CC BY
51
© А.М. Гальперин, Ю.В. Кириченко, В.К. Зуй, С.И. Кретов, 2002
УДК 550.81
A.М. Гальперин, Ю.В. Кириченко,
B.К. Зуй, С.И. Кретов
МОНИТОРИНГ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ
В общем случае мониторинг техногенных массивов должен обеспечивать устойчивое состояние инженерного сооружения, выявление потенциально опасных участков и процессов, способных нарушить устойчивость экологического равновесия в негативную сторону, прогнозирование негативных процессов и разработку рекомендаций по предупреждению их. Исходя из этого он должен быть неотъемлемой частью мониторинга геологической среды, объектами наблюдения которого должны являться не только природные объекты геологической среды, но и техногенные объекты - источники воздействия на окружающую среду. Такие источники техногенного воздействия создают природно-техничес-кие системы (ПТС), состоящие из инженерных сооружений, взаимодействующих с прилегающими к ним участками геологической среды.
Наблюдения проводятся с целью изучения влияния на окружающую среду непосредственно очага техногенного воздействия. Причем, необязательно влияние инженерных работ сказывается отрицательно на состоянии окружающей среды. Например, организация свалок с последующей рекультивацией в оврагах предупреждает эрозию почв, а создание прудов в отработанных карьерах повышает рекреационную ценность территории.
В общем случае геомеханическая ветвь экологического мониторинга представлена на рисунке. В соответствии с требованиями геомеханиче-ского мониторинга разрабатывается и наблюдательная система с перечнем оборудования и плотностью наблюдательной сети. Причем объектная наблюдательная сеть может входить в локальную или региональную опорно-наблюда-тельную сеть.
Наш опыт по организации мониторинга на техногенных массивах позволяет определить наиболее приемлемый комплекс методов геомехани-ческого контроля, включающий в себя [1]:
• зондирование намывных массивов или массивов илового осадка комбинированными зондами МГГУ-ДИГЭС с применением модифицированной мобильной зондировочной установки ВНИМИ и компьютерной обработкой информации по программам МГГУ непосредственно во время исследований;
• оборудование стационарных наблюдательных скважин по характерным профилям обводненных массивов с закладкой в них датчиков-пьезодинамомет-ров на различных уровнях;
• закладка датчиков порового давления по вероятным кривым скольжения в теле упорной дамбы с оборудованием наблюдательных станций;
• наземные инструментальные наблюдения за осадками техногенного массива и деформациями откосов;
• лабораторные исследования техногенных отложений и грунтов основания массива и его откосных сооружений;
• оборудование гидронаблюдательных скважин по периметру техногенных массивов.
При многих преимуществах (минимум буровых работ, возможность получения информации в течение длительного времени, низкие эксплуатационные расходы, более высокая точность измерений, связанная с инерционностью датчиков и т.п.) система стационарных датчиков в техногенном массиве имеет ряд недостатков, основными из которых являются:
• высокие капитальные затраты (датчики, заложенные в тело гидроот-
вала, и управляющий кабель практически не извлекаемы для повторного использования);
• наблюдательные пункты должны быть специально оборудованы (скважины обсаживаются и в верхней части снабжаются оголовками);
• датчики во внутренних зонах намывных массивов недоступны с апреля по ноябрь из-за низкой несущей способности грунтов и, следовательно, не могут быть использованы;
• необходимость значительного количества датчиков (несколько десятков) для получения информации о состоянии техногенного массива в целом);
• необходимость наращивания скважины по мере намыва гидроотвала и т.п.
Поэтому исходя из реальных возможностей и достаточности информации для техногенных массивов целесообразны следующие схемы геотехнического контроля за состоянием внутренних зон.
а) Для эксплуатируемых и законсервированных массивов натурные исследования физико-механических свойств слабых грунтов внутренних зон техногенных массивов необходимо производить с использованием модификации комбинированного зонда конструкции МГГУ-ДИГЭС, который позволяет одновременно получать значения сопротивления пенетрации ^с), порового давления (Ри) и сопротивления сдвигу (і). Зондировочные скважины проходятся по основному и вспомогательным профилям, количество которых определяется степенью сложности строения массива. В пределах каждой из зон свойства намывного грунта определяются не менее чем в 3-х скважинах; в случае значительного разброса показаний в какой-либо из зон проходятся вспомогательные профили перпендикулярно к основному с зондированием участков техногенных массивов, содержащих отложения различной мощности. Применение комбинированного зонда позволяет получать исчерпывающую информацию о состоянии намывного массива при незначительном количестве буровых работ, причем, один и тот же зонд может быть использован неоднократно и на различных объектах.
Для корректировки расчетных значений производятся геодезические замеры текущих осадок.
В период создания (намыва) дренажных элементов для контроля за осадками призм и, соответственно, уплотнением намывного массива через каждые 80-100 м на гребне намыва и на крыльях призм устанавливаются реперы. Интервал между створами реперов может изменяться в зависимости от интенсивности и скорости осадок. Для фиксирования избыточного давления воды в порах грунта необходимо применять пьезодинамометры, устанавливаемые в неконсолидированной толще под призмой и ее крыльями.
б) Для проектируемых и эксплуатируемых техногенных массивов
кроме оборудования стационарной сети наблюдения за устойчивостью упорной призмы, целесообразно применение разработанного в МГИ-
МГГУ устройства для контроля состояния слабых оснований [2]. Контроль осуществляется путем регистрации в процессе намыва или отсыпки с установленной периодичностью следующих параметров: порового
давления, внешней нагрузки (от вышележащих слоев или дренажных элементов), текущей осадки и мощности намывного слоя, которые впоследствии служат исходными при расчетах консолидации слабого основания.
Геомеханическая ветвь экологического мониторинга
Сеть таких наблюдательных станций закладывается в наиболее глубоких местах массива (по тальвегу балки или оврага, характерных частях их рельефа). Стационарная сеть дополняется проведением зондирования зондами «МГГУ-ДИГЭС» по методике, изложенной выше. Применение устройств для контроля состояния слабых оснований значительно снижает объем буровых работ и повышает оперативность и достоверность получаемой информации. Геодезический контроль за осадками техногенного массива в этом случае производится со специально оборудованных береговых пунктов без нахождения обслуживающего персонала на территории сооружения.
Перспективным направлением совершенствования системы геомеха-нического контроля является применение принципиально новых датчиков с тензорными, а не электромеханическими системами измерений возмущений и компьютерная камеральная обработка результатов непосредственно во время проведения полевых работ. Тензорезисторные датчики (тензодат-чики) обладают меньшей инерционностью фиксирования измерений, так как основаны на эффекте изменения сопротивления при изменении длины проводника (струны, кристалла). Инерционность применяемых датчиков зависит от коэффициента консолидации С т.е. факториальных и результативных характеристик отложений, глубины замера, диаметров штанг и зонда и ряда других причин.
С целью оперативного получения искомых параметров на кафедре геологии МГГУ разработан пакет прикладных программ для определения уплотненности массивов слабых грунтов и коэффициента запаса устойчивости откосных сооружений. Программа для расчета уплотнения намывных массивов предназначена для расчета степени уплотнения и осадок техногенных отложений и рассматривает следующие случаи уплотнения грунтов.
Для работы в этой программе необходимо ввести данные лабораторных исследований пород: плотность
грунта у, начальный коэффициент консолидации Су°, показатель консолидации X, угол внутреннего трения ф3, начальный коэффициент пористости и зависимость его от уплотняющей нагрузки (компрессион-ная кривая), коэффициент р, учитывающий боковой распор и коэффициенты, учитывающие сцепление и угол внутреннего трения, отвечающие фактической степени уплотнения масс. Все эти показатели уточняются зондированием на первой стадии исследований.
Пьезометрический уровень воды и предварительная уплотняющая нагрузка определяются в натурных условиях.
Скорость намыва слоя, год начала и время намыва вводятся по фактической производственной документации.
В результате на экран выводятся данные, график Ри = F(hя) и расчетные параметры: поровое давление Ри, нагрузка от подушки из дренирующего материала q, коэффициент уплотнения Су, коэффициент Пуассона ц, степень уплотнения и и осадка слоя S(t).
Программа контроля устойчивости откосных сооружений предназначена для расчета коэффициента запаса устойчивости дамб в зависимости от положения депрессионной кривой, задаваемой показаниями прибора ПЦП, измеряющего периоды колебаний струнных датчиков, заложенных в тело уступов (дамб). Установку датчиков целесообразно осуществлять с помощью разработанного кассетного устройства.
Для начала работы в программе вводится название уступа, который разбивается на п-е количество отсеков, в пределах которых породный массив имеет одинаковые свойства. Для элемента вводится Х-координата и количество породных слоев, а для каждого породного слоя изменение Y-координаты и номера горных пород и их параметры плотность (т/м3), сцепление (т/м2), угол внутреннего трения (град.). Если есть данные по депрес-сионной кривой и кривой ослабления, то вводим их координаты. Для ввода
требуются паспортные данные датчиков, заложенных в массив.
После ввода измеренных величин периодов колебаний струнных датчиков производится расчет положения депрессионной кривой, расчет серии различных линий скольжения коэффициента запаса устойчивости и автоматический выбор линии скольжения с наименьшим коэффициентом запаса устойчивости. В программе используются два метода расчета коэффициента устойчивости: алгебраического суммирования и многоугольника сил.
Перспективным направлением при натурных исследованиях гидроотвалов разрезов Кузбасса является использование переносного компьютера типа «Note-book». Кафедрой геологии МГГУ при сотрудничестве с институтом геотехники технического университета «Фрейбергская горная академия» (ФРГ) разработана и апробирована на гидроотвале «Лог Шама-ровский» МГОКа система оперативного геотехнического контроля с применением переносного компьютера фирмы Compaq [3].
Для дистанционного контроля техногенных массивов, процесс уплотнения которых не завершен, МГИ совместно с ВИОГЕМ используются также аэрометоды, которые позволяют выполнять инженерно-
геологическое районирование территорий по фотосхемам, оценивать состояние откосных сооружений и определять осадки массивов с использованием метода аналитической фототриангуляции [4].
Эта методика используется при дистанционном контроле намывных массивов, согласно которому через определяемые посредством аэрофото-грамметрической съемки осадки намывных массивов оцениваются их несущая способность, эффективность мероприятий по форсированию тонкодисперсных намывных грунтов и устанавливается безопасный порядок рекультивационных работ на намывных территориях.
Заслуживает внимания опыт изучения геологической среды в преде-
лах Верхнекамского месторождения калийно-магние-вых солей с применением аэрокосмических способов.
В отечественной практике имеются наработки по регистрации различных изменений окружающей среды аэрокосмическими методами, сканер-ными съемками. Аэрофотосъемка производилась с автоматических беспилотных искусственных спутников Земли (ИСЗ) серии «Космос», «Ре-сурс-ф!» и «Ресурс-ф» и «Ресурс-02». Мониторинг техногенных массивов может производиться как в оптической зоне электромагнитного спектра, так и при сканировании территорий размещения объектов сканерами МСУ-Э и МСУ-СК. Аналогичные космические съемки проводятся США с применением аппаратуры Landsat и Францией (SPOT). Развитие аэрокосмических методов контроля состояния техногенных массивов в первую очередь связано со значительными капитальными вложениями на создание наземной сети и оборудования и арендой ИСЗ.
В соответствии с вышеизложенными принципами мониторинга контрольная аппаратура должна устанавливаться до начала формирования техногенного массива и функционировать, а при необходимости доукомплектовываться в процессе и после завершения рекультивационных работ, тем самым будет обеспечено получение комплекса показателей, характеризующего изменение состояния массива в пространстве и времени и позволяющего оценивать его влияние на окружающую среду.
Разработанные методы мониторинга позволяют оперативно получать информацию о состоянии намывного массива и откосных сооружений, на основании которой можно с высокой степенью вероятности прогнозировать состояние гидроотвалов и хвостохранилищ, оценивать степень их воздействия на окружающую среду и принимать действенные решения по использованию сооружений и снижению вредного влияния объекта на экологическую обстановку в регионе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гальперин А.М., Зайцев В.С., Кириченко Ю.В. Инженерно-
геологическое и геотехническое обеспечение возведения, консерва-
ции и рекультивации гидроотвалов и хвостохранилищ (анализ 30летнего опыта). - М.: Геоэкология, 2000, № 4, с. 307-315.
2. Гальперин А.М., Дьячков Ю.Н. Гидромеханизированные природоохранные технологии. - М.: Недра, 1993, 256 с.
3. Гальперин А.М., Кириченко Ю.В., Ферстер В., Шеф Х.-Ю. Геоэкологическое обеспечение рекультивации намывных горнотехнических сооружений. - М.: Горный журнал, 1998, № 7, с. 56-61.
4. Способ контроля состояния намывных массивов/Авт.: Гальперин А.М., Зайцев В.С., Стрельников А.В. и др. А.с. № 1188322. Б.И. № 40, 1985.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Гальперин Анатолий Моисеевич — зав. кафедрой геологии, Mосковский государственный горный университет. Кириченко Юрий Васильевич — доцент, кандидат технических наук, Mосковский государственный горный университет. Зуй В.К. — Mосковский государственный горный университет.
Кретов С.И. - Mихайловский ГОК.
т.
