Введение к работе
Актуальность работы. На современном этапе научно-технического развития все стадии жизненного цикла хозяйственного объекта (планирование, проектирование, строительство, эксплуатация и консервация) обусловлены необходимостью проведения инженерно-геологических изысканий (ИГИ) для безопасного ведения работ и принятия оптимальных управленческих решений.
При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом исследования массивов естественного и техногенного происхождения играют одну из важнейших ролей при формировании отвальных насыпей, возведении и эксплуатации намывных горнотехнических сооружений. От характеристик вскрываемых пород зависят направление развития и календарный план работ, при этом особое значение имеют качество и объем получаемой инженерно- геологической информации. Необходимо отметить, что наибольшие трудности возникают при исследовании массивов, обладающих высокой пространственной и временной изменчивостью, в первую очередь это отложения гидроотвалов и хвостохранилищ.
Степень достоверности данных о состоянии и свойствах намывных техногенных массивов и грунтов основания их откосных сооружений и ложа во многом определяется системой точек проведения исследований. Многолетний опыт осуществления инженерно-геологических изысканий ВНИМИ, ВИОГЕМ, ВСЕГИНГЕО, кафедры геологии МГИ-МГГУ, НИИКМА и др. организаций показывает, что около 30% пройденных скважин и шурфов не дают дополнительных данных о свойствах и состоянии пород, что говорит о несовершенстве используемых методов проектирования сетей опробования и определения плотности выработок. Это в конечном итоге повышает стоимость и время проведения комплекса полевых и лабораторных исследований, обработки их результатов для районирования техногенных намывных массивов с целью принятия оперативного управленческого решения по выбору дальнейшего направления их использования. Поэтому решение проблемы разработки методов построения сетей исследования техногенных массивов с целью прогнозирования горно-геологических процессов, а также управление ими является актуальной научной задачей.
Объектами исследования являются действующие и законсервированные намывные техногенные массивы горнодобывающих предприятий, а также покровные отложения, обладающие пространственной и временной изменчивостью физико-механических свойств.
Цель исследований заключается в разработке метода проектирования инженерно-геологических сетей с оптимальными параметрами при проведении изысканий на техногенных массивах для выбора направления их дальнейшего использования.
Идея работы заключается в создании метода проектирования сетей инженерно-геологического опробования, позволяющего определить их оптимальную геометрию и плотность в зависимости от природных и техногенных факторов и обеспечить получение достоверной информации для управления состоянием техногенного массива. Задачи исследования:
анализ состояния, методов и задач инженерно-геологических и гидрогеологических (гидрогеомеханических) изысканий на горнодобывающих предприятиях;
разработка способа определения обобщенной функции изменчивости свойств техногенных отложений в заданном направлении и времени;
создание метода проектирования сетей инженерно-геологических выработок, учитывающего способ формирования техногенного массива, его тип и задачи районирования;
сравнение существующих и рассчитанных по предлагаемому методу параметров сетей опробования гидроотвалов «Лог Шамаровский» (КМА) и «Бековский» (Кузбасс) по материалам ранее проведенных инженерно- геологических изысканий для определения возможности применения метода проектирования системы точек опробования на других объектах;
проектирование системы инженерно-геологического опробования на гидроотвале №3 Кедровского разреза с целью определения физико- механических свойств его отложений для обеспечения безопасного ведения работ по переформированию массива;
разработка сети опробования основания головной и ограждающих дамб хвостохранилища Стойленского ГОКа (СГОК) для повышения достоверности определения коэффициента запаса устойчивости при контроле состояния откосных сооружений;
анализ перспектив и направлений использования разработанного метода в других областях народного хозяйства.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
-
При проектировании геометрии сети инженерно-геологического опробования техногенных массивов с целью определения физико-механических свойств отложений для различных типов горнотехнических намывных сооружений наряду с формой их ложа и технологией формирования необходимо учитывать пространственную изменчивость комплекса изучаемых характеристик.
-
Обобщенная функция изменчивости свойств техногенных намывных отложений, являющаяся нормированной суммой набора характеристик совместно с использованием кластерного анализа, позволяет обеспечить минимальную плотность сети изысканий, необходимую для получения достоверной инженерно-геологической информации о состоянии исследуемого массива.
-
Для выбора дальнейшего направления использования намывных техногенных массивов и безопасного ведения горных работ целесообразно использование разработанного метода проектирования сетей опробования, позволяющего снизить временные и финансовые затраты за счет сокращения объемов изысканий при проведении инженерно-геологического районирования гидроотвалов без потери достоверности полученной информации.
Научная новизна исследований:
обоснован метод позиционирования ключевых, дополнительных и поверочных профилей в сетях инженерно-геологического опробования в зависимости от формы ложа, типа и способа формирования намывного сооружения с использованием принципов равного охвата всей толщи отложений;
разработан способ оценки пространственной изменчивости инженерно- геологических свойств отложений техногенных намывных массивов и пород их ложа с помощью полученной обобщенной функции, являющейся нормированной суммой заданного набора характеристик, который обеспечивает достаточную плотность выработок в сети опробования;
создан метод проектирования систем точек получения информации при исследовании гидроотвалов с целью их районирования для выбора дальнейшего направления их использования;
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов исследований подтверждаются:
анализом фондовых материалов, научно-технической литературы и проектной документации, законодательных и нормативных документов;
представительным объемом данных опробования намывных массивов Кузбасса (гидроотвалы «Бековский» Бачатского угольного разреза, №3 Кед- ровского разреза) и КМА (гидроотвал «Лог Шамаровский» Михайловского ГОКа), а также материалами изысканий основания дамбы защиты отвалов и головной плотины хвостохранилища Стойленского ГОКа (СГОК);
применением методов теории фильтрационной консолидации, предельного напряженного состояния, кластерного анализа и статистической обработки инженерно-геологической информации и удовлетворительной сходимостью расчетных и фактических данных (расхождение не более 5%);
положительной апробацией результатов диссертационных исследований при проектировании сетей опробования при инженерно-геологических изысканиях гидроотвала №3 Кедровского разреза и слабого глинистого слоя в основании объектов хвостового хозяйства Стойленского ГОКа, а также при проведении районирования участка Карагай-Покровского месторождения строительного камня, эксплуатируемого ООО «Оренбургская горная компания».
Научное значение исследований заключается в разработке метода проектирования инженерно-геологических сетей опробования, обладающих оптимальными параметрами, с использованием приемов кластерного анализа для получения полной и достоверной информации о свойствах отложений массивов пород техногенного и естественного сложения.
Практическое значение работы заключается в проектировании сетей опробования при исследовании техногенных отложений гидроотвала № 3 Кед- ровского разреза, основания головной плотины хвостохранилища Стойленского ГОКа и участка Карагай-Покровского месторождения строительного камня. Полученные инженерно-геологические данные позволили в первом случае провести обоснование мероприятий по переформированию намывного массива и обеспечить доступ к 50 млн.т угля, во втором - повысить достоверность определения коэффициента запаса устойчивости откосного сооружения, в третьем - благодаря проведенному районированию обеспечить в первом квартале 2012 г. повышение выхода товарного облицовочного камня в среднем на 11%.
Для достижения поставленной цели в работе использован традиционный комплекс методов, включающий:
анализ и обобщение опыта проведения инженерно-геологических исследований, способов прогноза пространственно-временной изменчивости массива пород и проектирования сетей инженерно-геологического опробования;
системно-структурный анализ строения гидроотвалов и хвостохранилищ на основе физико-механических законов фракционирования грунтов;
математические методы обработки, преобразования, интерпретации инженерно-геологической информации о свойствах намывных отложений и моделирования состояния массива горных пород;
методы математической статистики и кластерного анализа при обработке экспериментальных данных;
использование основ теории фильтрационной консолидации и предельного напряженного состояния.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Метод проектирования сетей опробования использовался при инженерно-геологических исследованиях: на хвостохранилище ОАО «Стойленский ГОК» с целью определения физико- механических свойств пород основания головной и ограждающих дамб для повышения достоверности определения коэффициента запаса устойчивости откосного сооружения, что позволило сократить в период с июля 2011 г. по апрель 2012 г. объемы буровых работ на 72 п.м; на гидроотвале №3 Кедровского разреза для уточнения свойств намывных суглинков с целью обоснования мероприятий по переформированию намывного массива и обеспечить доступ к 50 млн.т угля, залегающих под телом техногенного массива; на участке Карагай- Покровского месторождения строительного камня, эксплуатируемого ООО «Оренбургская горная компания», что позволило в первом квартале 2012 г. повысить выход товарного облицовочного камня в среднем на 11%.
Результаты исследований используются при подготовке студентов МГГУ по специальности «Горное дело».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (МГГУ, Москва, 2006 - 2012 гг.), V съезде гидромеханизаторов России (МГГУ, Москва, 2009 г.), конференциях «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (ИПКОН РАН, Москва, 2009 - 2011 гг.), Международных научно-практических конференциях «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (ВВЦ, Москва, 2008 - 2011 гг.), на научных семинарах факультетов АИ, РРМ и кафедры геологии МГГУ (2006 - 2012 гг.), IV Международной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах» (Белгород, 2010 г.). Результаты работы были отмечены на конкурсах и выставках: Премия Минприроды России «Лучший экологический проект года» (МПР, Москва, 2008 г.), двумя золотыми медалями Всероссийского конкурса научно-технического творчества молодежи (ВВЦ, Москва, 2008 и 2011 гг.), грант Правительства РФ на развитие талантливой молодежи (2010 г.) и т.д.
Публикации по теме диссертации. Основное содержание работы отражено в 8 публикациях в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и 3 приложений, содержит 65 рисунков, 32 таблицы, список использованной литературы, включающий 138 наименований.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю проф. Ю.В. Кириченко, проф. А.М. Гальперину, доц. М.В. Щекиной и коллективу кафедры геологии МГГУ за постоянное внимание к работе и поддержку.
Похожие диссертации на Разработка метода построения сетей инженерно-геологических исследований техногенных массивов
-
