CC BY
28
© Н.А. Смирнов, С.М. Простов, 2010
УДК 550.372: 622.271.333
Н.А. Смирнов, С.М. Простов
ДЕТАЛИЗАЦИЯ ИЗМЕНЕНИЙ СВОЙСТВ ПРИБОРТОВОГО МАССИВА УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМ МЕТОДОМ*
Приведены результаты детализации геологической структуры прибортового массива на угольном разрезе «Красный Брод» методами вертикального электрического зондирования и электропрофилирования. С использованием одномерной инверсии данных ВЭЗ, нелинейной зависимости УЭС и мощности первого слоя для двухслойного геоэлектрического разреза дан прогноз изменения мощности слоя суглинков и расположения границы влагонасыщенной зоны от прилегающего гидроотстойника. Ключевые слова: вертикальное электрическое зондирование, электрическое профилирование, гидротехническое сооружение, разрез.
Семинар 3
Я а угольном разрезе «Красный Брод» на намеченном к разработке Новосергеевском участке возникла необходимость детализации геологического строения и локализации аномальных по физическим свойствам зон прибортового массива. Особенность изучаемого массива состояла в большой мощности четвертичных отложений, изменяющейся от 7 до 31 м, а также в наличии в непосредственной близости к борту гидроотстойника, способствующего влагонасыщению прилегающих рыхлых отложений.
Инженерно-геологические изыскания были проведены Томским инженерностроительным институтом. В пределах исследуемого участка расположены 33 и 34-ая разведочные линии, включающие 8 геологических скважин, пробуренных на расстоянии от 50 до 450 м. Толща четвертичных отложений представлена,
в основном, суглинками желтоватобурых, темно- и светло-бурых разностей со слабыми следами ожелезнения и редкими карбонатными включениями. Глины отмечены в подчиненном количестве в виде маломощных прослоек и линз. Основные физико-механические свойства суглинков приведены в таблице.
Основная часть исследований состояла в доразведке приповерхностного слоя для определения объемов рыхлых отложений, намеченных к гидросмыву, уточнении расположения границы слоя суглинков с коренными породами, которая в большинстве случаев рассматривается как потенциальная поверхность скольжения, а также в диагностировании вертикальной границы зоны влагонасыщенных грунтов, прилегающих к гидротехническому сооружению.
Поскольку слой высокопористых и влажных суглинков, как правило, элек-
*Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 гг.
трически контрастен по отношению Физико-технические свойства суглинков
к нижележащему слою коренных пород, для достижения поставленной цели перспективен электрофизический метод, включающий вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ) и электропрофилирование (ЭП).
План опытного участка представлен на рис. 1. Для полевых измерений были намечены два профиля, перпендикулярных р. л. 33 и 34. Общая площадь обследованного участка составила 35 га.
Методика электрофизического мониторинга включала: ВЭЗ в точках профилей на пересечениях с р. л. 34; одномерную инверсию ВЭЗ и сопоставление геоэлектрического разреза с геологическими данными; ЭП с разносом между питающими электродами АВ, соответствующим расположению границы слоя суглинков; прогноз изменения мощности слоя четвертичных отложений по
профилям по данным ЭП; установление границы зоны влагонасыщения по отрицательным аномалиям на графиках ЭП.
Результаты ВЭЗ № 1, 2 и их инверсии приведены на рис. 2.
Невязка подбора теоретической кривой с экспериментальной составила около 6 %; разносы, соответствующие почвенному слою, не учитывались. Относительно высокую невязку можно объяснить влиянием на результаты измерений высокопроводящих глинистых включений, однако модифицированная схема установки с линейным шагом разносов позволила получить достаточно данных для адекватной интерпретации в рамках двухслойной модели геоэлектрического разреза. Из результатов ВЭЗ следует, что изучаемый массив может быть представлен в виде 2-слойного геоэлектриче-ского разреза: слой 1 песчано-глинистых четвертичных отложений с удельным электрическим сопротивлением (УЭС) Р1 = 22-27 Ом-м; слой 2 коренных пород с УЭС Р2 = 120-130 Ом-м.
При ЭП разносы АВ следует подбирать так, чтобы глубина исследований была достаточной для обнаружения искомого объекта. Проанализировав результаты ВЭЗ, были приняты разносы АВ1 = 60 м, АВ2 = 75 м для профилей О1Х1, 02х2 соответственно.
Результаты ЭП по профилям О1Х1 и 02х2 приведены на рис. 5.
На основной части графиков ЭП рк(х) изменение рк обусловлено изменением мощности h первого слоя. Для прогноза изменения h использована зависимость
h(x) = ^рк0 р-1(х),
где ^ - значение h, соответствующее точке ВЭЗ на разведочной линии 34, м; рк0 - величина рк в точке ВЭЗ, Ом-м; рк -усредненные с шагом Дх = 50 м значе-
Свойства Диапазон /среднее
Объемный вес естественно-влажной породы, т/м3 1,93-2,09 1,99
Естественная влажность, % 18,59-27,26 19,89
Пористость, % 34,34-38,49 36,49
Степень влажности 0,788-0,964 0,898
Полная влагоемкость, % 19,74-23,61 21,81
Угол внутреннего трения пород с ненарушенной структурой, градус 17-21 19
Сцепление с ненарушенной структурой, МПа 0,0175-0,0435 0,0378
Рис. 1. План опытного участка: О1Х1, 02х2 - профили ЭП; -О— точки ВЭЗ; • - геологические скважины; - |.. [| влагонасыщения грунтов; 1 - гидроотстойник; 2 - граница влагона-
сыщенной зоны, определенная по результатам ЭП
ния рк, соответствующие координате х, Ом-м.
Анализ экспериментальных и расчетных данных показывает, что диапазоны изменения глубины слоя песчаноглинистых наносов составляют: И =
19.5-23,2 м для профиля 01х1 и И =
24.6-29,1 м для профиля 02х2. В целом результаты электрофизического мониторинга согласуются с данными геологи-
ческих изысканий, отображенными в виде графиков Дг (х). Резкое несоответствие в зоне влагонасыщения объясняется усложнением геоэлектрического разреза.
Во влагонасыщенных зонах, прилегающих к гидроотстойнику, величина рк имеет аномально низкие значения рк < 27 Ом-м для профиля 01х1
и рк < 22,8 Ом-м для профиля 02х2. Координаты границ влагонасыщенной зоны хВ1 = 625 м и хВ2 = 525 м. Контуры
зоны влагонасыщения грунтов нанесены на план опытного участка (см. рис. i).
Рис. 2. Результаты ВЭЗ и их инверсии в точках №1 (а) и №2 (б): рк - эффективные УЭС; АВ -база (разнос установки); ^ф = (0,25-0,3) АВ - эффективная глубина зондирования; h - мощность первого слоя; р1 и р2 - истинное УЭС слоев
рк, Омм
25
24
23
22
21
20
19
18
б
рк, Ом-м ЗОГ
0Хі,м
/г, м
28
26
24
22
20
/гРк
Ч \ \ \ ■V Л.г«
\ \ . N ■ ! ^\Л.
|Ь сХ \ / ~~\ ■ \ \ / /
СП СП / \ ч / \ / ■'ф ГО Г° ИТ
Ч Рч‘ V 1=! а:
600
500
400
300
200
100
х2, м
В 2
Рис. 3. Результаты ЭП, прогноз изменения мощности h глинистых отложений и границы влагонасыщенной зоны по профилю O1x1, AB1 = 60 м (а) и O2X2, AB2 = 75 м (б): рк - эффективные УЭС; рк - усредненные поинтервальные значения рк; h - прогнозные значения мощности слоя
четвертичных отложений; ^ - усредненные значения h по геологическим данным; хВ - координата границы влагонасыщенной зоны
Рис. 4. Объемная модель прибортового массива: 1 - зона влагонасыщения грунтов; 2 - песчаноглинистые отложения; 3 - коренные породы
На основе отметок рельефа поверхности, геологических данных и результатов электрофизического мониторинга построена объемная модель исследуемого прибортового массива (рис. 4).
Проведенные исследования позволили решить следующие технологические задачи:
• уточнить объем четвертичных отложений, подлежащих гидросмыву;
• детализировать геологическое
строение массива для оценки его геоме-ханического состояния
Банк данных об изменении мощности слоя песчано-глинистых отложений и выявленных границах влагонасыщен-
ных зон в комплексе с физикомеханическими свойствами пород являются исходной информацией для расчета технологических параметров ведения горных работ. В частности, ТИСИ с использованием схем IX и X ВНИ-МИ установлено, что при благоприятном падении границы слоя рыхлых и коренных пород при коэффициенте запаса устойчивости п = 1,3 генеральный угол откоса борта составит 38°. При приближении борта к гидроотстойнику возможно формирование фильтрационного коллектора, что потребует принятия специальных технологических решений. П5Ш
— Коротко об авторах
Смирнов Н.А. - аспирант ГУ КузГТУ, [email protected]
Простое С.М. - доктор технических наук, профессор кафедры теоретической и геотехнической механики ГУ КузГТУ, [email protected]
А
