CC BY
52
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК 550.372:622.271.333:626
С.М. Простов, Е.В. Костюков, М.В.Гуцал
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕХНОГЕННЫХ ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Физической основой гео-электрического контроля геоме-ханических и гидродинамических процессов в техногенных массивах гидротехнических сооружений (ГТС) из насыпных грунтов является взаимосвязь электрических свойств горных пород с их структурнотекстурными особенностями и степенью влагонасыщенности пор.
Анализ данных электроразведки в условиях различных геологических сред, обобщенных В.Н. Дахновым и В.Н. Кобрановой в работах [1, 2], позволил получить общую зависимость удельного электросопротивления (УЭС) пористой влагонасыщенной горной породы:
р = акгт~РЖ~урв, (1)
где а,К2, Р, у — эмпирические параметры; а — параметр, зависящий от типа геологического отложения, а = 0,4-1; кг — параметр, определяющий влияние глинистого слоя на поверхности пор, К2 = 1-1,6; Р — параметр, зависящий от извилистости по-ровых каналов, Р = 1,3-2,2;
у — параметр, характеризующий смачиваемость порозапол-няющим раствором поверхности твердой фазы, у= 1,4-3,5; т
— пористость породы; Ж — вла-гонасыщенность породы; рв — УЭС увлажняющего раствора.
Эмпирические параметры, входящие в (1), изменяются в довольно широких пределах. Для уточнения этих диапазонов применительно к рассматривае-
мым техногенным массивам ГТС проведены комплексные исследования физических
свойств, включающих гранулометрический состав, пористость, влагонасыщенность и УЭС в естественных условиях, а также УЭС хранящихся в ГТС жидкостей и отфильтрованной воды.
Инженерно-геологические изыскания, отбор проб из геологических скважин, определение их физико-механических параметров проводились ОАО “Куз-бассТИСИЗ”. Электрические свойства грунтов и жидкостей исследованы в лаборатории геоконтроля КузГТУ в стандартных ячейках кубической формы размером 0,1х0,1х0,1 м четырехэлектродным методом на постоянном токе.
Основные результаты исследований, необходимые для дальнейшего анализа, приведены в табл. 1 и 2 (Ртт, Ртах, Р — соответственно, минимальное, максимальное и среднее значение параметра; Кр — среднее квадратическое отклонение параметра Р; А — преобладающий размер частиц грунта, мм; 5 — процентное содержание этих частиц в гранулометрическом составе, %).
Полученные данные позволяют обосновать диапазоны структурных постоянных исследуемых техногенных массивов.
Все породы характеризуются нарушенной структурой, представляют собой дисперсные образования, в которых основную роль при формировании
пор играют песчаные и суглинистые компоненты (А = 0,005-
0,05 мм).
По данным [2] постоянная геологического отложения может принята а~1. Поскольку содержание глинистых частиц
5< 20 %, а УЭС растворов рв < 9 Ом-м, проводимостью глинистого слоя на поверхности пор можно пренебречь, откуда следует, что К2 ~ 1.
Для несцементированных и слабосцементированных пород диапазон изменения параметра
Р значительно сужается и характеризуется наименьшими из
приведенных выше значений: Р = 1,3-1,5.
Наименее исследованным является параметр смачиваемости у
При строительстве дамб ГТС используют в том числе отходы обогатительных фабрик (в табл. 1 - дресвяный грунт), являющиеся результатом обработки пород химическими и поверхностно-активными веществами, существенно влияющими на смачиваемость поверхности структурных элементов. Это, в частности, объясняет аномально высокие значения р для данного типа пород.
Путем подстановки средних значений табл. 1 и 2 в уравнение (1) получены соотношения между основными структурными параметрами Р и у (рис. 1). Необходимо отметить, что диапазон у = 4,3-5,0 для дресвяного грунта (породо-угольного осадка обогатительных фабрик) вы-
Таблица 1
Физико-механические свойства и УЭС насыпных пород техногенных массивов ГТС Кузбасса в естественных условиях
Объект Порода Лпіп Апах ^шіп~^шах мм % шшіп шшах ш Щшіп Щшах Ж Ршіп Ршах р Ом-м
Ограждающая перемычка ОАО “Разрез Кедров-ский” Уплотненные обломки вскрышных пород (песчаника, аргиллита, алевролита), заполнитель полостей - щебень, дресва, угольная крошка, го-рельник, суглинок, песок 1 - 200 0,38-0,51 0,12-0,22 4 и> 1 .00 *^■«4
1 > 1 0,45 0,18 54,8
Дамба шламового отстойника ОФ ОАО “Шахта им. СМ. Кирова” Грунт дресвяный с песчаным заполнителем (породо-угольный осадок шлама) 1 - 60 0,38 - 0,478 0,19-0,44 1681-4537
375 - 61,8 0,41 0,33 3627
Суглинок бурый с включением щебня до 15 % 0005- 005 38,3 - 57,2 0,35- 0,46 0,41 0,29-0,31 0,30 32,1-58,5 397
Дамба накопителя ОФ ЗАО “Черниговец” Суглинок бурый повышенной плотности с включением щебня до 1620% 0,005-005 45,8 -63,9 0,38- 0,43 0,41 0,23- 0,25 0,24 203-47,2 354
Таблица 2
УЭС поронасыщающих жидкостей
Объект Жидкость Рв, Ом-м
рв шіп рв шах Р рв
Ограждающая перемычка ОАО “Разрез Кедровский Глинистая пульпа 2,48-8,46 5,83 4,91 (84,1%)
Отфильтрованная вода 4,18-4,57 4,23 0,15 (3,5%)
Дамба шламового отстойника ОФ ОАО “Шахта им. С.М. Кирова” Угольный шлам 2,31-2,98 2,65 0,11 (3,8%)
Отфильтрованная вода 1,74-2,90 2,24 0,22 (9,8%)
Дамба накопителя ОФ ЗАО “Черниговец” Угольный шлам 3,47-5,23 4,29 0,34 (7,9%)
Отфильтрованная вода 3,18-3,97 3,57 0,14 (3,9%)
ходит за пределы, характерные для пород естественного залегания.
Для исследованных грунтов целесообразно принимать следующие средние значения: Р = 1,4; у = 1,5 для суглинков; у = 1,7 для уплотненных вскрышных пород; у = 4,6 для дресвяного грунта.
Поскольку при отсутствии дополнительного уплотнения грунтов тела дамбы в процессе ее эксплуатации в большинстве случаев изменениями пористости m можно пренебречь, из (1) следует, что вариации р могут быть связаны только с изменением влагонасыщенности пор W за счет атмосферных осадков и фильтрации жидкости через
тело дамбы. Выражая из (1) W и относя к начальному значению Wo, получим:
1
(ро 17
Wo V р
(2)
Рис. 1. Зависимость между параметрами Ри у насыпных горных пород дамб:1 - уплотненные вскрышные породы; 2 - дресвяный грунт; 3 - суглинок
прогноза изменения влагонасыщен-ности грунтов W дамб:
1 - вскрышные породы; 2 - дресвяный грунт; 3 - суглинок
б
Рис. 3. Расчетные схемы для двухслойной среды (а) и сферического проводящего включения (б):
И — мощность слоя 1 и глубина центра включения; а — радиус включения; х, х' 2, у в— координаты; Р1,Р2
— УЭС сред; А — источник поля; М — расчетная точка
где ро - УЭС, соответствующее начальной влажности Ш0 грунта.
Уравнение (2), представленное в виде графических зависимостей на рис. 2, можно использовать при мониторинге влагонасыщенности техногенных массивов ГТС как в относительных, так и в абсолютных единицах.
При уплотнении (консолидации) пород и отсутствии дополнительного притока влаги (стационарный гидродинамический режим) одновременно с уменьшением пористости т произойдет увеличение степени заполнения пор влагой Ш и площади электрического контакта между зернами породы. В рамках принятой модели, принимая зависимость Ш от т обратно пропорциональной,
можно получить:
1
т = \рр1\Р-Г . (3)
Р
Поскольку для всех пород у>Р , из (3) следует, что увеличение Р в данном случае соответствует увеличению т.
Полученные результаты позволяют перейти к анализу аномалий активных электрических полей в районе зоны геоконтроля техногенных массивов ГТС.
В соответствии с подхо-
дом, предложенным в [3], можно выделить две основные гео-электрические модели исследуемой среды: если обводненная зона представляет собой протяженный проводящий слой, верхняя граница которого находится на глубине И от плоскости гребня, следует рассматривать двухслойное полупространство при р1<р2 (рис. 3а); если обводненная зона локализована (имеет соизмеримые размеры в различных направлениях), ее целесообразно аппроксимировать сферическим проводящим включением (рис. 3б).
Воспользуемся классическими решениями поставленных задач, основанными на применении уравнения Лапласа
при соответствующих условиях на границах слоев, в бесконечности и вблизи источника А, приведенными в работах по теории электроразведки [4-6].
Для схемы на рис. 3а при четырехточечной установке АМЫВ вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) или электропрофилирования (ЭП) на земной поверхности (2 = 0) для предельного случая (Ы, В ^ да) решение может быть представлено путем разложения в степенной ряд:
Рк{х)=Р1 х
' 3
2
да . , 1 — 2 ^к1х3
/ =1
х2 + (2гИ)
2
(4)
Рк
р1
Рис. 4. Зависимости между эффективным УЭС при ВЭЗ (а), ЭП (б) и соотношением базы зондирования АВ к мощности И насыпного грунта: 1 —р1/р2 = 1,5; 2 - 2; 3 - 5; 4 —10
б
а
где рк — эффективное (кажущееся) УЭС неоднородной среды;
к = {р1 —Р2 Ъ>1 + Р2 )"1
— коэффициент отражения тока от границы слоев.
На рис. 4 приведены результаты компьютерного расчета по уравнению (4).
Графики рк/р1(х/Ь) (рис.
4а) позволяют, увеличивая АМ =AB/2 при ВЭЗ и сопоставляя реальный график с палеткой при известном соотношении
р2/р1 , судить о расположении отметки AB/2 = h.
Графики на рис.4б предназначены для количественной интерпретации результатов ЭП. При АВ = const > 5 Ah , пренебрегая непараллельностью границ слоев, можно получить зависимость, доступную для численной реализации:
f \prn(x)! Pl\
h(x)= h0
(5)
/ {рко/ Р1)
где И(х) , рк (х) — значения И и рк в точке ЭП с координатой х; И0 - значение И, определенное по данным геологических
изысканий в скважинах; рко -
величина рк в точке геологических изысканий, отнесенной к
Ио.
Решение прямой задачи электроразведки для схемы на рис. 3, б также может быть
1 — а = 1,5 м; 2 - 2; 3 - 2,5; 4 - 4
представлено в виде полинома.
С погрешностью, не превышающей 10 %, оно может быть записано аналитически, используя первый член полинома:
Рк( х) = Р,
1 - 2т
3 h2 -2x2 J(h2 + x2 )
. (6)
И + х-
Построенные на основе (6) графические зависимости, приведенные на рис. 5, предназначены для интерпретации диаграмм ЭП: расположение центра сферы определяют по минимуму функции рк (х) ; сопоставляя график относительного УЭС рк/р1 (х) с палеткой (рис. 5, а), определяют эффективный радиус а обводненной зоны; по экстремальному значению Рктгг/Р1 (И) и а определяют глубину И аномальной зоны.
Весьма важным вопросом при решении обратных задач электроразведки и геоэлектри-ческого контроля является эффективная глубинность зондирования гз , поскольку при анализе диаграмм ЭП и ВЭЗ величину гз принимают зависимой от разноса АВ питающих электродов установки.
При обосновании гз анализируют функции горизонтальной составляющей плотности тока ]х(г) и полного тока 1х(г)
(рис. 3, а) через вертикальную плоскость, проходящую перпендикулярно оси АВ в середине базы:
1х(г) = 11 1 '
2п
L2U + z2
3
да z
(7)1X(Z) = J Jjx(z)dz =
I
-да 0
да z
=— f f-2ж J f
-да 0
dz
L2 4+z2
( 2г
= — аг^\ — ж ^ Ь
(8)
где I — ток установки, протекающий через электроды АВ; Ь=АВ — база зондирования.
При оценке глубинности гз в однородной среде применяют два критерия:
- при г = гз имеет место перегиб графика функции]х(г) ;
- через сечение на глубине гз протекает половина зондирующего тока I.
Основные расчетные параметры применения этих критериев приведены в табл. 3.
Таким образом, даже для однородной среды нет единого мнения о глубинности зондирования, т.к. ее принимают в довольно широком диапазоне гз = (0,25-0,5)АВ. В рассматривае-
X
X
3
Таблица 3
Параметры тока при различных критериях глубинности
Критерий 2 э їх (2э) їх (0) Другие параметры
г2 ]Х (г), 0 д2 2 0,251 0,72 I ( 2 э ) 4 э* = 0,29 I
I ( г э ) 4 э) = 0,5 I 0,5 1 0,35 -
мом случае техногенных массивов дамб ГТС среда является существенно неоднородной.
В этом случае величина зависит от структуры и УЭС слоев, слагающих геологический разрез, и не может быть рассчитана заранее.
В электроразведке рекомендовано при наличии высокопро-водящих слоев значительной мощности принимать 2з в диапазоне (0,1-0,25) АВ .
При мониторинге геомеха-нического состояния дамб ГТС целесообразно применять экспериментальный метод определения 2з на исследуемом участке, сопоставляя результаты ВЭЗ и ЭП с данными инженерногеологических изысканий (геологическими разрезами).
Другой особенностью дамб как объекта геоэлектрического контроля является сложная форма поверхности, существенно отличающаяся от плоскости.
При этом массив не являет-
ся полупространством, как это заложено в теоретических моделях.
Учет влияния геометрических параметров дамбы (ширины гребня, высоты насыпного слоя, заложений откосов, степени заполнения хранилища) на изменение плотности зондирующего тока и геометрического коэффициента установки целесообразно осуществить на физической (электролитиче-
ской) модели, поскольку данная задача является объемной.
Рассмотренные в данной работе теоретические и методические аспекты геоэлек-
трического контроля техногенных массивов ГТС реализованы в отраслевых указаниях [7] и используются при мониторинге геомеханических и гидродинамических процессов в насыпных грунтовых дамбах горнодобывающих предприятий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дахнов В.Н. Электрические и магнитные методы исследования скважин. - М.: Недра, 1981. — 344
с.
2. Кобранова В.Н. Физические свойства горных пород (Петрофизика). — М.:Гостоптехиздат, 1962. — 490 с.
3. Простов С.М. Определение параметров углевмещающих осадочных пород электрофизическим методом / С.М. Простов, А.С. Костромин // Вестник РАЕН (Зап.-Сиб. отд.). — 2001. — Вып. 4. — С. 163168.
4. ЯкубовскийЮ.В. Электроразведка / Ю.В. Якубовский, И.В. Ренард. — М.: Недра, 1991. — 359 с.
5. Матвеев Б.К. Электроразведка. — М.: Недра, 1990. — 368 с.
6. Жданов М.С. Электроразведка. — М.: Недра, 1986. — 316 с.
7. Методические указания по контролю геомеханических и фильтрационных процессов в техногенных породо-грунтовых массивах гидротехнических сооружений горных предприятий комплексным гео-электрическим методом / ГУ КузГТУ, НФ “КУЗБАСС-НИИОГР”.— Кемерово, 2003. — 42 с.
□ Авторы статьи:
Простов Сергей Михайлович
- доктор техн. наук, проф. каф. теоретической и геотехнической механики
Костюков Евгений Владимирович
— аспирант каф. теоретической и геотехнической механики
Гуцал
Максим Владимирович
— канд. техн. наук, ст. препод. каф. теоретической и геотехнической механики
