close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: ЧЕСКИДОВ Василий Владимирович Шифр научной специальности: 25.00.16 - горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр Шифр диссертационного совета: Д 212.128.04 Название организации:
На правах рукописи
ЧЕСКИДОВ ВАСИЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОГЕННЫХ
МАССИВОВ
Специальность 25.00.16 – «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный
университет» на кафедре «Геология»
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор КИРИЧЕНКО Юрий Васильевич,
профессор кафедры «Геология» ФГБОУ ВПО «Московский государственный
горный университет»
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Шпаков Петр Сергеевич, профессор
кафедры «Техногенная безопасность» Муромского института (филиал)
ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет
им. А.Г. и Н.Г. Столетовых»;
кандидат технических наук, доцент Абрамян Георгий Оникович, доцент
кафедры «Маркшейдерское дело и геодезия» ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»
Ведущая организация
ОАО ВИОГЕМ – «Всероссийский научно-исследовательский институт по
осушению месторождений полезных ископаемых, защите инженерных сооружений от обводнения, специальным горным работам, геомеханике, геофизике,
гидротехнике, геологии и маркшейдерскому делу» (г. Белгород)
Защита диссертации состоится 28 июня 2012 г. в ____ час.
на заседании диссертационного совета Д-212.128.04
при Московском государственном горном университете (МГГУ) по адресу:
119991, Москва, Ленинский проспект, 6.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Московского государственного горного университета
Автореферат разослан: 28 мая 2012 г.
И.о. ученого секретаря
диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор
В.А.ЕРМОЛОВ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. На современном этапе научно-технического развития все стадии жизненного цикла хозяйственного объекта (планирование,
проектирование, строительство, эксплуатация и консервация) обусловлены
необходимостью проведения инженерно-геологических изысканий (ИГИ) для
безопасного ведения работ и принятия оптимальных управленческих решений.
При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом
исследования массивов естественного и техногенного происхождения играют
одну из важнейших ролей при формировании отвальных насыпей, возведении и
эксплуатации намывных горнотехнических сооружений. От характеристик
вскрываемых пород зависят направление развития и календарный план работ,
при этом особое значение имеют качество и объем получаемой инженерногеологической информации. Необходимо отметить, что наибольшие трудности
возникают при исследовании массивов, обладающих высокой пространственной и временной изменчивостью, в первую очередь это отложения гидроотвалов и хвостохранилищ.
Степень достоверности данных о состоянии и свойствах намывных техногенных массивов и грунтов основания их откосных сооружений и ложа во многом определяется системой точек проведения исследований. Многолетний опыт
осуществления инженерно-геологических изысканий ВНИМИ, ВИОГЕМ,
ВСЕГИНГЕО, кафедры геологии МГИ-МГГУ, НИИКМА и др. организаций
показывает, что около 30% пройденных скважин и шурфов не дают дополнительных данных о свойствах и состоянии пород, что говорит о несовершенстве
используемых методов проектирования сетей опробования и определения
плотности выработок. Это в конечном итоге повышает стоимость и время проведения комплекса полевых и лабораторных исследований, обработки их результатов для районирования техногенных намывных массивов с целью принятия оперативного управленческого решения по выбору дальнейшего направления их использования. Поэтому решение проблемы разработки методов построения сетей исследования техногенных массивов с целью прогнозирования горно-геологических процессов, а также управление ими является актуальной
научной задачей.
Объектами исследования являются действующие и законсервированные
намывные техногенные массивы горнодобывающих предприятий, а также по1
кровные отложения, обладающие пространственной и временной изменчивостью физико-механических свойств.
Цель исследований заключается в разработке метода проектирования инженерно-геологических сетей с оптимальными параметрами при проведении
изысканий на техногенных массивах для выбора направления их дальнейшего
использования.
Идея работы заключается в создании метода проектирования сетей инженерно-геологического опробования, позволяющего определить их оптимальную геометрию и плотность в зависимости от природных и техногенных факторов и обеспечить получение достоверной информации для управления состоянием техногенного массива.
Задачи исследования:
• анализ состояния, методов и задач инженерно-геологических и гидрогеологических (гидрогеомеханических) изысканий на горнодобывающих
предприятиях;
• разработка способа определения обобщенной функции изменчивости
свойств техногенных отложений в заданном направлении и времени;
• создание метода проектирования сетей инженерно-геологических выработок, учитывающего способ формирования техногенного массива, его тип и
задачи районирования;
• сравнение существующих и рассчитанных по предлагаемому методу параметров сетей опробования гидроотвалов «Лог Шамаровский» (КМА) и
«Бековский» (Кузбасс) по материалам ранее проведенных инженерногеологических изысканий для определения возможности применения метода проектирования системы точек опробования на других объектах;
• проектирование системы инженерно-геологического опробования на гидроотвале №3 Кедровского разреза с целью определения физикомеханических свойств его отложений для обеспечения безопасного ведения работ по переформированию массива;
• разработка сети опробования основания головной и ограждающих дамб
хвостохранилища Стойленского ГОКа (СГОК) для повышения достоверности определения коэффициента запаса устойчивости при контроле состояния откосных сооружений;
2
• анализ перспектив и направлений использования разработанного метода в
других областях народного хозяйства.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. При проектировании геометрии сети инженерно-геологического опробования техногенных массивов с целью определения физико-механических
свойств отложений для различных типов горнотехнических намывных сооружений наряду с формой их ложа и технологией формирования необходимо учитывать пространственную изменчивость комплекса изучаемых
характеристик.
2. Обобщенная функция изменчивости свойств техногенных намывных отложений, являющаяся нормированной суммой набора характеристик совместно с использованием кластерного анализа, позволяет обеспечить минимальную плотность сети изысканий, необходимую для получения достоверной инженерно-геологической информации о состоянии исследуемого массива.
3. Для выбора дальнейшего направления использования намывных техногенных массивов и безопасного ведения горных работ целесообразно использование разработанного метода проектирования сетей опробования,
позволяющего снизить временные и финансовые затраты за счет сокращения объемов изысканий при проведении инженерно-геологического районирования гидроотвалов без потери достоверности полученной информации.
Научная новизна исследований:
• обоснован метод позиционирования ключевых, дополнительных и поверочных профилей в сетях инженерно-геологического опробования в зависимости от формы ложа, типа и способа формирования намывного сооружения с использованием принципов равного охвата всей толщи отложений;
• разработан способ оценки пространственной изменчивости инженерногеологических свойств отложений техногенных намывных массивов и пород их ложа с помощью полученной обобщенной функции, являющейся
нормированной суммой заданного набора характеристик, который обеспечивает достаточную плотность выработок в сети опробования;
3
• создан метод проектирования систем точек получения информации при
исследовании гидроотвалов с целью их районирования для выбора дальнейшего направления их использования;
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов исследований подтверждаются:
• анализом фондовых материалов, научно-технической литературы и проектной документации, законодательных и нормативных документов;
• представительным объемом данных опробования намывных массивов Кузбасса (гидроотвалы «Бековский» Бачатского угольного разреза, №3 Кедровского разреза) и КМА (гидроотвал «Лог Шамаровский» Михайловского
ГОКа), а также материалами изысканий основания дамбы защиты отвалов
и головной плотины хвостохранилища Стойленского ГОКа (СГОК);
• применением методов теории фильтрационной консолидации, предельного
напряженного состояния, кластерного анализа и статистической обработки
инженерно-геологической информации и удовлетворительной сходимостью расчетных и фактических данных (расхождение не более 5%);
• положительной апробацией результатов диссертационных исследований
при проектировании сетей опробования при инженерно-геологических
изысканиях гидроотвала №3 Кедровского разреза и слабого глинистого
слоя в основании объектов хвостового хозяйства Стойленского ГОКа, а
также при проведении районирования участка Карагай-Покровского месторождения строительного камня, эксплуатируемого ООО «Оренбургская
горная компания».
Научное значение исследований заключается в разработке метода проектирования инженерно-геологических сетей опробования, обладающих оптимальными параметрами, с использованием приемов кластерного анализа для
получения полной и достоверной информации о свойствах отложений массивов
пород техногенного и естественного сложения.
Практическое значение работы заключается в проектировании сетей
опробования при исследовании техногенных отложений гидроотвала № 3 Кедровского разреза, основания головной плотины хвостохранилища Стойленского
ГОКа и участка Карагай-Покровского месторождения строительного камня.
Полученные инженерно-геологические данные позволили в первом случае провести обоснование мероприятий по переформированию намывного массива и
4
обеспечить доступ к 50 млн.т угля, во втором – повысить достоверность определения коэффициента запаса устойчивости откосного сооружения, в третьем –
благодаря проведенному районированию обеспечить в первом квартале 2012 г.
повышение выхода товарного облицовочного камня в среднем на 11%.
Для достижения поставленной цели в работе использован традиционный
комплекс методов, включающий:
• анализ и обобщение опыта проведения инженерно-геологических исследований, способов прогноза пространственно-временной изменчивости массива пород и проектирования сетей инженерно-геологического опробования;
• системно-структурный анализ строения гидроотвалов и хвостохранилищ
на основе физико-механических законов фракционирования грунтов;
• математические методы обработки, преобразования, интерпретации инженерно-геологической информации о свойствах намывных отложений и моделирования состояния массива горных пород;
• методы математической статистики и кластерного анализа при обработке
экспериментальных данных;
• использование основ теории фильтрационной консолидации и предельного
напряженного состояния.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Метод проектирования сетей опробования использовался при инженерно-геологических исследованиях:
на хвостохранилище ОАО «Стойленский ГОК» с целью определения физикомеханических свойств пород основания головной и ограждающих дамб для повышения достоверности определения коэффициента запаса устойчивости откосного сооружения, что позволило сократить в период с июля 2011 г. по апрель 2012 г. объемы буровых работ на 72 п.м; на гидроотвале №3 Кедровского
разреза для уточнения свойств намывных суглинков с целью обоснования мероприятий по переформированию намывного массива и обеспечить доступ к 50
млн.т угля, залегающих под телом техногенного массива; на участке КарагайПокровского месторождения строительного камня, эксплуатируемого ООО
«Оренбургская горная компания», что позволило в первом квартале 2012 г. повысить выход товарного облицовочного камня в среднем на 11%.
Результаты исследований используются при подготовке студентов МГГУ
по специальности «Горное дело».
5
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (МГГУ, Москва, 2006
– 2012 гг.), V съезде гидромеханизаторов России (МГГУ, Москва, 2009 г.), конференциях «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (ИПКОН
РАН, Москва, 2009 – 2011 гг.), Международных научно-практических конференциях «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (ВВЦ, Москва, 2008 – 2011 гг.), на научных семинарах
факультетов АИ, РРМ и кафедры геологии МГГУ (2006 – 2012 гг.), IV Международной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах» (Белгород, 2010 г.). Результаты работы были отмечены на конкурсах и выставках: Премия Минприроды России «Лучший экологический проект года» (МПР, Москва, 2008 г.),
двумя золотыми медалями Всероссийского конкурса научно-технического
творчества молодежи (ВВЦ, Москва, 2008 и 2011 гг.), грант Правительства РФ
на развитие талантливой молодежи (2010 г.) и т.д.
Публикации по теме диссертации. Основное содержание работы отражено в 8 публикациях в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения и 3 приложений, содержит 65 рисунков, 32 таблицы, список
использованной литературы, включающий 138 наименований.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю проф.
Ю.В. Кириченко, проф. А.М. Гальперину, доц. М.В. Щекиной и коллективу кафедры геологии МГГУ за постоянное внимание к работе и поддержку.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе представлен анализ современного состояния вопроса инженерно-геологических изысканий на предприятиях горнодобывающей отрасли
и в строительстве, рассмотрены их состав, организация и проведение при исследовании отложений техногенных массивов и оснований откосных сооружений, отображены стадии, основные принципы и способы построения сетей
опробования. Определены задачи исследований на техногенных массивах для
управления их состоянием и выбора дальнейшего направления использования.
Необходимо отметить, что вопросы организации и проведения инженерногеологических изысканий рассмотрены в работах К.Терцаги, М.П. Семенова,
Н.Н. Биндемана, М.М. Гришина, П.Н. Панюкова, М.А. Солодухина, Л.Д. Бело6
го, И.В. Попова, Н.В. Коломенского, Ю.М. и М.Ю. Абелевых, В.Д. Ломтадзе,
С.П. Абрамова, В.А. Мироненко, В.М. Шестакова, А.М. Гальперина, В.В. Ершова, Г.А. Голодковской, В.Н. Попова, Г.К. Бондарика, Т.А. Грязнова,
В.И. Ферронского, Л.А. Ярг, Б.К, Лапочкина, П.С. Шпакова, Ю.В. Кириченко,
Ю.И. и Н.А. Кутеповых, Г.О. Абрамяна, В.С. Круподерова, В.В. Мосейкина,
В.А. Ермолова и др.
На формирование методов, используемых при инженерно-геологических
исследованиях, оказали большое влияние основные положения механики грунтов, теорий фильтрации и консолидации, а также физики сплошных сред. В
данных областях науки необходимо отметить труды следующих авторов:
К. Кулона, Ж. Буссинеска, Н.А. Цытовича, В.А. Флорина, Н.М. Герсеванова,
Н.Н. Маслова, И.П. Иванова, Д.В. Тейлора, Л.С. Амаряна, Ю.К. Зарецкого,
А.М. Гальперина, Р. Пека и др.
В последнее двадцатилетие выполнен большой объем исследований
намывных толщ техногенных отложений в связи с актуализацией проблемы
выбора способа освоения территорий и слагающего материала гидроотвалов и
хвостохранилищ. Такого рода изыскания проводили ВНИМИ, ВИОГЕМ,
ВСЕГИНГЕО, МГИ-МГГУ, НФ «Кузбасс-НИИОГР», Проектно-строительная
Ассоциация «Спецфундаментстрой» ООО «Геотехника», ООО НПФ «Карбон»
и др. организации. Их опыт показывает, что, несмотря на большие достижения
в области развития методов и технических средств проведения исследований,
вопросы обоснования расположения и плотности точек опробования на сегодняшний день являются малоизученными. При районировании техногенных
массивов возникает значительная избыточность сети, которая приводит к увеличению стоимости и длительности инженерно-геологических работ.
Во второй главе рассмотрены закономерности пространственной и временной изменчивости свойств техногенных и естественных глинистых отложений и их использование при проектировании сетей опробования гидроотвалов и
хвостохранилищ. Моделирование полей инженерно-геологических характеристик техногенных намывных массивов способствует повышению качества получаемой информации при проведении изысканий, а также снижению плотности сети опробования при определении свойств отложений и прогнозировании
изменения их состояния.
При инженерно-геологическом районировании территорий гидроотвалов и
хвостохранилищ основной задачей является определение численных оценок
7
неоднородности характеристик по заданному профилю. Как показывает проведенный анализ, максимальные значения изменчивость свойств техногенных отложений принимает вкрест фронту намыва; данное направление ξх выбирается
как основное при исследовании гидроотвалов и хвостохранилищ, два других
выбираются перпендикулярно первому: ξy вдоль фронта намыва и ξz по глубине.
Проектирование геометрии системы точек опробования в разработанной
методике основано на способе проведения исследований на ключевых участках.
Под ними понимаются направления с наибольшей изменчивостью свойств отложений. В соответствии с факторами и закономерностями, определяющими
распределение инженерно-геологических параметров в пространстве для
намывных массивов овражно-балочного типа (наиболее распространенный вид
– составляет около 90% от общего числа гидроотвалов и хвостохранилищ), были выделены ключевые профили опробования (рис.1). Они совпадают с линией
тальвега, где мощность отложений и время фильтрации максимальны, что обусловливает экстремальные значения инженерно-геологических показателей для
рассматриваемого сечения по направлению ξу.
Рис.1. Расположение ключевых профилей опробования отложений техногенных
массивов овражно-балочного типа: 1 – дамба обвалования, 2 – граница прудкаотстойника, 3 – граница гидроотвала, 4 – горизонтали ложа, 5 – ключевые профили опробования, 6 – граница подсистем сети опробования; ξx, ξу, ξz – основные направления изменчивости, I-I, II-II – линии разрезов.
8
При расчлененном рельефе основания намывного техногенного массива
дополнительно позиционируются ключевые профили по всем тальвегам отрогов балки (оврага). При этом система точек опробования разделяется на n подсистем, в дальнейшем в каждой из них проводится независимое обоснование
достаточной плотности выработок различного типа (шурфы, зондировочные
скважины). Деление гидроотвалов на части проводится в соответствии с топографией ложа массива.
Положение дополнительных профилей определяется в соответствии с
принципом равной достоверности и полноты получения информации, что достигается из условия равного охвата створами всей толщи намывных отложений (рис.2). С этой целью строится ряд разрезов (их количество зависит от
сложности рельефа ложа), вкрест пересекающих ключевой профиль. Положение дополнительных створов в плоскости ξуξz определяется из соотношения,
отображенного на рис.2; по полученным точкам строятся линии опробования
на поверхности ξхξу.
Рис.2. Разрезы намывной толщи и основания гидроотвала овражнобалочного типа по линиям: а) I-I; б) II-II; 1 – основание массива, 2 – техногенные отложения, 3 – ключевой профиль, 4 – дополнительные профили, S1 и S2 – площади, ограниченные соответствующими линиями.
При проведении районирования техногенного массива положение вспомогательных (поверочных) профилей опробования определяется после проведения изыскания по ключевым и дополнительным створам на основе выявленных
граничных значений исследуемых свойств отложений. В плоскости ξхξу они лежат вкрест главному направлению изменчивости. Их целевое назначение –
9
уточнение границ выделенных инженерно-геологических зон при проведении
районирования. Таким образом, геометрия сети инженерно-геологических
изысканий на намывных массивах представляет собой систему профилей, отображающих главные направления изменчивости свойств техногенных отложений. Интервалы опробования по осям ξх и ξу определяются на основе моделирования пространственного распределения исследуемых характеристик.
Расчет плотности (густоты) точек опробования в профилях осуществляется
в несколько этапов, первый из которых заключается в сборе информации
предыдущих исследований. При ее отсутствии положение выработок первой
очереди определяется на основе рекогносцировки местности и геодезической
съемки.
Так как вблизи выпусков пульпы образуется пляж, длина и уклон которого
зависят от укладываемого материала, то данный участок не представляет большого интереса для исследований: здесь формируется достаточно однородная
толща, сложенная наиболее крупными песчаными и гравийными фракциями и
обладающая высокими фильтрационными свойствами. С другой стороны в
прудковой зоне формируются отложения с высокой степенью временной изменчивостью, в пространственном отношении имеющие, однако, практически
одинаковые свойства, обусловленные низкой фильтрационной способностью,
так как большинство частиц имеют размер менее 0,005 мм и чешуйчатую форму. В этой зоне отложения имеют чрезвычайно низкую несущую способность
(вблизи прудка-отстойника менее 0,2-0,3 кг/см2), что позволяет проводить инженерно-геологические работы только в зимнее время со льда. При позиционировании первой очереди скважин необходимо установить общие закономерности пространственной изменчивости инженерно-геологических свойств отложений.
Вышеописанные факторы позволяют провести позиционирование первой
очереди выработок по ключевому профилю. При проведении районирования
гидроотвалов овражно-балочного типа первая выработка проходится на расстоянии 30-70 м от бровки пляжа, вторая определяет отрезок моделирования
свойств массива, поэтому ее позиция определяется задачами изысканий – как
правило, ее располагают на максимально возможном удалении от фронта
намыва. Остальные выработки, от одной до трех (количество зависит от разме-
10
ров намывного массива), располагаются с равным интервалом между первыми
двумя точками опробования.
При наличии данных изысканий прошлых лет на всех этапах, начиная со
второго, сгущение сети производится на основе рассчитываемой обобщенной
функции изменчивости. При проведении районирования по комплексу параметров и с учетом форм их распределения в направлении ξх необходимо ввести
скалярную функцию векторного аргумента, которая является суперпозицией
всех свойств:
κ = F(φ(q1), φ(q2), … , φ(qn)),
(2)
где κ – обобщенная функция изменчивости;
φ(qi) – закономерность изменения в пространстве параметра qi.
Числовые значения экспериментальных данных, получаемых при инженерно-геологических исследованиях, всегда зависят от принятого начала отсчета каждого параметра и от шкалы, в которой это свойство измеряется. При
сравнении объектов по группе параметров необходимо представлять информацию в некотором стандартном виде, сопоставимом для всего набора данных.
Как показывает проведенный анализ, для экспериментальных данных, имеющих экспоненциальное или степенное распределение в заданном направлении
(оно свойственно подавляющему большинству инженерно-геологических характеристик намывного массива), наиболее приемлемым для нормирования и
центрирования шкал измерений является выражение:
−
=
,(3)
где n – число измерений;
– значение j-й –характеристики в i-й– точке.
В общем случае изменчивость свойств пород является векторной величиной, направление которой отражает возрастание – убывание параметра. В рассматриваемом случае при позиционировании выработок главенствующую роль
играет только ее модуль. Введем функцию ψ, которая отражает эту величину:
=
+
−
11
,
= 0.(4)
Обобщенную функцию изменчивости свойств намывных техногенных отложений представим в аддитивной форме:
( , ) =
"
,
( ) =
( , )
!
.(5)
Полученная функция монотонно возрастает и показывает степень отличия в
долях единицы свойств намывных отложений в точке «x» относительно начала
отсчета. Она определяется для ключевого профиля после первого этапа позиционирования выработок и уточняется после всех этапов сгущения.
В процессе проведения инженерно-геологических исследований основой
для моделирования являются результаты опробования. В общем случае получаем матрицу наблюдений, строки которой соответствуют пробам, а столбцы содержат показатели, полученные в точке опробования. Таким образом, формально при проведении районирования поиск оптимального решения сводится к
определению разбиения объектов (строк матрицы) на группы с учетом внутренних и внешних факторов, этот процесс предлагается выполнять на основе
кластерного анализа в несколько этапов (рис. 3).
Рис. 3. Схема обработки исходных данных
При поиске статистического расстояния, когда невозможно точно определить степень связности между наблюдаемыми параметрами и выделить конкретные характеристики объектов и необходимо сравнивать их как единое целое, наиболее перспективным выглядит использования метрик Евклида, на основе которых строится матрица различий (статистического расстояния) D, ее
элементы определяются следующим образом:
12
d =$
(
−
) . (6)
При проведении районирования техногенных массивов рекомендуется использование иерархических агломеративных методов – это группа способов,
характеризующаяся последовательным объединением исходных элементов и
соответствующим уменьшением числа кластеров. В данной ситуации отдельные точки опробования являются кластеризуемыми объектами, а выделенные
группы соответствуют участкам (зонам) гидроотвалов или хвостохранилищ.
Центры кластеров на каждой итерации определяются как среднее значение в
группе по каждой исследуемой характеристике.
Критерием качества выделенных границ выступает величина µ, полученная как усредненная сумма смещения центров кластеров по каждому наблюдаемому параметру:
пред
где n – количество параметров;
тек
& =
2
(
тек
тек
−
+
пред
пред
(
∙ 100%, (7)
и предыдущем шагах соответственно.
На втором и последующих этапах сгущения инженерно-геологической сети выработки на всех видах профилей позиционируются в соответствии с условиями:
,
– среднее значение i-того параметра в j-м кластере на текущем
• дополнительные точки опробования располагаются в группах, у которых
параметр µ превышает предельное значение, а также в кластерах, которые
потеряли или приобрели точки на текущей итерации из других групп;
• на одном этапе сгущения между двумя выработками может быть позиционирована только одна точка опробования, для которой обобщенная функция изменчивости свойств принимает следующее значение:
+
=
,(8)
доп
2
где и – значения обобщенной функции изменчивости для двух выработок,
между которыми позиционируется точка;
13
• расстояния между пунктами проведения исследований по оси параметра
должны быть максимально приближены к среднему значению, т.е.:
∆ и∆
1
∙
3−1
5
(∆
−∆
ср )
= min,(9)
где: N – количество выработок в профиле,
ср
– i-й и средний шаг опробования соответственно.
На основе анализа проведения ИГИ на гидроотвалах шаг опробования по
глубине (направление ξz) целесообразно выбирать, опираясь на соотношение
C !
намыва
∆;< = =ср
=
,(10)
D
где Hmax – максимальная мощность намытого материала;
T – период эксплуатации массива;
намыва
– средняя скорость намыва.
=ср
Предельное значение µ, которое определяет остановку сгущения сети, выбирается на основе погрешности используемых измерительных средств, а также
необходимой точности для решения конкретной инженерной задачи. При исследовании гидроотвалов с целью повышения их вместимости, рекультивации,
использования в качестве основания «сухих» отвалов и др., значение критерия
выбирается равным 5%. Данная точность достаточна для расчетов несущей
способности отложений, а также для прогнозирования и управления состоянием массива.
В третьей главе рассмотрены примеры апробации разработанного способа проектирования сетей инженерно-геологических исследований, а также основные методы и технические средства проведения изысканий толщ глинистых
водонасыщенных пород, которые позволяют получить достоверные данные в
условиях проводимых исследований. Все способы и измерительные устройства
соответствуют требованиям действующих стандартов и правил.
На основе анализа существующих материалов исследований гидроотвалов
КМА и Кузбасса была установлена применимость разработанного метода. В
существующих профилях опробования гидроотвалов «Лог Шамаровский» и
«Бековский» определена достаточная плотность выработок, которая обеспечивает получение достоверной информации о состоянии и свойствах техногенных
отложений для проведения районирования намывного массива. Данные иссле14
дования позволяют сделать вывод о качестве разработанного способа сгущения
точек опробования и его применимости при разработке систем пунктов опробования на других объектах.
Гидроотвал «Лог Шамаровский» Михайловского ГОКа эксплуатировался с
1977 по 1993 гг., занимает площадь 250 га, вмещает 21,0 млн.м3 суглинистых
пород; мощность намывных отложений достигает 28 м. Сотрудниками кафедры
геологии МГГУ в период с 1995 по 1999 гг. проводились исследования данного
техногенного массива с целью обоснования направления его дальнейшего использования. Было пройдено 44 скважины (всего более 420 погонных метров) и
18 шурфов с геодезической привязкой, отобрано около 50 проб для лабораторных исследований грунтов, также была произведена топографическая съемка
территории. Расположение выработок определялось преимущественно интуитивным способом и методом аналогов.
Спроектированная на основе разработанного метода система точек опробования содержит 38 элементов в восьми профилях, которые обеспечивают достаточный объем информации об объекте, количество выработок сокращено на
13,5% (рис.4). В ходе проведенных исследований было выявлено, что пляжнопромежуточный участок, выделенный по материалам прошлого районирования,
входит в пляжную зону. Граница между этими частями гидроотвала статистически неразличима, вследствие мало отличающихся свойств их отложений. Выявленные усредненные значения характеристик (грансостав, естественная
плотность, влажность, начальный коэффициент пористости, угол внутреннего
трения, сцепление и степень уплотнения) по выделенным инженерногеологическим зонам отличаются на 1,27– 4,76% (менее 5%) от ранее полученных результатов. Среднее расстояние между выработками составило 82м,
123,8м и 185,7м соответственно в пляжной, промежуточной и прудковой зонах.
В 70 - 80-х гг. прошлого столетия гидроотвал «Бековский», расположенный в пределах Бачатского каменноугольного месторождения, также являлся
объектом исследований кафедры геологии МГИ - МГГУ, целью которых было
районирование массива для обоснования параметров наращиваемой дамбы. С
использованием разработанного метода была определена оптимальная плотность сети опробования для этого техногенного массива, полученная система
пунктов определения инженерно-геологических данных о состоянии гидроотвала содержит 23 элемента в 5 профилях, то есть количество выработок
15
16
Рис. 4. Результаты специального инженерно-геологического районирования гидроотвала «Лог Шамаровский» с использованием разработанного метода проектирования инженерно-геологической сети: 1 - упорная призма; 2 - вспомогательные
дамбы обвалования; 3 - границы заполнения гидроотвала; 4 - водоотводная канава; 5 - промоина; 6 и 7 – границы инженерно-геологических
зон, полученные разработанным и традиционными способами соответственно, 8 – положение рассчитанных недостающих профилей; 1,2,3 (в
обводке) – пляжная, промежуточная и прудковая зоны соответственно
Рис.5. Результаты инженерногеологического районирования гидроотвала «Бековский» с использованием разработанного метода проектирования
инженерно-геологической сети опробования: 1 – граница
заполнения гидроотвала; 2 – упорная призма;
3 – изолинии мощностей намывных масс;
4 – точки опробования ИГ сети; 5 – линии
профилей опробования; 6 – горизонтали основания гидроотвала; 7 – горизонтали местности; 8 – границы ИГ участков.
сокращено на 14,8% (рис. 5). Среднее расстояние между выработками составило 59м, 134,2м и 106,7м соответственно в пляжной, промежуточной и прудковой зонах.
В четвертой главе описаны примеры применения разработанного метода
при проведении инженерно-геологических изысканий отложений гидроотвала
№3 Кедровского разреза и основания головной плотины ОАО «Стойленский
ГОК». Также рассмотрены возможности применения разработанного способа
позиционирования точек получения инженерно-геологической информации при
проектировании систем и технических средств мониторинга на объектах горнодобывающей промышленности и других отраслей народного хозяйства.
В марте 2011 г. сотрудниками кафедры геологии МГГУ с участием автора
были проведены исследования отложений гидроотвала №3 Кедровского разреза
для уточнения их физико-механических свойств. За время эксплуатации с 1958
по 1990 гг. в данный техногенный массив было намыто 47,81 млн.м3 вскрышных пород и максимальная мощность намывных отложений составляла 53 м. На
момент завершения намыва гидроотвал представлял собой сооружение II класса ответственности овражно-балочного типа с односторонним обвалованием.
На основе материалов, полученных Проектно-строительной ассоциацией
«Спецфундаментстрой» ООО «Геотехника», Новационной фирмой «Кузбасс17
НИИОГР», ООО НПФ «Карбон» при исследованиях массива в прошлые годы,
получена обобщенная функция изменчивости свойств массива. С ее помощью в
соответствии с основной целью проведения изысканий и разработанным методом позиционирования точек спроектирована сеть опробования, включающая
шесть выработок (скважин): в четырех скважинах предусматривалось проведение комплексного зондирования комбинированным трехпараметрическим зондом МГГУ-ДИГЭС с определением сопротивления вращательному срезу (τк),
общего порового давления (Pw) и сопротивления пенетрации (q3) (рис.6). В двух
других точках были пройдены две инженерно-геологические скважины с отбором образцов для лабораторных испытаний.
Рис.6. План гидроотвала № 3 с указанием точек зондирования и отбора проб
На основе материалов, полученных в точках спроектированной системы
опробования, были выполнены следующие основные работы:
18
•
обратные и прогнозные расчеты уплотнения и несущей способности
намывного массива для точек зондирования;
•
испытания намывных отложений в приборах трехосного сжатия (стабилометрах УСВ-2) по ГОСТ 12248-96;
•
выполнены расчеты остаточных осадок и несущей способности намывного
массива;
•
произведена закладка 6 датчиков порового давления для развития системы
дистанционного контроля состояния намывного массива при его отработке
с целью вскрытия запасов угля под гидроотвалом № 3;
•
установлена низкая несущая способность отложений на участках зондирования (Рдоп≤1,0 кг/см2).
Комплекс проведенных полевых и лабораторных испытаний продемонстрировал хорошую сходимость параметров сопротивления сдвигу (вращательному срезу) и результатов неконсолидированно-недренированных испытаний в
стабилометре. Значения угла внутреннего трения ϕ и сцепления С глинистых
намывных
отложений
варьируются
в
следующих
пределах:
ϕ=8о–9о;
С=0,09–0,14 кг/см2. Степень уплотнения намывного массива на период зондирования (март 2011 г.) при мощности техногенных отложений от 14 до 36 м изменялась в пределах U=0,37–0,79.
В июле 2011 г. по разработанному методу был осуществлен первый этап
исследований свойств пород основания головной плотины и дамбы защиты отвалов хвостохранилища СГОК. Его цель заключалась в обеспечении промышленной и экологической безопасности объектов хвостового хозяйства на основе
оперативного получения и анализа информации об устойчивости откосных сооружений, уплотняемости и несущей способности слабого основания.
В качестве базовой информации использовались материалы, полученные в
процессе изысканий в июне-июле 2007 г., когда для определения механических
свойств пород основания головной дамбы хвостохранилища СГОК применялся
метод пенетрационного каротажа.
Сеть опробования исследований 2011 г. была спроектирована на основе
данных о свойствах пород основания, представленных суглинками и иловатыми
глинами, залегающих на уровне 7–13 м от поверхности. Эти отложения представляют наибольший интерес для исследования, так как их состояние и характеристики значительно влияют на устойчивость сооружения.
19
Как показывает анализ многолетнего мониторинга состояния головной
дамбы, наименьший коэффициент запаса устойчивости наблюдается по створу
«3» и колеблется в незначительных пределах около величины η = 1,42 (по
остальным профилям он составляет 1,6–1,7) в зависимости от режимов намыва.
В связи с этим было принято решение о необходимости проведения дополнительных инженерно-геологических изысканий основания плотины в ее нижней
части между створами «2» и «4», что позволяет получить дополнительные сведения о свойствах слагающих пород и повысить достоверность вычисления коэффициента запаса устойчивости (рис.7).
Рис.7. Схема участка изысканий головной плотины хвостохранилища СГОК:
1, 2 – зондировочные и инженерно-геологические скважины соответственно
В процессе изысканий 2011 г. предполагалось исследование обоих слабых
слоев в основании путем проведения комплексного зондирования и отбора
проб для лабораторных испытаний. В связи с этим позиционирование выработок осуществляется на основе усредненной обобщенной функции изменчивости
механических свойств суглинистого и глинистого слоев, которая получена из
соотношения:
суг + гл
=
,(11)
ср
2
где суг и гл – обобщенные функции изменчивости для суглинистого и глини-
стого слоев соответственно (рис. 8).
Комплекс полевых исследований был дополнен лабораторными испытаниями по определению гранулярного состава, водно-физических свойств, характеристик сжимаемости и сопротивления сдвигу изучаемых отложений. Для этого были отобраны пробы с глубин: 9,2; 10,4; 11,4 м (скв. №2). Образцы пород
испытывались на компрессионных приборах КПр-1 и стабилометре УСВ-2.
В процессе обработки результатов полевых и лабораторных исследований
были установлены усредненные значения сцепления и угла внутреннего трения
20
Обобщенная функция изменчивости, д.ед.
(С=0,103–0,116 кг/см2, φ=9,8–12,7°). С учетом полученных физикомеханических свойств глинистых пород основания и замеров порового давления произведена оценка устойчивости дамб хвостохранилища. Она показала,
что коэффициенты запаса устойчивости откосов превышают нормативные значения и состояние объектов не вызывает опасения.
1,2
4
1
0,8
3
0,6
1
0,4
0,2
2
0
0
50
100
150
200
250
300
расстояние от скв. №1, м
Рис.8. Обобщенная функция изменчивости свойств грунтов основания головной
плотины хвостохранилища СГОК: 1 – для суглинистого слоя, 2 – для глинистого слоя,
3 – усредненная функция, 4 – положение створа №4
Разработанный метод проектирования системы точек опробования предлагается применять для расчета положения выработок при дополнительных инженерно-геологических исследованиях основания откосных сооружений хвостохранилища ОАО «Стойленский ГОК» и выборе створа на дамбе защиты отвалов для размещения пунктов замеров уровня воды в пьезометрических скважинах. Проведенные исследования позволили определить пути совершенствования методов и технических средств при проведении гидрогеомеханического
мониторинга откосных сооружений.
Опыт работы систем удаленного контроля величин порового давления в
теле дамб хвостохранилищ Лебединского и Стойленского ГОКов показывает,
что передача сигнала по кабелю вызывает частые сбои. В условиях агрессивной
среды (постоянная высокая влажность, наличие растворенных солей, деформации в результате сезонного замерзания и оттаивания слагающего дамбу матери21
ала и т.п.) сигнальный кабель часто претерпевает разрывы. Поэтому была разработана принципиальная схема системы контроля с автономным питанием и
передачей информации на заданной радиочастоте в базовую станцию, расположенную на объекте, с которой полученные данные по GSM связи отправляются
для обработки.
Проведенный анализ показал, что разработанный метод построения сетей
инженерно-геологических исследований техногенных массивов на основе кластерного анализа применим при разработке САПР в горном деле. Все использованные способы перехода от физического объекта к математической модели
могут быть представлены в виде логических и математических зависимостей –
это необходимое условие, позволяющее применять модель в качестве математического обеспечения. Достаточное условие – соответствие пяти критериям
качества (универсальность, алгоритмическая надежность, точность, затраты
машинного времени, затраты памяти), которым система удовлетворяет, что было доказано проведенными исследованиями.
Следует отметить, что разработанный метод может широко применяться
при районировании различных объектов (гидроотвалов, хвостохранилищ, месторождений полезных ископаемых, ландшафтов, климатических зон и т.д.),
имеющих выраженную пространственную изменчивость. Набор критериев
классификации территорий при этом меняется в зависимости от цели проводимых исследований.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи
разработки метода построения сетей опробования при проведении инженерногеологических исследований территорий намывных техногенных массивов и их
оснований с целью районирования по заданному набору параметров, что вносит
существенный вклад в теорию и практику горно-промышленной геологии и
мониторинга состояния намывных горнотехнических сооружений.
Основные результаты и выводы, полученные лично автором, а также рекомендации заключаются в следующем:
1. Разработаны научно-методические основы проектирования геометрии сетей
опробования техногенных отложений гидроотвалов, хвостохранилищ и их
оснований в зависимости от природных и техногенных факторов с учетом
совокупной изменчивости наблюдаемых характеристик, при котором линии
22
2.
3.
4.
5.
опробования разделены на три вида (ключевые, дополнительные, поверочные), каждый из которых имеет свой способ позиционирования на исследуемой территории.
Разработан метод определения плотности сети выработок, основанный на
полученной обобщенной функции изменчивости инженерно-геологических
свойств пород и позволяющий производить в заданных профилях в несколько этапов сгущение точек опробования для проведения районирования
намывного техногенного массива. Границы участков устанавливаются посредством разбиения множества выработок с помощью кластерного анализа, что позволяет повысить качество проведения районирования и управлять
состоянием гидроотвалов и хвостохранилищ с учетом дальнейшего направления их использования.
Доказана возможность применения разработанного метода проектирования
сетей инженерно-геологических изысканий на объектах горнодобывающей
отрасли без потери достоверности получаемой информации с уменьшением
финансовых и временных затрат на проведение инженерно-геологических
работ посредством снижения плотности сети на 13–15%.
Построена сеть для дополнительных изысканий отложений гидроотвала №3
Кедровского разреза и основания головной плотины СГОКа, материалы которых в первом случае позволили обеспечить безопасное ведение работ по
переформированию намывного техногенного массива (это необходимо для
доступа к 50 млн. т угля); во втором – повысить надежность определения
коэффициента запаса устойчивости откосного сооружения.
Обоснована применимость метода построения сетей инженерногеологического опробования в качестве математического обеспечения систем автоматизированного проектирования в горном деле. Предложены рекомендации по использованию разработанного способа при определении
свойств объектов, обладающих пространственной и временной изменчивостью в различных областях народного хозяйства, в том числе при проведении длительного комплексного мониторинга.
23
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Ческидов В.В. Комплексное зондирование намывных отложений гидроотвала №3 разреза «Кедровский» // Горная промышленность.- 2011. – №100
(6). – С.70-76.
2. Кириченко Ю.В., Ческидов В.В., Сенченко Д.С. Критерии выбора карьера
для проведения учебно-рекреационной рекультивации // Горный журнал.
–2008. – №8. – С. 120-122.
3. Ческидов В.В. Проектирование сетей инженерно-геологических изысканий
на объектах горнодобывающей промышленности // Горный журнал. - 2011.
– №12. – С. 24-26.
4. Кириченко Ю.В., Ческидов В.В. Геомеханическое обеспечение учебнорекреационной рекультивации карьеров и отвалов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. – №8. – С. 91-97.
5. Ческидов В.В., Сенченко Д.С. Инженерно-геологическое обоснование учебно-рекреационной рекультивации открытых горных выработок// Горный
информационно-аналитический бюллетень. – 2007. – №10. – С. 112-117.
6. Ческидов В.В. Использование статистических и математических методов
при исследованиях намывных массивов // Горный информационноаналитический бюллетень. – 2009. – ОВ № 1 «Гидромеханизация». – С. 419426.
7. Ческидов В.В. Перспективы использования САПР при инженерногеологических изысканиях на открытых горных разработках // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2011. – №11. – С. 355-361.
8. Ческидов В.В. Разработка САПР инженерно-геологических изысканий с
использованием
кластерного
анализа
//
Горный
аналитический бюллетень. –2011. – №5. – С. 341-346.
24
информационно-
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
122
Размер файла
726 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа