СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ И ОСНАЩЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ СТАНЦИЙ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ДВИЖЕНИЕМ ЗЕМНОЙ КОРЫ ПРИ ПРОГНОЗЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ, В ТОМ ЧИСЛЕ ТЕХНОГЕННЫХ Российский патент 2002 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к сооружению и оснащению подземных павильонов (подземных станций рудников) для наблюдений за движением земной коры и может быть использовано при прогнозе опасных динамических явлений природно-техногенного характера разрабатываемых рудных месторождений подземным способом в сейсмоактивных регионах с частыми землетрясениями, в том числе спровоцированными локальной отбойкой руды в блоках массовыми взрывами зарядов взрывчатого вещества (ВВ) общим весом порядка 1000 т одновременно.

Известен способ прогноза землетрясений (Л.А. Латынина, P.M. Кармалеева. Деформографические измерения. М. : "Наука", 1978, с. 43-52, 98-102), включающий сооружение подземных, ориентированных под углом друг к другу станций заданной протяженности, облицовку их армированным бетоном, установку вдоль станций и на их концах приборов (наклономеров, деформографов и других, включая вспомогательные устройства) для измерения физических величин, изменяющихся во времени перед землетрясением.

Недостатком этого известного способа является значительная стоимость его реализации из-за высоких строительно-монтажных и эксплуатационных расходов, затрат на приборно-аппаратурное обеспечение исследований и содержание специалистов высокой квалификации по их проведению, отработке и интерпретации результатов измерений.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому эффекту является способ сооружения и оснащения подземных станций для наблюдений за движением земной коры при прогнозе землетрясений, в том числе техногенных (Рикитаке Т. Предсказание землетрясений М.: "Мир", 1978, с. 155-157), включающий сооружение подземного павильона, оборудование его маятниковыми либо водотрубными двухкомпонентными наклономерами, либо трехкомпонентными кварцевыми деформографами и другими вспомогательными приборами, в том числе современными, позволяющими наблюдать за движениями земной коры, предвещающими землетрясения.

Недостатком известного способа является его трудоемкость - необходимость строительства подземного павильона и его оснащения. При этом для предотвращения влияния изменения температуры необходим шлюз протяженностью 30 м и более с рядом промежуточных дверей, который значительно увеличивает и без того высокие строительно-эксплуатационные затраты.

Кроме того, в сейсмологии в качестве исходной информации при прогнозе землетрясений до настоящего времени обычно используют традиционные параметры, отражающие движения земной коры и изменения положения фиксированных точек в местах оборудования подземных станций (ПC), а также проведение нивелирования поверхности наблюдательных полигонов, которые не входят в число обязательно сооружаемых в условиях работы подземных горнодобывающих предприятий из-за "ненадобности" их для практики горного дела. Такой параметр, как изменение напряжений в окрестности зон формирования очагов землетрясений, в практике их прогноза неизвестен, несмотря на очевидную связь землетрясений с изменением напряженно-деформированного состояния (НДС) земной коры во времени.

Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение способа сооружения и оснащения ПС для наблюдений за движением земной коры при прогнозе землетрясений, в том числе техногенных, снижение их стоимости за счет исключения процессов сооружения специальных ПС и оснащения их дорогостоящей аппаратурой в сейсмоактивных регионах, где разрабатывают подземным способом рудные месторождения, в том числе технологиями с отбойкой руды массовыми взрывами зарядов ВВ большой мощности.

Поставленная задача решается тем, что в способе сооружения и оснащения ПС для наблюдений за движением земной коры при прогнозе землетрясений, в том числе техногенных, включающем сооружение этих станций заданной протяженности в разноориентированных в пространстве выработках и установку в них приборов для многолетней регистрации ими физических величин, по изменениям которых прогнозируют формирование очагов землетрясений, согласно предлагаемому техническому решению, ПС сооружают в выработках действующих рудников, а в качестве приборов дополнительно устанавливают датчики напряжений, причем в выработках, пройденных в массиве устойчивых горных пород, из ПС бурят разноориентированные скважины для установки в них датчиков напряжений, а в выработках, пройденных в массиве неустойчивых горных пород, перед установкой датчиков напряжений выполняют облицовку ПС конструкционным материалом, имеющим толщину, достаточную для их установки, после чего эти датчики устанавливают в облицовке, при этом количество точек установки датчиков напряжений в поперечном сечении ПС составляет не менее трех, предпочтительно три-пять, расстояние между сечениями - 5 м или примерно 5 м, а протяженность ПС составляет, например, 20 м или примерно 20 м.

Сооружение ПС в выработках действующих рудников в сейсмоактивных регионах позволяет исключить их специальное строительство и облицовку, оборудование и приборное оснащение. Возможность использования в качестве приборов датчиков напряжений любых типов, в том числе скважинных, устанавливаемых в точках поперечных сечений ПС, значительно снижает стоимость исследований и расширяет диапазон применения известных в практике параметров за счет получения информации об изменении напряжений в облицовке ПС или вокруг них, связанных с локальным изменением НДС земной коры в зоне формирования очага землетрясения.

При этом в выработках, пройденных в массиве устойчивых горных пород, из ПС бурят разноориентированные скважины для установки в них датчиков напряжений. Устойчивые горные породы позволяют не выполнять облицовку ПС, что снижает стоимость ее сооружения, а установленные в скважинах датчики напряжений, например гидравлические, дают информацию об изменении во времени напряжений в окружающем ПС массиве горных пород.

При этом также в выработках, пройденных в массиве неустойчивых горных пород, перед установкой датчиков напряжений облицовку ПС выполняют конструкционным материалом, имеющим толщину, достаточную для их установки, после чего эти датчики устанавливают в облицовке. С целью снижения затрат на выполнение облицовки ПС и расширения возможностей использования более дешевых и технологичных при изготовлении в данном регионе конструкционных материалов, таких как полимерцементный бетон, пластбетон, стеклоцемент со стеклопластиковой арматурой, стеклопластики и другие, облицовку в ее ребрах жесткости выполняют толщиной, достаточной для установки в ней датчиков напряжений.

Целесообразно также в выработках, пройденных в массиве неустойчивых горных пород, перед установкой датчиков напряжений выполнять облицовку ПС конструкционным материалом, после чего через облицовку бурить разноориентированные в пространстве скважины и устанавливать в них датчики напряжений. Такое техническое решение целесообразно, когда требования к толщине облицовки минимальны. Это позволяет экономить конструкционный материал на выполнение облицовки, а изменения напряжений в окружающем ПС массиве горных пород - регистрировать с помощью, например, гидравлических датчиков напряжений.

Целесообразно при этом облицовку выполнять бетонной или армированно-бетонной, например, из сборной железобетонной тюбинговой крепи, элементы которой изготовляют в заводских условиях, замоноличивая в них датчики напряжений, что позволяет исключить установку этих датчиков в подземных условиях и снизить стоимость их установки.

Целесообразно в качестве датчиков напряжений использовать кольцевые фотоупругие датчики напряжений (КФДН) (для регистрации визуально-графически интерференционных картин изменений напряжений в этих датчиках). КФДН являются надежными в рудничных условиях эксплуатации приборами. В сравнении с другими датчиками напряжений и геофизическими приборами они значительно дешевле и обладают достаточной информативностью для регистрации во времени величины напряжений и их изменений в массиве горных пород и в облицовке ПС.

Сущность технического решения поясняется примерами конкретного исполнения и чертежами, где показаны на:
фиг. 1 - план разноориентированных в горизонтальной плоскости подземных выработок;
фиг.2 - сечение I-I на фиг.1 (ПС с армированно-бетонной облицовкой и установленными в ней КФДН);
фиг. 3 - сечение II-II на фиг.1 (ПС с облицовкой сборной железобетонной тюбинговой крепью и установленными в ней КФДН);
фиг.4 - разрез III-III на фиг.1 (фрагмент);
фиг. 5 - разрез необлицованной ПС (фрагмент) с установленными КФДН в разноориентированных в плоскости поперечною сечения ПС скважинах;
фиг.6 - разрез I-I на фиг.5;
фиг.7 - разрез облицованной ПC (фрагмент) с установленными КФДН в скважинах;
фиг.8 - разрез II-II на фиг.7;
фиг.9 - аксонометрия системы разноориентированных в пространстве выработок с ПС, оборудованными КФДН.

Пример реализации способа.

В период строительства рудника, задолго до его сдачи в эксплуатацию, сейсмоактивность региона исследована, либо ее подвергают тщательному изучению, результаты которого отражают периодичность и интенсивность, а также местоположение очагов землетрясений с выделением гипоцентров и эпицентров. К выходу на проектную мощность рудник имеет развитую систему разноориентированных подземных выработок, отработанную технологию извлечения рудных тел, в том числе с отбойкой руды одновременным взрыванием зарядов ВВ весом 350-500 т и более (на Таштагольском руднике в Кузбассе производились взрывы зарядов более 1000 т одновременно). Подобные технологические взрывы, как правило, провоцируют последующие (сразу после них) сейсмопроявления как в рудных телах, так и в прилегающей в радиусе 50 км и более к рудному полю зоне, ранее зафиксированных или возможных землетрясений различной интенсивности. Некоторые из них вызывают катастрофические разрушения в системе выработок рудника с человеческими жертвами, громадными экономическими и сырьевыми потерями, многомесячной остановкой рудника на ремонтно-восстановительные работы.

Датчики напряжений позволяют определять напряжения и их изменения во времени, происходящие в крепях, элементах подземных сооружений, массиве горных пород путем установки этих датчиков как в крепях, сооруженных из различных конструкционных материалов, так и в скважины, щели, ниши и т.п. Наиболее простые, надежные, информативные, и экономичные при длительной непрерывной эксплуатации в подъемных условиях КФДН позволяют проводить многолетние систематические наблюдения за колебаниями напряжений в облицовке ПС 1-5 (фиг. 1) и в окружающем их массиве горных пород, например, семилетние наблюдения на Tаштагольском руднике.

Выработки, оборудованные как ПС 1, проводят по плану горных работ и, преимущественно, изначально не имеют исследовательского назначения. Использование сети плановопройденных, закрепленных и незакрепленных выработок рудников с оборудованием участков этих выработок под ПС 1, обеспечивает получение с помощью КФДН 6 экономичной "попутной" информации о формировании полей напряжений и очагов землетрясений в окрестности рудных полей сейсмоактивных регионов без специального строительства НС 1 для регистрации физических параметров, предвещающих землетрясения.

ПС 1 сооружают (фиг.1) в выработках длительной, не менее 5-7 лет, эксплуатации с облицовкой 7 (фиг.2-6, 8) выработок, пройденных в неустойчивых горных породах, и без нее - в выработках, пройденных в условиях устойчивых крепких горных пород (фиг.5, 6) вне зон геологических нарушений и разноориентированных как в горизонтальной плоскости (фиг.1), так и в пространстве (фиг.9).

Предлагаемые ниже варианты реализации способа с использованием КФДН 6 являются наиболее перспективными с экономической, технологической и исследовательской точек зрения их применения.

В незакрепленных выработках, пройденных в массиве устойчивых горных пород, из ПС 1 в характерных точках (выбирают исследователи) из поперечных сечений бурят разноориентированные скважины 8 (фиг 5, 6), в которых устанавливают КФДН 6, либо в скважинах 8, пробуренных в характерных точках поперечных сечений облицовки 7, закрепленных (фиг.7, 8) выработок, пройденных в неустойчивых горных породах. Количество точек составляет не менее трех, предпочтительно три-пять; расстояние между сечениями 5 м или примерно 5 м; протяженность ПС 1 составляет, например, 20 м или примерно 20 м. Эти параметры выработаны многолетними наблюдениями за КФДН 6 на Таштагольском руднике и обеспечивают надежность и эффективность исследований в различных горно-геологических и технологических условиях.

Скважины 8 ориентируют в плоскостях поперечных сечений ПС 1 под различными углами к этим плоскостям (фиг.5, 7) в зависимости от предполагаемой ориентации эпицентра землетрясения относительно рудничного поля (системы выработок рудника).

В выработках, пройденных в массиве неустойчивых горных пород, перед установкой КФДН 6 выполняют облицовку 7 ПС 1 конструкционным материалом, имеющим толщину, достаточную для их установки, после чего КФДН устанавливают в облицовке 7. В зависимости от горного давления толщина облицовки 7 может быть различной, в том числе не позволяющей установить КФДН 6. В этом случае их установку производят в ребрах жесткости облицовки 7, располагаемых по ее длине и периметру на расстояниях, кратных 5 м между поперечными сечениями и в трех-пяти точках установки КФДН 6; при этом толщина ребер жесткости позволяет установку КФДН 6, а конструкционным материалом может быть полимерный бетон, пластбетон, стеклоцемент со стеклопластиковой арматурой, стеклопластик и другие материалы, возможные к применению в подземных условиях для облицовки горных выработок, оборудуемых как ПС 1.

Целесообразно из ПС 1 с облицовкой из конструкционных материалов бурить разноориентированные в пространстве скважины 8, в которые устанавливают КФДН 6
В массиве неустойчивых горных пород, сильно нарушенных и подверженных воздействию высокого горного давления, облицовку 7 выполняют бетонной (фиг. 2, 4) или армированно-бетонной, например, из сборной железобетонной тюбинговой крепи (фиг.3), которая надежно работает в экстремальных горно-технологических условиях.

Сборные элементы тюбинговой крепи изготовляют на заводах ЖБИ, где и замоноличивают в тюбинги КФДН 6, исключая их установку в подземных условиях, тем самым сокращая общие расходы на прогнозные исследования.

Оборудование ПС 1 в разноориентированных в пространстве выработках (фиг. 9) позволяет иметь информацию об изменении напряжений в КФДН 6, объемно-отражающую процесс формирования очага землетрясения в окрестности рудничного поля.

Многолетние систематические наблюдения за показаниями КФДН 6 в облицовке 7 сборных железобетонных тюбинговых крепей на Таштагольском руднике подтверждают действенность и эффективность предлагаемого способа сооружения и оснащения подземных станций для наблюдений за движением земной коры при прогнозе землетрясений, в том числе техногенных.

Использование: при прогнозе опасных динамических явлений природно-техногенного характера разрабатываемых рудных месторождений подземным способом в сейсмоактивных регионах с частыми землетрясениями, в том числе спровоцированными локальной отбойкой руды в блоках массовыми взрывами зарядов взрывчатого вещества (ВВ) весом порядка 1000 т одновременно. Сущность: сооружают подземные станции заданной протяженности в разноориентированных в пространстве выработках. Устанавливают вдоль этих станций приборы. Проводят многолетнюю регистрацию приборами физических величин, по изменениям которых прогнозируют формирование очагов землетрясений путем сравнения с тарировочными значениями этих физических величин. Подземные станции сооружают в выработках действующих рудников. В качестве приборов используют датчики напряжений, которые устанавливают в характерных точках поперечных сечений ПС. В качестве физических величин регистрируют изменения напряжений в этих датчиках через определенные практической целесообразностью промежутки времени. Технический результат: упрощение способа прогноза землетрясений и снижение его стоимости за счет исключения процессов сооружения специальных ПС и оснащения их дорогостоящей аппаратурой в сейсмоактивных регионах, где разрабатывают подземным способом рудные месторождения, в том числе технологиями с отбойкой руды массовыми взрывами зарядов ВВ большой мощности одновременно. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ сооружения и оснащения подземных станций для наблюдений за движением земной коры при прогнозе землетрясений, в том числе техногенных, включающий сооружение этих станций заданной протяженности в разноориентированных в пространстве выработках и установку в них приборов для многолетней регистрации ими физических величин, по изменениям которых прогнозируют формирование очагов землетрясений, отличающийся тем, что подземные станции сооружают в выработках действующих рудников, а в качестве приборов дополнительно устанавливают датчики напряжений, причем в выработках, пройденных в массиве устойчивых горных пород, из подземных станций бурят разноориентированные скважины для установки в них датчиков напряжений, а в выработках, пройденных в массиве неустойчивых горных пород, перед установкой датчиков напряжений выполняют облицовку подземных станций конструкционным материалом, имеющим толщину, достаточную для их установки, после чего эти датчики устанавливают в облицовке, при этом количество точек установки датчиков напряжений в поперечном сечении подземной станции составляет не менее трех, предпочтительно три-пять, расстояние между сечениями - 5 м или примерно 5 м, а протяженность подземной станции составляет, например, 20 м или примерно 20 м. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в выработках, пройденных в массиве неустойчивых горных пород, перед установкой датчиков напряжений выполняют облицовку подземных станций конструкционным материалом, после чего через облицовку бурят разноориентированные в пространстве скважины и устанавливают в них датчики напряжений. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что облицовку выполняют бетонной или армированно-бетонной, например, из сборной железобетонной тюбинговой крепи. 4. Способ по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что в качестве датчиков напряжений используют кольцевые фотоупругие датчики напряжений.