Инженерно-геологические исследования негативных последствий техногенных процессов

© В В. Никифоров, 2013

УДК 38.63.53 В.В. Никифоров

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕГАТИВНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ ТЕХНОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Рассмотрен комплекс методов исследования подработанных территорий. Проанализированы результаты буровых работ, данные лабораторных исследований. Дана оценка негативным техногенным процессам. Получена комплексная интегральная оценка последствий техногенных процессов

Ключевые слова: Верхнекамское месторождение калийных и магниевых солей, инженерная геология, сейсморазведка, бурение, физико-механические свойства.

Разработка Верхнекамского месторождения калийно-маг-ниевых солей ведется с 1925 года на территории Пермской края. 90-летний период эксплуатации месторождения обуславливает рост техногенной трансформации геологической среды, и всех ее компонентов: поверхностных и подземных вод, грунтовых массивов и.т.д. Несмотря на использование современных технологий отработки и безопасной эксплуатации нагрузка на недра возрастает, вплоть до возникновения катастрофических последствий. В настоящее время на территории г. Березники, после затопления БКПРУ-1 ведется мониторинг состояния геологической среды. С целью получения качественных и максимально достоверных данных задействованы наиболее эффективные из известных методов, внедряются новые. Сейсморазведка используется в комплексе, представленном в табл. 1.

В связи с особенностями геологического строения Верхнекамского месторождения, а именно - малой глубиной целевого интервала (до 500 м), тонкослоистой структурой и сущест-

венной латеральной изменчивостью физических параметров - оптимальный результат при изучении строения соленосного и надсолевого комплексов дает невзрывная малоглубинная сейсморазведка высокого разрешения МОГТ (НМСВР МОГТ).

Геофизические исследования позволяют не только выявить участки вероятных негативных изменений верхнеиренской соляной толщи, обусловленных как природными, так и техногенными факторами, но и установить пространственные закономерности в их распространении [1].

Так, на подработанной территории г. Березники на основе всей имеющейся геолого-геофизической информации и полученных в 2011-2012 гг. результатов сейсморазведочных работ намечены различные по генезису аномальные участки строения надсо-левой толщи. Для исследования строения массива, физико-механических свойств грунтов, определения гидрогеологических условий, состава подземных вод и заверки полученных сейсморазведочных данных пробурены скважины в выделенных аномальных участках.

Таблица 1

Комплекс методов исследования подработанной территории

Метод Решаемые задачи

НМСВР МОГТ Выделение участков, отличающихся по упругим свойствам от вмещающего массива пород.

Оценка пространственных закономерностей изменения структурно-физических параметров изучаемой толщи

Электроразведка Выделение аномальных участков в массиве грунта

Определение направления потока подземных вод

Георадарные исследования Выделение аномальных участков в массиве грунта

Расчленение разреза

Бурение инженерно-геологических скважин Расчленение геологического разреза, описание

Отбор проб грунта для определения физико-механических свойств

Наблюдение за уровнем подземных вод и отбор проб воды на химический анализ

Наблюдение в процессе бурения за осложнениями, увеличением скорости проходки, провалы бурового инструмента

Заверка материалов малоглубинной сейсморазведки высокого разрешения

Геофизические исследования в скважинах Каротаж, для определения интервалов водопритоков

Кавернометрия, расходометрия

Лабораторные исследования грунтов Определение физико-механических свойств грунтов: влажность, плотность, прочностные показатели и т.д.

Проведение опытно фильтраци онных работ Оборудование скважин для гидрогеологического мониторинга, обсадка, установка фильтра

Откачка подземных вод

Наблюдение за уровнем, подземных вод

Определение химического состава подземных вод

Гидрогеологический мониторинг на длительный период Наблюдение за уровнем, подземных вод

Определение химического состава подземных вод

Определение направления потока подземных вод

Проведено бурение и обустройство 17-ти (от 40 м до 80 м) гидронаблюдательных скважин с полным комплексом гидрогеологических, геофизических и инженерно-геологических исследований. Кроме того пробурены несколько скважин на четвертичные отложения (средней глубиной 10 м). В процессе бурения для комплексного изучения разреза в скважинах выполнялась детальная инженерно-геологическая документация керна, фотодокументация материалов бурения и отбор образцов для исследования физико-механических свойств пород. В процессе проходки проводились наблюдения за технологическими осо-

бенностями бурения: провалами инструмента, увеличениями скорости проходки, а также фиксировался уровень воды в стволе после каждого подьема бурового инструмента.

По результатам работ в скважинах А, Б, В, Л, 3, И выявлены интервалы разуплотненных пород мощностью от 0.1 м до 6 м (скв. Б) представленных: слабым глинистым известняком, сильнотрещиноватым, с субвертикальной и субгоризонтальной ориентировкой трещин. На поверхности трещин отмечаются налеты черных окислов и бурых гидроокислов железа. Трещины выполнены дресвяно-щебнистым глинистым песком, обломочная часть

которого представлена глинистым известняком, в отдельных скважинах

- с гравием зеленого и коричневого кремня, в глинистом или суглинистом песке, либо комковатой глине. В скважинах В и Д при бурении в этих интервалах отмечались ускоренные скорости проходки и провалы бурового инструмента. В скважинах 3, И, О установлены интервалы неустойчивых пород, которые сопровождались вывалом пород из стенок скважин и прихватами бурового инструмента.

В ходе сооружения скважин выполнены суточные и кустовые откачки, где в наблюдениях участвовали до 4-х наблюдательных скважин. Выполненные опытно-фильтрационные работы (ОФР) позволили уточнить фильтрационные параметры и гидрохимический режим водоносного горизонта «пестроцветная толща» (ПЦТ) и «терригенно-карбонатная толща» (ТКТ) на разных участках территории города. После ОФР в скважинах проведены гидрокаротажные геофизические исследования, по результатам которых локализованы водопро-водящие зоны и определен гидрохимический профиль в разрезе скважин.

Лабораторные исследования физико-механических свойств грунтов проводились согласно ГОСТам. Для всех проб определены показатели влажности и плотности, для скальных грунтов

- сопротивление одноосному сжатию в воздушно-сухом и насыщенном водой состояниях, для пылевато-глинистых грунтов - показатели текучести и пластичности и консистенции. Пробы крупнообломочных грунтов анализировались по гранулометрическому составу и определялись классификационные показатели заполнителя. Для глинистых грунтов ненарушенного сложения определены физико-механические харак-

теристики: угол внутреннего трения удельное сцепление и компрессионный модуль деформации. Исходя из определенных характеристик, установлена номенклатура грунтов.

Сравнение графиков изменения вышеперечисленных характеристик с данными каротажа позволяет произвести корреляцию максимумов каверно-метрии с прослойками щебенистого грунта. Кривая природной влажности имеет экстремумы в пылевато-глинистых и щебенистых грунтах. Интервалы водопритоков по данным рас-ходометрии не всегда соответствуют щебенистому грунту, в ряде случаев -скальным известнякам, что может быть обусловлено повышенной трещинова-тостью скального грунта с одной стороны и глинистому заполнителю щебня - с другой. Для глинистых грунтов верхней части разреза в лаборатории определялись не только физические свойства: природная влажность, плотности грунта, классификационные показатели, механические характеристики прочности - угол внутреннего и удельное сцепление и сжимаемость -модуль деформации, полученный по результатам компрессионных испытаний. Компрессионные испытания и сопротивление грунтов сдвигу определялись для монолитов - проб грунта ненарушенного сложения.

Выделение интервалов в скважинах проводилось по методике, сопоставимой с методикой выделения инженерно-геологических элементов. При этом для всех скважин определены мощности пылевато-глинистых грунтов, залегающих сверху

по абсолютной величине не позволяет сравнивать скважины разной глубины. Поэтому введен параметр относительной мощности -выраженное в процентах отношение суммы мощностей скального грунта к общей глубине скважины.

Поскольку прочность толщи во многом определяется сопротивлением одноосному сжатию в водо-Рис. 1. Сумма мощностей суглинка н песка над ТКТ насыщенном с°ст°янии, ТО

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРС

Рис. 2. Мощность обломочного грунта

по результатам лабораторных испытаний определены его средневзвешенные значения:

„ , !Яа  Ы Rcmt = -

ЖЗИКЛМНОПРС

Рис. 3. Мощность глин и суглинков

Т Ы

где Rci — сопротивление одноосному сжатию каждого образца скального грунта мощности Ы ц Rc mt является более обьектив-ным показателем, чем отдельно взятые характеристики прочности.

Полученные результаты представлены в табл. 2 и на рис. 6.

В целом можно сказать, что средний уровень сопротивлений одноосному сжатию увеличивается с 2.8 до 4.3 МПа. Минимумы на кривой соответствуют наиболее проблемным участкам. Это скважина С (2.08 МПа).

Введена балльная оценка этих параметров. При мощности толщи 90-100 % - 10 баллов, далее уменьшение мощности на 10 % соответствует уменьшение на 1 балл.

25

20

15

10

5

0

В г

Рис. 4. Сумма мощностей скального грунта, песчаника и мергеля (м).

ного значения, во влажном состоянии

Максимальное значение Кс т - 7.67, поэтому интервалу 7-8 соответствует 10 баллов, далее уменьшение на 1 МПа соответствует уменьшение на 1 балл.

Минимальное значение относительной мощности отмечено в скважине П. Однако следует учесть, что эта скважина самая неглубокая (45 м) и при дальнейшем исследовании эти значения могут быть повышены.

Наличие нескального грунта в скальном массиве определяет его качественную характеристику. Чем выше прочностные характеристики толщи в целом, тем в меньшей степени она подвергалась процессам разрушения. Наличие нескального грунта характеризовалось его процентным отношением к толще в целом и далее баллами. Принято, что нескальный грунт относительной мощностью менее 10 % не оказывает значимого влияния на прочность толщи в целом. Далее каждое увеличение их мощности на 10% оценивалось в -1 балл. 3нак минус учитывался при подсчете суммы баллов.

Таким образом, для каждой скважины исследованы интегральные характеристики прочностных свойств, которые выражены в виде средневзвешенного значения предела одноосному сжатию в водонасыщенном состоянии скальной толщи.

Таблица 2

№ Наличие Мощность, Предел прочности

СКВ ВОДО- м средневзвешанного

упора, м значения, во влажном

состоянии

А 12 60 3.35

Б 0 60 1.80

В 3.4 58.5 5.00

Г 0 69.7 2.30

Л 2 70 3.50

Е 3 67 3.10

Ж 18 49.6 2.50

3 0 60 1.98

И 4 43 2.90

к 3.8 37.1 3.40

л 1 36.1 1.90

м 5 15 3.60

н 4.3 35.6 1.05

о 19.4 14 1.07

П 1.5 26.5 3.39

Р 4.9 35.9 7.23

с 2.6 35.15 2.28

Таблица 3

При этом в расчетах учтены качественные характеристики скальной толщи: ее неоднородность и замещение на разных глубинах обломочными и пылевато-глинистыми разновидностями с тем или иным содержанием щебня и дресвы. Результаты работы представлены в итоговой таблице, согласно которой можно сделать выводы о состоянии прочности мас-сива

скального грунта. Исходя из суммарной балльной

№№ скважин. Мощность скального грунта, % Оценка, баллы Средневзвешенное значение Ие в водонасы-щенном состоянии Оценка, баллы То же, в % к суммарной мощности скального и нескального грунта Оценка, баллы Сумма баллов Примечание

А 69.9 7 3.3 4 16.2 -1 10

Б 66.9 7 1.8 2 32.9 -3 6

В 70.0 10 2 3 8.5 0 13

Г 37.3 4 2.3 3 62.8 -6 1 Потенциально опасный участок

Л 83.6 9 3.5 4 16 -1 12

Е 59.7 6 3.1 4 37.9 -3 7

Ж 51.4 6 2.5 3 34.6 -3 6

3 44.9 5 2 3 55.1 -5 3 Потенциально опасный участок

И 54.9 6 2.9 3 40.1 -4 5

к 41.3 5 3.4 4 35.0 -3 6

л 71.2 8 1.9 2 25.6 -2 8

м 42.8 5 3.6 4 55.9 -5 4

н 34.3 4 1.05 2 61.5 -6 0 Потенциально опасные участок

о 32.1 4 1.07 2 38.6 -3 3

П 58.9 6 3.39 4 36.1 -3 7

Р 51.28 6 7.23 8 27.6 -2 12

с 50 5 2.28 3 54.6 -5 3 Потенциально опасный участок

оценки, можно сделать вывод о том, что в пределах исследуемой территории находится наиболее потенциально опасный участок скважина С и скважина П) отмечен средними значениями баллов-7, а скважина №Р - высокими значениями до 12 баллов, что соответствует хорошему, по нашим исследо-

ваниям, состоянию терригенно-кар-бонатной толщи. 3начения суммы баллов для скважин А-О колеблются в тех же пределах, что и для скважин П-Р, достигая своего максимума в 13-14 баллов. Потенциально опасные участки характеризуются значениями 0-3 балла.

Сейсмическая безопасность при взрывных работах

В.К. Совмен, Б.Н. Кутузов, А.Л. Марьясов, Б.В. Эквист, A.B. Токаренко 2012 г. 228 с.

ISBN: 978-5-98672-306-8 UDK: 622.2:614.83

Рассмотрены физика процесса возникновения и распространения сейсмических волн, теория колебательных процессов применительно к этой области науки. Приведены методы расчета устойчивости бортов карьеров, сохранности подземных выработок, инженерных конструкций, а также работоспособности электронной техники, находящейся в зоне производства взрывных работ. Проанализировано сейсмическое воздействие короткоза-медленного взрывания на окружающую инфраструктуру горного предприятия с использованием различных систем инициирования. Представлены результаты экспериментальных исследований и даны методики конкретных измерений с корректировкой параметров буровзрывных работ.

В.К. Совмен — канд. техн. наук, президент ЗАО «Полюс»; Б.Н. Кутузов — д-р техн. наук, профессор кафедры «Взрывное дело» (ФГБОУ В ПО «Московский государственный горный университет»); А.Л. Марьясов — главный инженер ЗАО «Полюс»; Б.В. Эквист — д-р техн. наук, доцент кафедры «Взрывное дело» (ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»); А.В. Токаренко — директор карьера ЗАО «Полюс».

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Горное дело» направления подготовки «Горное дело». Может быть использовано научными работниками и производственниками в качестве инженерного руководства для оценки сейсмобезопасности взрывных работ.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Санфиров И.А. Рудничные задачи сейсморазведки МОГТ. Екатеринбург: УрО РАН, 1996 г. - 167 с. S3S

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Никифоров Вячеслав Вячеславович — инженер отдела активной сейсмоакустики, Горный институт УрО РАН, Nikiforss@mail.ru

ГОРНАЯ КНИГА -