Обоснование плотности сети гидрогеомониторинга намывных массивов

М.П. Зайцев

ОБОСНОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ СЕТИ ГИДРОГЕОМОНИТОРИНГА НАМЫВНЫХ МАССИВОВ

Разработаны предложения по оптимизации инженерно-геологи-ческих изысканий на гидротехнических массивах горных предприятий.

Ключевые слова: техногенные массивы, гидроотвалы, хвостохранилища, намывные массивы.

Для эффективного использования намывных массивов (гидроотвалов, хвостохранилищ, золоотвалов, полей фильтраций станций аэрации и т.п.) необходимо обладать достоверной и полной информацией о состоянии и свойствах техногенных отложений и грунтов оснований массивов. С этой целью проводятся инженерно-геологические исследования, которые делятся на лабораторные (испытания отобранных образцов пород на лабораторном оборудовании) и натурные (испытания специальной аппаратурой в условиях природного залегания). Каждое из направлений имеют свои достоинства и недостатки, трудоемки и не всегда дают полную картину о намывном массиве.

Натурные исследования техногенных массивов обеспечивают наиболее достоверную информацию об их состоянии, что позволяет моделировать «поведение» массива в будущем при его дальнейшем использовании.

В результате многолетнего опыта исследований гидроотвалов, хвостохранилищ, отвальных массивов в горной и строительной промышленности, коммунальном хозяйстве г. Москвы выявлены главные принципы инженерно-геологических исследований техногенных массивов.

1. Принцип полноты исследований требует получения максимально достоверной информации о состоянии и свойствах техногенного массива (включая район его расположения). Неполные исследования или исследования только отдельных участков не могут считаться достоверными, так как не дают представление о «жизни» массива и его взаимодействии с окружающей средой, не учитывают особенности формирования техногенного массива и изменчи-

вость его свойств по площади, по глубине и во времени, а также не оценивают степень влияния объекта на окружающую среду.

Таким образом, первое требование полноты инженерногеологических исследований - оконтуривание массива, то есть выделение полигона, на котором будут проводиться изыскания.

Второе требование - изучение не только пород, слагающих массив, но основания и откосных сооружений.

Третье - комплексный подход, то есть изучение массива с учетом всех направлений его дальнейшего использования: от рекультивации до разработки массива с целью вторичного использования слагающих его отложений.

2. Принцип последовательных приближений заключается в последовательном изучении массива по этапам и стадиям. За один цикл исследований невозможно получить достоверную информацию о состоянии объекта (особенно на крупных техногенных массивах), поэтому исследования должны выполняться по стадиям, причем после каждой стадии определяют участки, требующие детального изучения. При обнаружении слабых, в геомеханическом отношении, слоев их дополнительно исследуют и устанавливают границы. Примером может служить изучение гидроотвала «Лог Шамаровский» в 1993-1999 гг. и «Березовый Лог» в 1968-2008 гг. кафедрой геологии МГГУ.

3. Принцип равной достоверности подразумевает более или менее равномерное изучение всего массива. Нельзя сосредотачивать пункты зондирования на одних участках, а другие - совершенно игнорировать. В то же время нужно детальнее изучать более сложные, с геомеханических позиций, участки, чем простые. В таком случае достигается примерно одинаковая достоверность результатов инженерно-геологических исследований по всему массиву.

4. Принцип наименьших трудовых и материальных затрат -один их главных и требует, чтобы количество исследований было минимальным, но полученные результаты были достоверны и достаточны для решения задач, которые могут возникнуть при дальнейшем использовании массива.

5. Принцип наименьших временных затрат (или срочности информации) заключается в получении максимально возможной информации в кратчайшие сроки.

6. Принцип непрерывности («вчерашней необходимости»). Исследования необходимо начинать на стадии проектирования сооружений, вести в течение всего периода эксплуатации и заканчивать только после полной рекультивации массива (остаются контрольные наблюдения).

Техногенные массивы (особенно намывные) обладают значительной пространственно-временной изменчивостью, что обусловлено рядом факторов, как природных, так и техногенных, поэтому при инженерно-геологических исследованиях важно определить характер и причины изменчивости, что позволяет скорректировать исследования и более полно изучить массив. Под характером изменчивости понимают общую тенденцию изменений, то есть возрастающие, убывающие, волнообразные, скачкообразные и их комбинации.

К техногенным массивам можно применить классификацию закономерности свойств отложений Н.В.Коломенского, который выделяет три типа закономерностей: скачкообразная незакономерная, скачкообразная закономерная и функциональная изменчивость.

Применительно к намывным массивам изменчивость свойств и состояния техногенных отложений в значительной степени зависит от технологии возведения сооружения и геологических условий вскрышного участка (для гидроотвалов) или применяемого вида обогащения (для хвостохранилищ). Например, грансостав отложений имеет квазифункциональную изменчивость по фронту намыва (у выпусков сосредотачиваются песчаные фракции, а в прудковой зоне - глинистые и коллоидные частицы). Показатели воднофизических свойств, показатели компрессии и сопротивления сдвигу в однородном намывном массиве также имеют функциональную изменчивость по глубине массива.

Следует учитывать, что в намывных массивах изменчивость по фронту намыва меньше и она в основном закономерна, чем вкрест фронта. По глубине массива основное влияние на характер изменчивости оказывает вид укладываемого грунта и интенсивность возведения сооружения.

Изучение закономерностей изменчивости позволяет определять допустимые величины интерполяции и экстраполяции полученных данных.

На базе сформулированных принципов приоритетные направления инженерно-геологических исследований техногенных массивов по степени достоверности результатов можно классифицировать:

- натурные (полевые) исследования техногенных отложений, откосных сооружений и грунтов оснований, позволяющие получить информацию непосредственно в массиве (т sity). К ним относятся определение сопротивлений пенетрации (задавливание конических зондов) и сдвигу (с помощью крыльчатого зонда), порового давления (с помощью датчиков-пьезодина-мометров), уровня де-прессионной кривой (с помощью пьезометров или замеров воды в скважинах), литологического состава (при бурении инженерногеологических скважин, а также по сопротивлению задавливания зонда);

- маркшейдерские наблюдения за уровнем воды в прудке-отстойнике намывных сооружений, осадками техногенных массивов, сдвиговыми деформациями откосных сооружений. Маркшейдерские наблюдения правомерно отнести к натурным исследованиям, но они предназначены не для изучения состояния и свойств техногенных отложений, а для фиксирования процессов, происходящих в них;

- лабораторные испытания грунтов, при которых определяют гранулярный состав техногенных отложений, показатели воднофизических свойств, компрессии, сопротивления сдвигу и т.п.

Все эти направления взаимосвязаны между собой, дополняют одно другое, их результаты влияют на объемы исследований по отдельным группам изысканий, поэтому большое значение имеют достоверность и представительность получаемой информации. Чем обширнее изыскания, чем масштабнее и полновесней исследования, тем меньше вероятность ошибки и расхождения полученных характеристик с характеристиками грунтов в массиве. В то же время большие объемы исследований связаны с высокими трудовыми и экономическими затратами, значительной временной протяженностью работ.

Оценивая опыт исследований техногенных массивов, накопленный МГГУ в течение последних 40 лет (гидроотвалы «Березовый Лог», «Симонова пасека», «Балка Чуфичева» Лебединского и Стойленского ГОКов, «Михайловский» и «Шамаровский Лог» Михайловского ГОКа, «Новобачатский», «Свободный», «Бековский»,

«Прямой Ускат» в Кузбассе, хвостохранилща Вяземского песчаногравийного ГОКа, Лебединского и Михайловского ГОКов, СевГО-Ка в Кривбассе, Ангренского угольного разреза и др.), можно сделать вывод о недостаточности научного обоснования плотности сети инженерно-геологических изысканий, потребной для оптимального изучения каждого объекта.

Достижение идеального сочетания принципов инженерногеологических исследований - задача практически невыполнимая. Например, при исследовании намывного массива гидроотвала «Лог Шамаровский» оборудовали сеть маркшейдерского обеспечения, включающую шесть опорных триангуляционных пунктов. Причем пункты №3, 5 и 6 создали из-за недостаточной топографической основы ложа и поверхности гидроотвала. Для контроля воды в прудке-отстойнике и осадками намывного массива оказалось достаточно наблюдений с пунктов №1, 2 и 4 (то есть не были соблюдены принципы 4 и 5).

Из-за отсутствия достоверных данных о мощности намывных отложений и строении массива (недостаток документации о свойствах разрабатываемых пород, порядке и времени укладки их в гидроотвал) при зондировании массива комбинированным зондом МГГУ пришлось дополнительно измерять мощность намывных отложений и пробурить ряд инженерно-геологических скважин с отбором проб и замерами порового давления, сопротивления задав-ливанию и срезу.

Нахождение оптимального решения, которое учитывало все выше перечисленные принципы - задача актуальная, в силу необходимости минимизации материальных, трудовых и временных затрат, однако, нерешенная до сих пор. В первую очередь требует решения задача минимизации количества скважин, необходимого для получения достоверной информации о намывном массиве.

Первоочередная задача - это определение расположения первых N скважин, так как очевидно, что метод последовательных приближений наиболее приемлем для решения данной технической задачи. Минимизировать натурные исследования можно только за счет увеличения лабораторных, которые требуют значительно меньших временных и финансовых затрат.

Анализ опыта инженерно-геологических изысканий на техногенных массивах позволил нам разработать предложения по опти-

мизации инженерно-геологических изысканий на гидротехнических массивах горных предприятий.

Для оптимального выбора производим забор проб пород из массива, исследуем их гранулярный состав. По полученным результатам производим первичное разбиение отвала на 3 классические зоны: пляжная, промежуточная и прудковая. Для этого производим следующие операции:

1.1. Полученные в результате исследований данные по гранулярному составу пород разбиваем на 6 условных групп.

1.2. Производим обработку экспериментальных данных: путем усреднения трех соседних величин, таким образом, получаем 4 величины. Однако данная операция приводит к частичной потери информации, так как два крайних значения используются только единожды, а вторые от края дважды, когда как все остальные по три раза. Для избежания данной ситуации, добавим слева и справа еще по одной величине, которая будет равна среднеарифметическому между значениями двух крайних величин и соседней.

1.3. Далее производим аппроксимацию, где в роли переменной выступает тип частиц, в роли функции - суммарное процентное содержание частиц наименьшего размера, чем рассматриваемый тип (аналог функции распределения в теории вероятности, которая показывает, с какой вероятностью случайная величина принимает значение не меньшее, чем в данной точке).

В результате получим множество кривых (рис. 1).

Вид апроксимационной кривой:

F (х) = Ae-(’a-,Г + B .

1.4. Находим критическую точку для первой производной рассматриваемой функции на участке [1,6], в которой она принимает наибольшее значение. С помощью полученного значения определяем и значения определенного интеграла на участке [1,6] в какой зоне, предположительно, находится рассматриваемая проба.

1.5. Таким образом, все пробы разделили на три группы. После этого производим интерполяцию раздельно по осям х и у трех точек, при этом 2 точки выбираются из одной группы, а третья из соседней. Получаем некоторую функцию g вида:

Множество апроксимационных кривых, полученных на основе результатов гранулометрического анализа

g = ax2 + bx + c .

1.6. Находим максимум функции на отрезке [1,6], так как критическая точка у анализируемой функции только одна, то фактически находим значение выражения:

Отсюда, получаем множество точек At (х(у{) - которые5 однозначно позиционированы в границах массива.

1.7. по полученным двум подмножествам точек производим аппроксимацию, степень получаемого многочлена зависит от количества полученных точек.

1.8. Таким образом, в первом приближении разбиваем массив на три участка. При этом некоторые пробы могут быть отнесены в соседние участки.

1.9. Из условия максимально равномерного охвата объема пород гидроотвала определяем места для бурения первых N скважин.

2. Полученные данные в результате натурных исследований обрабатываем теми же способами. При этом аппроксимацию проводим по каждому наблюдательному параметру, а полученные в результате две подгруппы кривых усредняем, для получения очередного приближенного положения границ.

3. При неполной определенности границ производим расчеты положения дополнительных скважин, в противном случае уточняем границы с помощью результатов лабораторных испытаний проб пород на гранулярный состав.

В современных условиях при решении технических задач использование математических и статистических методов все чаще становится необходимостью, так как в условиях конкуренции рынка минимизация затрат - наиважнейшая задача, от решения которой зависит успех предприятия. Оптимизация плотности сети гидрогеомониторинга позволит в значительной степени снизить стоимость за счет снижения объемов натурных и лабораторных исследований. втш

M.A. Zaitsev

THE JUSTIFICATION OF THE DENSITY OF NET OF THE HYDRAULIC AND GEOLOGICAL MONITORING OF THE INWASHED ROCK MASSES

The ideas on engineering and geological optimization on the hydraulic rock masses of mining enterprises are developed and proposed.

Key words: technogenic rock masses, slurry dumps, disposal areas, inwash rock masses.

Коротко об авторе _________________________________________

Зайцев М.П. - Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru