Развитие методических основ мониторинга состояния массива горных пород при строительстве и эксплуатации большепролетных подземных сооружений и объектов гидроэнергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Развитие методических основ мониторинга состояния массива горных пород при строительстве и эксплуатации большепролетных подземных сооружений и объектов гидроэнергетики

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

геомеханический гидроэнергетика контроль сооружение

Актуальность проблемы. Большепролетные подземные сооружения (БПС) различного назначения и грунтовые гидротехнические сооружения (ГТС), относятся к числу особо опасных и технически сложных объектов, представляющих собой единые системы из множества различных по размерам, назначению и срокам эксплуатации объектам, например, гидротехнических подводящих и отводящих поземных тоннелей, машинных залов, щитовых галерей, грунтовых плотин, размещаемых на скальных основаниях и прочих сооружений. Проблема обеспечения безопасной и безаварийной работы для этих объектов является весьма актуальной.

Мониторинг геомеханического состояния (геомониторинг) массивов вмещающих БПС на стадии их возведения и при дальнейшей эксплуатации выполняется с использованием целого ряда известных методов, каждый из которых, имеет различную физическую природу, и в состоянии решать свои узкие специальные задачи. Оперативный контроль состояния массива осуществляется, в основном, геофизическими методами.

Несмотря на неоспоримые достоинства геофизических методов - технологичность и оперативность, к числу их недостатков следует отнести косвенный, вероятностный характер выполняемых оценок, основанный на тесноте корреляционных связей физико-механических характеристик пород и грунтов с параметрами контролируемых геофизических полей и их многофакторность. Отсюда и трудности в интерпретации получаемых результатов и, как следствие, появление неоднозначности и снижение достоверности. Геомониторинг состояния грунтовых ГТС (плотины, дамбы) осуществляется, в основном, с использованием штатной контрольно-измерительной аппаратуры (КИА), встраиваемой в тело сооружений еще на стадии строительства, и поэтому имеет локальный характер, не обеспечивая получения необходимой полноты информации об изменениях состояния объекта в целом.

Общность проблем и требований, предъявляемых к технически сложным объектам, ставят задачу разработки единого методического подхода к мониторингу их состояния. Совершенствование геофизических методов контроля состояния массива, направленное на расширение области их применения в различных инженерно-геологических условиях, а также повышение комплексности и однозначности выполняемых оценок таких важнейших показателей массива как нарушенность пород, напряженно-деформированное состояние, физико-механические свойства, влагонасыщение грунтов, является актуальной научной и практической задачей.

Цель работы заключается в развитии методических основ контроля состояния скальных и грунтовых массивов для повышения безопасности строительства и эксплуатации большепролетных подземных сооружений и объектов гидроэнергетики.

Идея работы заключается в разработке и совместном использовании комплекса геофизических критериев и закономерностей изменения параметров сейсмических волн для контроля состояния массива при проведении геомеханического мониторинга объектов.

Задачи исследований.

1. Выявление особенностей контроля геомеханического состояния массива при возведении и эксплуатации БПС и объектов гидроэнергетики, формирование рационального комплекса оперативных методов контроля.

2. Разработка комплекса критериев оценки и методики районирования пород по степени нарушенности массивов, вмещающих подземные сооружения.

3. Разработка методики сейсмотомографического исследования геомеханического состояния грунтовых сооружений и оперативного контроля качества степени уплотнения грунтов.

4. Опытно-промышленная апробация разработанного комплекса оперативных методов контроля состояния массива пород и грунтовых дамб в условиях действующих предприятий.

Методика исследований. При выполнении данной работы использовался комплексный метод, включающий анализ отечественного и зарубежного опыта развития методов контроля геомеханического состояния скального массива и грунтовых сооружений, проведение измерений параметров нарушенной зоны приконтурного массива, инструментальный контроль фактических вибронагрузок в массиве, мониторинг состояния массива и наземных грунтовых сооружений методами сейсмической пространственно-временной томографии (СПВТ) и контроля параметров электромагнитной эмиссии пород, применение методов математической статистики при обработке экспериментальных данных.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Использование разработанных геофизических критериев оценки нарушенности пород (В_е, К) и метода сейсмической пространственно-временной томографии (СПВТ) оценки состояния массива, позволяет осуществлять районирование массива пород по категориям нарушенности.

2. На основе оценки блочности массива по частотному показателю F спектра сейсмического сигнала, установлено, что в зоне влияния техногенных вибраций происходит ослабление структурных связей отдельных блоков пород, снижающее устойчивость массива, при этом наиболее опасным является диапазон частот 30-90 Гц, характерный для отдельных блоков пород размерами 1.5-4 м.

3. Применение сейсмотомографических измерений для оценки состояния грунтов в теле гидротехнических сооружений с использованием закономерностей изменения скоростей упругих волн, позволяет выполнять оперативный контроль степени их уплотнения, а по установленному градиенту изменения скоростей продольных волн в глубь плотин оценивается пространственное расположение границ водонасыщенных грунтов.

Научная новизна работы.

1. Обоснован комплекс критериев оценки степени нарушенности пород (В_е, К, F), совместное использование которых при геофизическом мониторинге, позволяет учитывать не только геометрические параметры трещиноватости пород, но и качество межтрещинных контактов, что открывает возможность осуществлять районирование пород по категориям нарушенности.

2. Разработаны методики оперативного сейсмотомографического контроля качества уплотнения грунтов и выявления пространственного расположения границ областей водонасыщенных грунтов в теле плотин гидротехнических сооружений, позволяющие оценивать состояние сооружений и возможность их безопасной эксплуатации.

3. На основе геомониторинга состояния массива методом СПВТ и изучения амплитудно-частотных характеристик вибраций техногенного происхождения, установлен наиболее опасный резонансный диапазон частот вибронагрузок 30-90 Гц, характерный для крупноблочного, слабо-трещиноватого скального массива с размерами отдельных блоков 1.5-4 м.

Практическая значимость работы.

1. Разработанный и апробированный комплекс геофизических методов оценки состояния массива пород внедрен при проведении инженерно-геологических изысканий по трассе строящегося Юкспорского тоннеля №2 ОАО «Апатит» и оценке качества горно-проходческих работ при проходке тоннеля предприятием ФГУП УС-30.

2. На основе результатов геомониторинга состояния подземных сооружений подземной ГЭС-12 предприятия филиал «Кольский» ОАО «ТГК-1» разработаны и внедрены «Методические указания по приведению выработок ГЭС-12 в безопасное состояние», технологический регламент по выбору и организации крепления ослабленных участков выработок ГЭС, технологический регламент проведения обследования вибрационного режима вмещающего массива.

3. Для безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений на предприятиях филиал «Кольский» ОАО «ТГК-1», внедрена методика сейсмотомографического пространственно-временного мониторинга (СПВТ) состояния плотин и дамб в процессе их эксплуатации.

4. В процессе строительства Площадки длительного хранения радиоактивных отходов атомных подводных лодок (ПДХ РО АПЛ) на предприятии ОАО «КоСам», на базе метода СПВТ, разработана и внедрена методика оценки качества уплотнения замещенного грунта в основании фундамента площадки.

5. Методика СПВТ включена в технологический регламент строительства защитной дамбы хвостохранилища «Олений ручей» ЗАО «Северо-западная фосфорная компания (СЗФК)».

Достоверность научных положений подтверждается большим объемом проанализированной и обобщенной исходной информации, комплексностью подхода к выбору методов мониторинга, удовлетворительной воспроизводимостью результатов натурных измерений, использованием современной цифровой измерительной аппаратуры и широкой апробацией результатов исследований в практике действующих предприятий.

Реализация работы. Научные результаты и разработанные автором методические рекомендации реализованы на предприятиях ФГУП УС-30, филиал «Кольский» ОАО «ТГК-1», РНЦ «Курчатовский институт», ОАО «КоСам», ЗАО «СЗФК», акты внедрения прилагаются (количество 10 шт.). Экономический эффект от внедрения метода СПВТ при инженерно-геологических изысканиях строительства Юкспорского тоннеля №2 (ФГУП УС-30), составил 10.5 млн. рублей на два километра тоннеля.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на технических советах производственных предприятий, на научных семинарах Горного института КНЦ РАН, на IХ Всесоюзной конференции по механике горных пород., Исследования, прогноз и предотвращение горных ударов, г. Бишкек, окт. 1989г., на Международных конференциях Геомеханика в горном деле-96, Управление напряженно-деформированным состоянием массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений, г. Екатеринбург, 1996, Геотехника. Оценка состояния оснований и сооружений, г. Санкт-Петербург, июнь 2001г., Инженерная геофизика, г. Геленджик, 2005г., Горное дело в Арктике, г. Апатиты, 2005г., на III международной научно-практической конференции Инженерная и рудная геофизика -2007, г. Геленджик, 23-27 апреля 2007г., на 3^ей Международной конференции геологов, геофизиков, Санкт-Петербург, 7-10 апреля, 2008 г., на Международной конференции «Международное сотрудничество по ликвидации ядерного наследия атомного флота СССР», Москва, 2008 г, на

XVIII Всероссийской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика, г. Нижний Новгород, 29.09-03.10.2008г., на Международной конференции «Геофизические модели литосферы Балтийского щита и его обрамления», Апатиты, 28-30 сентября 2009 г, на Международной конференции «Проблемы и тенденции рационального и безопасного освоения георесурсов», 12-15 октября 2010г., на Международной конференции «Геомодель - 2011», Москва, 25-30 мая 2011 г.

Личный вклад автора состоит в проведении натурных и лабораторных измерений, в анализе и обобщении исходной информации, установлении основных закономерностей изменения скоростей и частот сейсмических волн в скальном массиве и грунтовых сооружениях, в разработке и совершенствовании методик электромагнитной эмиссии и сейсмической томографии в различных условиях.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 научных работ, в том числе, 27 в изданиях рекомендованных ВАК, и 3 монографии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения, списка литературы из 93 наименований и содержит 201 страницу машинописного текста, 90 рисунков, 18 таблиц и приложения актов внедрения на 10 страницах.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.т.н. Ю.А. Епимахову, а также сотрудникам Горного института КНЦ РАН д.т.н., Фокину В.А., и вед. технологу Кабееву Е.В., за оказанную методическую и практическую помощь в проведении теоретических и экспериментальных исследований. Особую благодарность автор приносит академику Н.Н. Мельникову и д.т.н. А.А. Козыреву за внимание, советы и консультации, которые способствовали написанию и завершению диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Большой вклад в развитие теории и практики методического обеспечения геомониторинга состояния горных пород и грунтов геофизическими методами исследований внесли Авербух А.Г., Бондарев В.И., Глушко В.Т., Гурвич И.И., Горяинов Н.Н., Каспарьян Э.В., Козырев А.А., Куксенко В.С., Курленя М.В., Коптев В.И., Кочерян Г.Г., Левшин А.Л., Ловчиков А.В., Ляховицкий Ф.М., Манжиков Б.Ц., Мансуров В.А., Миндель И.Г., Никитин В.Н., Опарин В.Н., Петкевич Г.И., Б.Ц. Ржевский В.В., Савич А.И., Шляхтер Е.С., Яланский А.А., Ямщиков В.С., Яковицкая Г.Е. и многие другие. Современное представление об организации геомеханического мониторинга состояния массива, на каждом крупномасштабном объекте предполагает постановку и решение следующих основных задач:

- контроль напряженно-деформированного состояния (НДС) горного массива в процессе проходки сооружений;

- выявление геологических нарушений, карстов и пустот;

- контроля зон нарушенности, и упрочнения горных пород и грунтов в процессе строительства и эксплуатации объектов;

- изучение свойств (физико-механические и фильтрационные) и состояния (характер и степень трещиноватости, водоносность, напряженное состояние) массива горных пород;

- исследование динамических явлений (динамических ударов) при ведении горных работ.

Оперативный геомониторинг состояния массивов вмещающих БПС на стадии их возведения и при дальнейшей эксплуатации выполняется с использованием целого ряда известных геофизических натурных методов, каждый из которых, как было показано выше, может иметь различную физическую природу, и в состоянии решать свои узкие специальные задачи. В качестве методов оперативного контроля состояния приконтурного массива могут быть использованы все применяемые в настоящее время методы изучения массива, - визуальные наблюдения, ультразвуковой, реометрический, сейсмоакустический методы; различные виды рудничной геофизики (электрометрия, метод электромагнитной эмиссии, радиоактивные методы), метод разгрузки, различные датчики-деформометры (струнные, оптические, тензометрические и др.), фотопланиметрический метод, парные реперы и т.д.

Таким образом, выбор наиболее эффективного комплекса натурных методов, с учетом поставленных задач и особенностей влияющих на состояние массива природных и техногенных факторов является одной из задач выполняемых исследований.

Важной характеристикой состояния массива является его трещиноватость. Наряду с прочностью трещиноватость - главный критерий устойчивости породы, от которой зависит способ обделки и крепления тоннелей и горных выработок. При дроблении породы взрывом от трещиноватости зависит количество энергии, которую необходимо сообщить породе для ее разделения на блоки нужной величины, а следовательно, количество потребного взрывчатого вещества. Поэтому категорирование пород по трещиноватости является важной практической задачей. Существующие классификации и критерии оценки степени и категорий трещиноватости широко используются на практике. Например, по данным Междуведомственной комиссии по взрывному делу, породы по трещиноватости классифицированы на пять категорий. Задача сводится к нахождению оперативного способа и метода с критериями для ее определения. На сегодняшний день известны такие способы оценки трещиноватости, использующие установленные корреляционные соотношения трещиноватости с геофизическими характеристиками горных пород. Например, акустический показатель трещиноватости, определяемый сейсмоакустическими методами по соотношениям скоростей продольных волн в образце породы и в массиве. Безусловно, этот показатель дает представление о степени трещиноватости массива. Однако, это представление это весьма условно, так как, например, при одной и той же степени трещиноватости пород массива (количество трещин на 1м), в зависимости от раскрытия трещин, от свойств и качества их заполнителя скорость продольной волны может меняться в значительном диапазоне и в результате получить неопределенность. Этот недостаток значительно ограничивает область применения сейсмических методов, в особенности, в режиме контроля состояния массива во времени. Такая неопределенность не позволяет также выполнять районирование массива пород по трещиноватости, позволяющее решать технологические задачи по оптимизации комплексов буро-взрывных работ и поддержания выработок на разных стадиях строительства БПС. Эта неопределенность преодолевается разработкой дополнительных критериев контроля, что требует совершенствования сейсмического метода натурных наблюдений. К недостаткам сейсмического метода при контроле состояния массива пород в классическом его применении по схемам просвечивания и профилирования следует отнести интегральность описания характеристик массива, распространяя его на всю базу измерений от источника до приемника сейсмической волны, обеспечивая низкое разрешение получаемых скоростных разрезов (до 10м и более), что явно не удовлетворяет современным требованиям геомониторинга состояния массива и требованиям горных инженеров. Совершенствование сейсмического метода для повышения детальности сейсмических разрезов связано с развитием направления сейсмической томографии.

Как направление, отечественная сейсмическая томография, как метод поисков и разведки, развивается в течение последних двадцати лет, начиная с работ Богданова М.С., Шляхтера Е.С., Карасика В.И., Ефимовой Е.А., Рудерман Е.Н. и Кьяртанссона Э. и др. Теоретические ее основы берут истоки в классических работах, посвященных полям времен, академика Пузырева Н.Н. хотя современный математический аппарат в большей степени опирается на преобразование Радона, лежащее в основе рентгеновских, магниторезонансных и ультразвуковых промышленных томографах, используемых ныне в самых различных прикладных областях.

Метод сейсмической томографии рассматривается как средство эффективного изучения земных недр в сейсмологии с помощью сейсмических волн применительно к самому широкому кругу геологических задач. Однако, наибольшая эффективность может быть обеспечена при изучении таких геологических объектов, размеры которых меньше базы наблюдений, или так называемых локальных неоднородностей (ЛН) геологического разреза. С использованием результатов исследований Колонина А.Г., Романова М.Е., Николаева А.В., Дитмара П.Г., Рослова Ю. В., Яновской Т.Б. и других разработан целый ряд программных продуктов для томографической обработки сейсмических данных («Геотомо», «Firstomo», «Х-Томо» и др.).

Расширение области применения методов сейсмотомографических исследований для решения задач контроля состояния массивов пород и грунтовых сооружений является достаточно новым развиваемым направлением. Интерпретация получаемых в сейсмотомографических разрезах распределений скоростей сейсмических волн при контроле динамики зон разуплотнения массива также нуждается в дополнительных критериях оценки.

Надежность оперативных геофизических методов при решении задач мониторинга состояния технически сложных объектов обеспечивается включением в комплекс методов мониторинга и прямых (опорных) методов измерений. Например, при контроле параметров нарушенной зоны вокруг выработок сейсмическим методом, для проверки проводят измерения мощности нарушенной зоны от контура выработки реометрическим методом (метод воздушных нагнетаний). На стадии поэтапного раскрытия сечения сооружения эти данные используются для оптимизации параметров крепления, паспортов БВР, оценки динамики параметров приконтурного массива в процессе проходки выработок. Использование прямых методов может носить локальный характер, но в ряде случаев, например, при возникновении необходимости контроля деформационных процессов по границам структурных блоков, отвечающих за устойчивость обнажений, необходима организация и долговременных наблюдений.

Адаптация методов горной геофизики для контроля состояния грунтовых ГТС также является одной из проблем геофизического мониторинга опасных и технически сложных объектов. Основными задачами натурных наблюдений являются: комплексное изучение основных показателей их работы, проверка соответствия этих показателей проектным значениям, критериям безопасности, и нормативным требованиям, объективная оценка эксплуатационной надежности и безопасности сооружений. Для решения указанных задач гидротехнические сооружения оснащаются контрольно-измерительной аппаратурой (КИА). В проектах плотин I-III классов соблюдение требований по установке КИА для проведения натурных наблюдений и исследований является обязательным. На плотинах IV класса инструментальные наблюдения проводятся при соответствующем обосновании. Следует отметить, что решение перечисленных эксплуатационных задач, может быть обеспечено только при кондиционности состояния самих грунтов, вмещающих сооружение, поэтому контроль состояния грунтов также является важнейшей задачей геомониторинга.

В составе контрольных натурных наблюдений на грунтовых плотинах должны проводиться систематические визуальные наблюдения с целью фиксирования различных дефектов, явлений и процессов, влияющих на надежность сооружения.

Натурные наблюдения должны быть систематическими и обладать высокой оперативностью получения информации. К числу основных традиционных методов и КИА при мониторинге состояния плотин, можно отнести следующие:

- КИА для контроля фильтрации (трубные пьезометры для наблюдения за положением поверхности депрессии, смотровые колодцы, канавы и пр.);

- КИА для измерения осадок и смещений плотины и основания (нивелирование по поверхностным высотным маркам, наблюдения за послойными осадками с помощью глубинных марок, деформометров типа ПЛПС-320);

- КИА для контроля напряженно-деформированного состояния плотины (деформометры ПЛПС).

Следует отметить, что используемая штатная КИА гидротехнических сооружений и сами методы определений, в основном, сосредоточены на локальных, точечных определениях и очень часто получаемая с их помощью информация является недостаточной для описания поведения всей плотины. Большинство КИА является встраиваемой в сооружение еще на стадии его строительства и любые выходы аппаратуры из строя, как по срокам службы, так и по техническим причинам, представляет собой трудную задачу по ее восстановлению. Например, простое заиливание, колиматация пьезометров, порой приводит к неверным показаниям и, как следствие, необходимости перебуривания пьезометрических скважин.

Грунтовые плотины ГТС являются протяженными сооружениями (до 1 км и более), а необходимость выявления локальных потенциально опасных по устойчивости участков внутри тела плотины, требует получения информации о состоянии всех ее участков.

Важной проблемой мониторинга состояния грунтов ГТС, обусловленной требованиями строительных норм, является разработка методов оперативного контроля технологического уплотнения грунтов в процессе отсыпки. Сегодня проблема решается использованием прямых методов отбора шурфов, выкапывания калиброванных котлованов, лабораторными определениями плотностей грунтов, что является довольно трудоемким и не в состоянии оценить фактические характеристики грунтов по всему сооружению. что является реальной задачей геофизических методов.

Таким образом, многолетний опыт эксплуатации гидротехнических сооружений свидетельствует о том, что мониторинг состояния грунтовых плотин не должен ограничиваться возможностями регламентированных методов контроля и штатной аппаратурой. В этой связи, задача правильного выбора и использования наиболее оптимального для решения конкретных задач мониторинга метода является достаточно актуальной.

Как показывает практика эксплуатации сооружений из грунтовых материалов, наиболее частые нарушения связаны с фильтрационными и суффозионными процессами (повышение водопроницаемости вследствие образования трещин, растворения, оттаивания, суффозии, развитие провалов, воронок и т.п.). В этих случаях для организации мониторинга состояния сооружения привлекаются геофизические методы (электрометрические, сейсмоакустические, радиоизотопные).

На сегодняшний день, наиболее перспективным методом, позволяющим на больших базах оценивать состояние и физико-механические характеристики грунтов признан сейсмический метод. Относительно низкие значения скоростей продольных сейсмических волн в грунтах (0.2-2.0 км/с), создают предпосылки к снижению эффективных баз профилирования и просвечивания тела плотин, а значительный контраст с аналогичными скоростями скальных оснований плотин, позволяют надежно отслеживать протяженные границы. В то же время, совершенствование сейсмического метода для целей контроля грунтовых сооружений, связанное с повышением детальности сейсмических разрезов, разработкой критериев состояния вмещающих грунтов позволяющего выявлять зоны разуплотнения грунтов, является весьма актуальной задачей.

Общность проблем и требований предъявляемым к технически сложным объектам, ставят задачу разработки единого методического подхода к мониторингу их состояния. Учитывая это, при контроле таких важнейших показателей состояния как напряженно-деформированное состояние, физико-механические свойства, нарушенность пород, влагонасыщение грунтов, возникает необходимость совершенствования геофизических методов и разработки комплекса критериев оценки. В связи с этим, необходим комплексный подход, при котором оцениваются изменения не по одному критерию, а по нескольким сразу.

Представленный обзорный анализ наглядно демонстрирует проблемы и основные требования к методам контроля состояния БПС и грунтовых сооружений при организации геофизического мониторинга на объектах.

Основные результаты диссертационных исследований отражены в научных положениях, выносимых на защиту.

1. Использование разработанных геофизических критериев оценки нарушенности пород (В_е, К) и метода сейсмической пространственно-временной томографии (СПВТ) оценки состояния массива, позволяет осуществлять районирование массива пород по категориям нарушенности.

Нарушенный массив характеризуется снижением своей удельной энергии по сравнению с монолитным. Если в качестве удельной (на единицу объема) энергии породного массива принять величину (где массовая плотность, кгс²/м⁴, V_p скорость продольной волны, м/с), то величина будет характеризовать степень изменения удельной энергии объема реального массива по сравнению с его монолитным состоянием. Учитывая, что плотность одних и тех же пород в условиях массива и в виде монолитной отдельности практически одинаковы, то указанная степень изменения может быть представлена геофизическим показателем нарушенности массива вида:

(1)

где - геофизический показатель нарушенности массива;

Рис. 1. Результаты натурных определений проницаемости К_пр и геофизического показателя трещиноватости скального массива В_е.

V_p0, V_pi - скорости продольных волн в монолитном и реальном нарушенном массиве, соответственно.



Корреляция разработанного геофизического показателя В_е с фактической трещинной проницаемостью приконтурного массива пород, оцененной прямыми наблюдениями реометрическим методом, как видно из приведенного графика рис.1 (коэффициент корреляции составляет 0.71) свидетельствует об объективности геофизического показателя.

Оценка категории нарушенности по геофизическому показателю В_е на практике показала свою работоспособность. В то же время, как было упомянуто ранее, рост количества трещин на 1 погонный. метр скального массива является не единственным фактором, снижающим скорости продольных волн в массиве. Учет изменения свойств заполнителя трещин при мониторинге состояния массива предлагается производить с использованием параметра отношения скоростей (V_s/V_p) в массиве, где V_s - скорость поперечной волны. Этот показатель характеризует коэффициент Пуассона среды м, являющийся характеристикой состояния и деформируемости среды. Анализ экспериментальных данных позволил установить, что в целом при формировании физических свойств нарушенных горных пород повышенной трещиноватости коэффициент Пуассона существенно повышается. качестве примера на рис. 2 приведен график изменения коэффициента м и отношения м_i/м₀, где м_i и м₀ - коэффициенты Пуассона в нарушенном и сохранном массивах, соответственно, от скорости продольной волны. Из приведенного графика видно, что в нарушенных массивах (в области низких значений скоростей V_p, кривая 2) коэффициент Пуассона может в 1.5 раза превышать аналогичный для сохранного массива.



Рис. 2. Изменчивость коэффициента Пуассона (1) и отношения м_i/м₀ (2) от скорости продольной волны.

Таким образом, использование двух предложенных геофизических критериев оценки состояния массива В_е и я , позволяет оценивать нарушенность массива и устанавливать причины снижения его устойчивости: или ввиду роста удельной трещиноватости, или ввиду изменения свойств заполнителя трещин. Это имеет большое практическое значение при назначении технологических укрепительных мероприятий для обеспечения необходимой устойчивости массива пород. Номограмма оценки категории нарушенности массива, построенная по аналогии с классификацией по трещиноватости, получена на обширном экспериментальном материале скальных массивов Кольского полуострова и Южного Урала, приведена на рис. 3. Иллюстрация возможностей предложенных критериев при диагностике динамики состояния, выраженной тремя причинами: ростом количества трещин на метр (категории трещиноватости), ослаблением сцепления межтрещинных контактов при стабильной трещиноватости массива (снижение прочностных свойств заполнителя трещин) и консолидацией трещин, упрочнением массива (смыкание трещин по действием напряжений) по трендам геофизических показателей в процессе мониторинга демонстрируется таблицей 1.



Рис. 3. Номограмма оценки категории нарушенности массива по комплексному геофизическому показателю.

Таблица 1.Оценка причин динамики состояния массива пород по изменениям (grad) геофизических показателей нарушенности

Геофизические показатели нарушенности массива	Вероятные причины динамики состояния массива пород
Ве	К	Рост трещиноватости массива	Снижение прочности межтрещинных контактов	Консолидация массива
Trend (Be) > 0	Trend K=0	+	-	-
Trend (Be) > 0	Trend K > 0	+	+	-
Trend (Be) = 0	Trend K > 0	-	+	-
Trend (Be) < 0	Trend K = 0	-	-	+
Trend (Be) < 0	Trend K < 0	-	-	+

Определяемые в натурных условиях геофизические показатели В_е и К вполне приемлемы и для оценки устойчивости массива пород на основе их взаимосвязи с известными показателями трещиноватости пород.

Повышение детальности сейсмических разрезов достигается использованием принципов сейсмической томографии. Наиболее часто используемый тип данных - относительные задержки сейсмической волны в обследуемой среде. На этом принципе и строится разработанная методика структурной пространственно-временной томографии (СПВТ) скального массива и грунтовых гидро-технических сооружений. Используя разработанные геофизические показатели нарушенности массива В_е и К, современную цифровую многоканальную сейсмоаппаратуру, а также известные на сегодня и хорошо себя зарекомендовавшие пакеты программ томографической обработки сейсмических данных «Firstomo», «Х-Томо», методика СПВТ позволяет выполнять районирование массива по категориям нарушенности, а также прослеживать их динамику состояния во времени или под воздействием различных факторов. В действующей версии «Х-Томо» рассматриваются либо проходящие рефрагированные волны, либо вторичные волны, порожденные сейсмическими горизонтами: отраженные и головные.

Рис. 4. Схема измерительного полигона (фрагмент уступа).

В качестве иллюстрации возможностей выявления контрастных нарушенных зон в скальном массиве и районирования массива по категориям нарушенности по геофизическому показателю нарушенности В_е приведены результаты сейсмотомографического контроля участка борта железорудного карьера Ковдорского ГоКа. Категории нарушенности массива оценивались при отработке паспортов буро-взрывных работ при постановке вертикальных бортов карьера.

Натурные измерения методом сейсмической томографии (с использованием 24канальной цифровой сейсмостанции «McSeis160») были выполнены на одном из уступов карьера. Схема измерительного полигона длиной 44 м показана на рис. 4. На породном уступе размещены 12 сейсмоприемников с шагом 4 м, три сейсмоприемника помещены в забои скважин №1 глубиной 14.5 м, №2 глубиной 17.5 м и №3 глубиной 17.5 м (скважины были заполнены водой). Возбуждение сейсмической волны осуществлялось ударным способом. В результате кинематического моделирования с использованием пакета программ «Х-Томо» рассчитана оптимальная синтетическая скоростная модель участка массива слоистая среда с линейным изменением скорости в каждом слое. Томограмма распределения геофизического показателя нарушенности В_е, рассчитанного рпо соотношению (1), приведена на рис. 5.

Рис.5. Категорирование участка массива по степени нарушенности по геофизическому показателю В_е.

Как видно из рисунка, в приповерхностной зоне отчетливо наблюдается зона интенсивно разрушенной породы (I категория нарушенности) мощностью 1.5 3.5 м, причем местами полностью отражающая схему размещения отбойных скважин. С учетом зоны, соответствующей II категории по трещиноватости, общая глубина приповерхностного слоя интенсивно разрушенных пород составляет от 2.02.5 до 3.54.0 м. Полученные данные хорошо согласуются с данными приповерхноcтного натурного обследования реометрическим методом.

2. На основе оценки блочности массива по частотному показателю F спектра сейсмического сигнала, установлено, что в зоне влияния техногенных вибраций происходит ослабление структурных связей отдельных блоков пород, снижающее устойчивость массива, при этом наиболее опасным является диапазон частот 30-90 Гц, характерный для отдельных блоков пород размерами 1.5-4 м.

Установленная взаимосвязь поперечных размеров структурных отдельностей массива с частотами их собственных колебаний расширяет возможности методики оценки нарушенности массива. Частота собственных колебаний твердого объекта, обладающего упругими свойствами, обратно пропорциональна его поперечному размеру (f₀ ~ 1/h). Тогда, теоретически, более мелкая отдельность породы (блок) обладает более высокой частотой собственных колебаний, и наоборот. Это и отражается в форме частотных спектров упругих колебаний сейсмической волны при прохождении через скальный массив.

Амплитуда смещения породной отдельности при динамическом воздействии и частота воздействия связаны известным соотношением:

; (2)

где А_i - расчетная амплитуда колебаний породного блока от нормальной нагрузки при частоте сигнала f _i , мм;

_. - скорость смещения породного блока в частотном спектре f _i , мм/с.

Для динамических нагрузок относительная деформация е блока может быть выражена, как:

(3)

где V_p - скорость распространения продольной волны в породе, м/сек.

Тогда, выражение для линейного размера блока L_i, определяемого как

L_i =А_i/е в функции частоты, составит:

; (4)

Рис. 6. Расчетные величины размера породного блока в зависимости от частоты вынужденного вибровоздействия и свойств среды.

Анализ графиков данной зависимости для различных по свойствам пород массивов рис. 6 демонстрирует возможность оценки размера блока массива исходя из частоты его собственных колебаний, что в свою очередь, дает возможность мониторинга устойчивости состояния приконтурного массива при длительных динамических воздействиях.

Сохранный массив, или массив с плотной «упаковкой» и хорошим качеством межтрещинных контактов отдельных блоков («звенящий» при ударе), как показывает опыт, будет характеризоваться широким спектром колебаний, в том числе и в области высоких частот.

При оценке относительной трещиноватости массива с использованием частотных спектров сейсмических колебаний прошедших через массив, рис. 7 при широкополосном воздействии, например при единичном ударном воздействии, информативными показателями являются:



Рис.7. Амплитудно-частотная характеристика прошедшего через массив сигнала

- преобладающая (опорная) частота спектра (пик АЧХ с наибольшей амплитудой), принимаемого сигнала f₀. Эта частота характерна для наиболее сохранных, крупноблочных участков массива, преобладающих на базе измерений;

- коэффициент F, характеризующий рост частот спектра при росте степени трещиноватости и снижении качества контактов, F = f_i/f₀, где f_i- частота, соответствующая последeдующему регистрируемому пиковому значению сигнала, вплоть до f_max.

Накопленный опыт контроля позволяет ранжировать массив по показателю F по трем категориям: F = 1-1.5 - сохранный, слаботрещиноватый массив; F = 1.6-1.9 - среднетрещиноватый массив; F > 2.0 - сильнотрещиноватый массив.

Исследованиями влияния вынуждающих динамических вибронагрузок на состояния вмещающегл массива машинного зала подземной Верхне-Туломской ГЭС ОАО «ТГК-1», по геофизическим критериям В_е и К методом СПВТ установлен рост нарушенности массива в ближней зоне влияния вибраций. Он проявился в ослаблении межблоковых связей и снижении устойчивости массива с категории «устойчивый» до категории «средней устойчивости». Амплитудно-частотные характеристики вибраций в стенках машинного зала и частоты собственных колебаний отдельностей массива по данным выполненный измерений на двух разных участках представлены на рис. .

Как видно из полученных данных, рис. 8, вынужденные колебания блоков (а, б) в точках 1 и 5 фиксируются с преобладающими частотами 38 Гц и 100 Гц, соответственно. Эти частоты близки по величинам частотам собственных колебаний этих блоков, рис.8 в, г. Возникающие резонансные явления, даже при достаточно малых амплитудах смещений блоков, создают негативные явления от вынужденных колебаний породных блоков по их границам, снижают жесткость их закрепления в массиве с опасностью возникновения зон разуплотнений внутри массива и даже потери устойчивости на обнажениях выработок, тем более, что границы блоков в массиве представлены, в основном, трещинами отрыва. Снижение устойчивости массива на данных участках машинного зала подтверждены также длительным деформационным мониторигом по границам структурных нарушений массива. Размеры отдельностей массива, в наибольшей степени подверженные влиянию вибронагрузок машинного зала, согласно рис. 8 и результатам непосредственных замеров блоков в массиве пород составляют 1.5-4м.

3. Применение сейсмотомографических измерений для оценки состояния грунтов в теле гидротехнических сооружений с использованием закономерностей изменения скоростей упругих волн, позволяет выполнять оперативный контроль степени их уплотнения, а по установленному градиенту изменения скоростей продольных волн в глубь плотин оценивается пространственное расположение границ водонасыщенных грунтов.

Особенности использования метода СПВТ для оценки состояния грунтов плотин гидротехнических сооружений определяются существенными различиями свойств грунтов от аналогичных характеристик скальных пород. Это, в первую очередь, различия закономерностей изменения скоростей упругих волн под действием различных факторов. Ключевой зависимостью при контроле состояния грунтовых плотин является зависимость, представленная на рис.9. Рост скорости продольных сейсмических волн с глубиной от гребня плотины к основанию обусловлен смыканием пор с ростом уплотнения грунта под собственным весом и под действием технологии уплотнения при возведении.

Рис. 9. Характер изменения скорости продольной волны в глубь грунтовой плотины

На основе использования метода СПВТ предложена оперативная методика оценки уплотнения грунтов в технологическом цикле строительства гидротехнических сооружений. Контроль проектных величин коэффициента уплотнения m выполняется по анализу фактических скоростей сейсмических продольных и поперечных волн в разрезах (скоростных томограммах) сооружений, согласно выражению:

(5)

где с_i, с_max- текущее и максимально достижимое при технологии значения плотности сухого грунта; V_pi, V_{p max}- текущее и максимальное значения скоростей продольной волны в грунте; в - эмпирический коэффициент, определяемый из лабораторных испытаний вмещающих грунтов.

Величины максимально достижимых значений плотностей грунта и скорости V_{p max} в методике определяются аналитико-экспериментальным методом, исходя из минимальной пористости грунта и, в обязательном порядке, проверяются измерениями на специально оборудованном эталонном по уплотнению блоке грунта. Влияние увлажнения грунтов на распределения скоростей сейсмических волн на томограммах учитывается по соотношению скоростей поперечной и продольной волн V_s/V_p, определяющих коэффициент Пуассона грунтов. По экспериментальным данным для каменно-грунтовых сооружений разработана классификация грунтов по увлажнению, исходя из предложенных показателей, рис. 10.

Рис. 10 . Классификация грунтов по увлажненности

Степень увлажнения грунтов может быть оценена представляя грунт трехкомпонентной средой (твердая, жидкая и газообразная компоненты, соответственно, объемным содержанием _т , _ж и _г). Учитывая, что основным компонентом насыпных грунтовых плотин является твердый компонент, который можно идентифицировать с определенным типом породы, определяется _зап = _ж + _г исходя из соотношения:

; (6)

где с_п(экв)., с_п - эквивалентная плотность грунта, определяемая по томограмме измеренных скоростей продольных волн в грунте и плотность твердой компоненты грунта (породы), соответственно; V_p0, V_п - то же для скоростей продольных волн.

Увлажнение грунтов способствует росту скоростного градиента (кривая 1 рис. 9). Водонасыщение грунтов определяет довольно четкую границу, отделяющую область аэрации от области водонасыщения, выражающейся в наличии точки перегиба кривой рис.9. При этом наблюдается резкое возрастание скорости упругих сейсмических волн. Для плотин Кольского полуострова величина градиента скорости продольной волны на границе депрессии в теле плотины составляет 60-65%. Для идентификации и построения границы депрессии плотин, исходя из полученных данных, разработана компьютерная программа построения границ на томограммах скоростей сейсмических волн в теле плотины. На рис.11 приведен пример реализации программы для плотины ГЭС-3.

Используя разработанную методику оценки состояния грунтов гидротехнических сооружений по корреляционным соотношениям «плотность грунта - скорость сейсмической волны», появилась возможность сопоставления важнейших характеристик вмещающих грунтов сооружений, определяющих их состояние.



Рис.11. Томограммы скоростей V_p в теле плотины ГЭС-3 по трем продольным профилям плотины

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

геомеханический гидроэнергетика контроль сооружение

В данной квалификационной научной работе решается задача развития методических основ мониторинга состояния при строительстве и эксплуатации большепролетных подземных сооружений и объектов гидроэнергетики. Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. Для решения задач геомеханического мониторинга состояния массива методом СПВТ, разработаны критерии оценки нарушенности пород (В_е, К, F), совместное использование которых учитывает не только трещиноватость пород, но и качество межтрещинных контактов. Это позволяет осуществлять районирование пород массива по категориям нарушенности с установлением адекватных причин изменения состояния массива и принимать эффективные технологические решения по его укреплению.

2. Предложенный комплекс методов геомеханического мониторинга состояния массива большепролетных подземных сооружений, включающий метод СПВТ, реометрический метод, метод контроля деформаций массива, внедрен на объектах ФГУП УС-30 и ОАО «ТГК-1».

3. Адаптированная к условиям грунтовых ГТС, методика сейсмической томографии (СПВТ), позволяет эффективно выявлять зоны разуплотнения, намокания грунтов, снижая вероятность возникновения аварийных ситуаций на ГТС. Результаты геомеханического мониторинга состояния грунтовых плотин Кольского полуострова использованы при составлении деклараций безопасности гидротехнических объектов и разработке технологических мероприятий по их ремонту.

4. Разработана методика оперативного контроля качества уплотнения грунтов сейсмотомографическим методом. Методика внедрена в технологический регламент строительства открытой площадки длительного хранения отработанных реакторов атомных подводных лодок в Сайда-Губе на побережье Баренцева моря, дамб хвостохранилищ ОАО «Апатит» и Горно-обогатительного комбината «Олений ручей».

5. В результате геомеханического мониторинга состояния подземных сооружений Верхне-Туломской ГЭС методами СПВТ, путем контроля деформаций и конвергенции БПС, установлено, что длительное воздействие техногенных вибронагрузок на приконтурный массив, совместно с воздействием процессов выветривания, ослабляя межблоковые связи массива, снижает его устойчивость. Установлены размеры структурных блоков, в наибольшей степени подверженные влиянию вибронагрузок. Для ослабленных участков массива, на основе результатов мониторинга, разработаны и внедрены технологические регламенты по их укреплению.

6. По результатам внедрения результатов исследований, получено 9 актов внедрения на предприятиях ФГУП УС-30, филиал «Кольский» ОАО «ТГК-1», РНЦ «Курчатовский институт», ОАО «КоСам»,ЗАО «СЗФК». Экономический эффект составил 10.5 млн. рублей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Мельников Н.Н., Епимахов Ю.А., Абрамов Н.Н. Научные основы интенсификации возведения большепролетных подземных сооружений в скальном массиве, - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2008, - 226с.

2. Гущин В.В., Епимахов Ю.А., Абрамов Н.Н. и др. Скоростное строительство подземных комплексов в скальных массивах.- Апатиты, 1992, 146с.

3. Фокин В.А., Абрамов Н.Н., Кабеев Е.В. Инструментальное изучние глубины техногенных нарушений при скважинной отбойке горных пород на карьерах. Горный журнал, №2, 2004, с.49-51.

4. Епимахов Ю.А., Абрамов Н.Н.,., Кабеев Е.В., Антипов А.Г. Опыт эксплуатации подземного водонапорного тоннеля Верхне-Териберской ГЭС., Гидротехническое строительство, №8, 2003, с 16-19.

5. Епимахов Ю.А., Абрамов Н.Н., Кабеев Е.В., Оценка устойчивости подземных гидротехнических тоннелей Борисоглебской ГЭС, Гидротехническое строительство, №9, 2006, с.16-18.

6. Фокин В.А., Абрамов Н.Н., Кабеев Е.В., Антипов А.Г. Интерпретация данных сейсмической томографии с целью определения поверхности депрессии грунтовых плотин. Гидротехническое строительство, №7, 2002, с.37-39.

7. Фокин В.А., Абрамов Н.Н., Кабеев Е.В. Методика обработки данных сейсмической томографии грунтовых плотин, Гидротехническое строительство, № 4, 2003, с. 9-11.

8. Абрамов Н.Н., Кабеев Е.В., Антипов А.Г. Использование метода сейсмической томографии при мониторинге состояния грунтовых плотин. Гидротехническое строительство, № 9, 2001,с.34-38.

9. Абрамов Н.Н., Кабеев Е.В. Методическое обеспечение работ по оценке состояния грунтовых плотин Кольского полуострова, Гидротехническое строительство, №8, 2004, с.7-11.

10. Абрамов Н.Н., Кабеев Е.В., Снежкова Е.Е. Геофизические методы мониторинга намывных хвостохранилищ в ОАО «Апатит», Горный журнал, № 1, 2006, с. 74-77.

11. Абрамов Н.Н., Снежкова Е.Е. Сейсмотомографическое изучение внутренней структуры дамбы хвостохранилища ОАО «Апатит», Горный журнал, №12, 2007, с. 39-42.

12. Абрамов Н.Н. Опыт оценки качества уплотнения насыпных грунтов геофизическими методами. Гидротехническое строительство, № 3, 2008, с. 39-41.

13. Конухин В.П., Абрамов Н.Н. Геофизический контроль при создании долговременного хранилища реакторных отсеков в Арктике, Известия РАН, Энергетика, №6, 2009, с. 110-120.

14. Абрамов Н.Н., Епимахов Ю.А. Влияние эксплуатационных факторов ГЭС на состояние вмещающего массива гидротехнических тоннелей, Гидротехническое строительство, №1, 2010, с.14-18.

15. Абрамов Н.Н., Епимахов Ю.А. Оценка состояния массива пород большепролетных подземных сооружений в процессе их длительной эксплуатации. Вестник МГТУ, т. 12, №4, г. Мурманск, 2009 г., с. 591-596.

16. Абрамов Н.Н., Кабеев Е.В. К вопросу об интерпретации результатов метода сейсмической томографии при мониторинге скальных массивов. Горный информационно-аналитический бюллетень., №8, 2002, с.103-106.

17. Абрамов Н.Н. Использование методов сейсморазведки при оценке качества уплотнения насыпных грунтов. Технологии сейсморазведки, Москва, № 2, 2009, с. 109-112.

18. Абрамов Н.Н., Епимахов Ю.А. Сейсмический контроль состояния подземных гидротехнических сооружений, Технология сейсморазведки, № 3, 2010, с. 95-99.

19. Абрамов Н.Н., Епимахов Ю.А. Геофизический мониторинг при строительстве и эксплуатации объектов горно-промышленного комплекса и гидроэнергетики. - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2010.- 177 с.

20. Абрамов Н.Н., Епимахов Ю.А., Савельев В.В. Роль эксплуатационных факторов в формировании состояния скального массива большепролетных подземных сооружений, Горный журнал, №9, 2010, с. 63-67.

21. Абрамов Н.Н., Епимахов Ю.А. Подход к оценке состояния гидротехнических тоннелей в процессе их эксплуатации. Горный инф.,-анал. бюл., №10, 2010, с. 169-176.

22. Абрамов Н.Н., Епимахов Ю.А., Кабеев Е.В., Антипов А.Г. Результаты натурного обследования водонапорного тоннеля Верхне-Териберской ГЭС в процессе его длительной эксплуатации. Горный информационно-аналитический бюллетень, №4, М., 2003, с.40-42.

...