точности экспериментально-аналитического прогноза устойчивости бортов угольных разрезов и откосов дамб обеспечивается по критическим значениям площади зоны водонасыщения, выявлением изменяющейся глубины залегания вероятной поверхности скольжения и фактической формы депрессионной поверхности путем электрофизического мониторинга, сопоставлением текущих значений порового давления при гидрогеомеханическом мониторинге с критическими, рассчитанными в точках установки датчиков при наиболее неблагоприятном сочетании сил, действующих на откос.
Научная новизна работы заключается:
в установлении влияния дополнительного влагонасыщения приборто-вых массивов от прилегающих ГТС на формирование оползнеопасных зон;
в экспериментально-теоретическом обосновании методики диагностирования глубины расположения влагонасыщенных зон в дисперсных грунтовых массивах при бесскважинном электрофизическом мониторинге;
в выявлении закономерностей формирования влагонасыщенных зон в теле дамб и прилегающих к ним прибортовых массивах;
в определении критериев районирования намывных массивов по физико-механическим свойствам грунтов и установлении особенностей их деформирования;
в разработке методики моделирования напряженно-деформированного состояния намывного массива на основе корректирования расчета по данным
10 гидрогеологического мониторинга;
- в обосновании и совершенствовании способов прогноза устойчивости
бортов угольных разрезов и откосов дамб на основе результатов геофизическо
го мониторинга.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
использованием стандартных методик инженерно-геологических изысканий, маркшейдерско-геодезических, гидрогеомеханических, электрофизических измерений и аппаратуры, прошедшей метрологическую проверку;
применением апробированных методов математической статистики и корреляционного анализа при обработке экспериментальных данных, методов геометризации и конечных элементов при компьютерном моделировании;
положительными результатами внедрения методов комплексного мониторинга на 34 объектах (ГТС и участках бортов) угольных разрезов Кузбасса в течение 8 лет.
Личный вклад автора заключается:
в анализе причин технологических аварий бортов угольных разрезов и дамб накопителей;
в разработке методик и реализации маркшейдерско-геодезического метода контроля в условиях синклинального залегания пород, непрерывного гид-рогеомеханического мониторинга, диагностики пространственно-временных изменений физических свойств обводненных техногенных массивов по данным электрофизического мониторинга;
в проведении экспериментальных исследований по комплексному мониторингу состояния, свойств и физических процессов в техногенных грунтовых массивах дамб и бортов угольных разрезов в производственных условиях, обработке и анализе их результатов;
в разработке технических решений, алгоритмов расчета и методик про-
гноза устойчивости сооружений и бортов угольных разрезов, ожидаемого ущерба от вероятных аварий;
- в организации внедрения разработок на объектах угольной промыш
ленности Кузбасса.
Научное значение работы состоит в выявлении объектов, обосновании схем, режимов комплексного мониторинга, установлении закономерностей геомеханических и гидродинамических процессов в техногенных дисперсных грунтовых массивах угольных разрезов и разработке на этой основе способов прогноза их устойчивости.
Отличие от ранее выполненных работ заключается в исследовании пространственно-временных изменений физических свойств, состояния и устойчивости техногенных дисперсных грунтовых массивов угольных разрезов Кузбасса, подверженных влагонасыщению и гидродинамическому влиянию ГТС.
Практическая ценность работы состоит:
- в разработке методик комплексного мониторинга состояния, свойств
техногенных дисперсных грунтовых массивов бортов угольных разрезов при
ведении горных работ;
- в разработке методик и компьютерных программ прогноза устойчиво
сти бортов угольных разрезов и дамб накопителей жидких промышленных от
ходов.
Реализация работы
Разработанные методики мониторинга и прогноза устойчивости техногенных грунтовых массивов, рекомендации по безопасному ведению горных работ использованы при разработке нормативных и отраслевых документов:
- Правила безопасности при разработке угольных месторождений откры-
12 тым способом : ПБ 05-619-03 (утверждены Госгортехнадзором России, постановление от 30.05.2003 № 45, зарегистрированы Минюстом РФ, постановление от 16.06.2003 №4694);
- Правила безопасности гидротехнических сооружений накопителей
жидких промышленных отходов : ПБ 03-438-02 (утверждены Госгортехнадзо
ром России, постановление от 28.01.2002 № 6, зарегистрированы Минюстом
РФ, от 16.04.2002 № 3372);
Методика определения размера вреда, причиненного в результате аварии ГТС на поднадзорных Гостехнадзору России предприятиях (утверждена совместным приказом Гостехнадзора России и МЧС России, от 15.08.2003 №482/175а, согласована с Минэкономразвития России, от 14.03.2003 № МУ-23423);
Временное положение о порядке и контроле ведения горных работ в опасных зонах на разрезах Кузбасса / НФ "КУЗБАСС-НИИОГР" ; КузГТУ. -Кемерово, 1999. - 28 с. (согласовано с Кузнецким управлением Госгортехнад-зора России, ОАО "ХК "Кузбассразрезуголь" и ОАО "Южный Кузбасс");
Методические указания по контролю геомеханических и фильтрационных процессов в техногенных породогрунтовых массивах гидротехнических сооружений горных предприятий комплексным геоэлектрическим методом / ГУ КузГТУ ; НФ "КУЗБАСС-НИИОГР". - Кемерово, 2003. - 42 с. (согласованы с ОАО "ХК "Кузбассразрезуголь").
Рекомендации по безопасному ведению горных работ, разработанные по результатам комплексного мониторинга и прогноза устойчивого состояния техногенных грунтовых массивов, использованы филиалами ОАО "Кузбасская топливная компания" ("Разрез Караканский-Южный", "Разрез Виноградовский"), филиалами ОАО "УК "Кузбассразрезуголь" ("Сартакинский угольный разрез", "Моховский угольный разрез", "Бачатский угольный разрез", "Краснобродский угольный разрез", "Ерунаковский угольный разрез", "Талдинский угольный разрез", "Кедровский угольный разрез", "Караканский угольный разрез"), ОАО "Шахта Заречная".
13 Учебное пособие "Расчет устойчивости бортов карьеров на ПЭВМ. — Кемерово, 1998. - 115 с." (соавторы А. А. Фадеев, А. В. Гаденов, Т. В. Михайлова) использовано в учебном процессе для студентов специальностей горного профиля ГУ КузГТУ.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на научно-практическом семинаре "Гидрогеологические и инженерно-геологические проблемы при разработке угольных месторождений" (Санкт-Петербург, 1998 г.), Международной научно-практической конференции "Перспективы использования геоинформационных технологий для безопасной отработки месторождений полезных ископаемых" (Санкт-Петербург, 2000 г.), практическом семинаре "Организация и осуществление мониторинга безопасности гидротехнических сооружений на подконтрольных Госгортехнадзору России предприятиях и объектах" (Москва, 2000 г.), Международной конференции "Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы" (Магнитогорск, Челябинская обл., 2001 г.), II Всероссийской конференции "Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций" (Красноярск, 2001 г.), семинарах Госгортехнадзора России "Организация надзорной деятельности за безопасной эксплуатацией ГТС накопителей жидких промышленных отходов" (Москва, 1998 г.), "Организация надзорной деятельности за безопасной эксплуатацией гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов" (Москва, 2002 г.), "Совершенствование надзора за безопасной эксплуатацией гидротехнических сооружений накопителей жидких отходов промышленности" (Москва, 2003 г.), Ростехнадзора "Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений предприятий промышленности и энергетики" (Москва, 2005 г.), "Совершенствование государственного надзора и контроля в сфере безопасности гидротехнических сооружений на объектах промышленности и энергетики" (Кемерово, 2006 г.), ИПКОН РАН и Ростехнадзора "О повышении полноты и комплексности использования запасов полезных ископаемых при их добыче и переработке" (Анапа, 2005, 2006, 2007 гг.), II, IV,
14 V, VI Международных научно-практических конференциях "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (Кемерово, 1998, 2000, 2002, 2005 гг.), "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Кемерово, 2001 г.), "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (Кемерово, 2002, 2003, 2005 гг.).
Экспонаты по мониторингу безопасности ГТС, оценке устойчивости бортов угольных разрезов и безопасности ГТС, подготовленные с участием автора, отмечены дипломами II и III степени Международной выставки-ярмарки "ЭКС-ПО-УГОЛЬ-2003", а комплексы работ по критериям безопасности ГТС предприятий угольной промышленности, обеспечению устойчивости бортов и отвалов разрезов Кузбасса, безопасных условий эксплуатации ГТС на подрабатываемой территории награждены дипломами I степени и золотыми медалями этой выставки в 2004-2007 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 научные работы, в том числе 2 монографии, 35 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК, получено 2 патента на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, изложена на 320 страницах машинописного текста, содержит 113 рисунков, 29 таблиц, список литературных источников из 205 наименований, 4 приложения.
Автор выражает искреннюю признательность коллективу Новационной фирмы "КУЗБАСС-НИИОГР" во главе с к.т.н. С. И. Протасовым за помощь в проведении экспериментальных исследований.
Методы контроля физических параметров и гидрогеомеханических процессов в грунтовых массивах
Прямые методы контроля основаны на инженерных изысканиях, визуальных и инструментальных наблюдениях. Косвенные (геофизические) методы основаны на связи параметров состояния и свойств горных пород в аномальных зонах с параметрами разного рода физических полей.
Прямые методы контроля являются наиболее распространенными и разработанными, однако в ряде случаев они весьма трудоемки и требуют значительных материальных затрат.
В зависимости от используемого оборудования применяют следующие прямые методы контроля физического состояния массива горных пород: - инженерно-геологический метод основан на проведении разведочных и горных выработок, отборе образцов (монолитов, кернов) горных пород и исследовании их в лабораторных и полевых условиях, а также определении поверхностей ослабления и их пространственной ориентировки в массиве; - гидрогеологический метод предполагает бурение разведочных скважин и изучение гидрогеологического режима с использованием специальных измерительных устройств; - маркшейдерско-геодезический метод основан на закладке в массиве горных пород специальных наблюдательных станций в виде системы поверхностных и глубинных реперов и контроля их состояния с помощью измерительных приборов; - тензометрический контроль предполагает установку специальных датчиков в исследуемых зонах и контроль напряженного состояния массива горных пород.
Косвенные (геофизические) методы контроля в зависимости от используемого физического поля разделяют на следующие виды: - звукометрический, предусматривающий возбуждение в массиве упругих колебаний определенного диапазона: низкочастотного сейсмического, акустиче ского или ультразвукового; фиксируя сигнал, прошедший через контролируемый участок массива, определяют изменение скорости распространения составляю щих сигнала или его затухание, зависящих от плотности, пористости и влажности пород; -термометрический, основанный на измерении аномалий температуры массива или его теплофизических параметров (теплопроводности, теплоемкости), зависящих от состояния и свойств горных пород; -геомагнитный контроль, предполагающий измерение аномалий геомагнитных полей; -геоэлектрический, базирующийся на мониторинге пространственно-временных изменений комплекса электромагнитных параметров среды.
Группу геоэлектрических методов разделяют на две подгруппы: электрофизический и электромагнитный контроль. Электрофизический контроль реализуется при наличии электрического контакта с породным массивом. Он включает методы регистрации тока, зондирование (подземное и вертикальное с земной поверхности), профилирование, межскважинное просвечивание, скважинный каротаж на постоянном, переменном токе и диэлектрический, методы вызванной по 33 ляризации, а также комплекс методов регистрации параметров естественных электрических полей (электрохимических, стационарных, фильтрационных нестационарных). Электромагнитный контроль основан на измерении параметров электромагнитных полей, распределение которых зависит от электрических и магнитных свойств горных пород. В зависимости от частоты электромагнитного поля различают методы постоянного тока, низкочастотные, высокочастотные и радиоволновые [24].
Высокочастотные и радиоволновые методы контроля являются бесконтактными, т.е. не требуют электрического контакта датчика с массивом. Они включают: индукционный, электроемкостный, магнитный методы, высокочастотное и радиоволновое зондирование, индуктивный, по изменению добротности антенного контура, методы регистрации естественного импульсного электромагнитного и оптического излучений.
Следует отметить, что активные сейсмический и электромагнитный методы, предусматривающие излучение в породный массив зондирующего сигнала, объединяют в группу методов интроскопии.
Основными методами интроскопии массива являются теневые и локационные. При теневом методе интроскопии излучатель и приемник перемещают по параллельным скважинам. Появление в зоне контроля аномальной зоны, непрозрачной для излучения, вызывает полное, частичное ослабление сигнала или его отражение в зависимости от размеров зоны неоднородности. Локационные методы предназначены для оценки расстояния до зоны неоднородности при одностороннем доступе к исследуемому массиву по времени прихода отраженного сигнала. Различают модификации локационных методов, позволяющие повышать точность выделения отраженных сигналов: импульсное излучение, частотная и фазовая модуляция.
Нарушение устойчивости откосных грунтовых сооружений
Форма поверхности скольжения зависит от структурной неднородности массива и может быть круглоцилиндрической, ломанной, проходить полностью либо частично по поверхностям ослабления. Часто развитие оползня происходит в несколько стадий, т.е. при отрыве первой призмы обрушения развитие деформаций не останавливается, в глубь массива развивается новая система трещин и процесс может продолжаться в течение нескольких лет.
В соответствии с "Правилами обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах" [123] расчетные значения углов устойчивых бортов по рыхлым отложениям в зависимости от физико-механических свойств пород изменяются в следующих пределах: уступов высотой до 25 м - от 14 до 72; борта высотой до 45 м - от 11 до 54.
Фактически на многих разрезах Кузбасса при отработке рыхлых отложений отсутствуют признаки деформаций для упомянутых высот при углах откоса уступов от 40 до 61, борта - от 47 до 54. Вместе с тем, практически на всех разрезах наблюдаются отдельные зоны активных оползней изотропного массива рыхлых четвертичных отложений. Рассмотрим примеры таких оползней и проанализируем их причины [119].
Оползень в районе профилей № 8—№ 9 по северо-западному гидровскрышному борту участка № 3 ОАО "Разрез Сартаки" произошел в течение нескольких минут. При этом призма обрушения сформировалась на расстоянии 10 м от верхней бровки откоса, длиной вдоль фронта около 120 м. На расстоянии 20 м от нового откоса борта сформировалась зона остаточных деформаций, в которой на земной поверхности появилась система трещин, ориентированных параллельно верхней бровке откоса борта. В этой зоне оказались полотно технологической автодороги и насыпь железнодорожного тупика (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Оползень по северо-западному борту ОАО "Разрез Сартаки": № 1-№ 4 - точки отбора проб грунта Оползшая масса гидровскрышных пород переместилась в юго-западном направлении на расстояние порядка 100 м, затем, встретив преграду в виде водовода (трубы D « 500 мм), остановилась, заполнив при этом все призабойное пространство гидромонитора № 2. Углы наклона поверхности оползневого склона составили: в нижней части 5-7, в серединной - 18, в верхней (по откосу уступа) - 44-46. Максимальная высота оползшей массы пород достигала 47,1 м (включая размещенный на борту отвал коренных пород). Объем оползня около 85 тыс. м .
Причины оползня. Общее понижение рельефа земной поверхности приходилось на участок расположения профилей № 8-№ 9; в прибортовой зоне, на расстоянии около 10 м от откоса был расположен отвал вскрышных пород. Таким образом, атмосферные воды аккумулировались в этом отвале и фильтровались в массив суглинистых отложений. Вследствие низких фильтрационных свойств поглощаемая суглинками вода не высачивалась на откосе, а увеличивала водонасыщенность грунтов, вплоть до перехода их в текучее состояние. В результате на локальном участке существенно снизились прочностные характеристики пород и произошло нарушение устойчивости борта рыхлых четвертичных отложений.
С целью подтверждения причин оползня были проведены исследования физико-механических свойств пород на данном участке, результаты которых (табл. 2.2) подтвердили значительное снижение прочностных характеристик пород за счет насыщения их водой. В зоне оползня (проба № 1) удельное сцепление оказалось в 2,5 раза меньше, чем по этому же уступу на расстоянии 200 м от оползня (проба № 3).
Оползень рыхлых четвертичных отложений юго-восточного борта ЗАО "Разрез Майский" развивался циклично в течение года. На участке оползня мощность рыхлых отложений изменялась от 39 до 63 м. Для этого участка характерно также понижение рельефа земной поверхности в сторону выработанного пространства. Максимальная глубина ведения горных работ составляла всего 60-70 м, когда в прибортовой зоне сформировалась вертикальная трещина отрыва. Произошло плавное опускание поверхности и смещение ее в сторону выработанного пространства на 10-20 м. После стабилизации первого цикла оползня на участке начали вести работы по зачистке пласта, при этом производилась отгрузка горных пород в нижней части оползневого тела (в призме упора). В результате зачистки происходила подрезка контакта кровли пласта с четвертичными отложениями и разгрузка призмы упора оползневого тела, что приводило к формированию следующего цикла оползня (рис. 2.6).
Обоснование методики маркшейдерско-геодезического контроля
Для многих разрезов Кузбасса ("Бачатский", "Кедровский", "Черниговский" и др.) характерно синклинальное залегание пород, осложненное большим числом тектонических нарушений и трещин, причем направление ведения горных работ совпадает с направлением простирания дизъюнктивных и пликатив-ных нарушений, которые являются поверхностями ослабления. Деформации различных видов на таких месторождениях проявляются практически постоянно.
Например, на разрезе "Бачатский" оползни уступов, сложенных четвертичными отложениями, появились, когда высота борта не превышала 30-40 м; оползни в коренных породах стали проявляться при глубине карьера 80 м. Когда глубина карьера превысила 200 м при отработке замковой части пласта Мощного (мощность 26 м), деформационные процессы особенно активизировались на эксплуатационном участке № 12, расположенном в южной части Бачатской котловины. При этом фактические углы наклона борта на данном участке были на 2-7 положе рекомендуемых проектом.
Одной из актуальных задач для горных предприятий со сложными горногеологическими условиями является геомеханический мониторинг, который позволит своевременно предупредить чрезвычайные ситуации на карьерах. При проведении натурных экспериментов установлено, что не всегда могут быть применены нормативные требования к проведению инструментальных наблюдений. В частности, при синклинальном залегании пород расположение профильной линии перпендикулярно простиранию борта не позволяет выявить закономерности процесса сдвижения, следовательно, своевременно принять эффективные меры по предотвращению чрезвычайных ситуаций. Ниже приводятся конкретные примеры по ведению геодинамического мониторинга и рекомендации, полученные на основе анализа натурных исследований.
Для выявления механизма оползневого процесса маркшейдерской службой разреза "Бачатский" было заложено несколько наблюдательных станций. Выбор местоположения каждой станции, ее конструкция и методика наблюдений принимались в соответствии с Инструкцией [126] и Методическими указаниями [127], разработанными ВНИМИ.
Наблюдательные станции закладывались перпендикулярно направлению ведения горных работ в зоне визуально обнаруженных деформаций. В результате обработки наблюдений были определены параметры, характеризующие процесс деформирования прибортового массива (горизонтальные и вертикальные смещения, полные векторы и скорости смещения реперов), а также построена поверхность скольжения по векторам смещения реперов, которая оказалась близка к теоретической [128]. Вместе с тем, проводимые наблюдения длительное время не позволяли выявить факторы, влияющие на устойчивость, кроме того, наблюдательная станция не всегда оказывалась в зоне максимальных деформаций.
В сентябре 1993 г. на участке № 12 юго-западного борта (профиль 112-113) была заложена наблюдательная линия перпендикулярно направлению фронта горных работ. С октября 1994 г. были начаты наблюдения за тремя пунктами съемочного обоснования (9492, 9546, 8076), расположенными вдоль прибортовой зоны на отм. 240 м. С января 1998 г. на этом же участке были заложены дополнительные три пары реперов вдоль автодороги на отм. 180 м. Таким образом, наблюдательная станция состояла из одной профильной линии, закрепленной вкрест простирания, и трех линий - по простиранию (рис. 3.7, а).
Наблюдения проводились с использованием светодальномера СТ5 "Блеск", теодолита Theo 010В, а в последние 3 года с использованием станции автономного спутникового определения координат GPS. Максимальная погрешность определения горизонтальных проложений составила 18,7 мм, превышений из тригонометрического нивелирования с учетом погрешности за рефракцию - 18,4 мм.
При наблюдениях определялись три координаты {X, У, Z) каждого репера наблюдательной станции, и по результатам были построены траектории смещения реперов в плане.
В районе профильных линий 106-107 направления смещений реперов (8076, Rpl, Rpl , RpII, RpII ) ориентированы на восток, в сторону выработанного пространства и профиля 111. Полный вектор сдвижения репера 8076 за 5 лет составил 1004 мм; скорость деформаций оставалась практически постоянной в течение всего срока наблюдений — 1,10 мм/сут.
В районе профильных линий 112-114 направления смещения реперов (9492, Rpl - Rpl 1) ориентированы на север, т.е. также в сторону выработанного пространства и профиля 111. Полный вектор сдвижения репера 9492 за 5 лет составил 1160 мм; средняя скорость деформаций - 1,50 мм/сут. Вектора смещения реперов наблюдательной станции, "стягиваясь" к профилю 111, как бы оконтуривали призму возможного обрушения по простиранию борта.
В прибортовой зоне на земной поверхности сформировалась зона трещи-новатости, причем максимальная интенсивность этой зоны оказалась в районе профилей 109-111, а в направлении профилей 106 и 114 амплитуда трещин и их количество заметно уменьшались.
Были проанализированы многие факторы, которые могли оказать влияние на оползневый процесс. Особый интерес вызвал тот факт, что векторы смещения реперов 9492 и 8076, находящихся на расстоянии 350-400 м по разным сторонам от репера 9546, оказались в 11-13 раз меньше. На все реперы оказывали практически одинаковое влияние природные и техногенные факторы, определяющие устойчивость. Горные работы на данном участке сосредоточены в замковой части синклинали "І7" и на всем протяжении находятся на отм. 100-138 м (отметка увеличивается постепенно от профиля 106 до профиля 114). Автором диссертации было исследовано влияние погружения оси складки на величину деформаций, для чего построен продольный профиль почвы пласта Мощного по оси синклинали "F". Отметка почвы пласта уменьшается от профилей 106 и 115 к профилю 111 (рис. 3.7, б).
Мониторинг грунтовых дамб овражного типа
Наиболее сложными объектами техногенных массивов являются дамбы (перемычки, плотины) на слабом водонасыщенном основании. Опыт их эксплуатации показывает, что на данных объектах могут наблюдаться существенные смещения и деформации, как вертикальные, так и горизонтальные.
Под действием напорного фронта в теле техногенного массива формируются фильтрационные коллекторы и водопроводящие зоны, которые усиливают проявление гидростатических и гидродинамических сил, изменения температуры и влажности способствуют дезинтеграции элементов массива, а действие гравитационных сил — его консолидации. Возникновение избыточного порово-го давления, характерного для глинистых грунтов, обладающих низкой водоотдачей, приводит к снижению удерживающих сил. Поставленная задача осложняется тем, что описанные процессы весьма неравномерно развиваются во времени.
Исследования физического состояния перемычки гидроотвала № 3 ОАО "Разрез Кедровский" включали комплексное применение четырех методов контроля состояния массива: инженерно-геологического, гидрогеологического, маркшейдерско-геодезического, электрофизического.
Инженерно-геологический метод предусматривал бурение двух скважин (глубиной 41 и 64 м) с гребня перемычки через насыпные и намывные породы (инженерно-геологические изыскания проведены совместно Новационной фирмой "КУЗБАСС-НИИОГР" и комплексной инженерно-геологической экспедицией ОАО "КузбассТИСИЗ" в 2002 г.). В результате исследований составлена геологическая колонка техногенного массива, описание которой приводится сверху вниз.
1. Насыпные грунты тела перемычки мощностью 11-15 м образованы путем отсыпки скальных вскрышных пород и представлены смесью раздробленных пород с глыбами песчаника, аргиллита и алевролита.
2. Намывной грунт основания перемычки представлен суглинком, образованным за счет размыва дисперсных вскрышных пород. Суглинок имеет бурый и реже серый цвет, туго-, мягкопластичную консистенцию, в единичных случаях твердую и полутвердую, водонасыщен. Грунт неоднороден по плотности и по показателю пластичности, изменяется от суглинка легкого песчанистого до тяжелого пылеватого. При дополнительном замачивании грунт не меняет свои прочностные и деформационные характеристики. Мощность намывного слоя 12,2-40,9 м.
3. Ниже намывных суглинков залегают коренные аллювиальные и элювиальные суглинки четвертичных отложений, подстилаемые скальными породами.
Одновременно с инженерно-геологическими исследованиями через 12 месяцев с начала формирования напорного фронта с восточной стороны ограждающей перемычки выполнены первые серии электрофизических и марк-шейдерско-геодезических наблюдений.
Первый этап электрофизического контроля заключался в привязке результатов измерений к геологической информации: определении границ слоев геоэлектрического разреза методом ВЭЗ и сопоставлении этих границ с результатами инженерно-геологических изысканий (рис. 4.9).
Геологические колонки и графики ВЭЗ по скважинам № 2 (а) и № 1 (б): 1 - насыпной грунт (обломки песчаника, аргиллита, алевролита); 2 - намывной грунт (суглинок бурый и серый, туго-, мягкопластичный, водонасыщенный); 3 - суглинок бурый элювиальный, твердый, влажный
Для решения поставленной задачи ВЭЗ выполняли на участках бурения геологических скважин. Результаты ВЭЗ показали, что исследуемый техногенный массив представляет собой двухслойную геоэлектрическую среду: первый слой сухих пористых насыпных пород 1 с эффективным УЭС в диапазоне
рк = 25-120 Ом-м; второй слой 2 намывных влагонасыщенных грунтов с относительно стабильной величиной УЭС рк = 20-25 Ом-м. Граница между нижними геоэлектрическими слоями 2 и 3 размыта, поскольку намывные и коренные суглинки имеют одинаково высокую естественную влажность (W= 0,24-0,26).
В данном случае целесообразно в дополнение к электрофизическому контролю проведение гидрогеологических наблюдений и инструментальных маркшейдерско-геодезических измерений, что обеспечивает комплексный подход к оценке физического состояния дамбы.
Экспериментальные наблюдения на ограждающей перемычке, отсыпанной вскрышными скальными породами поверх намывных отложений гидроот 154 вала № 3, проводили в течение семи лет. Перемычка характеризуется значительной шириной по гребню от 84 до 110 м и изменением высоты от 0 (на участке примыкания к рельефу) до 13 м (в тальвеге лога), длина перемычки около 680 м.
На двух участках формирования фильтрационных коллекторов было выполнено по 3-5 серий наблюдений с периодичностью в 1-2 месяца. В каждой серии выполняли замеры по схеме ВЭЗ на участках бурения инженерно-геологических скважин и в створе с зонами водопроявлений в нижнем бьефе. Основные схемы мониторинга состояли в следующем [156]: ВЭЗ с центрами установок в точках с известным уровнем депрессионной кривой и максимальным шагом зондирования /±АВтах = 5м; ЭП по характерным профилям, с фиксированными разносами, соответствующими расположению верхней границы зоны влагонасыщения и шагом профилирования Ах = Ay = 5 м. На графиках ВЭЗ отрицательное отклонение УЭС до 30 % от среднего уровня соответствовало расположению верхней границы обводненной зоны. Снижение уровня УЭС в пределах установленной зоны с течением времени характеризует увеличение водонасыщенности пород.
