СПОСОБ ПРОГНОЗА УСТОЙЧИВОСТИ УСТУПОВ БОРТОВ КАРЬЕРОВ Российский патент 2007 года по МПК E21C41/26 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке угольных, рудных и нерудных месторождений открытым способом.

Известны способы прогноза устойчивости бортов карьеров, основанные на измерении параметров геофизических полей, взаимосвязанных с изменением напряженно-деформированного состояния массива.

Например, известен способ определения изменения напряженного состояния элементов горных выработок, склонных к оползнеобразованию, согласно которому на контролируемых участках измеряют главные компоненты геомагнитного поля, находят отношение величин вертикальной и остальных компонент, а о вероятности развития оползня судят по изменению во времени этого отношения (см. а.с. № 1087662, МКИ Е 21 С 39/00, опубл. 23.04.84, БИ № 15). Данный способ весьма оперативен и малотрудоемок, поскольку не требует бурения скважин и предполагает бесконтактный электромагнитный мониторинг. Вместе с тем, данный способ имеет низкую точность, так как он не учитывает при прогнозе особенности геологического строения массива и не предусматривает определение расположения очага формирующегося оползня в глубине массива.

Устранению указанных недостатков в значительной мере способствует применение способа оценки устойчивости массива горных пород борта карьера, включающего бурение скважин на участке, предрасположенном к оползням, выбор базового профиля в зоне равновесного напряженного состояния массива, измерения эффективного удельного электросопротивления (УЭС) массива по базовому и линейным профилям путем попарного перемещения электродов в скважинах, определение изменений во времени отношений значений эффективных УЭС линейных и базовых профилей, установление момента и координат места зарождения оползня по экстремальным значениям этих отклонений (см. а.с. № 10640000, МКИ Е 21 С 39/00, опубл. 30.12.83, БИ № 48). Данный способ обеспечивает существенное повышение точности прогноза, поскольку предусматривает выявление геологической структуры массива в процессе скважинных измерений и определение координат зоны зарождения оползня, связанной с локальным разуплотнением или влагонасыщением массива.

Недостаток аналога заключается в том, что при высокой детальности прогноза времени и места зарождения ослабленной зоны он не позволяет устанавливать фазу развития оползня, поскольку о площади аномальной зоны судят только по одному ее размеру вдоль соответствующего линейного профиля. Кроме того, данный способ для обеспечения измерений методом погруженных электродов на различных глубинных отметках и профилях требует большого объема буровых работ.

Недостатки описанного аналога в значительной мере устраняются способом, включающим определение по геологическому разрезу вероятной поверхности скольжения, измерение эффективного УЭС массива бесскважинным методом продольного электропрофилирования над средней частью ослабленного слоя с разносом, соответствующим глубине его залегания, выбор поперечного профиля по экстремальному значению УЭС и прогноз стадии развитии оползня по площади аномальной (повышенный или пониженных значениях) зоны на графиках электропроводимости (см. патент РФ № 2239064, МПК Е 21 С 41/26, 39/00, опубл. 27.10.2004, БИ №30). Трудоемкость способа снижается за счет исключения необходимости бурения контрольных скважин, а точность прогноза повышается путем дополнительных измерений по поперечному профилю.

Основными недостатками данного и всех описанных выше аналогов является недостаточная точность прогноза места вероятного дальнейшего развития оползня, поскольку они предусматривают сопоставление определенной по результатам измерений величины с критической, установленной на основе предварительных исследований в условиях, близких к контрольному участку. Точное установление критических значений контролируемых параметров (уровня геомагнитного поля и эффективного УЭС, площади аномальной зоны) принципиально невозможно, так как свойства массива и технологические параметры горных работ непрерывно изменяются как в пространстве, так и во времени даже в пределах конкретных участков одного месторождения.

Наиболее совершенным является способ повышения устойчивости уступов бортов карьеров, включающий анализ геологического строения массива, определение физико-механических свойств массива с учетом гидрогеологических и горно-технических факторов, установление изменения глубины залегания вероятной поверхности скольжения по результатам продольного электропрофилирования, расчет с учетом этого изменения значений коэффициента запаса устойчивости по соотношению сдвигающих и удерживающих сил и прогноз наименее устойчивого участка уступа по наименьшим значениям этого коэффициента (см. патент РФ № 223715 МПК Е 21 С 41/26, опубл. 27.09.2004, БИ № 27). Данный способ позволяет принципиально устранить основной недостаток всех анализов, поскольку место наиболее вероятного проявления оползня определяют не в результате сопоставления контролируемой величины с критическим уровнем, имеющем только локальную область применения, а по минимальному соотношению моментов удерживающих и сдвигающих сил, т.е. по универсальному критерию, следующему из условия предельного равновесия элементов массива. Таким образом, данный способ объединяет достоинства методов геофизического контроля, заключающиеся в возможности оперативного бесскважинного прогноза изменения состояния и свойств массива на интервалах между геологическими скважинами, с достоинствами прямых экспериментально-расчетных методов, основанных на знании физико-механических свойств пород в геологическом разрезе и решении классических уравнений статики при разбиении зоны сдвижения на блоки (см. Арсентьев А.И., Букин И.Ю., Мироненко В.А. Устойчивость бортов и осушение карьеров. - М.: Недра, 1982. - С.53-88).

Принимаем данный способ за прототип.

Недостатком прототипа является недостаточная точность прогноза развития оползня по времени. Способ позволяет установить место вероятного оползня (обрушения), где при определенном ухудшении горно-геологических и горнотехнических условий (влагонасыщение пород грунтовыми водами или атмосферными осадками, подсечение слабого слоя, ослабление массива в результате взрывного воздействия и т.п.) вероятно нарушение устойчивости борта карьера. Обычно критическими считают значения коэффициента запаса устойчивости η_пр=1,2 (20%-й запас устойчивости массива). Если η≤η_пр, то устойчивость участка массива близка к предельной, однако вывала может не произойти, поскольку контролируемый параметр (УЭС) зависит от изменяющихся физико-механических свойств массива, влияющих на его устойчивость (влажность, пустотность, уровень механических напряжений, трещиноватость), а не от интенсивности развития процессов разрушения пород по формирующейся реальной поверхности скольжения.

Задача изобретения - повышение точности прогноза устойчивости уступов бортов карьеров за счет комплексного контроля на участках, опасных по оползням, интенсивности процессов разрушения и глубины расположения очага разрушения, совпадающего с вероятной поверхностью скольжения, по параметрам естественного электромагнитного излучения.

Решение указанной задачи достигается тем, что в способе прогноза устойчивости уступов бортов карьеров, включающем анализ геологического строения массива с выявлением потенциальной поверхности скольжения, определение электрических и физико-механических свойств массива, геофизические измерения по профилю, параллельному бровке уступа в его средней по ширине зоне, прогноз на основе измерений глубины залегания потенциальной поверхности скольжения, расчет коэффициентов запаса устойчивости участков уступа по соотношению моментов удерживающих и сдвигающих сил с использованием данных о геологическом строении массива, механических свойствах пород и изменяющейся глубине залегания поверхности скольжения, согласно изобретению вдоль профиля уступа проводят измерения частоты следования импульсов естественного электромагнитного излучения, на интервалах, где эта частота превышает уровень фонового излучения более чем в 2 раза, проводят поинтервальные измерения соотношения уровня напряженностей электрического поля сигнала Е₁/Е₂ на рабочих частотах соответственно f₁ и f₂, рассчитывают глубину залегания потенциальной поверхности скольжения по формуле

где К - постоянная, зависящая от электрических и магнитных свойств массива и определяемая на предварительном этапе прогноза, после чего рассчитывают значения коэффициентов запаса устойчивости, по минимальным значениям которых судят о вероятном развитии оползня.

Решение указанной задачи достигается также тем, что измерения частот следования импульсов естественного электромагнитного излучения проводят при отключенных объектах электропотребления.

Решение указанной задачи достигается также тем, что глубину залегания потенциальной поверхности скольжения определяют с помощью экспериментальной тарировочной зависимости, устанавливаемой предварительно путем измерений величины Е₁/Е₂ при различной глубине установки в скважине искрового имитатора очага импульсного электромагнитного излучения в виде коммутатора тока.

Сущность заявленного способа поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема участка борта карьера, на котором реализуется прогноз устойчивости по заявленному способу, на фиг.2 приведен график изменения частоты следования N^& импульсов естественного электромагнитного излучения по профилю Ох, на фиг.3 представлены графики изменения расчетных параметров: глубины h(x) залегания потенциальной поверхности скольжения и коэффициента запаса устойчивости η(x) на интервале х₁<х<х₂, на котором уровень N^& вдвое превышает уровень фонового излучения N^& _ф, на фиг.4 приведена тарировочная экспериментальная зависимость.

Осуществляют способ следующим образом.

По данным геологической разведки в скважинах 1 анализируют структуру массива горных пород уступа борта карьера, включающую слои алевролита 2, угля 3, песчаника 4, и выявляют потенциальную поверхность скольжения 6 (фиг.1). Скольжение слоев массива вероятно при наличии следующих признаков: наличие слоя малопрочных пород; расположение на участке разрывного тектонического нарушения, формирование влагонасыщенной зоны или фильтрационного коллектора по контакту с водоупорным слоем. Потенциальная (вероятная) поверхность скольжения 6 образуется на контакте разнопрочных слоев. Если угол наклона выявленной поверхности скольжения превышает угол естественного откоса, то при определенном сочетании геологических и техногенных факторов может произойти обрушение пород путем скольжения верхней части массива по данной поверхности. Такими факторами являются: изменение глубины h залегания потенциальной поверхности скольжения из-за аномалий геологической структуры массива; неправильный выбор технологических параметров уступа (высота, ширина, угол откоса), приводящий к подсечению скользящего слоя с частичным или полным устранением упорной призмы; влагонасыщение пород грунтовыми водами или атмосферными осадками, приводящее к увеличению объемной массы пород и снижению сил сцепления.

Путем бурения разведочных скважин и лабораторных испытаний выбуренного керна определяют электрические и физико-механические (плотность, сцепление, угол внутреннего трения) свойства пород при естественной влажности. Такие исследования проводят по всей длине участка (расстояние между разведочными скважинами составляет 100-200 м). При наличии сочетания указанных выше неблагоприятных факторов определяют участки, опасные по оползням. На данных участках в сечениях разведочных скважин рассчитывают коэффициенты запаса устойчивости по известной формуле

где tgϕ - коэффициент внутреннего трения; k - сцепление; L - длина поверхности скольжения; N_i - сила нормального давления на i-м участке поверхности скольжения; Т_i - сдвигающая сила i-го блока борта карьера.

Если расчетные значения η находятся в диапазоне η=1,2-1,8 на данных участках в дальнейшем проводят оперативный прогноз изменения устойчивости борта. Для этого на поверхности уступа 5 в его средней части намечают профиль 7, расположенный параллельно бровке. По намеченному профилю проводят измерение параметров естественного электромагнитного излучения. Основными измеряемыми параметрами являются частота N^& следования импульсов и напряженность Е электрического поля электромагнитного сигнала. Измерения производят с помощью экспериментальной аппаратуры СБП-2, ЕГ-9 или специально разработанных приборов с повышенными чувствительностью и рабочим диапазоном (см. Справочное пособие для служб прогноза и предотвращения горных ударов на шахтах и рудниках. П.В.Егоров, В.В.Иванов, В.В.Дырдин и др. - М.: Недра, 1995. - 240 с.). Электромагнитное излучение наряду с акустическим является физическим процессом, сопровождающим разрушение горных пород и образование трещин скольжения. В частности, метод регистрации электромагнитного излучения нашел широкое применение при прогнозе степени удароопасности выработок: повышенные значения N^& свидетельствуют об интенсификации проявлений горного давления и повышении вероятности горных ударов. При формировании очага оползня по поверхности скольжения происходит накопление локальных микроповреждений и образование трещин. Лабораторные и натурные исследования показывают, что превышение двукратного естественного фонового уровня электромагнитного излучения 2N^& _ф характеризует начальную стадию формирования оползня. Эта стадия в зависимости от интенсивности действия указанных выше факторов может продолжаться от одного до шести месяцев и в случае непринятия своевременных мер может привести к обрушению борта.

По результатам периодических измерений по профилю Ох 7 строят графики N^&(x) (фиг.2), на которых отмечают интервалы х₁ и х₂ с уровнем N>2N_ф. В пределах данных интервалов с шагом Δх=5-10 м производят измерение напряженности Е электрического поля излучения. В результате аналитических исследований, подтвержденных лабораторными экспериментами, установлено, что частотный спектр электромагнитного импульсного излучения при трещинообразовании имеет следующий вид (см. Хямяляйнен В.А., Простов С.М., Сыркин П.С. Геоэлектрический контроль разрушения и инъекционного упрочнения горных пород. - М.: Недра, 1996 - 288 с.)

где f - частота гармонической составляющей излучения; Е_∞ - напряженность стационарного естественного электрического поля; n - число излучающих микротрещин в единичном объеме массива; μ, λ - магнитная проницаемость и удельная электропроводность пород; V - средняя скорость развития микротрещин; r - радиус вершины микротрещины; Δf - полоса пропускания регистрирующего устройства; - затухание электромагнитного сигнала на единичном расстоянии; h - глубина расположения источника электромагнитного излучения (зоны формирования очага оползня), совпадающая с глубиной залегания вероятной поверхности скольжения.

Из уравнения (2) следует, что при измерении величины Е на частотах f₁ и f₂ (f₂>f₁), поскольку параметры Е_∞, n, V, r, Δf сохраняются одинаковыми, соотношение Е₁/Е₂ зависит только от h и электрофизических свойств массива. Решая систему уравнений (2) при f=f₁ и f=f₂ относительно h, получим

где - постоянная, зависящая от электрических и магнитных свойств массива.

Физическая сущность уравнения (3) состоит в том, что более высокочастотные составляющие электромагнитного сигнала интенсивней затухают на единичном расстоянии в проводящем породном массиве, покрывающем источник излучения, вследствие скин-эффекта.

По результатам расчетов строят график h(x) для интервала х₁<х<x₂. Используя значения h, данные о геологической структуре массива (фиг.1), физико-механических свойствах массива, по уравнению (1) определяют значения коэффициентов запаса устойчивости η и строят график η(х), по минимальным значениям которого судят о вероятности развития оползня. При η<1,2 следует принимать меры, обеспечивающие предотвращение оползня: изменить параметры уступа, применить инъекционное укрепление пород или специальные удерживающие устройства (см. Фесенко Г.Л., Ревазов М.А., Галустьян Э.Л. Укрепление откосов в карьерах. - М.: Недра, 1974. - С.100-197).

Для повышения точности прогноза необходимо снизить уровень технологических помех, источниками которых являются электроустановки трансформаторных подстанций, экскаваторов, буровых станков, конвейеров, электровозов, а так же подводящие ЛЭП. Проведенными исследованиями установлено, что уровень сигналов N^&, Е от указанных источников при расстоянии до них менее 300-500 м соизмерим с полезным, причем спектры сигналов близки. Поэтому объекты электроснабжения в пределах 500 м от исследуемого участка должны быть обесточены.

Поскольку определение глубины h залегания потенциальной поверхности скольжения включает установление постоянной К, точность прогноза по заявленному способу непосредственно зависит от точности определения этой постоянной. Аналитический расчет К возможен на основе изучения электрических параметров λ и μ образцов горных пород или дополнительных электрофизических измерений по известным методикам. Если массив неоднороден по электрическим свойствам, то погрешность определения К может превышать 20-30%. Целесообразно поэтому вместо расчетной зависимости (3) использовать предварительно установленную экспериментальную тарировочную зависимость h(E₁/E₂). Для получения такой зависимости в скважину на различную глубину h помещают искровой имитатор источника электромагнитного сигнала, представляющий собой коммутатор тока с частотой 0,1-1 кГц. Измерения Е₁/Е₂ производят основным комплектом аппаратуры при фиксированных значениях f₁ и f₂. По результатам предварительных исследований строят тарировочные зависимости h(E₁/E₂; f₁/f₂) (фиг.4).

Пример конкретного выполнения способа. По данным исследования геологических скважин установлено, что массив уступа борта карьера включает слои алевролита 2, угля 3 и песчаника 4. Угол падения слоев 25-28° (фиг.1). Потенциальная поверхность скольжения приурочена к контакту разнопрочных слоя алевролита 2 и пласта угля 3. Для исследования свойств массива в средней части уступа была пробурена вертикальная скважина 1 с отбором керна. Основные параметры массива, необходимые для расчета коэффициентов запаса устойчивости уступа приведены в таблице.

Для прогноза устойчивости борта был намечен профиль Ох 7 параллельно бровке уступа 5. Основные параметры уступа: высота Н=16 м, ширина b=20 м, угол откоса α=35°.

Измерение импульсного электромагнитного изучения проводили опытной аппаратурой, включающей штыревую антенну, высокочастотный блок, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, частотомер и измеритель уровня сигнала. Основные технические характеристики аппаратуры следующие: диапазон рабочих частот f=0,1...70 МГц; максимальная чувствительность E_min=0,1 мкВ/м; диапазон частотомера N^&=0...20 кГц.

ТаблицаФизико-механические параметры породТип породыМощность слоя, мПлотность, γ, т/м³ yКоэффициент внутреннего трения tgϕСцепление k, МПаАлевролит154,30,453,5Уголь2,11,870,532,7Алевролит2,53,70,473,7Песчаник126,10,656,7

При отключении всех энергопотребителей фоновый уровень излучения составил на частоте f=1 МГц N^& _ф=32 Гц. Тарировочная зависимость, полученная с помощью искрового имитатора (реле с частотой коммутации N^&=0,2 кГ), опускаемого в скважину на досылочных штангах, приведена на фиг.4.

Измерения по профилю Ох показали, что на интервале x₁x₂=60 м уровень N^& составил от 70 до 200 Гц (фиг.2). На этом интервале с шагом Δх=10 м проводили дополнительные измерения на частотах f₂=0,1 МГц и f₁=1,0 МГц. Результаты измерений следующие:

х, м0102030405060E₂/E₁1,711,511,852,112,772,652,75

Результаты расчетов h по графику на фиг.4 при f₁/f₂=10, а также η по уравнению (1) с использованием определенных значений h(x) и данных табл. представлены на фиг.3. В результате прогноза установлено, что минимальное значение коэффициента запаса устойчивости составило η_min=1,07, что свидетельствует о высокой вероятности оползня на момент прогноза и необходимости укрепления данного участка.

Применение заявляемого способа позволяет повысить точность прогноза устойчивости борта карьера за счет более точного определения фазы развития оползня и места расположения наименее устойчивого участка.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке угольных, рудных и нерудных месторождений открытым способом. Техническим результатом является повышение точности прогноза устойчивости бортов карьеров. Анализируют геологическое строение массива, выявляют расположение потенциальной поверхности скольжения, определяют физико-механические свойства пород. Вдоль профиля, параллельного бровке уступа в средней его части, измеряют частоту следования импульсов естественного электромагнитного излучения. На интервалах, где эта частота превышает уровень фонового излучения более чем в 2 раза, производят поинтервальное измерение соотношения уровня напряженности электрического поля сигнала на двух рабочих частотах. С помощью расчетной логарифмической зависимости определяют глубину залегания потенциальной поверхности скольжения. С учетом изменения этой глубины, структуры массива, технологических параметров и физико-механических свойств пород рассчитывают значения коэффициентов запаса устойчивости по соотношению моментов удерживающих и сдвигающих сил в пределах выявленного опасного участка. О вероятности развития оползня судят по минимальным значениям коэффициентов запаса устойчивости. 1 з.п. ф-лы, 4 ил, 1 табл.

1. Способ прогноза устойчивости уступов бортов карьеров, включающий анализ геологического строения массива с выявлением потенциальной поверхности скольжения, определение электрических и физико-механических свойств массива, геофизические измерения по профилю, параллельному бровке уступа в его средней по ширине зоне, прогноз на основе измерений глубины залегания потенциальной поверхности скольжения, расчет коэффициентов запаса устойчивости участков уступа по соотношению моментов удерживающих и сдвигающих сил с использованием данных о геологическом строении массива, механических свойствах пород и изменяющейся глубине залегания поверхности скольжения, отличающийся тем, что вдоль профиля уступа производят измерения частоты следования импульсов естественного электромагнитного излучения, на интервалах, где эта частота превышает уровень фонового излучения более чем в 2 раза, производят поинтервальное измерение соотношения уровней напряженности электрического поля сигнала E₁/Е₂ на рабочих частотах соответственно f₁ и f₂, рассчитывают глубину залегания потенциальной поверхности скольжения по формуле

где К - постоянная, зависящая от электрических и магнитных свойств массива и определяемая на предварительном этапе прогноза,

рассчитывают значения коэффициентов запаса устойчивости, по минимальным значениям которых судят о вероятности развития оползня.