Исследование параметров обводненных зон в протяженной дамбе шламового отстойника "Дальний" ОАО "Шахта им. С. М. Кирова"

лым, редко легким, бурого и темнобурого с красноватым оттенком цвета, полутвердой и твердой консистенции. Максимальная высота дамбы 21 м, ширина до 10 м, заложения откосов 1:2.

На рассматриваемой дамбе илонакопителя по гребню были установлены пьезометрические наблюдательные станции в двух створах. Пьезометр №1 установлен в створе максимальной высоты дамбы - по тальвегу лога. Следует отметить, что на этом же участке наблюдались выходы воды на низовой откос дамбы. Пьезометр №2 был установлен в 55 м от створа №1 в сечении на склоне лога.

На рис. 2 представлено расположение наблюдательных станций, а также границ обводненной зоны на плане дамбы ЗАО "Черниговец", установленные по результатам геоэлектри-

ческих исследований.

Комплексные исследования гидрогеологических условий использовались для построения депрессионных кривых в теле дамбы в наиболее опасном сечении О1У различными методами: теоретическим, геоэлектри-ческим и пьезометрическим (по замерам уровня воды в пьезометрах) (рис. 3).

В табл. приведены результаты расчетов коэффициента запаса устойчивости низовых откосов трех гидротехнических сооружений на основе данных аналитического, пьезометрического и геоэлектрического метода прогноза их состояния.

Диапазон изменения значений коэффициента запаса устойчивости составляет 4% (ОАО "Шахта им. С.М. Кирова"), 12% (ОАО "Разрез Кедров-ский") и 10% (ЗАО "Черниговец"), что указывает на высокую

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

степень сходимости результатов определения обводненной части дамбы геоэлектрическим и пьезометрическим методами. При оценке устойчивости дамб гидротехнических сооружений могут быть уменьшены затраты на бурение скважин и установку пьезометров за счет использования наряду с точечными замерами уровня воды по пьезометрам геофизических исследований по всему объекту.

Использование геоэлектри-ческих методов контроля в комплексе с традиционными методами позволяет повысить надежность прогноза устойчивости дамб, а также своевременно разработать рекомендации по укреплению (усилению) низового откоса (создание выполажи-вающих полочек, контрфорсов, возведение инъекционных буронабивных свай).

1. Аксенов С.Г. Аварии на ограждающих сооружениях, основные причины и меры по их предотвращению.- Белгород: НИиПЭЦ "Промгидротехника", 2003.- 328 с.

2. Чугаев Р.Р. Земляные гидротехнические сооружения. - Л.: Энергия, 1967. - 460 с.

3. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика. — М.: Стройиздат, 1983. — 118 с.

4. Методические указания по контролю геомеханических и фильтрационных процессов в техногенных породо-грунтовых массивах гидротехнических сооружений горных предприятий комплексным гео-электрическим методом. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2003. - 42 с.

5. Бахаева С. П. Комплексная оценка геомеханических процессов в дамбах из грунтовых материалов / С.П. Бахаева, С.М. Простов, Е.В. Костюков, Е.А. Серегин // Маркшейдерский вестник. - 2003. — №2. - С. 62-66.

6. Исследование параметров обводненных зон в протяженной дамбе шламового отстойника "Дальний" ОАО "Шахта им. С.М. Кирова" / Костюков Е.В., Простов С.М., Бахаева С.П., Гуцал М.В. // Вестн.КузГТУ, 2004.№ 2. С.24-29.

Авторы статьи:

Костюков Евгений Владимирович

— аспирант каф. теоретической и геотехнической механики

Простов Сергей Михайлович

- доктор техн. наук, проф. каф. теоретической и геотехнической механики

Бахаева Светлана Петровна

— канд. техн. наук, зам. директора НФ "КУЗБАСС-НИИОГР"

УДК 550.372: 622.267

Е.В. Костюков, С.М. Простов, С.П. Бахаева, М.В.Гуцал

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБВОДНЕННЫХ ЗОН В ПРОТЯЖЕННОЙ ДАМБЕ ШЛАМОВОГО ОТСТОЙНИКА "ДАЛЬНИЙ" ОАО "ШАХТА им. С.М. КИРОВА

В результате аналитических и эксперимен- ненных неустойчивых зон в техногенных пород-

тальных исследований КузГТУ совместно с НФ ных массивах, в том числе, в ограждающих дам-

"КУЗБАСС-НИИОГР" разработана методика вы- бах гидротехнических сооружений горнодобы-

явления и контроля развития локальных обвод- вающих предприятий бесскважинным геоэлектри-

ческим методом, основанная на измерении пространственно-временных вариаций эффективного удельного сопротивления массива рк по схемам вертикального электрического зондирования

*

(ВЭЗ) и электропрофилирования (ЭП) [1] .

Для повышения точности геоэлектрического контроля применялась модифицированная схема установки электродов ЛМЫБ, которая обеспечивает оптимальный по информативности режим работы измерительного прибора в широком диапазоне рк (рис. 1). Основное отличие модифицированной схемы состоит в том, что принимают постоянным базовый размер а=ЛМ=ЫБ в диапазоне а=2,5^5 м. При разносе ЛБ < 3а принимают МЫ = ЛМ =ЫБ=ЛБ / 3, при АВ>3а увеличивают только размер МЫ. Эффективное УЭС массива определяют по формуле (в Ом-м):

= к ^£мы_ ,

IЛБ

где к - геометрический коэффициент установки, зависящий от взаимного расположения электродов, изменяющийся при а=5 м в диапазоне к=8,7^31,4; АПМЫ - падение напряжения между измерительными электродами МЫ, В; 1АВ - величина стабилизированного тока питающей цепи АВ, А.

Результатом измерений являются графики ВЭЗ рк (АВ) или ЭП рк (х). Глубина зондирования И нелинейно зависит от разноса АВ.

Электрофизические исследования приборто-вых участков открытых горных выработок в Кузбассе [2, 3] и дамб гидротехнических сооружений в Беларуси [3] показали, что формирование обводненных зон на глубине И=2-20 м сопровожда-

* Работа выполнена при поддержке гранта Минобразования России А 03-2.13-12

физического состояния дамбы шламового отстойника ОФ ОАО "Шахта им. С.М. Кирова", характеризующейся большой протяженностью и малым поперечным сечением.

Шламовый отстойник представлен двумя картами, наиболее детально исследовалась карта №1, на которой были отмечены многочисленные выходы фильтрационных вод на низовой откос дамбы. Емкость и площадь карты №1 составляют 640 тыс.м3 и 20 га соответственно (рис. 2). Первичная дамба отстойника отсыпана местными суглинками, талая, без противофильтрационных устройств в основании. Параметры дамбы: заложения верхового и низового откосов 1:3; ширина по гребню

5 м; высота 5^8 м; длина напорного фронта 1840 м. В последующем с целью увеличения емкости шламового отстойника практически на всем протяжении (ПК5-ПК46) поверх первичной дамбы произведено наращивание ограждающей дамбы породами обогатительной фабрики. В результате изменилась конструкция сооружения: первичная дамба из суглинка, оказавшись в центральной части сечения, стала выполнять функцию противо-фильтрационного элемента - ядра. Западный участок дамбы (ПК0^ПК4) отсыпан горелыми и склонными к самовозгоранию породами.

Для предварительных исследований были отобраны пробы грунтов, шлама и отфильтрованной воды. Проведены лабораторные измерения удельного электросопротивления (УЭС) р по стандартной методике (ГОСТ 6433-82) 4-

электродным методом на постоянном токе.

Образцы помещались в ячейки прямоугольной формы (0,1х0,1х0,1) м с круглыми плоскими питающими и стержневыми измерительными электродами, измерения проводили каротажным прибором КП-2. Результаты измерений УЭС образцов и их статистическая обработка представлены в таблице.

Предварительные лабораторные исследования показали, что насыпные грунты дамбы имеют относительно высокое УЭС, которое определяется их значительной пористостью. При уплотнении этих грунтов УЭС может снижаться в 1,5^2,5 раза. Высокое среднее квадратичное отклонение (&р>50 %) свидетельствует о широком диапазоне изменения параметра р на различных участках дамбы. Горелые породы обладают очень высокой проводимостью и фактически являются электрическим экраном. Жидкости обоих типов представляют собой технические растворы средней степени минерализации, причем УЭС фильтрованной воды в среднем на 18 % ниже, чем нефильтрованной пульпы. Насыщение влагой грунтов, имеющих коэффициент пористости т>0,1, приводит к снижению УЭС насыпных уплотненных грунтов более чем на порядок (р=15-30 Ом-м), а горелых грунтов всего на 10-15 %. В этой связи по прогнозным оценкам, влагонасыщенные зоны в теле дамбы, сложенной насыпными грунтами без шла-

3

Рис. 1. Схема бесскважинного

геоэлектрического контроля:

1 - питающий электрод; 2 - измерительный электрод; 3 - каротажный прибор КП-2;

4 - обводненная зона

ется отрицательными аномалиями на графиках ВЭЗ и ЭП с амплитудой до 30%.

Ниже приведены результаты исследований

ка, должны отмечаться отрицательными аномалиями УЭС.

Экспериментальные участки ВЭЗ были намечены по результатам рекогносцировки: ВЭЗ №1 -ПК25 восточной дамбы - отсутствует выход фильтрационных вод на низовом откосе и в нижнем бьефе; ВЭЗ №2 - ПК18 восточной дамбы -имеется выход водопроводящего коллектора в верхней части откоса; ВЭЗ №3 - ПК15 южной дамбы - имеется выход коллектора в нижней части откоса; ВЭЗ №4 - между ПК 12 и ПК 13 - имеется выход коллектора в подошве низового откоса, заболочена территория нижнего бьефа; ВЭЗ №5 -ПК7 западной дамбы имеется выход коллектора в

подошве низового откоса. На всех участках центр зондирования располагался в средней части гребня. Результаты ВЭЗ представлены на рис. 3.

График ВЭЗ №1 (рис. 3, а) показывает наличие на исследуемом участке двухслойной геоэлек-трической структуры: слой 1 (АВ=0-10,5 м) с уровнем pk =15+18 Ом-м соответствует насыпному грунту, увлажненному атмосферными осадками; слой 2 (АВ>10,5 м, pk =18-25 Ом-м) - слою глины и суглинков основания.

На графике ВЭЗ №2 (рис. 3, б) отмечаются три геоэлектрические зоны: между слоем насыпного грунта 1 и границей слоя основания 3 установлена

Таблица

УЭС образцов пород, пульпы и отфильтрованной воды

Образец УЭС, Ом-м

Математическое ожидание p Среднее квадратичное отклонение ор

1. Породы обогатительной фабрики

2. Г орельник при комнатной влажности 7,143 0,55

3. Угольный шлам 2,653 0,107

4. Отфильтрованная вода 2,242 0,22

а б

в г

Рис. 3. Результаты ВЭЗ на замерных станциях №1 ПК25 (а), №2 ПК18 (б), №3 ПК15 (в), №4 ПК11+ПК12 (г):

1 - насыпной грунт естественной влажности; 2 -водонасыщенный насыпной грунт;

3 - водонасыщенные насыпные суглинки; 4 - суглинки основания естественной влажности

аномальная зона 2 (АВ=6+15 м, pk =12,4+14,5 Ом-м), соответствующая водонасыщенным насыпным грунтам.

На графике ВЭЗ №3 (рис. 3, в) аномальная зона 2 зафиксирована на интервале АВ=5+20 м

(Рк =14,5+17,5 Ом-м), при этом уровень Рк слоев 1+3 соответствует результатам, полученным при ВЭЗ №2, что свидетельствуют о более интенсивном развитии водонасыщения в нижней части тела дамбы и частичном распространении его на грунты основания.

Существенные изменения в результатах ВЭЗ зафиксированы на четвертой замерной станции (рис. 3, г): на интервале АВ=15+30 м установлена ярко выраженная отрицательная аномалия с минимальным уровнем pk =9,5 Ом-м. Данная аномалия может быть интерпретирована как слой водо-

Рис. 4. Схема и результаты поперечного профилирования: 1 - участок фильтрации в теле дамбы на 06.09.02 (ПК18, АВ=12м); 2 - то же на 13.09.02; 3 - участок без признаков водопрояв-ления; 4 —место выхода коллектора

насыщенных суглинков. Развитие на данном участке наблюдений заболоченной зоны в нижнем бьефе подтверждает полученные результаты геофизических исследований.

На участках выявленных аномальных зон амплитуда аномалий УЭС (Лр/) изменялась от 5 до 8,5 Ом-м (20-50 % от среднего уровня рк).

Глубина зондирования И изменяется при электроразведочных измерениях с земной поверхности в зависимости от соотношений мощностей и УЭС слоев геоэлектрического разреза в диапазоне И=(0,1+0,5)АВ.

В условиях данного объекта исследований по результатам сопоставления результатов ВЭЗ с измеренной высотой насыпного слоя И=(0,35+0,4)АВ. Данное выражение позволяет оценивать глубину расположения геоэлектриче-ских аномалий при интерпретации ВЭЗ и эффективную глубину зондирования при ЭП (толщину слоя, оказывающего наибольшее влияние на формирование аномалий рк).

С целью детализации параметров обводненных зон в различных сечениях дамбы было выполнено поперечное профилирование с разносом АВ=10,5-12 м, соответствующим нижней границе аномального слоя.

Результаты поперечного ЭП представлены на рис. 4, причем графики 1 и 2 соответствуют замерам на ПК18, где зафиксирован выход фильтрационного коллектора на низовом откосе, а график 3

- ПК25, где водопроявления не были зафиксированы.

Графики 1 и 2 отражают форму депрессион-ной кривой в сечении дамбы (общее повышение уровня р на графике 2 произошло вследствие увеличения УЭС поверхностного слоя из-за отсутствия атмосферных осадков в период между

х, м

Рк,

Омм

20

15

V2 //% ^ ^4 »-И/ > / ' . * * • * « • /\ Ч г<

\ V/ V I ВЭЗ №4 | ПК 12 ПК11 | ПК 10 * ПК 9 ! ! га С8

Рис. 5 Графики продольного ЭП по оси дамбы, на участках выявленных обводненных зон с локальным увеличением высоты насыпного слоя (а), местным расширением тела дамбы (б), с развитием заболоченных зон на поверхности основания (г):

------ АВ=10,5 м;----АВ=15.м;   -АВ =25 м;

1 - обводненная зона в теле дамбы; 2 - обводненная зона в основании дамбы

наблюдениями). Из графика 3 поперечного профиля при АВ=10,5 м следует, что зона увлажнения насыпных грунтов локализована на расстоянии у=1,5 м от края гребня.

Результаты поперечного ЭП позволяют прогнозировать параметры поверхности депрессион-ной кривой в теле дамбы, что дает возможность повысить точность прогноза фильтрационной и статической устойчивости на участке сформировавшего фильтрационного коллектора.

Для исследования аномалий геоэлектрической структуры дамбы и выявления скрытых влагонасыщенных зон и фильтрационных коллекторов на всем ее протяжении выполннено электропрофилирование (ЭП). Основным параметром ЭП является разнос питающих электродов АВ.

На основе данных ВЭЗ участки дамбы представляют собой двух-, трех- и четырехслойные геоэлектрические разрезы. Для оценки фильтрационной и статической устойчивости наиболее

важными представляются следующие параметры ее состояния: на участках без признаков водопро-явления - толщина слоя насыпных пород; на участках с водопроявлениями - протяженность и глубина расположения обводненных зон.

С учетом этих обстоятельств разнос АВ по профилю дамбы был принят переменным:

- на восточном участке (ПК27+-ПК16) АВ=10,5 м (эффективная глубина зондирования к=3,5+4,2 м), что соответствует расположению нижней границы слоя 1 на графике ВЭЗ №1 (рис.

3, а);

- на южном и западном участках

(ПК15-ПК1): АВ=15 м (к=5,5+6 м) и АВ=25 м (к=8,8+10 м), что соответствует расположению нижних границ слоев 2 и 3 на графике ВЭЗ №4 (рис. 3, г);

- на участке ПК17^ПК14 (переходном) для сопряжения результатов применялись все три разноса.

Для обеспечения максимальной детальности исследований шаг профилирования был принят

Лх=10 м.

Результаты ЭП по оси дамбы с привязкой к пикетам и участкам ВЭЗ приведены на рис. 5.

На основной части графиков ЭП диапазон изменения эффективного УЭС составляет рк =15+25 Ом-м.

Формирование обводненных зон в насыпном слое сопровождается отрицательными аномалиями рк с амплитудой от 3 до 7 Ом-м (рис. 5, а-в).

Заболоченные зоны (рис. 5, г) характеризуются устойчивой разностью рк при разносе АВ=15 м

и АВ=25 М (рк АВ=25м -Рк АВ=15м ^3 Ом-м) .

Увеличение высоты насыпного слоя (рис. 5, а), а также местное расширение тела дамбы (рис.

5. б) являются источниками отрицательных дополнительных аномалий с амплитудой до 5 Ом-м (рис. 5, б).

На интервале ПК4-ПК0, где тело дамбы сложено в основном горелым грунтом (шлаком) уровень рк упал ниже 5 Ом м, что соответствует данным лабораторных измерений. Наличие экранирующего поверхностного слоя в исследуемом массиве резко снижает информативность геоэлек-трического контроля.

Результаты геоэлектрического прогноза физического состояния техногенных грунтовых массивов позволили выявить наиболее потенциально опасные участки в отношении развития фильтрационных коллекторов в теле и основании ограждающей дамбы на всем ее протяжении. Результаты ВЭЗ и поперечного ЭП были использованы при поверочных расчетах статической и фильтрационной устойчивости откосов дамбы.

Для более надежной оценки состояния устойчивости дамбы на участках со скрытыми аномалиями свойств грунтов тела и основания дамбы необходимо бурение инженерно-геологических скважин с отбором монолитов и определением их физико-механических свойств.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические указания по контролю геомеханических и фильтрационных процессов в техногенных породо-грунтовых массивах гидротехнических сооружений горных предприятий комплексным гео-электрическим методом. - Кемерово: ГУ КузГТУ, НФ "КУЗБАСС-НИИОГР" , 2003.- 42 с.

2. Простое С.М. Определение геометрических параметров обводненных неустойчивых зон методами электрометрии// С.М. Простов, М.В. Гуцал, В.Х. Шаймуратов// Изв. вузов. Горный журнал.- 2000.-№6.-С.12-15.

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.163-168.

4. Прохоров Н.Н. Применение геофизических моделей реальных зон фильтрации растворов для определения технического состояния дамб шламохранилищ на РУП "ПО Беларуськалий"/ Н.Н. Прохоров, В.Б. Вагин, Н.Ф. Ущановский, И.С. Невельсон, В.А. Чуров // Маркшейдерия и недропользование.-2002.- №2.- С.52-55.

Авторы статьи:

Костюков Евгений Владимирович

- аспирант каф. теоретической и геотехнической механики

Простов Сергей Михайлович

- доктор техн. наук, проф. каф. теоретической и геотехнической механики

Гуцал

Максим Владимирович

- канд. техн. наук, ст. препод. каф. теоретической и геотехнической механики

Бахаева Светлана Петровна

- канд. техн. наук, зам. директора НФ "КУЗБАСС-НИИОГР"