Прогноз устойчивости откосных сооружений угольных разрезов на основе объемных геолого-геофизических моделей

Разработка угольных месторождений открытым способом неразрывно связана с формированием откосных сооружений – бортов горных выработок и отвалов. В процессе их формирования происходит изменение параметров напряженно-деформированного состояния массива горных пород, увеличивается риск возникновения геомеханических процессов в виде осыпей, обрушений, оползней, оплывин и просадок. Анализ причин нарушения устойчивости бортов разрезов и откосов отвалов показывает, что развитие геомеханических процессов в большинстве случаев приурочено к зонам массивов, имеющим аномальные характеристики по плотности, влажности и прочности. Геомеханическое обоснование параметров откосных сооружений выполняют на основе баз данных, включающих сведения о пространственно-геометрических, инженерно-геологических и гидрогеологических условиях залегания структурных элементов геологической среды путем интерполяции скважинных данных в межскважинном пространстве, полученных прямыми методами изысканий – построением скважинных сетей, что исключает возможность своевременного выявления аномальных зон. В результате факторы, влияющие на возникновение геомеханических процессов, могут быть не выявлены или выявлены частично за счет недостаточной детализации. В настоящее время широкое распространение получили геофизические методы, основанные на взаимосвязи параметров состояния и свойств горных пород с параметрами разного рода физических полей, обеспечивающие необходимую детализацию. Наибольшее распространение нашли методы сейсмического и электромагнитного зондирования с земной поверхности. Классические методики электрических зондирований и профилирований используются для контроля пространственно-временных изменений свойств прибортового массива, диагностирования формирования локальных аномальных зон, прогнозирования свойств глинистых пород в этих зонах. Весьма перспективно развитие электротомографии (многоэлектродного зондирования), обеспечивающего построение двумерных геоэлектрических разрезов. Методы сейсмомониторинга с использованием различных схем измерений, методик и программных комплексов для интерпретации их результатов применяются для оценки деформаций прибортовых массивов, определения физико-механических свойств пород, степени разрушения породных массивов. Накоплен значительный опыт в проведении исследований прямыми и геофизическими методами на угольных разрезах, наработаны информативные базы данных, функционируют системы непрерывного геомониторинга, разработаны программные комплексы для автоматизированного прогноза процессов оползнеобразования откосов. Вместе с тем, точность прогноза устойчивости откосных сооружений угольных разрезов остается недостаточной по следующим причинам: не разработаны методы количественной интерпретации результатов геофизических зондирований, обеспечивающие построение объемных геолого-геофизических моделей (ОГГМ) бортов разрезов; не обоснованы принципы автоматизированного выбора наиболее опасного сечения в объемной постановке; не изучены особенности применения ОГГМ для прогноза устойчивости откосных сооружений естественного сложения и техногенных. Таким образом, актуальным является развитие методов прогноза процессов оползнеобразования откосных сооружений в объемной постановке. Цель работы – обоснование и разработка методики прогноза устойчивости откосных сооружений угольных разрезов на основе ОГГМ, обеспечивающей повышение точности оценки вероятности оползнеобразования для безопасного ведения горных работ и снижения затрат на предотвращение технологических аварий. Основная идея работы заключается в объединении в объемной цифро-вой модели баз данных маркшейдерско-геодезических измерений, инженерно-геологических изысканий, гидрогеологического мониторинга и геофизических зондирований, разработке на этой основе алгоритмов построения расчетных сечений и автоматизированного поиска наиболее оползнеопасных участков откосного сооружения. Таким образом, под ОГГМ понимают базу цифровых данных, объединяющую результаты инженерно-геологических изысканий, маркшейдерских измерений, геофизических зондирований, необходимую и достаточную для автоматизированного прогноза устойчивости откосных сооружений угольных разрезов. Объект исследований – прибортовые массивы горных выработок и отвалов угольных разрезов, сложенные природными песчано-глинистыми, дисперсными мягкими связными и техногенно перемещенными дисперсными рыхлыми породами. Предмет исследования – процессы оползнеобразования в откосных сооружениях (бортах) угольных разрезов, взаимосвязанные с неоднородностью физических свойств слагающих их горных пород. Основные задачи исследований: совершенствование методов обработки баз данных геофизических зондирований, разработка алгоритмов прогноза устойчивости откосных сооружений на основе объемных геолого-геофизических моделей; исследование особенностей прогноза устойчивости откосных сооружений естественного сложения; исследование особенностей прогноза устойчивости откосных сооружений техногенного сложения; разработка и реализация методики прогноза устойчивости откосных сооружений угольных разрезов на основе объемных геолого-геофизических моделей. Методы исследований: ретроспективный анализ методов исследований состояния и свойств прибортовых массивов и прогноза их устойчивости; метод статистических испытаний ("Монте-Карло") при обработке данных геофизических зондирований; методы формирования триангуляционной модели прибортового массива, построения вероятной поверхности скольжения, расчета устойчивости откосного сооружения векторным сложением сил; обратные геомеханические расчеты при прогнозе свойств деформированных массивов; методы разработки циклических алгоритмов обработки баз данных, геомеханических расчетов и их реализации в программных продуктах.