1

На правах рукописи

Никулин Николай Юрьевич

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННОГО

МОНИТОРИНГА УКРЕПЛЯЕМЫХ ОСНОВАНИЙ

ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность: 25.00.16 – «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2013 2

Работа выполнена на кафедре теоретической и геотехнической механики в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» (КузГТУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Простов Сергей Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник, начальник научного управления КемГУ Шадрин Александр Васильевич кандидат технических наук, доцент, КузГТУ, доцент кафедры физики Мальшин Анатолий Александрович

Ведущая организация – Новационная фирма «КУЗБАСС-НИИОГР»

Защита состоится 24 октября 2013 г. в 1300 на заседании диссертационного совета Д 212.102.02 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28, e-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева».

Автореферат разослан « 20 » сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Иванов В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы При строительстве и эксплуатации технических сооружений на предприятиях горнодобывающей и смежных отраслей в ряде случаев возникают опасные деформационные процессы в грунтовых основаниях, приводящие к аварийному состоянию объектов. Подобные ситуации имели место на разрезах ”Кедровский”, ”Барзасский”, ”Моховский”, ”Краснобродский”, шахте ”Заречная”. Для управления состоянием неустойчивых грунтов применяют комплекс методов, наибольшее распространение из которых нашел метод высоконапорной инъекции (ВНИ) цементно-песчанных растворов, технологически включающий стадии частичного гидроразрыва массива и последующее заполнение этой зоны укрепляющей смесью. Весьма перспективно и рядом организаций исследуются возможности применения в малопроницаемых грунтах метода электрохимического закрепления (ЭХЗ), основанного на электроосмотическом насыщении массива гелеобразующим и твердеющим химическим раствором.

Эффективное применение данных технологий требует мониторинга состояния и свойств массива горных пород на основных стадиях укрепления:

определение расположения и размеров аномальных неустойчивых зон; контроль процессов обработки массива; оценка качества закрепления и степени соответствия свойств укрепленного массива проектным требованиям. Существующий комплекс геолого-маркшейдерских и геофизических методов в целом обеспечивает решение данных задач, однако эти методы остаются весьма трудоёмкими, недостаточно оперативными и информативными. Попытки решения данной проблемы привели к созданию теоретической, методической и аппаратурной базы георадиолокации.

Работа георадара основана на приёме и компьютерной обработке электромагнитного сигнала, отраженного от границ сред в диапазоне частот f > 10 МГц. Функциональные возможности программного комплекса георадиолокации обеспечивают построение радарограммы, структура и цветовая палитра которой отражает строение и электромагнитные свойства исследуемого массива.

Опыт применения георадаров типа Лоза, Грот, ТР-ГЕО, ОКО для решения различных задач геотехнологии и геомеханики показал, что они обеспечивают в диапазоне частот f = 25-1700 МГц глубинность зондирования до 17-20 м, разрешающую способность до 3 см, при этом значительно превосходят традиционные электромагнитные методы по оперативности. Вместе с тем, не выявлены рациональные области применения георадиолокации в составе систем комплексного геомониторинга, методы интерпретации радарограмм в значительной степени субъективны, не обоснованы количественные критерии, обеспечивающие локацию аномальных зон в плоскости и в пространстве, контроль изменения свойств массива внутри этих зон.

Таким образом, актуальным представляется развитие методической базы георадиолокации в составе системы комплексного мониторинга для контроля геомеханических процессов в грунтовых основаниях горнотехнических сооружений, в том числе, укрепляемых с помощью физико-химических методов.

Цель работы - обоснование и разработка методического обеспечения георадиолокационного мониторинга укрепляемых оснований горнотехнических сооружений, обеспечивающего повышение информативности локации ослабленных зон и контроля процессов укрепления массива для снижения затрат на проведение горно-строительных работ.

Работа выполнялась при поддержке ФЦП “Научные и педагогические кадры инновационной России” на 2009-2013 годы по проектам №П234 и №14.337.21.0581.

Основная идея работы заключается в использовании закономерностей изменения электромагнитных свойств пористых влагонасыщенных грунтов в радиодиапазоне при разработке алгоритмов оптимизации параметров георадиолокации и интерпретации радарограмм, обосновании критериев локации ослабленных зон в основаниях сооружений и контроле процессов укрепления этих зон физико-химическими методами.

Основные задачи исследований:

- обоснование частотного диапазона георадиолокации и разработка методики построения интегрированных радарограмм;

- разработка методики комплексной интерпретации радарограмм при диагностировании ослабленных зон в основаниях горнотехнических сооружений;

- обоснование критериев георадиолокационного контроля процессов укрепления неустойчивых зон грунтовых оснований методами ЭХЗ и ВНИ.

Методы исследований Обзор и анализ литературных источников по проблеме контроля состояния и прогноза устойчивости грунтовых массивов в основаниях технических сооружений, аналитические методы электродинамики, лабораторные исследования физико-механических свойств горных пород, производственные геолого-маркшейдерские и геофизические исследования, включающие георадиолокационный мониторинг, камеральную обработку данных, статистический анализ баз данных.

Объект исследований - естественные и техногенные массивы глинистых горных пород, слагающие основания технических сооружений.

Предмет исследований - диагностируемые по радарограммам разуплотненные влагонасыщенные зоны и геомеханические процессы в этих зонах при физико-химическом укреплении.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

- повышение информативности до 30% обеспечивается подбором с помощью циклического алгоритма центральной частоты георадара, связанной степенной зависимостью с отношением удельного электросопротивления и диэлектрической проницаемости среды, в диапазоне 80-240 МГц;

- преобразование стандартной радарограммы в интегрированную, аналогичную геоэлектрическому разрезу, обеспечивается разделением её поля на элементы с задаваемыми размерами в диапазоне 0,08-1,0 м и суммированием положительных значений амплитуд отраженных сигналов в пределах этих элементов;

- диагностирование разуплотненных и влагонасыщенных зон в основаниях сооружений обеспечивается комплексной интерпретацией радарограмм, данных геологических изысканий, статического и электрического зондирований путем построения погоризонтных срезов на глубинах 1-8 м, вертикальных и горизонтальных геоэлектрических разрезов и объемных моделей;

- количественная оценка интенсивности процессов физикохимического укрепления грунтов обеспечивается интегральным критерием, полученным суммированием средних значений амплитуд радарограммы в пределах зоны инъекции, который уменьшается до 13% на стадии обработки и увеличивается до 41% при наборе прочности закрепленным грунтом.

Научная новизна работы заключается:

- в обосновании частотного диапазона и разработке алгоритма подбора центральной частоты георадиолокации;

- в разработке алгоритма построения интегрированных радарограмм;

- в разработке алгоритма интерпретации радарограмм в комплексе с данными геологических изысканий, статических и электрических зондирований;

- в обосновании критериальных параметров интегрированных радарограмм для контроля процессов обработки и набора прочности закрепленным грунтом.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- корректным применением апробированных зависимостей теории георадиолокации;

- применением в лабораторных и производственных исследованиях стандартной измерительной аппаратуры, прошедшей метрологическую поверку и стандартных методик обработки экспериментальных данных;

- положительными результатами эксплуатации 7 объектов, на которых были внедрены рекомендации автора по повышению устойчивости оснований сооружений.

Личный вклад автора заключается:

- в аналитическом обосновании, разработке алгоритмов, программ для ЭВМ и методик комплексной интерпретации радарограмм;

- в проведении комплекса геофизических и радиолокационных исследований, участии в геологических изысканиях на экспериментальных участках, обработке экспериментальных данных и анализе результатов.

Научное значение работы состоит в обосновании частотного диапазона георадиолокации, критериев и алгоритмов комплексной интерпретации радарограмм, разработке на этой основе методик локации ослабленных зон, контроля процессов физико-химической обработки и набора прочности закрепленным массивом в основаниях горнотехнических сооружений.

Отличие от ранее выполненных работ заключается: в новом принципе выбора рационального режима георадиолокации; в идее построения интегрированных радарограмм, в применении методов их комплексной интерпретации с учетом данных геологических изысканий, статического и электрического зондирования, в использовании интегральных параметров радарограмм для локации ослабленных зон и контроля процессов физико-химического упрочнения грунтовых массивов.

Практическая ценность работы состоит:

- в разработке методик и программ для ЭВМ, обеспечивающих повышение информативности георадиолокации, комплексную интерпретацию радарограмм, локацию ослабленных зон, контроль процессов обработки и набора прочности укрепленных грунтов;

- в обосновании рекомендаций по ликвидации аварийного состояния технических объектов на предприятиях Кузбасса горного профиля.

Реализация работы Основные положения разработанных методик изложены в методическом документе:

- Методическое руководство по электромагнитному мониторингу физических процессов в грунтовых массивах оснований горнотехнических сооружений и бортов угольных разрезов / ГУ КузГТУ, ООО “НООЦЕНТР-Д”, ОАО “УК “Кузбассразрезуголь”, НФ “КУЗБАСС-НИИОГР”. - Кемерово, 2011. - 68 с.

Методический документ принят к использованию на разрезах ОАО “УК “Кузбассразрезуголь” и филиалах ОАО “Евразруда”.

Основные результаты исследований внедрены в производство в филиалах ОАО “УК “Кузбассразрезуголь” - “Краснобродский угольный разрез”, “Талдинский угольный разрез”, в филиалах ОАО “Евраз” - ОАО “ЗСМК”, Казский и Таштагольский филиалы ОАО “Евразруда”, а также на разрезе “Виноградовский” филиала ОАО “Кузбасская топливная компания”.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы рассмотрены на научно-практической конференции “Управление механическими процессами дезинтеграции, инъекционного уплотнения и переработки горных пород” (г. Кемерово, 2009 г.); на XI Международной научно-практической конференции ”Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах” (г. Кемерово, 2011 г.); на IX Международной научнопрактической конференции “Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири” (г. Кемерово, 2012 г.); на XIV Международной научно-практической конференции “Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности” (г. Кемерово, 2012 г.); на всероссийской научной конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых ”Горняцкая смена - 2013” (г. Новосибирск, 2013 г.); на научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых КузГТУ, (г. Кемерово, 2007-2013 г.).

Экспонат «Система комплексного мониторинга техногенных грунтовых массивов гидроотвалов угольных разрезов», подготовленный с участием автора, награжден дипломом Международной выставки-ярмарки “Экспоуголь - 2011”.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 10 статей в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК, получено 2 свидетельства на регистрацию программ для ЭВМ.

Объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 71 рисунок, таблиц, список литературных источников из 133 наименований, 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ современного состояния проблемы контроля и прогноза устойчивости грунтовых массивов в основаниях горнотехнических сооружений.

В естественных и техногенных грунтовых массивах оснований горнотехнических зданий и сооружений различного назначения в ряде случаев происходят деформационные процессы, основными из которых являются обрушения, оползни, осыпи, промоины и просадки. В Кузбассе на подобных объектах угольных разрезов, шахт, обогатительных фабрик зафиксированы аварийные ситуации в виде сильных осадок и нарушения жесткости фундаментов, накренивания конструкций, образования трещин в стенах и др.

Для укрепления неустойчивых грунтов применяют методы, которые по функциональным признакам разделяют на физические и физико-химические.

При укреплении оснований сооружений, сложенных естественными глинистыми и насыпными породами, наибольшее распространение получил метод высоконапорной инъекции (ВНИ) цементно-песчанных растворов, включающий гидроразрыв с образованием ослабленной зоны и последующее её заполнение закрепляющей смесью. В малопроницаемых грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0,5 м/сут перспективно электрохимическое закрепление (ЭХЗ), основанное на электроосмотическом насыщении массива жидким раствором, его последующем гелеобразовании и твердении.

Развитию методов управления состоянием неустойчивых грунтов посвящены исследования И. Т. Айматова, С. В. Анциферова, П. С. Ашихмина, М. И. Баженова, В. А. Богомолова, Ю. В. Буркова, Л. И. Быкова, И. И. Вахрамеева, А. М. Гальперина, О. В. Герасимова, В. В. Давыдова, П. В. Деева, М. Н. Ибрагимова, Э. Я. Кипко, С. В. Князевой, Ю. И. Кутепова, В. В. Лушникова, О. Ю. Лушниковой, Л. В. Нуждина, А. М. Павленко, А. В. Покатилова, Ю. А. Полозова, С. П. Понасенко, С. М. Простова, Б. А. Ржаницына, Д. И. Рудковского, И. И. Сахарова, П. С. Сыркина, Н. Г. Трупака, В. А. Хямяляйнена и др.

Повышение эффективности применения технологий ВНИ и ЭХЗ требует непрерывного мониторинга состояния и свойств массива горных пород на всех стадиях укрепления, основными из которых являются следующие: определение геометрических параметров аномальных неустойчивых зон; контроль процессов обработки массива; оценка соответствия реальных механических свойств укрепленного массива проектным требованиям. Существенный вклад в развитие экспериментальных методов геоконтроля внесли А. П. Аверин, С. П. Бахаева, В. И. Бондарев, С. А. Вартанов, О. В. Герасимов, А. В. Гладырь, В. Н. Захаров, В. Н. Зуй, О. Н. Исаев, И. В. Ковпак, Е. В. Костюков, Ю. И. Кутепов, Ф. М. Ляховицкий, А. А. Мальшин, Д. С. Мигунов, В. И. Мирошников, А. М. Мочалов, А. Ю. Панфилов, С. М. Простов, С. А. Пуневский, И. Б. Рыжков, П. С. Сыркин, А. А. Тайницкий, Н. Е. Титов, В. А. Титянин, В. К. Ляховицкий, В. А. Хямяляйнен, А. В. Шадрин, З. Г. Ященко и др.

Современный комплекс геологических, маркшейдерских и геофизических методов в целом обеспечивает решение данных задач, вместе с тем, эти методы остаются относительно трудоёмкими, они недостаточно оперативны и информативны. Решение данной проблемы путём развития методов электромагнитного контроля привело к созданию теоретической, методической и аппаратурной базы георадиолокации.

Принцип работы георадара основан на приёме и компьютерной обработке электромагнитного сигнала, отраженного от границ сред с различными электрофизическими и диэлектрическими свойствами в радиоволновом диапазоне частот. Штатное программное обеспечение, включающее корректирование амплитуды и спектра, фильтрацию сигнала, разного рода преобразования и графическое редактирование, обеспечивает построение радарограммы, структура и цветовая палитра которой отражает структуру, строение и электромагнитные свойства среды.

Наибольший вклад в развитие метода георадиолокации внесли А. П, Аверин, А. Анур, А. А. Белозеров, Д. И. Блохин, А. З. Вартанов, М. Л. Владов, А. С. Вознесенский, Р. М. Гайсин, С. М. Данильев, А. М. Дерюга, С. В. Дручинин, А. В. Еременко, А. Л. Замятин, В. Н. Захаров, С. В. Изюмов, И. В. Ковпак, О. В. Козлов, Н. А. Круглов, Е. И. Кузьмина, А. М. Кулижников, Г. А. Куляндин, П. А. Морозов, В. В. Набатов, А. В. Набокин, Л. Г. Нерадовский, М. Р. Никифорова, Ю. А. Ним, А. В. Омельяненко, Д. В. Саввин, А. Н. Семехин, К. О. Соколов, А. В. Старовойтов, Н. Е. Титов, Л. Л. Федорова, D. J. Daniels и др.

Полученные различными организациями результаты применения георадаров различного типа для решения практических задач открытой, подземной и строительной геотехнологии подтвердили достаточную глубинность, разрешающую способность и высокую оперативность георадиолокационного мониторинга. Основные нерешенные проблемы в данной области состоят в следующем: не выявлены рациональные режимы применения радиолокации в составе систем комплексного геомониторинга, методы интерпретации радарограмм остаются в значительной степени субъективными, не обоснованы количественные критерии, обеспечивающие диагностирование неустойчивых зон, контроль изменения физических свойств массива внутри этих зон в процессе технологического воздействия.

Изложенное позволяет считать актуальным развитие методической базы георадиолокации для мониторинга геомеханических процессов в грунтовых основаниях горнотехнических сооружений, укрепляемых физикохимическими методами.

В результате комплексного анализа методов решения рассматриваемой проблемы сформулированы цель и задачи исследований, приведенные в общей характеристике работы.

Во второй главе изложены результаты обоснования частотного диапазона георадиолокации и разработки методики построения интегрированных радарограмм.

Анализ основных компонентов электромагнитных свойств среды – удельного электросопротивления (УЭС) и относительной диэлектрической проницаемости, определяющих волновое число среды, показал, что в диапазоне частот f = 50-1000 МГц амплитуда полезного сигнала георадиолокации зависит от, а его затухание - от. Обе величины нелинейно уменьшаются с возрастанием частоты до максимальной, при этом затухание сигнала нелинейно увеличивается с ростом влажности грунта (рис. 1).

Рис. 1. Экспериментальные зависимости (а) и (б) от частоты f и температуры t° при коэффициенте влагонасыщенности kн = 0,39 и коэффициенте пористости kп=0, (по данным, приведенным в монографии С. В. Изюмова и др.):

Основные количественные параметры, определяющие эффективность георадиолокации, - глубинность H и разрешающая способность, убывают с ростом частоты, целесообразно в качестве комплексного критерия использовать функцию где L - постоянная, принимаемая в зависимости от требуемой детальности геоконтроля в диапазоне L = 3-10 м2; H - глубина зондирования, м, определяемая по формуле (А.В. Старовойтов, М.Л. Владов) K - постоянная, комплексно учитывающая все неизменяемые параметры зондирования, для данного типа аппаратуры K = 3,01·1012 мГц1,5 (Омм)–0,5;

- разрешающая способность, м, определяется по формуле с - скорость света, 3·108 м/с; f - центральная частота георадара, Гц; - относительная диэлектрическая проницаемость зондируемой среды.

Рациональная частота fр зондирования, соответствующая экстремуму функции F, находится в диапазоне 80-240 МГц:

С учётом статистически значимых изменений значений минимальной Hmin, максимальной Hmax фиксируемой глубины аномалии и ее эффективного радиуса R, определенных для 11 объектов мониторинга в Кузбассе, максимальная информативность георадиолокации составляет 4,3 бит, выбор рациональной частоты обеспечивает повышение информативности до 30 % (рис. 2).

георадиолокационного мониторинга от частоты f:

Алгоритм подбора центральной частоты антенны георадара основан на пошаговом расчете центральной частоты, удовлетворяющей критериям Hmin H < Hmax и 0,1R.

Построение интегрированных радарограмм, приближенных по виду к геоэлектрическим разрезам, обеспечивается с помощью циклического алгоритма, включающего разделение поля исходной радарограммы на элементы с заданными размерами и суммированием положительных значений амплитуд отраженных сигналов, соответствующих всем пикселям в пределах этих элементов (рис. 3).

Разработанные алгоритмы реализованы в форме двух компьютерных программ в среде Delfi 7, авторские права на которые защищены свидетельствами о регистрации.

Установленные закономерности изменения электромагнитных параметров укрепляемых зон грунтовых оснований, разработанные алгоритмы и методики интерпретации георадарограмм позволили перейти к мониторингу ослабленных зон и контролю процессов укрепления методами ЭХЗ и ВНИ.

Рис. 3. Алгоритм построения интегрированной радарограммы:

Dх, Dh - размеры элементов радарограммы; dх, dh - размеры пикселей;

х, h - координаты, А - амплитуда отраженного сигнала; хm, hm - максимальные Третья глава посвящена разработке и практической реализации методик комплексной интерпретации радарограмм при диагностировании ослабленных зон в основаниях горнотехнических сооружений.

Алгоритм комплексной интерпретации радарограмм включает: зонную частотную фильтрацию сигнала от металлических элементов по данным технической документации объекта; определение истиной глубины зондирования подбором эффективного значения относительной диэлектрической проницаемости среды по аналогичным геоэлектрическим разрезам и справочным данным; формирование поглубинных срезов и объёмной модели ослабленной зоны с учетом данных гидрогеологических изысканий и статического зондирования.

Основными причинами формирования ослабленных зон в основаниях горнотехнических сооружений являются наличие разуплотненных осадочных насыпных грунтов, а также влагонасыщение естественных и техногенных грунтов водой от природных и техногенных источников. Развитию деформационных процессов способствуют дополнительные динамические нагрузки от вибрации оборудования или внешних возмущений.

В основании машинного здания клетьевого ствола Казского рудника в относительно однородном по строению насыпном массиве, сложенном щебнем, дресвой, песком, обломками породы по данным геологического, электрофизического и радиолокационного мониторинга диагностирована ослабленная зона, внутри которой при закачке цементного раствора произошло сначала снижение электросопротивления, а затем при формировании упрочненного слоя - его повышение. Вибрация подъёмной установки способствовала осадке фундамента и разрушению стен. После укрепления грунтов деформации сооружения прекратились.

На разрезе Краснобродский в результате комплексного мониторинга основания железнодорожного пути на участке «Угольная-Тырган» протяженностью 5,5 км установлено, что причинами оползнеобразования насыпи и значительных деформаций в сторону откоса лога явилось влагонасыщение грунтов под насыпью грунтовыми водами. Влагонасыщенные зоны диагностированы по отрицательным аномалиям на графиках вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) на верховом и низовом откосах. Комплексная интерпретация радарограмм позволила по погоризонтным срезам на глубинах от 1 до 3 м установить расположение и размеры зон влагонасыщенных и разуплотненных грунтов и зон пучения (рис. 4). Для устранения причин оползней предложены системы дренажных траншей и понижение отметки водопропускной трубы.

В насыпном грунтовом массиве основания галерей обогатительной установки на Краснобродском разрезе по радарограммам установлены границы геоэлектрических слоёв, диагностированы зоны разуплотнения и трещин отрыва. Путём совмещения радарограмм и результатов инверсии ВЭЗ построены вертикальные геоэлектрические разрезы (рис. 5, а) и погоризонтные срезы на глубинах 1; 3,6 и 7,3 м, на которых зоны с УЭС k < 30 Ом·м интерпретируются как разуплотненные водонасыщенные зоны (рис. 5, б).

Для устранения деформаций основания предложены устройство контрфорсов для укрепления откоса насыпи и инъекционное упрочнение ослабленных зон под фундаментами.

Рис. 5. Радарограмма (а) и горизонтальный геоэлектрический разрез, построенный 1 - диапазон УЭС; 2 - трещины отрыва; 3 - зона интенсивного разуплотнения; 4 - граница При ликвидации аварии тоннеля глубокого заложения на ЗСМК (г. Новокузнецк) диагностировано формирование слоя суглинков, насыщенного грунтовой водой и утечками из подземных коммуникаций, что привело в результате оседаний к провалу на земной поверхности глубиной до 1,2 м и диаметром до 6 м. Построены карты распространения водонасыщенных грунтов на глубинах 2, 4, 8 м (рис. 6, а) и трехмерная модель аномальной зоны (рис. 6, б). По результатам мониторинга разработан проект укрепления ослабленной зоны грунтов методом высоконапорной инъекции.

На всех объектах для повышения информативности георадиолокации применялась аппаратура ОКО-2 с антенным блоком АБ-150 (центральная частота 150 МГц), что соответствует рациональному диапазону частот зондирования.

Полученный опыт и результаты комплексного мониторинга неустойчивых зон грунтовых оснований сооружений, включающего методику интерпретации радарограмм, позволил перейти к решению задачи контроля процессов укрепления массива в ослабленных зонах методами ЭХЗ и ВНИ.

Рис. 6. Погоризонтные срезы на различных глубинах H (а) и трехмерная модель зоны распространения влагонасыщенных грунтов (б): 1 - зона распространения водонасыщенных грунтов; 2 - погоризонтный срез радарограммы; xxx - границы распространения водонасыщенных грунтов на погоризонтном срезе радарограммы В четвертой главе обоснованы критерии георадиолокационного контроля процессов укрепления неустойчивых зон грунтовых оснований методами ЭХЗ и ВНИ.

При экспериментальном ЭХЗ грунтов обеспечивается повышение сцепления грунта в 2,1 раза при применении двухрастворной схемы и 6,3 раза - однорастворной схемы, модуль деформации грунтов при этом может возрасти в 3,9 раза. Результаты электрообработки в значительной степени зависят от выбранного режима (плотность и объемное соотношение компонентов, плотность тока, время обработки, шаг установки электродов), а также от особенностей строения и свойств закрепляемого массива. Контроль изменения электропроводящих и акустических свойств массива традиционными геофизическими методами позволяет усреднено оценивать с помощью установленных зависимостей изменение физико-механических свойств массива, снижая требуемые объёмы геологических изысканий и статического зондирования (рис. 7).

Использование интегрированных радарограмм позволяет значительно расширить возможности георадиолокационного мониторинга при решении подобных задач. В частности, на обработанных радарограммах с шагом интегрирования в диапазоне 0,08-0,16 м более чётко диагностируются вертикальные границы зоны обработки, что недоступно при электрическом и акустическом зондированиях (рис. 8).

Впервые предложено при радиолокации количественно оценивать свойства массива в пределах аномальных зон по суммарной величине A амплитуды отраженного сигнала и по интегральному параметру IA, включающему площадь исследуемой зоны:

где Ai, Si - соответственно амплитуда сигнала и площадь i-го элемента интегрированной радарограммы в пределах аномальной зоны; n - число элементов.

При применении технологии однорастворного ЭХЗ эти параметры изменяются в диапазонах A/A0 = 0,79-1,05; IA = 19-22,5 В.

Рис.8. Результаты электромагнитного сканирования до вдавливания инъекторов (t0), после вдавливания инъекторов (t1), через 4 сут после ЭХЗ (t2), через 20 сут после ЭХЗ (t3):

1 - исходная радарограмма; 2 - радарограмма с шагом интегрирования x= z=0,08 м; 3 - радарограмма с шагом интегрирования 0,16 м; И-3-5 - инъекторы При экспериментальном укреплении грунтов методом ВНИ объём песчано-цементного раствора по 4 инъекторам изменялся в диапазоне от 0,15 до 0,45 м3. Установлено, что наибольшее увеличение сопротивлений внедрению зонда qc и повороту фрикционной муфты fs, полученных при статическом зондировании, соответствует объёму закачки V = 0,25 м3, несущая способность сваи P здесь увеличилась в 2,6 раза при среднем увеличении в 1,7 раза (рис. 9). Традиционные геофизические методы, основанные на сейсмическом и электрическом зондировании, позволяют качественно и количественно контролировать в пространстве и во времени стадии первоначального гидроразрыва грунта, последующее заполнение пустот и набор прочности укрепленной зоны, а с использованием установленных зависимостей (табл. 1) оценивать изменение прочностных параметров.

0, Корреляционные зависимости между физическими P - несущая способность сваи, кН; Vp, Vs - скорости продольных и поперечных волн, м/с; r - коэффициент корреляции; - корреляционное отношение;

- среднеквадратичное отклонение; t - надежность оценки.

Использование относительных значений эффективного и истинного УЭС массива, полученного в результате инверсии ВЭЗ, позволяет реализовать двумерный мониторинг, при этом диапазоны изменения этих параметров составили: уменьшение на 18-21% на начальной стадии и увеличение на 10-15% на стадии твердения. Для введённых на их основе интегральных показателей эти диапазоны составили соответственно 19-23% и 5-17%, что превышает величину коэффициента вариации параметра до инъекции в 2,9-3, раза. Применение интегрированных радарограмм даёт следующие диапазоны изменения параметров: 2-13% на начальной стадии и 5-41% на стадии набора прочности массивом, что соответствует превышению значения коэффициента вариации параметра в 1,4-11,7 раза (рис. 10).

Рис. 10. Изменение среднего относительного значения A (а) и интегрального показателя IA (б) в зависимости от стадии ВНИ и расхода закрепляющего раствора:

t0 - до проведения ВНИ; t1 - через 1 сут после ВНИ; t2 - через 7 сут после ВНИ;

Зафиксированные максимальные значения параметров A и IA соответствуют инъекторам с наибольшей конечной прочностью массива (объем закачанного раствора V = 0,15-0,25 м3). Таким образом, применение георадиолокационного мониторинга за счет повышения эффективности технологии ВНИ обеспечивает снижение расхода материалов в 1,5-3 раза.

Изложенные в диссертации научные и практические результаты отражены в методическом руководстве, разработанном совместно с ГУ КузГТУ, ООО ”НООЦЕНТР-Д”, ОАО “УК “Кузбассразрезуголь”, НФ “КУЗБАССНИИОГР” с участием автора и приняты к использованию в ОАО “УК “Кузбассразрезуголь” и ОАО “Евразруда”. Рекомендации, разработанные по результатам комплексного мониторинга, включая георадиолокационный, использованы на 7 объектах горной и металлургической промышленности Кузбасса: машинное здание ствола “Клетьевой” Казского рудника; строительство ОФ “Каскад”, р-з “Виноградовский”; главный корпус закладочного комплекса “Таштагольского рудника”; участок насыпи железнодорожного пути на “Краснобродском угольном разрезе”; строительство ОФ на разрезе “Талдинский”; строительство ОФ на разрезе “Каснобродский”, поле “Вахрушевское”; тоннель глубокого заложения, ОАО “ЗСМК”.

Применение разработок способствовало устранению аварийного состояния объектов. При этом обеспечено снижение объёмов буровых работ, необходимых для комплексного мониторинга, на 10-15% и объемов закрепляющего раствора при применении технологии ВНИ на 15-30%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой в которой на основе исследования закономерностей изменения электромагнитных свойств глинистых горных пород в радиодиапазоне разработаны научно обоснованные технические решения по методическому обеспечению георадиолокационного мониторинга укрепляемых оснований горнотехнических сооружений, включающие алгоритмы, методики и критерии режима зондирования, комплексной интерпретации радарограмм при локации ослабленных зон, их укреплении методами электрохимического закрепления и высоконапорной инъекции, обеспечивающие повышение информативности геоконтроля и снижение материальных затрат, что имеет значение для горнодобывающей отрасли.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему:

1. Для предотвращения и ликвидации аварий горнотехнических сооружений на шахтах, рудниках, разрезах, обогатительных фабриках необходимо совершенствовать методы мониторинга состояния и свойств укрепляемых массивов в их основаниях. Одним из интенсивно развиваемых направлений в горнопромышленной геофизике является георадиолокация, основанная на измерении электромагнитного сигнала, отраженного от границ аномальных зон неоднородных сред. Существующие методики не в полной мере обеспечивают рациональные режимы георадиолокации и требуемую информативность при интерпретации радарограмм, не адаптированы к решению задач локации ослабленных зон в естественных и техногенных массивах и оценки качества их укрепления физико-химическими методами.

2. Поскольку глубинность и разрешающая способность зондирования, нелинейно зависящие от удельного электрического сопротивления и относительной диэлектрической проницаемости, убывают с ростом частоты, в качестве критерия эффективности режима георадиолокации целесообразно использовать функцию F, учитывающую оба этих фактора. Частота зондирования, соответствующая экстремуму функции F, нелинейно зависит от отношения /. Подбор центральной частоты антенного блока геолокатора в диапазоне 80-240 МГц с помощью разработанного циклического алгоритма обеспечивает повышение информативности мониторинга до 30%.

3. Повышение точности георадиолокационного мониторинга укрепляемых оснований сооружений достигается построением интегрированных радарограмм, аналогичных геоэлектрическим разрезам, с помощью алгоритма, включающего разбиение поля на элементы заданных размеров и суммирование измеренных сигналов в пределах этих элементов, а также комплексным алгоритмом, включающим зональную частотную фильтрацию, определение истинной глубины зондирования, формирование поглубинных срезов, вертикальных и горизонтальных геоэлектрических разрезов и объёмных моделей ослабленных зон на основе данных геолого-геофизического мониторинга.

4. На примерах мониторинга техногенных оснований надшахтного сооружения, железнодорожного пути, галереи обогатительной установки, тоннеля глубокого заложения установлено, что основными причинами формирования ослабленных зон являются разуплотнение насыпных грунтов и их локальное влагонасыщение. Данные зоны диагностируются по радарограммам с использованием следующих методик: фиксированием дополнительных зон проникновения инъекционного раствора как электрически контрастной среды; построением погоризонтных срезов и геоэлектрических разрезов путем совмещения с результатами инверсии ВЭЗ и статических зондирований; построением трёхмерных моделей по нескольким срезам. Полученная информация является эффективным дополнением традиционного геологогеофизического мониторинга, при этом необходимый объем буровых работ может быть снижен на 10-15%.

5. При обосновании оптимальных режимов укрепления ослабленных грунтов методами электрохимического закрепления и высоконапорной инъекции цементных растворов контролируют размеры зон закрепления и электрические свойства грунтов, взаимосвязанные с их физико-механическими свойствами, в пространстве и во времени на начальных стадиях горностроительных работ. Использование в качестве критериев интенсивности процессов закрепления грунтов средних значений амплитуд сигналов в пределах аномальных зон интегрированных радарограмм позволяет повысить точность контроля и снизить расход укрепляющего раствора на 15-30%.

6. Результаты исследований реализованы в форме методического документа, принятого к использованию на предприятиях ОАО “УК “Кузбассразрезуголь” и ОАО “Евразруда”, а также рекомендаций по ликвидации аварийного состояния 7 горнотехнических объектов в Кузбассе.

Внедрение разработок способствовало снижению объёмов контрольного бурения и материальных затрат на укрепительные работы.

Основное содержание диссертации опубликовано 1. Простов, С. М. Геолого-электромагнитный мониторинг грунтового основания сооружения / С. М. Простов, О. В. Герасимов, Н. Ю. Никулин, Д. А. Зубов // ГИАБ. – 2009. - №5. – С. 266-269.

2. Никулин, Н. Ю. Экспериментальное однорастворное электрохимическое закрепление глинистых грунтов / Н. Ю. Никулин, А. В. Плотников, А. В. Покатилов, С. М. Простов // Вестн. КузГТУ. – 2011. – №5. – С. 12–17.

3. Никулин, Н. Ю. Контроль физических процессов однорастворного электрохимического закрепления грунтов геофизическими методами / Н. Ю. Никулин, А. В. Покатилов, А. В. Плотников, С. М. Простов // Вестн.

КузГТУ. – 2011. – №5. – С. 18–22.

4. Никулин, Н. Ю. Диагностирование состояния и свойств грунтов основания надшахтного сооружения / Н. Ю. Никулин, С. М. Простов // ГИАБ. – 2011. - №12. – С. 125-128.

5. Никулин, Н. Ю. Комплексный геолого-геофизический мониторинг состояния и свойств грунтового основания горнотехнического сооружения / Н. Ю. Никулин, С. М. Простов, О. В. Герасимов // Вестн. КузГТУ. – 2012. С. 3-8.

6. Простов, С. М. Исследование рациональной области применения георадиолокационного мониторинга / С. М. Простов, Н. Ю. Никулин // Вестн.

КузГТУ. – 2012. - №3. – С. 15-18.

7. Никулин, Н. Ю. Экспериментальное исследование геомеханических процессов в зоне высоконапорной инъекции грунтов / Н. Ю. Никулин, С. М. Простов, В. А. Хямяляйнен, О. В. Герасимов // Вестн. КузГТУ. – 2013. С. 3-9.

8. Никулин, Н. Ю. Изучение состояния и свойств закрепленного массива методами электрического зондирования / Н. Ю. Никулин // Вестн.

КузГТУ. – 2013. - №3. – С. 3-6.

9. Никулин, Н. Ю. Георадиолокационный мониторинг при изучении свойств закрепленного массива / Н. Ю. Никулин // Вестн. КузГТУ. – 2013. С. 7-11.

10. Никулин, Н. Ю. Контроль геомеханических процессов в грунтовом массиве при высоконапорной инъекции цементных растворов / Н. Ю. Никулин, С. М. Простов, В. А. Хямяляйнен // Известия вузов. Горный журнал. – 2013. – № 6. – С. 85-90.

11. Никулин, Н. Ю. Георадарные исследования грунтового основания участка автодороги / Н. Ю. Никулин, Д. А. Зубов, С. М. Простов / Сборник докладов студентов и аспирантов // Мат-лы 52-й науч.-практ. конф. – Кемерово : ГУ КузГТУ, 2007. – С. 182–184.

12. Простов, С. М. Георадиолокационный контроль структуры, состояния и свойств грунтового основания автомобильной дороги / С. М. Простов, О. В. Герасимов, Н. Ю. Никулин, Д. А. Зубов // Вестн. КузГТУ. – 2007. – №5. – С. 38–44.

13. Никулин, Н. Ю. Геолого-электромагнитный мониторинг при ликвидации аварии тоннеля глубокого заложения / Н. Ю. Никулин, С. М. Простов, О. В. Герасимов / Управление механическими процессами дезинтеграции, инъекционного уплотнения и переработки горных пород // Мат-лы науч.-практ. конф. – Кемерово : Кузбассвузиздат, 2009. – С. 167–175.

14. Никулин, Н. Ю. Диагностирование состояния и свойств грунтового основания участка железнодорожного пути на угольном разрезе ”Краснобродский” / Н. Ю. Никулин, С. М. Простов, Р. Ю. Зима, Е. О. Тихонов // Вестн. КузГТУ. – 2010. – №5. – С. 51–56.

15. Никулин, Н. Ю. Электромагнитное сканирование грунтовых оснований горнотехнических сооружений / Н. Ю. Никулин, С. М. Простов // БЖД: Мат-лы XI Междунар. науч.-практ. конф. – Кемерово, 2011. – С. 76-78.

16. Простов, С. М. Обоснование рационального частотного диапазона георадиолокационного мониторинга / С. М. Простов, Н. Ю. Никулин // Вестн. РАЕН. – 2012. – Вып. 14. – С. 38-46.

17. Никулин, Н. Ю. Комплексный мониторинг основания машинного здания клетьевого ствола / Н. Ю. Никулин, С. М. Простов / Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири // Мат-лы IX Междунар. Науч.-практ. Конф.

– Кемерово, 2012. – С. 260-263.

18. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660877. Выбор рационального частотного диапазона георадиолокации / Е. В. Климов, С. М. Простов, Е. А. Салтымаков, Н. Ю. Никулин; Заявл.

16.10.2012; № 2012618846; Зарегистр. 30.11.2012.

19. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660880. Построение интегрированных радарограмм георадиолокации / Е. А. Салтымаков, С. М. Простов, Е. В. Климов, Н. Ю. Никулин; Заявл.

19.10.2012; № 2012618874; Зарегистр. 30.11.2012.

Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»

Полиграфический цех федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»