СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД В ЗОНАХ, НЕДОСТУПНЫХ ДЛЯ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
METHOD FOR DETERMINING DEFORMATION OF MINE ROCKS IN ZONES INACCESSIBLE FOR DIRECT MEASUREMENTS

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений открытым способом, в частности при определении местоположения потенциальной поверхности скольжения и состояния массива горных пород в окрестностях этой поверхности, от которого зависит устойчивость бортов карьеров, разрезов и котлованов.
Известны способы определения потенциальной поверхности скольжения, предложенные Г.Л.Фисенко (Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М.: Недра, 1965, с.300) и В.В.Соколовским (Статика сыпучей среды. М.-Л.: Издательство АН СССР, 1942, с.128). Предложенные ими способы базируются на допущении, что массив горных пород представляет собой сыпучую среду, и для описания происходящих в ней геомеханических процессов можно использовать теорию сыпучей среды, согласно которой элементарные площадки скольжения в однородном массиве горных пород возникают при напряжениях не менее
Площадки скольжения элементов, на которые разбивается массив, располагаются под углом
к направлению наибольшего главного напряжения, которое в массиве пород откосов обычно совпадает с вертикалью. Изменение направления этих площадок, как показал анализ кривых, построенных по методу В.В.Соколовского, происходит плавно по криволинейной форме, близкой к круглоцилиндрической. Используя указанные закономерности, определяется положение поверхности скольжения в откосе, по которой сумма сил сдвигающих равна сумме сил удерживающих, т.е. откос находится в предельном состоянии. От правильности определения местоположения потенциальной поверхности скольжения зависит точность и надежность расчетов устойчивости откосов и эффективность принимаемых защитных и профилактических мероприятий по обеспечению устойчивости горного массива.
Недостатками данных способов является то, что при принятом допущении не учитываются слоистость, блочность, трещиноватость, тектоническая нарушенность и другие особенности массива горных пород, оказывающих существенное влияние на его геомеханическое состояние и устойчивость бортов карьеров, разрезов и котлованов. Поэтому теоретические способы определения потенциальной поверхности скольжения имеют большую погрешность, а неточное определение ее местоположения приводит к снижению надежности расчетов устойчивости откоса и как следствие неэффективности или значительному удорожанию принимаемых защитных мероприятий.
Наиболее близким, по технической сущности и достигаемому результату в части определения деформации горных пород является способ, основанный на построении линии потенциальной поверхности скольжения по данным маркшейдерских наблюдений, заключающийся в периодическом определении координат реперных точек, расположенных на откосе и прилегающей к нему земной поверхности (Геомеханика: учеб. пособие / Э.В.Каспарьян, А.А.Козырев, М.А.Иофис, А.Б.Макаров. М.: Высш.шк., 2006, с.484). По результатам инструментальных наблюдений отстраивают полные вектора сдвижения поверхности откоса, определяют местоположение потенциальной поверхности скольжения и выхода ее на поверхность на прилегающей к откосу территории.
Недостатком этого способа является то, что на смещение наблюдательных пунктов (реперных точек) большое влияние оказывают эрозионные процессы, происходящие в приповерхностном слое вследствие выветривания и не связанные с геомеханическими процессами, происходящими внутри горного массива. В результате чего, данные таких наблюдений не характеризуют фактическое состояние массива горных пород и по ним невозможно точно определить местоположение потенциальной поверхности скольжения и состояние горных пород в ее окрестностях. Другим недостатком этого способа является ограниченная возможность закладки наблюдательных пунктов (реперных точек) на застроенной территории или территории, занятой отвалами пустой породы.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения местоположения потенциальной поверхности скольжения и изменения геомеханического состояния массива горных пород в окрестностях этой поверхности для своевременного обнаружения признаков, предшествующих возникновению аварийных ситуаций, и принятия необходимых профилактических и защитных мероприятий.
Технический результат достигается тем, что в способе определения деформации горных пород в зонах, не доступных для прямых измерений, включающем периодическое определение сдвижения реперов, расположенных на откосе горных пород и прилегающей к нему земной поверхности, в вертикальной и наклонной плоскостях и построение полных векторов сдвижения поверхности откоса, реперы размещают в скважинах, пробуренных в откосе горного массива, по сдвижению которых рассчитывают величину относительной деформации горных пород в приоткосной зоне для каждой скважины по формуле:
,
i
где R - сдвижение репера;
i-1
R - сдвижение предыдущего репера;
l - расстояние между этими реперами,
и по линии, соединяющей точки с критическими значениями относительной деформации, определяют границу потенциальной поверхности скольжения пород приоткосной зоны.
Наблюдения за деформациями массива горных пород предложенным способом позволяют контролировать процесс их развития и своевременно проводить профилактические и или защитные мероприятия для недопущения достижения деформациями своих предельных значений. Данные, полученные в результате наблюдений предложенным способом, интегрально отражают влияния всех обозначенных особенностей горных пород и поэтому являются более надежными для определения местоположения линии потенциальной поверхности скольжения и оценки состояния массива горных пород в ее окрестности.
изм
Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 показано определение месторасположения потенциальной поверхности скольжения по результатам измерений в наклонно пробуренных скважинах 1 и 2 при строительстве подземного сооружения методом «стена в грунте» А и при отработке карьера Б, 3 - потенциальная поверхность сдвижения, 4 - отвал. На фиг.2 показано построение полного вектора сдвижения, где 5 - ось наблюдательной скважины; ε - измеренное горизонтальное смещение деформационного репера в скважине Rp; η - измеренное оседание; R - полный вектор сдвижения. На фиг.3 приведена схема распределения полных векторов смещений относительно скважин, где 1 и 2 - наклонные скважины, 3 - потенциальная поверхность скольжения. На фиг.4 приведена схема распределения горизонтальных деформаций горных пород ε относительно скважин, 1 и 2 - наклонные скважины, 3 - потенциальная поверхность скольжения.
Предлагаемый способ определения деформаций горных пород в зонах, не доступных для прямых наблюдений реализуется следующим образом. В борту карьера, разреза или котлована пробуривают наклонные скважины, в которых через определенный интервал размещаются деформационные реперы. Контроль перемещений реперов вдоль оси скважины осуществляют применением магнитогерконового способа измерений. В наклонно пробуренную скважину помещаются реперы с определенным интервалом. Одновременно скважина обсаживается пластиковой трубой, что необходимо для того, чтобы была возможность беспрепятственного прохождения магнитогерконового датчика внутри скважины, а также для доставки деформационных реперов к местам их установки в скважине. Определение местоположения реперов производят путем взятия отчета по мерной ленте во время срабатывания датчика в зоне действия деформационного репера при проводке датчика внутри обсадной трубы. Для определения вертикальной составляющей сдвижения массива, проводят измерения наклонов скважин путем инклинометрии или определением высотных отметок в скважине при помощи гидронивелира.
Один конец гидронивелира помещают внутрь обсадной трубы скважины, другой фиксируют снаружи над устьем скважины. Затем при помощи досыльника, который представляет собой сборную конструкцию, состоящую из пластиковых трубок с закрепленной на них измерительной лентой, колбу гидронивелира заглубляют внутрь скважины. Заглубление производят с интервалом, так называемым шагом измерения, соответствующим интервалу между деформационными реперами. В конце каждого шага измерения выжидается время, необходимое для стабилизации системы,  после чего берутся отчеты по поверхности жидкости в колбе, расположенной над устьем скважины, и по мерной ленте досыльника. По результатам произведенных измерений вычисляют величины относительных деформаций ε для каждой наблюдательной скважины по формуле:
,
i
где R - сдвижение репера;
i-1
R - сдвижение предыдущего репера;
l - расстояние между этими реперами.
кр
Линия, соединяющая точки с критическими значениями относительных деформаций ε, является границей потенциальной поверхности скольжения Фиг.3.
Для оценки состояния массива и необходимости принятия защитных мер определяют коэффициент запаса устойчивости борта n.
-3
При относительных деформациях ε=1·10 сдвижения массива горных практически не ощутимы, что соответствует коэффициенту запаса устойчивости n=1,4, при котором никаких профилактических и защитных мер не требуется.
кр
-3
При относительных деформациях 0,5ε>ε>1·10 сдвижения массива горных пород считаются допустимыми, что соответствует коэффициенту запасу устойчивости n=1,3, при котором никаких специальных мер защиты или профилактики, кроме инструментальных наблюдений, не требуется.
кр
кр
При относительных деформациях ε>ε>0,5ε сдвижения массива горных пород считаются критическими, что соответствует коэффициенту запасу устойчивости n=1,2, при котором необходимо применять меры по повышению устойчивости бортов карьера, разреза, котлована, в том числе по упрочнению горных пород в окрестностях потенциальной поверхности скольжения.
кр
кр
При относительных деформациях 2ε>ε>ε сдвижения массива горных пород считаются предельными, что соответствует коэффициенту запасу устойчивости n=1,1, при котором резко повышается опасность возникновения оползня и следует начать эвакуацию людей и механизмов из оползнеопасной зоны.
кр
При относительных деформациях ε>2ε сдвижения массива горных пород считаются запредельными, что соответствует коэффициенту запасу устойчивости n=1,0, при котором происходят опасные разрушительные процессы и потому пребывание людей в оползнеопасной зоне недопустимо.
Способ позволяет производить дистанционные измерения деформаций массива горных пород через специально пробуренные наклонные скважины в зонах, не доступных для прямых, маркшейдерских наблюдений. Измерения заключаются в определении направления и величин горизонтальных и вертикальных сдвижений реперных точек, расположенных в скважинах через определенный интервал, с целью построения полных векторов сдвижений, определяющих местоположение потенциальной поверхности скольжения (Фиг.1). Построение полного вектора сдвижения осуществляется путем геометрического суммирования вертикальной и горизонтальной его составляющих, полученных по данным инструментальных измерений (Фиг.2). По результатам определения полных векторов сдвижения строятся графики сдвижений в скважинах, по конфигурации которых можно определить местоположения потенциальной поверхности скольжения (Фиг.3). Измерения осуществляются непосредственно в массиве горных пород и данные, полученные в результате наблюдений предложенным способом, интегрально отражают влияния всех особенностей горных пород и поэтому являются более надежными для определения местоположения линии потенциальной поверхности скольжения и оценки состояния массива горных пород в ее окрестности для своевременного обнаружения признаков, предшествующих возникновению аварийных ситуаций, и принятия необходимых профилактических и защитных мероприятий.