CC BY
78
ФИЗИКА ГОРНЫХ ПОРОД
УДК 624.131.5:622.02
Н. Ю. Никулин, С. М. Простов, О. В. Г ерасимов
КОМПЛЕКСНЫЙ ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ ГОРНОТЕХНИЧЕСКОГО СОРУЖЕНИЯ
Георадиолокационное зондирование (ГЗ) является уникальным методом изучения контрастных по электромагнитным свойствам слоистых сред. Наличие в геологическом разрезе локальных неоднородностей, воздушных и подземных коммуникаций осложняет интерпретацию георадио-локационных данных (радарограм) .
Опыт ранее проведенных работ по изучению состояния и свойств грунтового массива [1, 2] по-
казал целесообразность использования метода ГЗ в комплексе с другими геофизическими и прямыми геологическими методами. В качестве вспомогательного геофизического метода хорошо зарекомендовал себя метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ), который позволяет оценить электрофизические свойства грунтов, в то время как метод ГЗ дает возможность установить границы распространения геоло-
Рис. 1. Схема участка работ:ВЭЗ-1-12 - точки вертикального электрического зондирования; С-1-3 -инженерно-геологическая скважина; 1 - профиль геоэлектрического разреза; 2 - профиль инженерногеологического разреза; 3 - обогатительный корпус; 4 - контур обогатительной установки; Пр. 1-2 -
профили георадиолокационного зондирования
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
гических элементов в плане и по глубине, что взаимодополняет эти методы. Физикомеханические свойства грунтов определяют путем инженерно-геологических изысканий и лабора-
торных исследований. Методика комплексного геолого-геофизического мониторинга приведена на блок-схеме (рис. 2).
Ниже рассмотрена реализация комплекса геофизических и инженерно-геологических методов при мониторинге на проблемном участке строительства обогатительной установки «Красноброд-ского угольного разреза» (поле «Вахрушевское»). Схема участка работ приведена на рис. 1.
Исследуемый участок располагался на территории Прокопьевского района Кемеровской области, на юго-западной окраине г. Киселевска. Площадка находится на действующем предприя-
тии, территория которого характеризуется наличием множества коммуникаций и сооружений (логические автодороги, линии ВЛ-6 кВ, ж/д пути). Район работ имеет сложный рельеф, образовавшийся в результате ведения горных работ и имеет полностью техногенное происхождение.
Изучение свойств грунтов включало инженерно-геологические изыскания и геофизические работы. Точки и профили измерений представлены на рис. 1.
По данным бурения построен инженерногеологический разрез по профилю С1-С2-С3 вдоль галерей, который до глубины 20,0 м представлен
Проект строительства горнотехнического >________сооружения
I
Инженерно-геологические изыскания
Бурение скважин с отбором керна
Лабораторные исследования образцов грунтов
1 Определение границ аномальных Обоснование профилей
1 зон в плане и по глубине ВЭЗ
ВЭЗ [р (х; у; z)]
Построение геоэлектрических Уточнение границ аномальных
разрезов зон в плане и по глубине
Уточнение границ аномальных
зон в плане и по глубине
X “
Проект укрепительных работ
Расположение зон укрепления Технологические параметры
т.
Контролируемое укрепление грунтов
Контроль процессов инъектирования в пространстве
____________Рк (х; у; ^___________
Контроль набора прочности грунтов во времени р (?)
^ Строительство горнотехнического сооружения
Рис. 2. Алгоритм геолого-геофизического мониторинга при укреплении грунтовых оснований и соору-жений^ - влажность; С - сцепление; ф - угол внутреннего трения; 1р - число пластичности; I- показатель текучести; р - плотность; А - амплитуда отраженного сигнала; рк - эффективное УЭС; х,
у, г - координаты; ? - время
* Таблица 1. Физико-механические свойства грунтов
№ скв. Глубина отбора, м Природная влажность Ш Число пластичности 1р Показатель текучести I Плотность р,г/см3
1 2,0 0,09 0,12 0,75 -
3,0 0,24 0,13 0,15 2,02
6,0 0,11 0,12 0,50 2,07
2 3,0 0,09 0,10 0,80 2,08
8,0 0,14 0,13 0,54 2,05
3 2,0 0,07 0,07 1,30 -
5,0 0,12 0,08 0,75 -
8,0 0,16 0,07 0,43 -
Проектируемый обогатительный корпус
2 м-46810121416-
Рис 3. Схема процесса оползнеобразования:
1 - зона интенсивного разуплотнения; 2 - трещины отрыва
отложениями современного возраста ООу) в виде смеси дресвы, щебня, глыб, супесчаного и песчаного материала, с глубины 0,5—1,0 м представлен насыпным суглинком серым, темно-серым до черно-серого, твердым с дресвой и щебнем. Обломки представлены осадочными породами, преимущественно песчаниками, выветрелыми, малой прочности. Грунт имеет повсеместное распространение, залегает с поверхности однородным слоем.
По результатам лабораторного изучения грунтов получены основные физико-механические характеристики, которые приведены в табл. 1.
Параллельно инженерно-геологическим изысканиям было проведено маршрутное обследование, в ходе которого на поверхности площадки в северо-восточной части выявлены трещины отрыва оползневого характера, свидетельствующие о частичном смещении грунтовых масс в сторону незакрепленного откоса. Образование трещин объясняется тем, что с северо-восточной стороны площадки насыпные грунты не имеют подпора, откос насыпи при высоте 15-17 м не укреплен, поэтому в северо-восточном направлении происходит разуплотнение грунтового массива и смещение грунтовых масс. Схема оползнеобразования на участке приведена на рис. 3.
Для разработки мероприятий по ликвидации опасных процессов, было принято решение о проведении геофизических работ по выявлению и оконтуриванию аномальных разуплотненных зон.
Геофизические изыскания были разделены на следующие этапы:
- предварительная оценка расположения ано-
мальных зон методом ГЗ;
- дополнение и подтверждение георадиолока-ционных данных, изучение электрофизических свойств массива методом ВЭЗ.
ГЗ производилось аппаратурой ОКО-2 с антенным блоком АБ-150, что позволило изучать массив на глубину до 10 м. Зондирование было проведено по профилям (см. рис. 2) в северовосточной части площадки в местах интенсивного проявления процессов трещинообразования.
Для интерпретации данных георадиолокаци-онной съемки использовалась измерительная программа Geoscan 32 (ООО «ЛОГИС») и результаты электроразведки.
Результаты георадиолокационного зондирования представлены в виде радарограмм, совмещенных с данными электрических зондирований (рис. 4), что позволило выявить аномальные зоны (зоны интенсивного разуплотнения грунта и скрытые трещины отрыва). Скрытые трещины отрыва выявлены в северной части площадки на расстоянии 20-90 м от бровки откоса.
В южной части площадки в районе проектируемого строительства обогатительного корпуса на глубине 3-10 м обнаружена аномальная зона, представленная разуплотненным увлажненным грунтом.
Для уточнения границ распространения аномальных зон и расчленения полученных радаро-грамм на слои по электрофизическим свойствам было проведено ВЭЗ.
Зондирования выполнялись низкочастотной электроразведочной аппаратурой типа «Березка»
а
Рис. 4. Радарограммы по профилям 1 (а) и 2 (б):1 - диапазон УЭС; 2 - трещины отрыва; 3 - зона интенсивного разуплотнения; 4 - граница геоэлектрических слоев
на частоте f= 4,88 Гц симметричной установкой ЛЫ.N3 с максимальными разносами питающей линии Л3 = 110 м.
Точки ВЭЗ располагались так, чтобы перекрыть площадь с наиболее интенсивным проявлением оползневых процессов в северо-восточной части участка.
Для построения геоэлектрического разреза между профилями ГЗ проведены ВЭЗ с максимальным сгущением вдоль линии профиля центрального участка (ВЭЗ-1-6) с интервалом до 30 м.
Результаты интерактивной интерпретации профиля ВЭЗ-2-6 в компьютерной программе IPI2WIN приведены на рис. 5.
Построенный вдоль этой линии геоэлектриче-ский разрез расчленен на следующие зоны по электрофизическим свойствам:
Номер зоны 1 2 3 4
Диапазон УЭС,Ом-м 0-30 30-60 60-90 90-120
Часть разреза, приближенная к откосу насыпи, преимущественно представлена высокоомными грунтами, эффективное УЭС составило (рк = 70110 Ом-м), что интерпретируется как насыпной крупнообломочный грунт.
В районе, примыкающему к обогатительному корпусу, на глубине 3-13 м залегают низкоомные грунты (рк = 22 Ом-м), что свидетельствует о разуплотнении и водонасыщенности грунтов.
Результаты ВЭЗ-2 и ВЭЗ-З также выявили поверхностное влагонысыщение грунтов на глубину до 1,5 м.
Таким образом, исследуемый техногенный массив слагают насыпные грунты, обладающие высокой водопроницаемостью, поэтому их разуплотнение приводит к резкому водонасыще-нию, что отображается аномально низкими значениями УЭС.
Также по результатам ВЭЗ были построены карты изоом (рис. 6) для разносов АВ = 6; 22 и 44 м, что согласно рекомендациям, изложенным в [3], соответствует глубине зондирования И = 1; 3,6 и 7,3 м.
Анализ построенных карт подтвердил расположение аномальных низкоомных разуплотненных грунтов в районе обогатительного корпуса, и высокоомных грунтов, представленных трещиноватыми и крупнообломочными насыпными грунтами, в северо-восточной части площадки. Полученные результаты позволили выявить и установить границы распространения аномальных
Рис. 5. Результаты интерпретации ВЭЗ, разрез эффективных (а) и истинных УЭС (б), полученные в результате компьютерной инверсии ВЭЗ, геоэлектрический разрез, полученный путем интерактивной интерпретации ВЭЗ (в):
42 - величина УЭС; 1-4 - зоны геоэлектрического разреза
зон в плане и по глубине, оконтурить зону развития оползневых процессов. Данные зоны возникают в результате разуплотнения грунтов в процессе частичного смещения грунтовых масс в сторону незакрепленного откоса грунтовой насыпи.
Для обеспечения устойчивости грунтового массива и предотвращения дальнейшего развития опасных процессов локального разуплотнения
рекомендовано выполнить следующие мероприятия:
- укрепить откос насыпи в северо-восточной части площадки с помощью поярусной отсыпки с целью предотвращения процессов оползания и разуплотнения;
- провести упрочнение грунтов под фундаментами методом высоконапорной инъекции цементно-песчаных растворов с целью снижения
влияния оползневых процессов и разуплотнения грунтов в основании сооружения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Никулин, Н. Ю. Диагностирование состояния и свойств грунтового основания участка железнодорожного пути на угольном разрезе «Краснобродский» / Н. Ю. Никулин, С. М. Простов, Р. Ю. Зима, Е. О. Тихонов // Вестник КузГТУ. - 2010. - №5 (81). - С. 51-56.
2. Никулин, Н. Ю. Диагностирование состояния и свойств грунтов основания надшахтного сооружения / Н. Ю. Никулин, С. М. Простов // ГИАБ. - 2011. - №12. -С. 125-128.
3. Якубовский Ю.В. Электроразведка. М. : Недра, 1973. - 304 с.
□ Авторы статьи
Простов Сергей Михайлович , докт.техн.наук, проф. теоретической и геотехнической механики КузГТУ, е - mail psm.kem@mail.ru.
Никулин Николай Юрьевич, аспирант каф. теоретической и геотехнической механики КузГТУ), e - mail n.y.nikulin@mail.ru.
Герасимов Олег Васильевич, канд.техн.наук, ген. директор ООО «НООЦЕНТР-Д», е - mail administrator@noocentr.ru.
