СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ УСТУПОВ БОРТОВ КАРЬЕРОВ Российский патент 2004 года по МПК E21C41/26 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке угольных, рудных и нерудных полезных ископаемых открытым способом, а также при строительстве насыпей и выемок автомобильных, железных дорог в неустойчивых породах и грунтах.

Известны способы, направленные на повышение устойчивости проектируемых или эксплуатируемых уступов, основанные на определении расположения неустойчивых зон массива, на которых наиболее вероятно сдвижение пород с образованием оползня, с целью принятия мер по обеспечению безопасных параметров уступа.

Например, известен способ определения границ зон сдвижения в бортах карьера на стадии проектирования, включающий выбуривание керна на участках зон ослабления, проведение сдвиговых испытаний образцов с определением работы предельного сдвига, по удельной величине которой для каждого образца судят о положении зон массива и определяют границы зон сдвижения в бортах карьера (см. а.с. №1574814, МКИ Е 21 С 39/00, опубл. 30.06.90, БИ №24).

Недостатком аналога является его низкая точность, поскольку он не учитывает напряженного состояния пород уступа.

Устранению данного недостатка в значительной мере способствует применение способа определения линии скольжения массива уступа карьера, включающего бурение вертикальных скважин, установку и перемещение датчиков по всей глубине каждой скважины, измерение ими напряжений и построение линии скольжения пород в массиве по максимальным значениям напряжений (см. а.с. №1040146, МКИ Е 21 С 39/00, Е 21 С 41/00, опубл. 07.09.83, БИ №33). Способ позволяет более точно определять расположение потенциальной поверхности скольжения. Недостатком способа является то, что он не учитывает неоднородность прочностных свойств горных пород, гидрогеологические и технологические факторы, не предусматривает определение технологических параметров уступа. Кроме того, способ трудоемок, поскольку требует бурения большого количества скважин.

Наиболее совершенным является способ расчета устойчивости откосов бортов карьеров (см. Арсентьев А.И., Букин И.Ю., Мироненко В.А. Устойчивость бортов и осушение карьеров. - М.: Недра, 1982. - С.53-88). Согласно данному способу анализируют геологическое строение массива путем бурения скважин с описанием керна, построения геологических разрезов, выявления положения потенциальных поверхностей скольжения, определения физико-механичесих свойств горных пород и оценки гидрогеологических, горно-технических факторов, рассчитывают по полученным данным высоту и угол откоса уступа при заданном коэффициенте запаса устойчивости на основе условий предельного равновесия элементов уступа.

Этот способ обеспечивает учет максимального количества факторов, влияющих на устойчивость горных пород, а его расчетный аппарат позволяет определить технологические параметры уступа для широкого диапазона свойств горных пород, типов геологической структуры и формы поверхности скольжения. Принимаем описанный способ за прототип.

Недостатком прототипа является его высокая трудоемкость, поскольку для анализа геологического строения по всей длине уступа требуется специальная сетка разведочных скважин и механические испытания выбуренных образцов. Имеющиеся геологические скважины не могут обеспечить необходимой детальности выявления аномалий геологической структуры массива, поскольку их шаг составляет, как правило, от 50-100 и более метров. Это приводит к необходимости большого объема буровых работ. Способ-прототип также недостаточно точен, так как не предусматривает определения положения наиболее неустойчивого сечения уступа, что приводит к необоснованному завышению коэффициента запаса устойчивости. Кроме того, прототип не обеспечивает возможности целенаправленного изменения физико-механических свойств пород на наиболее неустойчивых участках, например, их инъекционного укрепления, и корректирование высоты и угла откоса уступа с учетом изменившихся прочностных свойств массива. Способ-прототип также не позволяет оптимизировать затраты на проведение укрепительных работ.

Задача изобретения - снижение трудоемкости определения положения потенциальных поверхностей скольжения на наиболее опасных участках массива за счет применения бесскважинных геофизических методов геоконтроля аномальных зон геологической структуры массива, повышение точности определения технологических параметров уступов, а также повышение их устойчивости за счет проведения укрепительных работ в оптимальном объеме.

Решение указанной задачи достигается тем, что в известном способе, включающем геофизические измерения, анализ геологического строения массива путем бурения скважин с описанием керна, построения геологических разрезов, выявления потенциальных поверхностей скольжения, определения физико-механических свойств массива горных пород и оценки гидрогеологических, горно-технических факторов, расчет высоты и угла откоса уступа для заданного коэффициента запаса устойчивости, бурят первоочередную скважину и определяют физико-механические свойства пород на участке массива с предполагаемыми наиболее неблагоприятными по геологическим данным условиями, выявляют начальное значение глубины залегания потенциальной поверхности скольжения h₀, измеряют кажущееся удельное электросопротивление (УЭС) ρ _к методом электропрофилирования на поверхности проектируемого уступа с глубиной зондирования, равной h₀, параллельно его бровке, рассчитывают изменение глубины залегания h потенциальной поверхности скольжения в пределах уступа по формуле

h(x)=h₀·_{f[ρ к(x)/ρ 1]· f^-1(ρ к0/ρ 1),}

где f - функция, полученная путем решения прямой задачи электроразведки для заданного соотношения УЭС слоев;

х - координата по профилю;

ρ ₁ - усредненное значение УЭС налегающих пород;

ρ _к0 - значение ρ _к, соответствующее h₀ и x=0,

рассчитывают значение коэффициента запаса устойчивости η по соотношению сдвигающих и удерживающих сил для сечений, перпендикулярных профилю, при различных координатах х, используя данные первоочередной скважины о физико-механических свойствах пород и геологическом разрезе с учетом изменения положения поверхности скольжения относительно границ уступа в соответствии с изменением h, а анализ геологического строения массива, расчет высоты и угла откоса уступа производят для наименее устойчивого сечения с наименьшим значением η .

Решение указанной задачи достигается также тем, что на участке массива в районе наименее устойчивого сечения проводят работы по укреплению неустойчивых пород, а значение высоты и угла откоса уступа рассчитывают с учетом изменившихся физико-механических свойств горных пород.

Решение указанной задачи достигается также тем, что максимальный объем укрепительных работ принимают таким, чтобы затраты на них были равны прибыли от уменьшения объема вскрышных работ в пределах карьера за счет увеличения высоты и угла откоса уступов.

Сущность заявленного способа поясняется чертежами.

На фиг.1 представлены графики изменения кажущегося УЭС массива ρ _к(х), полученные по результатам электропрофилирования, и глубины залегания потенциальной поверхности скольжения h(x), полученные расчетным путем. На фиг.2 приведены графические зависимости относительной величины h/r мощности первого слоя от отношения ρ _к к УЭС этого слоя ρ ₁ для различных соотношений ρ ₂/ρ ₁ (r - глубина зондирования; ρ ₂ - УЭС подстилающего слоя), построенные по результатам решения прямой задачи электроразведки для двухслойной среды. На фиг.3 представлен геологический разрез проектируемого уступа 1 с высотой Н и углом откоса α , включающий слои пород 2-6, выявленную вероятную поверхность скольжения 7, глубину ее залегания h и расположенную над ней точку электропрофилирования 8, силы, действующие на элемент массива, прилегающий к поверхности скольжения (- вес; - сдвигающая сила; - давление; - удерживающая сила). На фиг.4 приведен график изменения значений коэффициента запаса устойчивости уступа по его длине η (x), полученных по соотношению сдвигающих и удерживающих сил в различных сечениях на основе данных первоначальной скважины и с учетом изменения положения поверхности скольжения относительно границ уступа.

Осуществляют способ следующим образом.

Анализируют данные геологической разведки и устанавливают участок проектируемого уступа, наиболее неблагоприятный по фактору устойчивости. Основными признаками склонности массива к обрушениям и оползням являются следующие аномалии геологической структуры: наличие слоя малопрочных или склонных к набуханию пород, тектонических трещин, обводненных коллекторов и карстов и т.п. Особенно неблагоприятным является подсечение уступом ослабленных слоев при их расположении под углом, превышающим угол естественного откоса. Предварительный анализ проводят по данным сетки геологических разведочных скважин. На намеченном участке массива в средней части проектируемого уступа, в которой наиболее вероятен переход пород в предельно-напряженное состояние, бурят первоочередную скважину. Путем лабораторных испытаний выбуренного керна определяют физико-механические параметры горных пород при естественной влажности: плотность, сцепление, коэффициент внутреннего трения. Кроме того, в месте бурения скважины определяют начальное значение глубины залегания потенциальной поверхности скольжения h₀. В особо сложных условиях может быть пробурено и исследовано несколько скважин.

Принимая место бурения первоначальной скважины за начало О, намечают профиль, параллельный бровке уступа. Проводят измерения методом электропрофилирования с глубиной зондирования r, равной h₀ (расстояние между питающими электродами АВ=2r=2h₀), и шагом Δ х=5-30 м в зависимости от требуемой детальности геофизического прогноза. По результатам измерений строят график изменения кажущегося УЭС массива ρ _к(х) (фиг.1).

Величина ρ _к в точке замера зависит от мощности слоев, слагающих породный массив, и их УЭС. Величина УЭС породы полностью определяется ее пустотностью (пористостью) и влагонасыщенностью. В частности, УЭС неустойчивых пород (грунтов), увлажненных природными минерализованными растворами, изменяется в диапазоне ρ ₁=8-30 Ом· м, в то время как для устойчивых коренных вмещающих пород при естественной влажности этот диапазон составляет ρ ₂=60-200 Ом· м. Таким образом, исследуемый массив в большинстве случаев может быть представлен как двухслойная среда (первый слой с мощностью h и УЭС ρ ₁, второй слой - полупространство с УЭС ρ ₂), с соотношением УЭС ρ ₂/ρ ₁=2-20, причем непараллельностью границы слоев горизонтальной поверхности уступа можно пренебречь, так как изменение толщины слоя h (глубины залегания поверхности скольжения) не превышает 20 м при длине уступа до 500-1000 м.

На основе аналитического решения прямой задачи электроразведки (см., например, Якубовский Ю.В., Ренард И.В. Электроразведка. М.: Недра, 1991 г. - С.152-159) определяют зависимости h/r=f(ρ _к/ρ ₁; ρ ₂/ρ ₁) (фиг.2). Используя результаты электропрофилирования, рассчитывают изменение глубины залегания потенциальной поверхности скольжения h для реального значения ρ ₂/ρ ₁ по формуле

предварительно определив постоянные геологического разреза: ρ ₁≈_{(0,8-0,9) ρ кmin; ρ 2=ρ к(0) при r≥ 5h0. По результатам расчетов строят график h(x) (фиг.1).}

Глубина залегания потенциальной поверхности скольжения является основным параметром, определяющим устойчивость участка массива уступа. На основании данных первоначальной скважины о физико-механических свойствах пород и геологическом разрезе, графика h(x) рассчитывают прогнозные значения коэффициента запаса устойчивости массива η . При этом границы слоев 2-6, выявленные по первоначальной скважине, в сечении, перпендикулярном бровке уступа, с координатой х, перемещают параллельно относительно границ уступа 1 в соответствии со значением h(x) (фиг.3). Коэффициент запаса устойчивости участка массива рассчитывают по известной формуле (см., например, Арсентьев А.И., Букин А.И., Мироненко В.А. Устойчивость бортов и осушение карьеров, - М.: Недра, 1982. - С.56-58):

где tgρ - коэффициент внутреннего трения породы; k - сцепление породы; L - длина поверхности скольжения; N_i, T_i - соответственно, сила нормального давления и сдвигающая касательная сила на i-м участке поверхности скольжения (фиг.3).

По результатам расчетов строят график η (х) и определяют расположение наименее устойчивого сечения, для которого коэффициент запаса устойчивости имеет минимальное значение η _min (фиг.4). Для данного сечения проводят комплекс работ по анализу геологического строения массива: бурят скважины с описанием керна, уточняют геологический разрез и положение потенциальной поверхности скольжения, определяют физико-механические свойства горных пород, оценивают гидрогеологические и горно-технические факторы. На основании комплекса полученных данных рассчитывают высоту и угол откоса уступа аналогично способу-прототипу.

Применение заявленного способа позволяет снизить трудозатраты, поскольку изменение положения потенциальной поверхности скольжения определяют бесскважинным геофизическим методом, значительно менее трудоемким, чем геологический метод, основанный на бурении скважин по всей длине уступа. Кроме того, предложенный способ позволяет повысить точность определения технологических параметров уступа, так как положение наименее устойчивого сечения может быть найдено практически с любой требуемой точностью за счет уменьшения шага электропрофилирования в районе отметки х, соответствующей η =η _min (фиг.4).

Применение заявленного способа позволяет также реализовать концепцию управления состоянием массива. На участке массива в районе наименее устойчивого сечения производят укрепление неустойчивых пород. Одним из наиболее перспективных методов укрепления неустойчивых пород является инъектирование в них цементных растворов. Исследования показывают, что цементация позволяет увеличить сцепление песчаника k в 5 раз, песчанистого сланца - более чем в 20 раз, а глинистого сланца - в 40 раз (см., например, Хямяляйнен В.А., Бурков Ю.В., Сыркин П.С. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок. - М.: Недра, 1994. - С.161-168), при этом плотность пород γ и коэффициент внутреннего трения tgρ существенно не изменяется. Из (2) следует, что увеличение k приведет к возрастанию удерживающих сил (фиг.3), увеличению коэффициента запаса устойчивости η и соответствующему увеличению технологических параметров Н и α уступа. Таким образом, укрепление пород способствует устранению неоднородности механических свойств массива, более равномерному изменению η по длине уступа и в конечном итоге снижению объема вскрышных работ.

Существуют также другие методы укрепления уступов (с помощью штанг, тросов, свай, анкеров), которые в определенных условиях также могут быть весьма эффективны (см., например, Фисенко Г.Л., Ревазов М.А., Галустьян Э.Л. Укрепление откосов в карьерах. - М.: Недра, 1974. - С.100-197).

Максимальный объем укрепительных работ принимают исходя из условия равенства полных затрат на укрепление горных пород экономии от уменьшения объема вскрышных работ в пределах карьера за счет увеличения высоты и угла откоса уступа. Укрупненная оценка объемов работ может быть произведена по формуле

где Н_y - глубина укрепления, м; α _y - ширина зоны укрепления, м; Δ x_y - длина участка укрепления, м; C_y - полные затраты на укрепление 1 м³ массива, руб; Δ S - изменение площади сечения уступа за счет увеличения его высоты и угла откоса, м²; L - длина уступа, м; С_в - средняя себестоимость 1 м³ вскрышных работ, руб.

Пример исполнения. По данным сетки геологических скважин, пробуренных на расстоянии 100 м, установлено, что породы уступа 1 представлены суглинками тяжелыми 2, глиной плотной 3, алевролитами 4, пластом угля 5, песчаниками трещиноватыми 6. Угол наклона слоев 28° (фиг.3). На участке предполагаемого подсечения нижней границы пласта глины, принятой за плоскую потенциальную поверхность скольжения 7, была пробурена первоочередная скважина в средней части проектируемого уступа 1 глубиной 25 м. По результатам описания и испытаний керна скважины установлено, что начальное значение глубины расположения поверхности скольжения составляет h₀=12 м, а физико-механические параметры пород и грунтов имеют значения, представленные в таблице.

Был намечен профиль, параллельный бровке уступа, и проведены измерения методом электропрофилирования установкой A8M8N8B (АВ=2h₀=24 м) автокомпенсатором АЭ-72. Полученный график ρ _к(х) по длине уступа, составляющей L=360 м, представлен на фиг.1 (диапазон изменения ρ _к составил от 15,9 до 24,3 Ом· м). Из графика определили ρ ₁=0,85, ρ _кmin=13,5 Ом· м. Дополнительно измерили величину кажущегося УЭС массива при разносе АВ=10 h₀=120 м: ρ ₂=51,5 Ом· м. Используя графические зависимости на фиг.2 для ρ ₂/ρ ₁=3,8, по формуле (1) построили график h(x), представленный на фиг.1. Перемещая параллельно границы слоев в соответствии с изменением h и используя данные таблицы по формуле (2) для предполагаемой высоты уступа Н=15 м, получили расчетный график изменения коэффициента запаса устойчивости уступа η (х) (фиг.4). Установили, что наименьшее устойчивое сечение, соответствующее η _кmin=1,04, находится по отметке х=-90 м.

В данном сечении были пробурены 3 дополнительные разведочные скважины глубиной соответственно 30, 25 и 20 м, проведены механические испытания грунтов. После проведения в полном объеме анализа геологического строения массива и расчетов по методу В.В. Соколовского, Г.Л. Фисенко (см. Арсентьев А.И., Бунин И.Ю., Мироненко В.А. Устойчивость бортов и осушение карьеров. - М.: Недра, 1982. - С.62) получили для сечения Н=16 м и α =38°, которые были приняты для уступа в целом.

Поскольку на интервале х=(-90) – (-30) м породы уступа имеют низкий коэффициент запаса устойчивости (η <1,1), были проведены работы по укреплению массива цементацией. На площади с размерами α _y=23 м, Δ x_y=60 м была пробурена сетка цементационных скважин с шагом 4 м на глубину 15 м. Закачивался цементный раствор с соотношением Ц:В от 1:2 в начале до 2:1 в конце нагнетания. Цементация позволила повысить сцепление пород в 2,5 раза, коэффициент устойчивости до η =1,2 и увеличить высоту уступа до Н=18 м. Объем вскрышных работ при этом был уменьшен на 2· 23· 360=16500 м³. При стоимости укрепления 1 м³ пород С_у=5,2 руб. и себестоимости 1 м³ вскрыши С_в=10 руб. расчет по формуле (3) показал, что затраты на укрепление составили 108 тыс.руб., в то время как экономия за счет уменьшения объема вскрышных работ - 165 тыс.руб.

Применение заявленного способа в описанном примере позволило уменьшить объект работ па бурению и геологическому описанию керна по сравнению со способом-прототипом более чем в 3 раза (при бурении скважин с интервалом 30 м). Кроме того, данный способ позволил более точно определить расположение наименее устойчивого сечения и рассчитать на этой основе безопасные параметры уступа, а также установить размеры участка уступа, подлежащего укреплению, и обосновать экономически целесообразный объем укрепительных работ.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке угольных, рудных и нерудных полезных ископаемых открытым способом, а также при строительстве насыпей и выемок автомобильных и железных дорог в неустойчивых породах и грунтах. Техническим результатом является снижение трудоемкости определения положения потенциальных поверхностей скольжения на наиболее опасных участках массива, повышение точности определения технологических параметров уступов, а также повышение их устойчивости. Для этого способ включает геофизические измерения, анализ геологического строения массива путем бурения скважин с описанием керна, построения геологических разрезов, выявления потенциальных поверхностей скольжения, определение физико-механических свойств массива горных пород и оценки гидрогеологических, горнотехнических факторов, расчет высоты и угла откоса уступа для выбранного коэффициента запаса устойчивости. При этом бурят первоочередную скважину и определяют физико-механические свойства пород на участке массива с предполагаемыми наиболее неблагоприятными по геологическим данным условиями, выявляют начальное значение глубины залегания потенциальной поверхности скольжения h₀, измеряют кажущиеся удельные электросопротивления (УЭС) ρ_к методом электропрофилирования на поверхности проектируемого уступа с глубиной зондирования, равной h₀, параллельно его бровке, рассчитывают изменение глубины залегания потенциальной поверхности скольжения в пределах уступа по формуле. Рассчитывают значения коэффициента запаса устойчивости η по соотношению сдвигающих и удерживающих сил, для сечений, перпендикулярных профилю, при различных координатах х, используя данные первоочередной скважины о физико-механических свойствах пород и геологическом разрезе с учетом изменения положения поверхности скольжения относительно границ уступа в соответствии с изменением h, а анализ геологического строения массива, расчет высоты и угла откоса уступа производят для наименее устойчивого сечения с наименьшим значением η. 2 з.п. ф-лы, 4 ил, 1 табл.

1. Способ повышения устойчивости уступов бортов карьеров, включающий геофизические измерения, анализ геологического строения массива путем бурения скважин с описанием керна, построения геологических разрезов, выявления потенциальных поверхностей скольжения, определение физико-механических свойств массива горных пород и оценки гидрогеологических, горно-технических факторов, расчет высоты и угла откоса уступа для выбранного коэффициента запаса устойчивости, отличающийся тем, что бурят первоочередную скважину и определяют физико-механические свойства пород на участке массива с предполагаемыми наиболее неблагоприятными по геологическим данным условиями, выявляют начальное значение глубины залегания потенциальной поверхности скольжения h₀, измеряют кажущиеся удельные электросопротивления (УЭС) ρ _к методом электропрофилирования на поверхности проектируемого уступа с глубиной зондирования, равной h₀, параллельно его бровке, рассчитывают изменение глубины залегания потенциальной поверхности скольжения в пределах уступа по формуле

h(x)=h₀·_{f[ρ к(x)/ρ 1]· f^-1(ρ к0/ρ 1),}

где f - функция, полученная путем решения прямой задачи электроразведки для заданного соотношения УЭС слоев;

х - координата по профилю;

ρ ₁ - усредненное значение УЭС налегающих пород;

ρ _к0 - значение ρ _к, соответствующее h₀ и х=0,

рассчитывают значения коэффициента запаса устойчивости η по соотношению сдвигающих и удерживающих сил для сечений, перпендикулярных профилю, при различных координатах х, используя данные первоочередной скважины, о физико-механических свойствах пород и геологическом разрезе с учетом изменения положения поверхности скольжения относительно границ уступа в соответствии с изменением h, а анализ геологического строения массива, расчет высоты и угла откоса уступа производят для наименее устойчивого сечения с наименьшим значением η .