СПОСОБ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТА КАРЬЕРА Российский патент 2004 года по МПК E21C41/26 E21C39/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке угольных, рудных и нерудных месторождений открытым способом. Оно может быть использовано также при строительстве и эксплуатации насыпей и выемок автомобильных и железных дорог.

Известны способы прогноза нарушения устойчивости пород борта карьера, основанные на измерении деформаций или геофизических параметров массива, связанных с изменениями его напряженного состояния.

Например, известен способ определения опасных деформаций борта глубокого карьера, включающий установку автоматических наклономеров на равных расстояниях в штольне, пройденной в нижней части борта карьера вкрест его простирания и пересекающей зону поверхности скольжения, и определение опасных деформаций в этой зоне (см. а. с.№1010271, МКИ Е 21 С 39/00, опубл. 07.04.83, БИ №13). Способ обеспечивает прогноз нарушения устойчивости борта карьера только на завершающих стадиях формирования оползня, когда деформации массива близки к критическим, и недостаточно чувствителен к скрытым стадиям этого процесса. Кроме того, данный способ весьма трудоемок, поскольку предусматривает проходку специальной выработки.

Устранению недостатков аналога в определенной мере способствует применение способа определения изменений напряженного состояния элементов горных выработок, склонных к оползнеобразованию, согласно которому на соответствующих участках измеряют главные компоненты геомагнитного поля, находят отношение вертикальной компоненты к остальным, а об изменении напряженного состояния массива и развитии оползня судят по изменению этого отношения во времени (см. а. с.№1087662, МКИ Е 21 С 39/00, опубл. 23.04.84, БИ №15). Данный способ значительно менее трудоемок, так как не требует проходки выработок и даже бурения скважин. Вместе с тем способ не предусматривает оценки изменения свойств пород на контролируемом участке, не позволяет оценить глубину расположения и размеры очага формирующегося оползня, что свидетельствует о его недостаточной точности.

Более высокую точность обеспечивает способ прогнозирования процесса оползнеобразования, включающий определение зоны выхода неустойчивого горизонта на дневную поверхность, отделение породных призм, испытание их на сдвиг с одновременным измерением электросопротивления, определение стадии процесса оползнеобразования по результатам измерения электросопротивления массива в зоне выхода горизонта на дневную поверхность с учетом зависимости, полученной при испытании призм (см. а.с.№1287078, МКИ G 01 V 03/06, опубл. 30.01.87, БИ№4). Данный аналог учитывает изменение физико-механических свойств пород и их напряженного состояния, однако область его применения весьма ограничена, поскольку в случаях, когда неустойчивый горизонт не выходит непосредственно на земную поверхность, способ принципиально неосуществим. В реальных условиях неустойчивые слои располагаются чаще всего в глубине массива, где механические и электрические свойства горных пород существенно отличаются.

Наиболее совершенным на настоящий момент является способ оценки устойчивости массива горных пород борта карьера, включающий бурение скважин на участке, предрасположенном к оползням, выбор базового профиля в зоне равновесного напряженного состояния пород, периодические измерения кажущихся удельных электросопротивлений (УЭС) по базовому и линейным профилям с попарным перемещением питающих электродов в скважинах и определение момента и координат места зарождения оползня по экстремальным изменениям во времени отношений кажущихся УЭС линейных профилей к базовому, причем уменьшение данного параметра до 0,1-0,5 от фоновых значений связывают с образованием обводненной аномальной зоны, а увеличение до 2-3 -необводненной (см. а.с.№1064000, МКИ Е 21 С 39/00, опубл. 30.12.83, БИ №48). Данный способ обеспечивает высокую детальность оценки изменения свойств и состояния горных пород в зоне предполагаемого оползня и определение скрытых стадий его развития. Принимаем описанный способ за прототип.

Основной недостаток прототипа связан с высокой трудоемкостью его реализации, поскольку он предполагает периодические измерения методом погруженных электродов по нескольким профилям на разных отметках по глубине. Кроме того, при высокой детальности контроля времени и места зарождения ослабленной зоны прототип не обеспечивает достаточной точности прогноза фазы формирования оползня, так, о площади ослабленной зоны судят лишь по одному ее размеру - длине аномального участка графика кажущегося УЭС вдоль соответствующего линейного профиля.

Задача изобретения - снижение трудоемкости измерений кажущегося УЭС массива в районе предполагаемого очага оползня за счет применения бесскважинного метода электропрофилирования с земной поверхности с расположением оси основного профиля параллельно бровке уступа над наиболее вероятным местом расположения очага оползня на поверхности скольжения, которое определяется по геологическим данным, а также повышение точности прогноза фазы формирования оползня за счет измерений по дополнительному профилю, ось которого перпендикулярна оси основного профиля.

Указанная цель достигается тем, что в способе оценки устойчивости пород борта карьера, включающем определение участков, предрасположенных к оползням по данным геологических разрезов, периодические измерения кажущегося УЭС в различных его точках и определение скрытых стадий развития оползня по изменениям во времени измеренных величин, по данным геологических разрезов определяют расположение вероятной поверхности скольжения, измеряют кажущиеся УЭС массива методом электропрофилирования с его поверхности параллельно бровке уступа над средней частью вероятной поверхности скольжения с глубиной зондирования, равной глубине расположения ослабленного слоя, на отметке, соответствующей экстремальному изменению УЭС во времени по отношению к начальному значению, измеренному при устойчивом состоянии пород, намечают профиль, перпендикулярный бровке уступа, и проводят дополнительные измерения методом электропрофилирования, а о стадиях скрытого развития оползня судят по изменению площади выявленной аномальной зоны.

Указанная цель достигается также тем, что границы аномальной зоны определяют по расположению точек замеров с изменением кажущегося УЭС, превышающим 20% начального значения, а ее площадь - по формуле , где a, b - размеры зон по профилям.

Указанная цель достигается также тем, что с уменьшением кажущегося УЭС в аномальной зоне связывают формирование в массиве трещины скольжения, обусловленной обводнением ослабленного слоя, а с увеличением -разуплотнение пород в этой зоне.

Сущность заявленного способа поясняется чертежами.

На фиг.1, 2 представлены: геологический разрез, включающий слои пород 1-5, построенный по данным геологической разведки скважинами 6; выявленная вероятная поверхность скольжения 7; продольная x и поперечная у оси электропрофилирования; расположение элементов измерительной установки AMNB на поверхности уступа; расположение выявленного очага оползня 8. На фиг.3 приведены графики изменения относительной величины кажущегося УЭС массива ρ_к/ρ_к0 в моменты времени t₁, t₂ и t₃: по продольной оси х вдоль борта уступа (а) и в районе выявленного очага оползня (б), по поперечной оси y (в).

Осуществляют способ следующим образом.

По данным геологической разведки устанавливают участок, предрасположенный к оползням. Таким может быть участок с ярко выраженной слоистостью, со слоем ослабленных пород, обводненных грунтов, тектоническими разрывами, а также участок массива, сложенного неустойчивыми сыпучими или сильнотрещиноватыми породами. На установленном участке определяют расположение вероятной поверхности скольжения. В случае наличия ослабленного слоя поверхность скольжения обычно имеет вид плоской или призматической (ломаной) поверхности, совпадающей полностью или частично с плоскостью ослабленного слоя. В однородных неустойчивых породах она имеет круглоцилиндрическую форму, вид которой рассчитывают специальными инженерными методами. На фиг.2 геологический разрез, вскрытый скважинами 6, содержит слои суглинков 1, глины 2, алевролита 3, угля 4, коренных пород 5. Вероятная поверхность скольжения 7 имеет вид плоской поверхности, совпадающей с нижней границей обводненного слоя глины 2.

По данным теоретических и экспериментальных исследований в предельно-напряженном состоянии находится массив уступа в средней части поверхности скольжения (см. Арсентьев А.И., Букин И.Ю., Мироненко В.А. Устойчивость бортов и осушение карьеров. М.: Недра, 1982. - с.32-33). В этой зоне массива наиболее вероятно зарождение очага оползня, поэтому контроль изменения свойств именно этой зоны предусмотрен заявляемым способом. Проводят вертикаль от середины поверхности скольжения, получают начало О продольной оси электропрофилирования х, параллельной бровке уступа. По этой оси производят измерения кажущегося УЭС ρ_к по схеме электропрофилирования с поверхности уступа установкой AMNB, причем полуразнос питающих электродов АВ/2 принимают равным глубине расположения h ослабленного слоя, что соответствует эффективной глубине зондирования. Начальные измерения кажущегося УЭС ρ_к0 по профилю Ох проводят в устойчивом состоянии массива. Эти измерения целесообразно проводить до образования уступа. По результатам периодических измерений по указанному профилю строят графики изменения относительной величины УЭС ρ_к/P_к0(x) по всей длине уступа (фиг.3а).

Образование на графике ρ_к/P_к0(x) экстремумов, в которых изменение ρ_к составляет больше 20%, свидетельствует о формировании аномальной зоны в глубине массива, который может стать очагом оползня. Многочисленными исследователями установлена взаимосвязь УЭС горных пород и грунтов с их пористостью (пустотностью) и влагонасыщенностью: при образовании или раскрытии трещин, разуплотнении пород при их деформировании УЭС возрастает примерно пропорционально коэффициенту пустотности; при заполнении пород минерализованной жидкостью убывает обратно пропорционально коэффициенту влагонасыщения пустот (см., например, Дахнов В.Н. Электрические и магнитные методы исследования скважин. - М.: Недра, 1981. - С. 10-14). 20%-ный критерий значимости изменений ρ_к выбран из следующих соображений. Опыт натурных исследований показывает, что максимальная средняя статическая погрешность измерений кажущегося УЭС методом электропрофилирования составляет 12-20%. Она обусловлена действием следующих факторов: изменением состояния поверхностного слоя за счет сезонных и климатических условий; неточности установки электродов при повторных измерениях и аппаратурной погрешности. Вариации ρ_к, превышающие 20%, могут быть связаны только с изменением УЭС массива на эффективной глубине зондирования, то есть с образованием на контролируемом участке массива аномальной зоны, причем при уменьшении ρ_к происходит водонасыщение массива, а при возрастании - его разуплотнение. На отметке O₁, соответствующей максимальному изменению ρ_к, намечают поперечный профиль О_1у, перпендикулярный бровке уступа, по которому проводят измерения тем же методом с той же глубиной зондирования в пределах ширины рабочей площадки уступа. В моменты t₂, t₃… фиксируют изменения размеров аномальной зоны а и b соответственно на графиках ρ_к/ρ_к0 (х) и ρ_к/ρ_к0 (y), причем границы аномальной зоны определяют по расположению пересечений графиков с уровнем 20%-ных изменений. Шаг измерений ρ_к на стадии контроля развития оползня может быть уменьшен до требуемого уровня детальности контроля по сравнению с предварительным этапом (фиг.3,б, в). Форму аномальной зоны в плане целесообразно аппроксимировать эллипсом, в этом случае ее площадь вычисляют по формуле . Увеличение S свидетельствует о скрытом развитии очага оползня. При увеличении S до критических значений повышается вероятность перехода в открытую стадию с деформациями и обрушением пород. Для предупреждения нарушения устойчивости борта карьера следует своевременно принимать меры по укреплению откосов (см., например, Фисенко Г.Л., Ревазов М.А., Галустьян Э.Л. Укрепление откосов в карьерах. - М.: Недра, 1974. - С. 100-198).

Следует отметить, что известно применение измерения кажущегося удельного электросопротивления методами вертикального электрического зондировании и профилирования для прогноза обводненных зон (см., например, Момчилов B.C. Защита шахт от подземных вод. - М.: Недра, 1989. - с.38-44) или локальных обрушений (см., например, Сазонов В.А., Сосик Д.И. Геофизика в маркшейдерском деле. - М.: Недра, 1989. - С.35-45).

Предложенный способ также включает эту операцию, однако она применена в ранее неизвестном сочетании с другими операциями, что позволяет конкретизировать режимы и параметры метода электропрофилирования, в частности расположение профилей относительно бровки уступа, глубину зондирования, введение в качестве контролируемого нового параметра - площади аномальной зоны.

Изложенное дает основание считать, что заявленный способ отвечает критериям новизны и существенности отличий.

Описанный способ может быть использован не только при ведении горных работ открытым способом, но и при возведении отвалов из неустойчивых пород и грунтов, а также при строительстве и эксплуатации насыпей и выемок автомобильных и железных дорог, дамб и плотин из глинистых грунтов.

Пример исполнения. Для контроля устойчивости уступа карьера высотой 16 м и шириной 37 м были пробурены 3 разведочных скважины на расстоянии 15 м на глубину 22 м. По данным геологического описания керна массив борта сложен следующими породами (фиг.1): суглинки плотные 1; суглинки тяжелые и глина плотная 2; алевролиты 3; уголь 4; песчаники слабые трещиноватые 5. Установлено, что за вероятную поверхность скольжения 7 может быть принята нижняя граница увлажненного слоя глины.

Определив положение начальной точки О, получили глубину залегания ослабленного слоя h=9 м. По продольной оси Ох проводили измерения методом электропрофилирования с поверхности уступа установкой A6M6N6B с разносом питающих электродов AB=2h=18 м автокомпенсатором АЭ-72 с шагом Δх=10 м по всей длине уступа. Начальный график ρ_к0(x) был построен до ведения буровзрывных работ и образования нижележащего уступа. До момента t₁=6,5 мес с начала наблюдений изменения ρ_к/ρ_к0 не превышали 14% (измерения по профилю Ох проводились периодически с интервалом 0,5 мес). В момент t₂=7 мес на отметке х=240 м изменение ρ_к/ρ_к0 составило 31% (фиг.2а). На участке х=200...300 м были проведены повторные измерения с шагом Δх=2 м (фиг.2б). Установлена точка О₁, соответствующая минимальному значению ρ_к, и намечен поперечный профиль О₁у, по которому проводили дополнительные измерения с шагом Δу=2 м (фиг.2в).

Размеры и площади аномальной зоны составили: на момент t₂=7 мес, a₂=36,5 м, b₂=13,5 м, S₂=387 м²; на момент t₃=7,5 мес а₃=68,5 м, b₃=24 м, S₃=1290 м². Поскольку зафиксировано уменьшение ρ_к, образование аномалии связано с обводнением слоя глины за счет подъема уровня грунтовых вод при таянии снега. Поскольку скрытый процесс формирования оползня интенсифицировался, было принято решение остановить горные работы и укрепить массив путем установки штанг со стороны борта уступа, а также отсыпки подпорного породного вала на нижней границе уступа.

Применение описанного выше способа позволяет снизить трудоемкость измерительных работ по контролю места, времени образования очага зарождения оползня и его площади, поскольку измерения производят бесскважинным методом по профилям и с глубиной зондирования, выбранным в оптимальном диапазоне на основании имеющихся геологических данных. Кроме того, не уступая в детальности контроля, заявленный способ обеспечивает повышение точности по сравнению с прототипом, поскольку о стадиях развития оползня судят не по одному размеру очага, а по его площади.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке угольных, рудных и нерудных месторождений открытым способом, а также при строительстве и эксплуатации насыпей и выемок автомобильных и железных дорог. Техническим результатом является снижение трудозатрат на проведение измерений и повышение точности прогноза фазы формирования оползня. Для этого способ включает определение участков, предрасположенных к оползням по данным геологических разрезов, периодические измерения кажущегося удельного электросопротивления массива в различных его точках и определение скрытых стадий развития оползня по изменениям во времени относительных значений измеренных величин. При этом по данным геологических разрезов определяют расположение вероятной поверхности скольжения, измеряют кажущиеся удельные электросопротивления массива методом электропрофилирования с его поверхности параллельно бровке уступа над средней частью вероятной поверхности скольжения с глубиной зондирования, равной глубине расположения ослабленного слоя, на отметке, соответствующей экстремальному изменению удельного электросопротивления во времени по отношению к начальному значению, измеренному при устойчивом состоянии пород, намечают профиль, перпендикулярный бровке уступа, и проводят дополнительные измерения методом электропрофилирования, а о стадиях скрытого развития оползня судят по изменению площади аномальной зоны. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ оценки устойчивости пород борта карьера, включающий определение участков, предрасположенных к оползням по данным геологических разрезов, периодические измерения кажущегося удельного электросопротивления массива в различных его точках и определение скрытых стадий развития оползня по изменениям во времени относительных значений измеренных величин, отличающийся тем, что по данным геологических разрезов определяют расположение вероятной поверхности скольжения, измеряют кажущиеся удельные электросопротивления массива методом электропрофилирования с его поверхности параллельно бровке уступа над средней частью вероятной поверхности скольжения с глубиной зондирования, равной глубине расположения ослабленного слоя, на отметке, соответствующей экстремальному изменению удельного электросопротивления во времени по отношению к начальному значению, измеренному при устойчивом состоянии пород, намечают профиль, перпендикулярный бровке уступа, и проводят дополнительные измерения методом электропрофилирования, а о стадиях скрытого развития оползня судят по изменению площади аномальной зоны.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что границы аномальной зоны определяют по расположению точек замеров с изменением удельного электросопротивления, превышающим 20% начального значения, а ее площадь - по формуле

где а, b - размеры аномальных зон по профилям.