Система наблюдательных станций в маркшейдерском горно-экологическом мониторинге

© Б. Гарьдхуу, В.Н. Попов, О.Б. Сильченко, 2012

УДК 622.014, 622.504

Б. Гарьдхуу, В.Н. Попов, О.Б. Сильченко

СИСТЕМА НАБЛЮДАТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЙ В МАРКШЕЙДЕРСКОМ ГОРНО-ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ

Проведен анализ системы наблюдательных станций для детального изучения отдельных процессов изменения состояния окружающей среды. Ключевые слова: наблюдательные станции, опорные и рабочие реперы, плот-ностьи грунта.

Следует различать ближнюю и дальнюю зоны воздействия горных и промышленных предприятий на окружающую среду. Первая ограничивается горным и земельным отводами, а вторая может распространяться на значительные расстояния, достигая иногда десятки и сотни километров [1, 2, 3].

Для установления характера и параметров изменения состояния окружающей среды в различных условиях проводились специальные инструментальные измерения и забор проб для химического анализа, используя с этой целью наблюдательные станции. В зависимости от назначения, конструкции и сроков существования применялись следующие типы наблюдательных станций: долговременные, рядовые, кратковременные и специальные.

Продолжительность существования станций первого типа должна быть не менее трех лет, поэтому реперы на станции этого типа закладывают капитально.

Наблюдательные станции второго типа служат от 1 года до 3

лет.

Срок службы кратковременных станций устанавливается в зависимости от конкретных условий и задач.

Для детального изучения отдельных процессов изменения состояния окружающей среды закладывались специальные наблюдательные станции.

Наблюдательные станции могут быть в виде: профильных линий с опорными и рабочими реперами; прямоугольной маркшейдерской сетки.

Профильные линии наблюдательных станций закладываются в различных горно-геологических условиях и привязываются к маркшейдерско-геодезической опорной сети. Опорные реперы профильных линий должны быть заложены вне зоны воздействия промышленного предприятия на окружающую среду в количестве не менее трех на каждом профиле. Расстояние между рабочими реперами зависит от их расположения на профильной линии. Реперы закладываются так, чтобы была обеспечена безопасность наблюдателя при работе на этих реперах. Расстояние между рабочими реперами изменялось от 30 до 300 м. Расстояние между опорными реперами было не менее 20 м. Конструкция реперов обеспечивала: прочность связи репера с горной породой; сохранность и неизменность положения реперов на весь срок их службы, а также удобство пользования ими;

отчетливость отмеченного центра на головке (полусфере) репера для обеспечения точности наблюдений за сдвижением репера в горизонтальной плоскости;

устойчивость репера в условиях сезонных изменений температуры и влажности пород и промерзания и оттаивания пород.

Для длительного срока службы закладка репера осуществлялась следующим образом: в пробуренную скважину диаметром 160-220 мм, на глубину ниже зоны промерзания на 0,5 м, бетонировался металлический штырь диаметром 20—30 мм. Цементный раствор заливался только в нижнюю часть скважины на 0,4-0,5 м (рис. 1). Верхний конец металлического стержня репера обрабатывался на полусферу, на которую наносился центр в виде отверстия диаметром не более 2 мм и глубиной 4-5 мм. Пространство между стенками скважины и штырем выше бетонной подушки заполнялось песком или шлаком и плотно утрамбовывалось.

Для предотвращения образования ледяной подушки при промерзании в основании репера укладывалось пористое основание из материалов, не обладающих капиллярными свойствами (шлак, крупнозернистый песок и др.).

Для уменьшения влияния на репер сил морозного выпучивания верхний конец штыря репера заглублялся от поверхности земли на глубину 20-30 см. Рис. 1. Конструкция репера длительного срока службы: 1 - сухой песок, шлак; 2 - железный штырь; 3 - бетон

Глубина закладки репера h относительно земной поверхности определялась следующим образом [2]

h=hmax+a+b,

где hmax - максимальная глубина промерзания грунта; а - высота якоря репера (0,4-0,5м); Ь - запас, определяемый величиной возможности ошибки определения глубины промерзания, в сумме с мощностью пористого основания.

Во избежание вертикальных смещений репера за счет деформаций грунта, вызываемых изменением его влажности, глубина закладки реперов была не менее 1,5 м.

На срок службы до 3-5 лет использовались забивные реперы. На рис. 2 показан забивной репер представляющий собой металлический штырь диаметром 25-35 мм, заершенный и заостренный с одного конца; верхний конец штыря обрабатывается на полусферу, на которую наносится центр. Длина таких реперов выбиралась в зависимости от плотности грунта - от 0,7-1,0 м до 1,5 м и более. В насыпных грунтах для повышения прочности закрепления грунтов длину забивных реперов увеличивали до 2,0-2,5 м. В качестве забивного использовался деревянный репер, представляющий собой деревянный кол

диаметром 80-120 мм и длиной 0,5-0,7 м. После того как кол вбит, в его торцевую часть вбивали металлический центр.

Для закладки реперов в скальных породах выбуривалось углубление, в котором бетонировался металлический штырь диаметром 20-30 мм и длиной 30-50 см.

В районе вечной мерзлоты конструкция реперов и глубина их закладки выбирались на основе сведений о влиянии промерзания грунта на устойчивость реперов в данном районе.

После закрепления опорных реперов составлялся подробный абрис их расположения относительно постоянных предметов местности и исходных реперов. Для удобства отыскания опорных реперов около них устанавливались сторожки.

Инструментальные наблюдения на станции заключались в работах по:

- привязке опорных и исходных реперов наблюдательной станции к рудничной маркшейдерской опорной сети к пунктам триангуляции, полигонометрии и нивелирным реперам;

- производству начальных наблюдений для определения исходного положения реперов наблюдательной станции в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

- производству систематических наблюдений за положением реперов для определения их сдвижения.

Привязка исходных и опорных реперов наблюдательной станции в горизонтальной плоскости осуществлялась посредством триангуляции или проложением замкнутых полигономет-

Рис. 2. Тип забивного репера

рических ходов от близлежащих пунктов триангуляции или по-лигонометрии.

Относительная ошибка хода при этом была не более 1:8000 и средняя ошибка измерения углов ±8". Допускалась привязка опорных реперов к одному триангуляционному или полигоно-метрическому пункту путем прокладывания висячего полигоно-метрического хода при условии проложения обратного хода.

Высотная привязка исходных и опорных реперов наблюдательной станции производилась от пунктов триангуляции нивелированием II класса, в соответствии с «Инструкцией по нивелированию I, II, III и IV классов». Нивелирование производилось из середины по башмакам в прямом и обратном направлениях. Невязка прямого и обратного ходов Д^ мм, не должна была превышать величины

где L - длина хода (в одном направлении), км.

Начальные наблюдения на станции заключались в:

- нивелировании реперов наблюдательной станции;

- измерении расстояний между реперами по профильным линиям.

Для определения начального положения реперов наблюдательной станции выполнялись две независимые серии измерений с интервалом 3-5 дней.

Нивелирование реперов по профильным линиям на горизонтальных участках и участках с небольшими наклонами (до 1015°) выполнялось геометрическим способом, а на наклонных участках - тригонометрическим способом. Нивелирование производилось одновременно с измерением длин между реперами.

При геометрическом нивелировании невязка замкнутых ходов Д^ мм не превышала ± 2л/п или , где п - количество штативов, L - длина хода, км.

Для нивелирования реперов наблюдательной станции применялись нивелиры с уровнями на трубе и ценой деления уровня не более 20" на 2 мм при увеличении трубы не менее 25х. Рейки применяются трехметровые, двусторонние, с уровнями.

Нивелирование реперов в каждой серии наблюдений производилось дважды - в прямом и обратном направлениях. Нивели-

рование производилось из середины между связующими реперами с отклонением не более 2—3 м. Расстояние от инструмента до реек было не более 50 м. Рейки устанавливались непосредственно на реперы.

Тригонометрическое нивелирование производилось для определения высотных отметок реперов и горизонтальных про-ложений между ними на участках с большими наклонами.

Измерение расстояний между реперами профильных линий производилось стальными компарированными рулетками длиной не менее 30 м, на весу. Компарирование рулетки производилось через каждые 2-3 серии наблюдений на наблюдательной станции.

Измерение длин производилось с постоянным натяжением (10 кг), определяемым с помощью динамометров, с замером температуры рулетки термистором с точностью до ±1° на каждом измеряемом интервале. Измерение длин в каждой серии производилось дважды - в прямом и обратном направлениях.

В отдельных случаях, когда производство непосредственных измерений длины между реперами затруднительно, для определения смещений реперов применялись тригонометрические методы - прямые и обратные засечки.

Средняя квадратическая погрешность определения положения реперов относительно опорных реперов не должна превышать:

а) в вертикальной плоскости ти, мм (при геометрическом нивелировании): ти = +6у[Ь ;

б) в горизонтальной плоскости тг, мм: т =+_1_ь,

Ь 10000

где Ь - удаление данного репера от близлежащего опорного репера в км.

Маркшейдерская прямоугольная сетка - наиболее рациональный вид наблюдательной станции для оценки влияния горно-технических объектов и промышленного производства на окружающую среду [1]. Сетка представляет собой координатную систему из опорных пунктов, расположенных в вершинах квадратов и прямоугольников. Одновременно сетка служит основой для исполнительных съемок, проводимых

Рис. 3. Схема разбивки строительной сетки осевым способом

в процессе изучения экологических процессов. Пункты маркшейдерской сетки являлись и высотной основой на изучаемых территориях.

Из многолетнего опыта работ по созданию строительных сеток для обеспечения промышленных сооружений установлены следующие требования к их точности:

- погрешность положения соседних пунктов маркшейдерской сетки в относительной мере не должна превышать в среднем 1:10 000, т. е. при длине стороны сетки 200 м ошибки взаимного положения не должны составлять более 2 см;

- значения углов сетки должны быть в пределах 90°±20";

- погрешность положения пунктов в самом слабом месте сетки относительно главной основы не должна превышать 0,2 мм в масштабе плана (т. е. для плана в масштабе 1:500 — не более 10 см).

Основные этапы создания маркшейдерских сеток — это проектирование и вынесение в натуру исходных направлений. При проектировании сетки стремились к тому, чтобы ее угловые пункты не попадали в зону земляных работ и не уничтожались. Для вынесения в натуру проекта маркшейдерской сетки намечали ее исходное (магистральное) направление. Наиболее часто для выноса на местность исходного направления использовались пункты планового геодезического обоснования, расположенные на территории района. По координатам углов сетки и исходных

пунктов на основе решения обратных задач вычислялись необходимые разбивочные элементы для выноса в натуру осевых пунктов сети. Для исключения возможных грубых ошибок предусматривались контрольные определения правильности выноса исходного направления. Применялось несколько способов разбивки сеток. Наибольшее распространение получили два — осевой способ и способ редуцирования.

При осевом способе, основываясь на закрепленных исходных направлениях, размечали и закрепляли на местности два осевых строго перпендикулярных магистральных направления АВ и CD (рис. 3).

Вдоль полученных осевых направлений от центра О откладывались отрезки, равные элементарным сторонам сетки. Эти измерения производились шкаловой лентой с динамометром и учитывались поправки на компарирование, наклон местности и температуру. В конечных точках (И, Ь, d и/) строили прямые углы и продолжали разбивку по периметру. Поскольку в этом способе неизбежно накопление ошибок, то длины сторон иногда несколько отличаются от проектных и не все углы были строго равны 90°. Допущенные погрешности выноски были уменьшены перемещением ближайших пунктов сетки.

Таким образом, на площадке получали четыре полигона с построенными сторонами сетки. Затем по периметру полигонов закладывали постоянные знаки, прокладывали по ним полиго-нометрические ходы 1 разряда, уравнивали их и получали координаты пунктов на границах полигонов.

Внутренние точки получали из ходов полигонометрии 2 разряда или при помощи засечек по створам.

Осевой способ применяли в том случае, когда маркшейдерская площадка сравнительно невелика, не требовалась большая точность и погрешностями взаимного положения пунктов (35см) пренебрегали.

Способ редуцирования обеспечивал значительно более высокую точность определения элементов сетки. В этом случае сначала выносили в натуру сетку с нормами точности обычного теодолитного хода и закрепляли ее временными знаками. Затем на площадке создавали геодезическую основу и прикладывали полигонометрию, в результате чего определяли координаты всех

пунктов, закрепленных временными знаками. Полученные координаты сравнивали с проектными и определяли величины редукции, на которые следовало разместить каждый пункт предварительно разбитой сетки. После редуцирования пункты сетки закрепляли постоянными железобетонными знаками.

Координаты временных знаков сетки в зависимости от заданной точности и характера местности определялись способами триангуляции, трилатерации, полигонометрии и др.

Для проектирования строительной сетки необходимой точности, выбора метода ее построения предварительно устанавливали принципиальные исходные положения.

Требования к точности маркшейдерской сетки обусловливались: требованиями к точности разбивочных работ в зависимости от характера изучения вида воздействия; порядком использования пунктов маркшейдерской сетки для производства разби-вочных работ при других целях.

Рациональными являются следующие схемы построения сеток, обеспечивающие равномерное распределение погрешностей во взаимном положении пунктов:

- маркшейдерские сетки, в которых все длины линий и углы измерены методом полигонометрии;

- сетки, в которых по контуру измерены все стороны и все углы; внутренние построения выполнены способом бездиагональных четырехугольников;

- сетки, построенные полярным способом при помощи точных светодальномеров; каждый пункт сетки определяется путем измерения углов и расстояний.

В зависимости от размеров маркшейдерской сетки, ее точности и условий местности она создавалась в три или две ступени.

При построении сетки в три ступени первую из них составляли триангуляцией, пункты которой закрепляли по углам маркшейдерской площадки. Вторая ступень создавалась в виде полигонометрических ходов 1-го порядка, третья — ходами 2-го порядка. Такую основу рационально было создавать только на больших площадях, исчисляемых десятками квадратных километров.

На относительно небольших площадях строительную сетку создавали в две ступени.

По пунктам строительной сетки прокладывали ходы нивелирования III или IV класса.

Точность и плотность высотных сетей, создаваемых на территории промышленных комплексов, зависила от точности раз-бивочных и съемочных работ, а также от размеров территории.

Маркшейдерские работы базируются на государственной нивелирной сети I—IV классов, развитой в большинстве районов страны в виде сплошного обоснования. Нивелирные сети I и II классов составляли главную высотную основу, посредством которой устанавливалась единая система высот на территории страны.

Нивелирные ходы II класса прокладывались так, чтобы марки и грунтовые реперы располагались равномерно по всей территории работ. Нивелирование производилось способом совмещения в прямом и обратном направлениях.

При сгущении нивелирной сети II класса нивелирование III класса прокладывалось в виде отдельных ходов или систем ходов и полигонов, опирающихся на марки и реперы нивелирования высших классов. Если сеть нивелирования III класса являлась самостоятельной опорной сетью, то она строилась в виде систем замкнутых полигонов. В этом случае нивелирные ходы прокладывались в прямом и обратном направлениях. В остальных случаях ходы III класса нивелировались в одном направлении.

Нивелирование IV класса производилось в одном направлении по стенным и грунтовым реперам и центрам геодезических сетей.

Все работы на изучаемых территориях производились в единой системе высот, принятой в период изысканий и строительства. Характерной особенностью специальных нивелирных сетей являлось существенное уменьшение расстояний между реперами и длин ходов. При этом сохранялась методика государственного нивелирования II—IV классов.

Нивелирные сети на промышленных площадках уравнивают как свободные сети с включением одного репера старшего класса в сеть более низкого класса.

Наблюдательные станции охватывают как ближнюю, так и дальнюю зоны воздействия объектов комбината на загрязнение воздуха. Причем дальняя зона являлась основным объектом исследования, поскольку охватывает жилые районы и имеет большее социальное значение.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Маркшейдерские работы на карьерах и приисках. Справочник. В.Н. Попов, К.С. Ворковастов, В.Г. Столчнев и др. - М.: Недра. - 1989. - 423 с.

2. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов, уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. -Л.: - 1971. - 178 с.

3. ПоповВ.Н., Ильин А.И. Устойчивость бортов карьеров. - М.: МГГУ. - 1991. - 109 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Попов Владислав Николаевич - профессор, доктор технических наук, Сильченко О.Б. - профессор, доктор технических наук, Гарьдхуу Б..,

Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru