Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Условия возникновения оползневых процессов и оценка их традиционными методами . 10
1.1. Сущность оползневых явлений 10
1.2. Условия возникновения оползней . 14
1.3. Модели оползневых массивов 18
1.4. Оценка оползневых процессов традиционными методами на угольных разрезах 28
Глава 2. Оценка оползневых процессов с помощью геофизических методов исследования . 34
2.1. Особенности применения геофизических методов 34
2.2. Возможности методов электроразведки . 37
2.3. Возможности сейсморазведки . 46
2.4. Применение других геофизических методов и задачи комплексирования . 53
2.5. Использование новых геофизических технологий 56
Глава 3. Формирование геоэлектрических моделей для южного борта разреза "Восточный" . 62
3.1. Физико-географические условия и общая геологическая характеристика . 62
3.2. Инженерно-геологические условия . 67
3.3. Гидрогеологические условия . 75
3.4. Методы оценки устойчивости откосов на южном борту разреза "Восточный" 81
3.5. Геоэлектрические модели бортов угольного разреза . 86
Глава 4. Обоснование возможностей электрической томографии на основе математического моделирования электрических полей 93
4.1. Аппаратура и методика полевых работ 93
4.2. Примеры применения электрической томографии. 100
4.3. Особенности математического моделирования электрических полей 104
4.4. Закономерности аномальных электрических полей для моделей, аппроксимирующих оползневые откосы 109
Глава 5. Результаты экспериментальных исследований на оползневых откосах и перспективы применения электрической томографии 130
5.1. Результаты экспериментальных работ . 130
5.2. Возможности электрической томографии для решения инженерно-геологических задач 143
5.3. Перспективы метода при разведке сопутствующих полезных ископаемых 148
5.4. Прослеживание поверхности фундамента в пределах северной части участка "Контровод" 153
5.5. Перспективы применения систем наблюдений "скважина-поверхность" 158
Заключение 165
Литература
- Условия возникновения оползней
- Возможности методов электроразведки
- Гидрогеологические условия
- Особенности математического моделирования электрических полей
Введение к работе
Актуальность работы. При разработке месторождений угля открытым способом довольно часто развиваются оползневые процессы по бортам разрезов, которые препятствуют устойчивой и эффективной работе горнодобывающих предприятий. Мероприятия по предотвращению оползней требуют огромных затрат человеческого труда, материалов и денежных средств. Поэтому при планировании и эксплуатации угольных разрезов нужно знать геологическую обстановку на территории месторождения. Изучение структурно-тектонического строения и свойств грунтов оползневых массивов, оценка и прогноз опасных геологических явлений должны своевременно определять предупредительные меры и, в конечном счете, обеспечивать безопасность, экономическую и экологическую целесообразность разработки угольных месторождений.
Решение такой проблемы весьма актуально для Лучегорского топливно-энергетического комплекса (ЛуТЭК), который является основным производителем электрической энергии в Приморье. Сырьевой базой для ЛуТЭКа служит Бикинское буроугольное месторождение, расположенное в Пожарском районе Приморского края. Уголь месторождения добывается крупными разрезами "Лучегорский-1" и "Лучегорский-2". Угольный разрез "Лучегорский-1" действует с 1973 года и, в последнее время, имеет производственную мощность 6,5 млн.тонн угля в год. Горные работы проводятся на различных участках малыми разрезами и все они характеризуются сложными горно-геологическим условиями.
На протяжении всего периода строительства и эксплуатации этих разрезов наблюдались оползни бортов и уступов, значительно осложняющих проведение добычных работ. Наиболее сложными структурно-тектоническими условиями характеризуется южный борт разреза "Восточный", который расположен в пределах разреза "Лучегорский-1".
На южном борту разреза выделяются опасные зоны № 25 и № 33, оползневые процессы на которых происходят периодически с 1993 года. В январе 2004 года в опасной зоне № 25 при отработке пласта четвертой группы произошел отрыв оползневого массива объемом 2,5 млн.м предположительно по кровле угольных пластов пятой группы. Горные работы по добыче угля, которые должны были дать в 2004 году 1,5 млн.тонн, остановлены до разработки специального проекта безопасной отработки южного борта.
Анализ деформаций бортов и откосов горных выработок на месторождении и, в частности, на южном борту разреза "Восточный" показал [117,118,128], что основными факторами отрицательно влияющими на устойчивость бортов являются:
- наличие в кровле и почве угольных пластов слабых пластичных пропластков, ослабленных слоев в верхней части разреза с низкими характеристиками сопротивляемости сдвигу;
- падение слоев пород и угольных пластов в сторону выработанного пространства под углами до 12° до 25°;
- наличие напорных вод в нижележащих невскрытых группах угольных пластов;
- слабые контакты между слоями пород и пропластками пластичных глин.
Для детального изучения этих факторов, влияющих на устойчивость бортов разрезов применялись и в настоящее время используются геологические исследования по определению инженерно-геологических и гидрогеологических условий на территории разрезов. Кроме традиционных технологий, включающих систематические инструментальные наблюдения, бурение инженерно-геологических скважин, отбор монолитов, геофизических исследований в скважинах, опытно-фильтрационных работ, с 2004 года начали применяться опытно-методические геофизические исследования методом электрической томографии. Применение метода открывает дополнительные возможности для пространственного изучения структурно-тектонического строения оползневых откосов, которые можно использовать при расчете устойчивости бортов разреза. Для эффективного решения этой проблемы весьма актуальными являются специальные методические исследования по разработке технологии электрической томографии для оценки геологического строения бортов угольных разрезов.
Целью работы является оценка структурно-тектонического строения оползневых откосов угольных разрезов, используя возможности электрической томографии для определения геометрических и физических параметров горных пород и грунтов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи.
1. Проведен обзор природных и техногенных оползневых процессов, рассмотрены условия возникновения оползней и модели оползневых массивов.
2. Рассмотрены особенности применения геофизических методов для оценки оползневых явлений, дан анализ возможностей каждого метода на примерах.
3. Исследованы инженерно-геологические и гидрогеологические условия Лучегорского разреза, способствующие возникновению оползней и разработаны геоэлектрические модели оползневых массивов опасных зон южного борта разреза "Восточный".
4. Установлены критерии обнаружения и прослеживания локальных неоднородностей и слоев, в том числе ослабленных слоев, на основе анализа результатов моделирования электрических полей для геоэлектрических моделей и томографических систем наблюдений.
5. Проведены экспериментальные исследования электрической томографией на площадях опасных зон, определены геометрические и физические параметры основных комплексов пород и установлены закономерности изменения их во времени.
6. Определены возможности электрической томографии для решения инженерно-геологических и гидрогеологических задач, при разведке сопутствующих полезных ископаемых в пределах месторождения и дан анализ применения метода с использованием систем наблюдений "скважина- поверхность".
Идея работы заключается в том, что информация о пространственном положении ослабленных слоев и поверхностей скольжения, полученная в результате интерпретации данных электрической томографии, может быть использована при расчете устойчивости бортов угольных разрезов.
Методы исследований. Реализация поставленной цели осуществлялась на основе формирования геоэлектрических моделей бортов разреза "Восточный" с учетом инженерно-геологических и гидрогеологических исследований, математического моделирования электрических полей для выбранных моделей сред, обоснования возможностей электрической томографии при выделении и прослеживания основных структурных элементов оползневых массивов и подтверждения этих возможностей в процессе проведения опытно-методических работ.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Геоэлектрические модели оползневых откосов угольных разрезов, разработанные на основе классификации геометрических и физических параметров различных комплексов горных пород, позволили использовать эти параметры для математического моделирования электрических полей и обоснования возможности метода по изучению оползневых массивов.
2. Закономерности поведения аномальных электрических полей, полученные в результате математического моделирования, позволили установить условия выделения ослабленных слоев: мягкопластичных глин среди четвертичных аллювиальных отложений (Qiv), пластичных глин (Nj) совместно с аргиллитоподобными суглинками палеогенового возраста (Рз), а также водонасыщенные песчано-гравийные и песчано-глинистые породы четвертичного возраста (Qiv) Геолого-геофизические разрезы, установленные в результате интерпретации данных опытно-методических работ, подтвердили теоретическое обоснование возможности электрической томографии по выделению ослабленных слоев и дали основания оценить динамику развития оползневых явлений при разработке Лучегорского буроугольного месторождения.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается представительным объемом математического моделирования электрических полей при различных соотношениях геометрических и физических параметрах неоднородных сред; большим объемом экспериментальных данных, полученных в течение трех полевых сезонов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработаны геоэлектрические модели оползневых откосов бортов угольного разреза, которые характеризуются сочетанием разноориентированных границ раздела с определенным градиентом изменения электрических свойств по латерали и глубине;
- установлены закономерности аномальных электрических полей для разработанных геоэлектрических моделей сред, по которым определены критерии обнаружения и выделения ослабленных слоев оползневого откоса;
- установлены условия и пространственное залегание основных комплексов пород оползневого массива, которые характеризуются фациальными замещениями, локальными включениями и выклиниванием слоев.
Практическое значение работы заключается в том, что:
- применение электрической томографии в комплексе с единичными инженерно-геологическими скважинами позволило оценить структурно- тектоническое строение оползневых откосов угольных разрезов в пространстве и во времени на основе определения геометрических и физических параметров различных комплексов пород;
- применение разработанной технологии обеспечивает оперативность получения структурных построений для расчетов устойчивости откосов угольных разрезов, упрощает и удешевляет традиционные методы оценки оползневых явлений и позволяет принимать своевременные противооползневые мероприятия.
Реализация выводов и рекомендаций. Полученные результаты внедрены в производство на угольном разрезе "Лучегорский-1" Лучегорского топливно-энергетического комплекса и использованы при оценке и прогнозе оползневых процессов на угольном разрезе "Восточный". Рекомендации по применению электрической томографии в комплексе с единичными скважинами можно использовать и на других угольных разрезах Дальневосточного региона для оценки структурно-тектонического строения оползневых откосов и проведения оперативных расчетов устойчивости бортов.
Личный вклад автора заключается в:
анализе возможностей традиционных геологических и геофизических методов при изучении оползневых массивов;
анализе инженерно-геологических и гидрогеологических условий Лучегорского разреза, способствующих возникновению оползней;
- формировании геоэлектрических моделей бортов угольного разреза на основе анализа инженерно-геологических условий и разработке критериев выделения и прослеживания ослабленных слоев;
получении геологических результатов, основными из которых являются установление залегания различных комплексов пород и прослеживание ослабленных слоев.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях ДВГТУ (г.Владивосток 2002-2005г.г.); научно-технических советах разрезоуправления "Лучегорский" (2004-2006 г.г.); научной конференции - Вологодские чтения "Экология и безопасность жизнедеятельности" (г.Владивосток - 2004); Международной научно-практической конференции "Проблемы освоения минерально-сырьевых ресурсов Дальнего Востока и стран АТР" (г.Владивосток, 2004); Международных научных чтениях "Приморские зори-2005, 2007 "Экология, безопасность жизнедеятельности, защита в чрезвычайных ситуациях, устойчивое развитие Дальневосточных территорий" (г.Владивосток - 2005,2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в т.ч. в двух журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения, списка литературы из 141 наименований, четырех приложений и содержит 174 страницы машинописного текста, 50 рисунков, 7 таблиц.
Условия возникновения оползней
Для описания оползневых процессов необходимо рассмотреть основные характеристики откосов как основного объекта угольных разрезов, подвергающихся разрушению оползнями, и установить относящуюся к ним терминологию.
Откосом [68] называют наклонную поверхность открытой горной выработки или искусственной насыпи (отвала). Простой откос состоит из следующих элементов: собственно откос - наклонный участок борта разреза; бровка откоса - линия пересечения поверхности откоса уступа с поверхностью верхней или нижней площадок, ограничивающих уступ по высоте. Соответственно их называют верхней и нижней бровками. Высота откоса - это разность между максимальной и минимальной высотными отметками откоса до нарушения его устойчивости. Крутизна определяется углом а наклона поверхности откоса уступа. Заколом называют визуально прослеживаемую трещину в откосе, на верхней площадке уступа или земной поверхности, образовавшуюся в результате деформации откоса.
Сложные откосы состоят из нескольких по высоте наклонных участков разной формы и крутизны, разделенных либо линией резкого изменения уклона, либо горизонтальными участками (террасы или ступени на откосах), либо даже запрокинутыми внутрь откоса участками. Составляющие сложный откос простые или элементарные откосы иногда носят различные названия в зависимости от их происхождения и положения на этом откосе [68].
Техногенные оползни формируются по времени значительно быстрее, чем природные. Физические поля (гравитационное, термическое, электромагнитное, геохимическое и поле фильтрации), характеризующие поверхностную часть земной коры, в откосах в большей или меньшей степени трансформируются. Для возникновения оползневых процессов наибольшее значение имеет гравитационное поле. Вследствие действия силы тяжести слагающие оползневой массив горные породы испытывают напряжения, обусловленные весом лежащих выше пород.
Кроме напряжений, вызванных силой тяжести, могут существовать напряжения, обусловленные тектоническими силами, различием теплового расширения, изменением объема при колебаниях влажности, химических преобразованиях, кристаллизации. Однако, эти добавочные напряжения существуют не всегда и не везде, тогда как напряжения» вызванные силой тяжести, всеобщи и неизбежны.
Для однородной и изотропной среды известно [28] решение задачи о распределении напряжений в любой точке откоса. При более сложном строении откосов на основе физического моделирования получены эмпирические закономерности влияния строения на распределение в них напряжений. Распределение напряжений в каждом монолитном, но сложенном разными породами откосе определяется условием равенства деформаций соседних частей. Вследствие этого части откоса, сложенные породами с более высокими модулями деформации, воспринимают на себя большую долю напряжений и разгружают части, сложенные более слабыми породами.
Картина распределения напряжений еще более усложняется под воздействием других факторов, вызывающих собственные напряжения. Так во всех горных породах могут возникать напряжения, связанные с протекающими в них физико-химическими изменениями, особенно с колебаниями влажности и температуры. Эти колебания вызывают периодически изменяющиеся напряжения, накладывающиеся на гравитационное поле напряжений. То же касается и других дополнительных напряжений.
Свойства горных пород, которые характеризуют их реакцию на действующее напряжение, определяют как возможность возникновения, так и ход во времени оползневых процессов. Прочностные характеристики пород зависят от их гранулометрического и минералогического состава, структуры и текстуры, химического состава поровой воды.
В работе [28] предлагается различать четыре основных вида нарушения устойчивости откосов.
1. Нарушение общей устойчивости откоса, когда в оползневой процесс вовлекается массив на всю высоту и положение потенциальной поверхности скольжения, определяется соотношением между величиной напряжений и прочностью всех пород массива. Поверхность скольжения в этом случае имеет преимущественно вогнутую форму (круглоцилиндрическую) и часто опускается под нижнюю бровку.
2. Нарушение локальной устойчивости, когда в оползневой процесс вовлекается часть массива по высоте, обычно верхняя часть откоса до определенного уровня. Характер нарушения равновесия такой же, как при нарушении общей устойчивости, но явление носит относительно меньший масштаб. Эти два вида нарушения называют "глубокими".
3. Нарушение частной устойчивости откоса, когда положение потенциальной поверхности скольжения лимитируется положением границы между отложениями оползневого массива и коренными породами. Особенно распространены оползни покровных образований, плащеобразно покрывающих откосы. Поверхность скольжения обычно располагается примерно параллельно поверхности откоса и может иметь любую форму (вогнутую, выпуклую или извилистую в профиле). Такие оползни называют "поверхностными".
4. Нарушение устойчивости отдельных участков ранее оползших массивов пород или оползни второго порядка.
Таким образом, движение оползня начинается в результате нарушения равновесия откоса и продолжается до достижения нового состояния равновесия. Оползневой процесс не является стационарным процессом с постоянными в течение некоторого времени характеристиками в каждой точке полупространства. Возникновение оползня происходит в тот момент, когда коэффициент устойчивости откоса вдоль данной потенциальной поверхности скольжения достигает величины, равной примерно единице. Величина оползневого смещения в результате каждого акта нарушения равновесия является конечной и ограниченной.
Оценка устойчивости бортов разреза производится методами, учитывающими инженерно-геологические, гидрогеологические, физико-географические и горно-технические условия месторождений. С учетом направленности исследований в работе основательно рассматриваются только первые два условия.
Возможности методов электроразведки
Наиболее эффективными для оценки оползневых явлений [62], 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 процессе измерений определяют кажущиеся удельные сопротивления (рк) с помощью установок с разными расстояниями между питающими и приемными линиями (г), т.е. глубина приникновения тока регулируется геометрическим параметром (разносом установки). В результате интерпретации кривых зондирований рк = f (г) получают информацию об изменении удельных электрических сопротивлениях слоев геологической среды.
Известно [62,97], 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 литолого-петрографических типов пород составляются корреляционные зависимости удельного сопротивления от инженерно-геологических свойств пород [98,99], 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 [97], имеющих электрохимическое происхождение. С помощью таких же, как в методе ВЭЗ, установок определяются кажущиеся поляризуемости (гк), а при интерпретации зависимостей лк = 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 вторичное 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 поляризуемостями. 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 поляризуемостей установками [11], 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 [97] 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 [89] 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.
Гидрогеологические условия
Бикинское месторождение приурочено к одноименному артезианскому бассейну третьего порядка, расположенному в пределах Западно-Сихотэ-Алинского гидрогеологического массива [111,113,125]. Поле разреза "Лучегорский-1" расположено в центральной части этого бассейна, а поле разреза "Лучегорский-2" - в западной краевой части его. В гидрогеологической схеме геологического разреза в целом по месторождению выделяют надугольный, угольный и подугольныи водоносные комплексы.
Надугольный комплекс (НВК) включает водоносные горизонты [125], залегающие в верхней части вскрышной толщи выше кровли угленосных отложений. Они содержат преимущественно пластово-поровые воды. Угольный водоносный комплекс (УВК) объединяет водоносные горизонты продуктивных отложений, приуроченные к угольным пластам, и содержат как пластово-трещинные, так и пластово-поровые воды. Подугольныи водоносный комплекс (ПВК) приурочен к коре выветривания и тектоническим нарушениям фундамента и содержит пластово-трещинные и трещино-жильные воды.
Подземные воды всех водоносных горизонтов напорные. Движение потока подземных вод на месторождении до начала горных работ было направлено с запада на восток - в сторону регионального базиса эрозии. Уклон потока в пределах депрессии составляет 0,01-0,001.
Питание водоносных горизонтов происходит [113] за счет инфильтрации атмосферных осадков. Характерной особенностью месторождения является широкое распространение заболоченных участков поверхности. Заболачиванию способствуют пологие формы слаборасчлененного равнинного рельефа, высокие уровни подземных вод и повсеместное развитие покровных суглинков и глин. В обводнении горных выработок участвуют все три водоносных комплекса.
На поле разреза надугольный комплекс (НВК) залегает первым от поверхности. Водовмещающие породы представлены слоями и линзами разнозернистых песков, суглинков и гравийно-галечниковых отложений. В комплекс входят аллювиальные и пролювиальные четвертичные отложения, а также подстилающие их в виде отдельных пятен грубозернистые верхне-миоцен-плиоценовые отложения. Общая мощность песчано-галечниковых отложений НВК изменяется от 1 до 40 м.
Уровни подземных вод залегают обычно на 1-8 м ниже дневной поверхности. Воды имеют небольшой напор. Питание вод происходит за счет атмосферных осадков, а также перетока из смежных водоносных горизонтов, из отложений фундамента в краевых частях депрессии и на выходах угольных пластов. По химическому составу воды НВК гидрокарбонатно-кальциевые с минерализацией - 0,03 г/дм3 с повышенным содержанием железа. Угольный водоносный комплекс распространен на всей площади месторождения и является основным. В нижней его части лежит водоносный горизонт нижней угленосной свиты с пластами угля 16-18 групп. В средней части - это водоупорная глинистая безугольная лучегорская свита и в верхней части - водоносный горизонт верхней угленосной свиты, наиболее мощной и угленасыщенной с пластами угля 1-15 групп. Для УВК установлена значительная фациальная изменчивость отложений, частая смена литологического состава как в разрезе, так и по площади. Мощность линз доходит до 10 м.
Группы угольных пластов представляют собой сложнослоистые водоносные горизонты. Фильтрационные и емкостные свойства отложений комплекса изменчивы. В связи с изолированностью песчаных линз и наличием тектонических нарушений, являющихся слабопроницаемыми экранами, наблюдается большое различие в напорах. Питание комплекса осуществляется, в основном, за счет перетока из вышележащих горизонтов, а также за счет нижележащих, расположенных выше на бортах впадины. Движение потока вод направлено от краевых частей впадины к ее центру и далее - в сторону регионального базиса эрозии - р.Бикин.
По химическому составу воды УВК относятся к гидрокарбонатно-натриевым или кальциевым, реже встречаются гидрокарбонатно-хлоридные или сульфатные. Минерализация вод варьирует от 0,018 до 0,4 г/дм3, жесткость - от 0,25 до 2,15 мг-экв/дм3. Значения уклона потока и химический состав вод свидетельствует о быстром водообмене в недрах структуры.
Подугольный водоносный комплекс представлен скальными метаморфизованными кремнисто-глинистыми сланцами, доломитизированными известняками и алевролитами. Подземные воды приурочены к коре выветривания и к зонам тектонической трещиноватости. Мощность комплекса составляет 50-100 м. Уровни ПВК по единичным скважинам отмечаются на отметках 116-124 м.
Питание комплекса осуществляется за счет атмосферных осадков, а разгрузка - в поверхностные водотоки и по краям угленосной впадины в вышележащие водоносные комплексы. По химическому составу воды гидрокарбонатно-натриево-кальциевые с минерализацией до 0,07 г/дм3. Разрез "Лучегорский-1" обводняют, в основном, воды надугольного и угольного водоносных комплексов.
Ранее гидрогеологические работы [117,131] проводились с целью определения литологического состава и мощности водоносных горизонтов, установления режима движения подземных вод, расчета возможных притоков в горные выработки и разработки схемы осушения. На основании анализа материалов по поисковым и изыскательским работам изучены гидрогеологические условия в пределах южного борта разреза "Восточный", которые влияют на устойчивость откосов. Основная задача работ -определение источников обводнения борта с целью эффективного его осушения и повышения устойчивости откосов. Вся площадь южного борта и вблизи его условно разбита [113] на четыре гидрогеологических района, в пределах которых отмечается широкое развитие системы водоемов и водотоков.
Первый выделен на участке (рис.16) развития полигенетических суглинков - это водораздельная поверхность в междуречье р.Вороны и р.Ольги. Он характеризуется незначительными поверхностными изменениями, которые не влияют на гидрогеологическую ситуацию. Литологический разрез представлен полигенетическими отложениями, плащеобразно перекрываемыми палеоген-неогеновые угленосные образования. Отложения сложены суглинками, глинами серыми пылеватыми, полутвердой и тугопластичной консистенции, ненабухающими и непросадочными.
В естественном залегании грунты комплекса находятся в переуплотненном состоянии. Отложения практически безводны, поскольку надугольный водоносный комплекс здесь отсутствует. Нижележащая палеогеновая толща характеризуется переслаиванием алевролитов и аргиллитов с редкими прослоями угля. Описать гидрогеологические условия толщи нет возможности в связи с отсутствием изыскательских работ на глубинах ниже Юм.
Второй район выделен (рис.16) в междуречье существующего русла р.Ольги и бывшего русла р.Контровод на площади развития аллювиальных четвертичных отложений. Южная часть района представляет пойменную заболоченную поверхность. Пойма р.Ольги покрыта спланированными золоотвалами. Отложения эти не уплотнены, отмечается их незначительная влажность без переувлажнения. Ближе к карьеру территория значительно преобразована: верхняя часть земной поверхности снята уступами до отметки +50 м.
Литологический состав отложений (рис.18, скв.26, скв.138) характеризуется развитием четвертичных аллювиальных глинистых отложений мощностью от 10 до 25 м с прослоями и линзами песков или включением песчаного и гравийного материала. К основанию разреза отмечается увеличение процентного содержания грубообломочной фракции. Глины имеют полутвердую и тугопластичную консистенцию с глубиной переходящую в мягкопластичную.
Особенности математического моделирования электрических полей
Основными задачами электрической томографии при оценке оползневых процессов в условиях южного борта разреза "Восточный" являются: - изучение структурно-тектонического строения оползневых массивов, включая определение геометрических и физических параметров слоев, установление условий залегания пород и тектонических нарушений; - обнаружение и пространственное прослеживание ослабленных слоев, связанных с пластичными глинами (второй гидрогеологический район), обводненными песчано-гравийными либо техногенными рыхлыми отложениями (третий и четвертый районы); - исследование динамики развития инженерно-геологических и гидрогеологических элементов среды во времени.
От пространственной, ориентировки ослабленных слоев в оползневом массиве в значительной степени зависят положение и форма поверхностей скольжения. Этот фактор является одним из решающих при оценке устойчивости откосов, сложенных слоистыми породами и грунтами при направлении падения слоев в сторону выработанного пространства.
По таким поверхностям сцепление незначительно, а углы трения существенно меньше, чем по другим направлениям. Причем эти параметры со временем существенно уменьшаются в результате переменного увлажнения и высыхания, замерзания и оттаивания, а также в результате длительного воздействия слабоминерализованных вод. В итоге создаются благоприятные возможности для проявления пластичных деформаций в глинистых грунтах. Поэтому исследованию ослабленных слоев в работе уделяется особое значение.
Плотная информация поля кажущихся сопротивлений по разнонаправленным профилям и глубине (трем координатам) может обеспечить получение сведений о пространственной ориентировке ослабленных слоев и других параметрах среды. Доказать это положение, установить разрешающую способность электрической томографии при решении поставленных задач можно на основе моделирования и изучения закономерностей аномальных электрических полей.
Для исследований на первом этапе использованы модели, которые включают полупространства с горизонтальными слоями и лекальными объектами в виде горизонтально и вертикально-протяженных сфероидов вращения. Первая модель отражает слоистые среды, а вторая может быть использована для аппроксимации локальных трехмерных неоднородностей горизонтального и вертикального простирания. Выбранные модели отражают только фрагменты геологических сред оползневых массивов, к которым можно отнести проводящие (мягкопластичные, текучепластичные глины) и слабо проводящие (полутвердые глины, песчано-глинистые) слои, линзы водоносных горизонтов (песчано-гравийные отложения), выклинивающиеся водоносные пласты, фациальные замещения среди четвертичных глин и другие объекты. Для . таких моделей существуют решения по определению потенциала в поле точечного источника [90, 93] на дневной поверхности.
Для первой модели в процессе решения уравнения Лапласа использовалась цилиндрическая система координат, граничные условия, условия в окрестности источника и на бесконечности, преобразования Ханкеля и линейная фильтрация. При создании алгоритма расчета параметров поля для полупространства со сфероидом применен метод интегральных уравнений, позволяющий свести задачу к решению системы несвязанных одномерных интегральных уравнений.
Эти решения успешно использовались в процессе моделирования полей и интерпретации данных электрических зондирований в методе сопротивлений при детальном исследовании геологических сред. В последнее время разработаны алгоритмы и программы [36] моделирования, в которых предусмотрено использование произвольного количества электродов в системах наблюдений, формирование различных расстановок электродов на профиле и получение теоретических матриц.
К настоящему времени выполнен [97] большой объем вычислений топографических матриц для теоретических моделей при различных комбинациях геометрических и физических параметрах с постоянным шагом электродов на профиле. Анализ результатов моделирования полей для идеализированных моделей позволил установить разрешающую способность модификации и критерии обнаружения в слоистой среде промежуточных горизонтов, выклинивающихся слоев и протяженных локальных объектов, а также выработать рациональные технологии проведения полевых работ и разработать способы интерпретации полевых томографических матриц с построением предварительных геоэлектрических моделей.
В процессе изучения закономерностей аномальных электрических полей для теоретических моделей, приближенных к реальным, применялись программы моделирования для трехмерных сред [101, 104, 108], использующие численные методы конечных разностей и конечных элементов. При расчете параметров поля проводилась дискретизация пространства на блоки с заданными удельными электрическими сопротивлениями. Алгоритм прямой задачи в этом случае сводился к решению системы линейных алгебраических уравнений большого порядка.
На основе разработанных алгоритмов создана [112-114] программа RES2Dinv расчета кажущихся сопротивлений для томографических расстановок в случае двумерной модели разреза, состоящего из большого количества прямоугольных ячеек с заданными сопротивлениями. В программе предусмотрена возможность выбора разных установок: Веннера, Шлюмберже, дипольных и трехэлектродных вариантов. С целью определения критериев обнаружения и прослеживания в разрезе объектов определенного, типа выполнен большой объем вычислений матриц по этой программе.
В качестве исходных сред использованы геоэлектрические модели с обобщенными параметрами, полученные на основе анализа данных инженерно-геологических скважин и результатов ранее проведенных электроразведочных работ на площади Лучегорского разреза. Эти модели по районам рассмотрены в предыдущей главе. Диапазоны изменения параметров для моделей приведены в таблице 5.
Как видно, геоэлектрические модели включают три-четыре слоя с обобщенными параметрами, причем мощности, как правило, нарастают с глубиной. Такая закономерность мощностей является благоприятным фактором при изучении среды методами сопротивлений. Однако это правило не сохраняется для модели второго района, где третий глинистый слой имеет малые мощности и низкие сопротивления. Кроме того, в таблицах не отмечены различные неоднородности, связанные с фациальными замещениями, тектоническими нарушениями, наклонным залеганием слоев и линзами мягкопластичных глин во втором слое. Неблагоприятным фактором является соотношение физических параметров пород, поскольку удельные сопротивления разных по литологии отложений незначительно отличаются друг от друга и перекрываются.
Последние факторы создают значительные трудности при исследовании оползневых массивов и поэтому рассмотрены при расчете и анализе теоретических томографических матриц. Для расчета выбраны теоретические среды с параметрами, приближенными к реальным условиям и среды с конкретными параметрами, которые соответствовали разным участкам на площади исследования.
