GEORADAR RESEARCH OF AN ENCLOSING DAM AT A MINING WASTE ALLUVIAL STORAGE FACILITY

Горнодобывающие предприятия в западной части российского сектора Арктики представлены большим количеством объектов складирования намывных отходов горного производства, таких как хвостохранилища, которые являются потенциально опасными. Изучение структуры и состояния пород и грунтов этих объектов — это ключевой элемент в вопросах эффективности и безопасности функционирования горнопромышленного предприятия. Только за последние пять лет произошло несколько крупных аварий на насыпных гидротехнических сооружениях, где 31% всех аварий это результат локального выхода воды [1], [2], [3].

Использование геофизических методов обследования позволяет получать оперативную информацию о структурных особенностях сооружения и степени водонасыщенности слагающих их грунтов [4], [5], [6]. Существование большого количества методов геофизики свидетельствует об отсутствии какого-то одного стандартного метода, способного обеспечить оперативное и качественное получение требуемой информации о структуре насыпных сооружений. Одним из оперативных методов изучения геолого-структурного строения массива скальных пород является георадарное зондирование, позволяющее исследовать изменение физических свойств в массиве пород и грунтов [6]. Опыт применения для изучения физических свойств пород месторождений Урала, Сибири, Дальнего Востока и западной части Российского сектора Арктики показывает, что неразрушающее подповерхностное георадарное обследование может эффективно использоваться для изучения насыпных сооружений, включая гидротехнические [6]. В свою очередь стоит отметить, что отсутствие обоснованных параметров обеспечивающих идентификацию водонасыщеных зон в теле насыпных сооружений, зачастую приводит к субъективной интерпретации и как следствие к ошибочным выводам. Комплексирование геофизических методов хоть и повышает качество получаемой информации, но и приводит к значительным трудозатратам с удорожанием работ [7]. Теряется такой значимый элемент в исследовании как оперативность, с возможностью получения информации в режиме in-situ (на месте). Использование уже полученных данных и закономерностей при комплексировании визуальных, сейсмических и георадарных исследований [8], [9], [10] на схожих объектах для целей выявления водонасыщеных зон в грунтовых гидротехнических сооружениях может применяться и на других объектах такого профиля. На наблюдательном полигоне насыпной дамбы хвостохранилища для локализации зон водонасыщения и намокания грунтов выполнено георадарное исследование. Для георадарного исследования использовался комплекс RAMAC шведского производства компании Mala, оснащенного экранированной антенной 100 МГц, которая позволяет производить зондирование на глубину до 20 метров.

Целью данной работы является уточнение внутренней структуры ограждающей дамбы на объекте складирования намывных отходов горного производства и локализации зон различного водонасыщения грунтов. Новизна проведенных георадарных исследований заключается в использовании количественных показателей для категорирования грунтов по их свойствам и водонасыщению по параметрам скорости электромагнитной волны V.

Как известно, основным параметром для определений и интерпретации структуры и состояния грунтового гидротехнического сооружения георадиолокацией, является скорость распространения электромагнитных волн [6]. Скорость распространения электромагнитных волн V в среде напрямую связана с действительной частью комплексной относительной диэлектрической проницаемости среды [11], [12]:

(1)

где с - скорость света в вакууме, ε- действительная часть относительной комплексной диэлектрической проницаемости массивов пород.

Поэтому одним из основных физических свойств пород и грунтов, определяемых георадиолокацией, является их диэлектрическая проницаемость ε. Диэлектрическая проницаемость грунтов напрямую связана с их влажностью, и, на сегодняшний день получен ряд эмпирических выражений, определяющих эту связь. Например, для осадочных пород эмпирическая взаимосвязь диэлектрической проницаемости и влажности, в диапазоне изменения влажности от 3 до 45%, имеет вид [11]:

(2)

для сред с большой влажностью:

(3)

где: Wоб - объемная влажность, W-весовая влажность.

При этом под весовой влажностью понимается процентное отношение веса влаги, содержащейся в образце влажного материала, к весу того же образца, высушенного до постоянного веса. В свою очередь, объемная влажность является процентным отношением объема влаги, содержащейся в образце материала, к объему образца.

Из приведенных эмпирических выражений следует, что повышение влажности грунтов приводит к увеличению значений диэлектрической проницаемости. Таким образом, в георадиолокации признаком роста влагонасыщения грунтов является увеличение определяемых значений ε, что в свою очередь, отражается в падении скорости электромагнитной волны. Вместе с тем вследствие сложности получения распределенных скоростных данных георадарного зондирования, их интерпретация в подавляющем большинстве случаев производится на основе детального анализа волнового поля: амплитудных, частотных и фазовых характеристик электромагнитного сигнала [13].

На рис.1 представлена радарограмма в стандартной обработке данных георадарного зондирования участка ограждающей дамбы с применением программы RadExplorer. Обработка георадиолокационных данных в общепринятом виде включает в себя удаление постоянной компоненты сигнала, прямой волны, коррекцию амплитуд вследствие расхождения и затухания сигнала, применение специализированных процедур обработки (деконволюция, преобразование Фурье и преобразование Гильберта), что в ряде случаев значительно увеличивает точность определения местоположения зон неоднородностей. Детальный анализ амплитудно-частотных характеристик электромагнитных трасс позволил выявить структурные неоднородности в слагающих дамбу грунтах, а также локализовать уровень грунтовых вод (УГВ). Такого рода интерпретация достаточно субъективна и не позволяет достаточно точно определить, чем вызвано появление этих зон.

Рисунок 1 - Радарограмма участка ограждающей дамбы

DOI:10.23670/IRJ.2022.125.56.1

Применение инновационных технологий обработки данных георадиолокации в программе ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ, а именно, автоматизированного анализа поля обратного рассеяния (ПОР) электромагнитных волн, позволяет существенно улучшить качественные и количественные показатели результирующих параметров. Технология позволяет производить построение разрезов, как в случае наличия отражающих границ, так и в случае непрерывного изменения электрофизических свойств по профилю наблюдений и по глубине [14].

На рис.2 представлена радарограмма построенная с использованием технологии поля обратного рассеяния (ПОР) программы ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ. Как видно из рисунка, такая обработка данных позволяет детализировать радарограмму, что предоставляет возможность увидеть даже незначительные изменения электрофизических свойств дамбы (изменение скорости прохождения электромагнитной волны и диэлектрической проницаемости грунтов).

Рисунок 2 - Радарограмма участка ограждающей дамбы

DOI:10.23670/IRJ.2022.125.56.2

Интерпретация анализируемых результатов выполненных исследований ограждающей дамбы рис.2, позволяет сделать следующие выводы. Приповерхностная зона грунтов дамбы до отметки 1,5-2м, характеризуется начальной высокой скоростью электромагнитной волны V=9,2-9,5 см/нс (плотные сухие грунты), с дальнейшим относительно резким ее понижением локально до V=8,32-7,75 см/нс на отметке 2-8м, что обусловлено, скорее всего, ростом увеличения влажности грунтов. Выделяются три водонасыщеные зоны интервалы расстояний 0-25м, 80-110м и 140-170м на глубине 2-7м., которые в целом коррелируют с данными анализа амплитудно-частотных характеристик сигнала рис.1. Структура грунтов находящихся ниже отметки 8 метров представляет собой плотный массив, без каких либо нарушений. На основе многочисленных натурных георадарных определений, а также синхронизации с сейсмическим методом, выполненных на опытном участке дамбы хвостохранилища схожего по своей структуре, установлены значения диэлектрической проницаемости ε и скорости электромагнитной волны V, которые отражены в таблице 1, категорирование грунтов по водонасыщению георадиолокацией, где I - водонасыщенные грунты, II – грунты увлажненные, плотные, III – грунты плотные, естественной влажности [7], [8]. Таким образом, первые две зоны в интервалах 0-25м, 80-110м отнесены к категории грунтов увлажненных плотных, а зона 140-170м – водонасыщеных. Визуальное обследование показало активный выход воды, который соотноситься с выделенной зоной водонасыщения рис.3в.

Рисунок 3 - Комплексный анализ данных георадарного зондирования:

а - амплитудная форма сигнала; б - параметры волнового поля; в- визуальное обследование

DOI:10.23670/IRJ.2022.125.56.4

В результате комплексного анализа данных рис.3 основных параметров электромагнитного сигнала (амплитуда, фаза, период), параметров волнового поля (скорость распространения электромагнитных волн) георадарного зондирования и визуального обследования уступов дамбы, установлены параметры обеспечивающие идентификацию водонасыщеных зон данного грунтового гидротехнического сооружения георадиолокацией, которые использовались для дальнейшего анализа и интерпретации всех радарограмм.

Анализ волновых картин радарограмм, полученных при проведении исследований подтвердили информативность георадарных определений для выявления наиболее уязвимых участков насыпного грунтового гидротехнического сооружения, а также для обнаружения локализации водонасыщенных зон в грунтах с высокой достоверностью и технологичностью.

На исследуемом участке выявлена зональная фильтрационная неоднородность грунтов и уточнена их структура. Использование методических подходов полученных на объектах такого профиля может успешно применяться для решения такого рода задач.

В результате георадарного исследования ограждающей дамбы на объекте складирования намывных отходов горного производства, установлены параметры обеспечивающие идентификацию водонасыщеных зон с достаточной достоверностью и их количественной и качественной интерпретацией.