Способ определения изменений напряженного состояния элементов горных выработок,склонных к оползнеобразованию Советский патент 1984 года по МПК E21C39/00 

11 Изобретение относится к горному делу и может быть использовано д.пя оценки изменений напряженного состоя ния элементов горных выработок с целью прогнозирования оползневых явлений и контроля за их развитием на скрытной стадии. Известен способ оценки напр)пкенно го состояния призабойной зоны горного массива, основанный на измерениях вертикальной составляющей естественного магнитного поля Земли по длине скважин, пробуренных в исследуемом элементе горной выработки. При осуществлении способа предусматриваются аналогичные измерения в нетронутом массиве для оценки результатов измерений вертикальной магнитной составлякйчей в исследуемом участке массива элементе горной выработки, где предполагается изменение напряженного со стояния горных пород ij . Недостатками данного способа явля ются узкая область применевия, ограниченная лишь объемом пород межсква- жинного пространства, трудоемкость операций по бурению мнЬгочисленньис (кваясин при исследовании больших объемов горных пород; не исключается вли яние на результат измерений естественного геоэлектрического тока в екв жиндх, сторонних источников электрическйх полей, наличие иеоднеродноетей, скопление подземных вод и т.п., что приведет к лозшой оценке напряжевного состояния. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является crto соб проведения высокочастотной магни торазведки при изучении оползней, вкJнoчaющий измерение компонент главного магнитного поля Земли и их изменения во времени 2j . Однако эффективность избестного способа обнаруяивается при изучении напряженного состояния пород уже в движущемся оползне; определение изменения только полного вектора напря женности магнитного поля Земли не позволит зафиксировать момента зарождения локальных зон развития измеиения напряженного состояния горных- пород исследуемого массива; изучение изменений напряжений в массиве горных пород только по изменению пол ного вектора магнитного поля Земли требует длительных наблюдений (1-3 ч Целью изобретения является повьтае ние эффективности контроля за образо 2 ванием локальных зон изменения напряженного состояния на участках, склонных к оползнеобразованию. Поставленная цель достигается тем. что согласно способу определения изменений напряженного состояния элементов горных вьфаботок, склонных к оползнербразованию, включающему измерение компонент главного магнитного поля Земли и их изменения во времени, производят Измерения компонент главного магнитного поля Hj(, Ни, Hjp в периодь интенсивного изменения уровней подземных вод, преимущественно в период с октября по май. строят графики функций Д arctg -f,- и/или &aPei|.j и по экстремальным значениям этих функций определяют наличие и местоположение указаннь(х зон. В основу предлагаемого способа положены .следующие физические предпосылки. Современные исследования позволяют разделить магнитное поле Земли на три основные части: главное магнитное поле с его ве1совыми вариациями и источником внутри ядра Земли вносит в наблюдаемую на поверхности Земли напряженность магнитного поля вклад, равный §52, аномальное поле, обусловленное совокупностью источников в тон ком верхнем слое Земли и намагниченностью пород, вносит вклад 4% в наблюдаемую напряженность ; внещнее поле, обусловленное источниками токов (поля) в околоземном пространстве, вносит вклад 4; 1%. При проведении измерений затрачивается 1-2 мин (максимальный промежуток времени между измерениями на точках ). За это время ано-. мальное и внешнее поляизменятся на незначительную величину напряженности. Погрешность, обусловленная этими второстепенными полями, составит не больше 5% от значений измеряемой напряженности полного вектора. Она будет повторяться как систематическая ошибка от точки к точке наблюдений. Согласно способу предлагается измерять три компоненты естественного магнитного поля Земли (Н)(, Hij, Hg). Эти компойенты можно с указанной погрешностью считать, компонентами главного магнитного поля Земли. Представление магнитного поля Земли силовыми -Линиями является на совреСогласно способу используется известный факт уменьшения напряженного состояния горных порЬд, слагающих мае сив, с увеличением их увлажненности, а для глинистых пород увеличение их. 50 влажности приводит не только к уменьшению напряженного состояния, но и к разрушению. По данным исследований наблюдается сезонное колебание уровня подземных вод: с октября по май 55 происходит подъем уровня вод от 10 до 5 м, затем происходит падение уровня. В предлагаемом способе учи

ПР4 - 12. :

На фиг. 4«показаны изменения отношений компонент HU/HX за два года (1980-1981); на фиг. Аб - изменения уровня Подземных вод в гидронаблюдательных скважинах, расположенных в пределах месторождения; изменения отношений по профилю на участке 13 без оползненных признаков; изменения отношений по профилю на участке 14, склонному к оползнеобразеванию, через тектоническое нарушение, простирающееся под углом к борту карьера.

На фиг. 5 показаны изменения|функ« € :|(

в различные меся1 ы года на опол несклонном участке; 15 - кривая изменения функции в феврале; 16 - в июле; 17 - в ноябре 1980 г.

При реализации способа предварительно определяют на основе геологически материалов элементы горных выработок, предрасположенных к оползнеобразованию. Рассмотрим пример осуществления способа на элементах, слагаюп их карьер. Выберем борт карьера по добыче известняков и доломитов. ,

Оползнеобразования возникают в местах пересечения борта поверхностным карстом вблизи тектонических нарушений, чаще всего обводненных, в местах скоплений грунтовых и подземных вод, в местах залегания глин, способных резко изменять прочностные свойства (вязкость, пластичность, предел прочности на сдвиг и т.п.). При смачивании в этих местах (зонах) и происходит изменение напряженного состояния горных пород, слагающих исследуемый элемент горной выработки.

На выбранных участках бортов карьера 1 (фиг.), склонных к оползнеобразованию, разбивают профиля 2 наблюдений. Длину профилей наблюдений выбирают такой, чтобы захватить зону без заметных изменений напряженного .состояния горных пород, которая в зависимости от глубины карьера расположена от борта на 30-50 м.Один из про- . 2 наблюдений пересекает скрытную зону 3 изменений напряженного состояния (зона изменений термодинамического состояния) горных пород.

Магнитопрофилирование производят трехкомпонентным магнитометром согла ио инструкции по магниторазведке с обязательным выбором точки контрольных измерений.

Массив 5 скальных пород (фиг.2) пронизывается магнитньми силовыми линиями 6 главного магнитного поля Земли. На границе 7 скальные - рыхлы породы ввиду различия значений Е (Ц согласно закону преломления магнитных силовых линий изменяют угол, под которым они пронизывают рыхлые породы 8. На границе 9 рыхлые породы г

воздух также происходит преломление магнитных силовых линий. При отсутствии каких-либо неоднородноетей, т.е. при отсутствии скрытных зон изменени термодинамических свойств горных пород, вызывающих изменение напряженного состояния пород, магни.тные силовые линии главного, магнитного поля на поверхности Земли представляются векторами одинаковой длины, выходящи ми под определенным углом.

При наличии скрытной зоны изменений напряженного состояния горных по род магнитные силовые линии, проходя через нее,иа поверхности образуют участок 10 изменения угла выхода. На участке 10 магнитные силовые линии расположены к поверхности под углом, отличным от углов на равномерно напряженных участках безскрытных стадий развития оползня. Участок 10 является аномалией главного магнитного поля Земли, протяженность которого определяется размерами скрытных зон изменения папряженного состояния горных пород. Величина изменений напряженности главного магнитного паля Земли на участке 10 зависит от f, |U пород, участвующих в образовании зоны. По профилям, расстояние между котогилми 5-10 м, с шагом 3-6 м произHt,, Hjr

водят измерения компонент Н),

полного вектора напряженности главного магнитного поля Земли.

На скрытных зонах изменения напряженного состояния наибольшее изменение по величине и направлению претер певают компоненты Нц, И. Величина изменений напряженности магнитного

Ну. Н,

поля по компонентам Hj, Htj составляет 80-300 У в зависимости от геометрических размеров зон, физического состояния и типа пород. Величина изменения угла выхода магнитных силовых линий главного магнитного поля Земли относительно осей Hj,, Ни, Hjr изменяется в пределах от -5 до +5°.

Исследования показали, что для характеристики зоны изменений напряженности горных пород наиболее выразительными оказались соотношения компоНу Н

Предварительно

т/:(Г

строят графики отношений, а затем определяют по зтим графикам arctg -г. , показывающий угол поворота вектора полной напряженности главного магнитного поля Земли вокруг оси OZ, перпендикулярной к поверхности Земли, показывающйй угол, образованный векторам с плоскостьк X о у. По найденным углам строят графики изменений их по всей длине профилей. На графиках (фиг.За и S) не показа ны величины углов, а показаны их временные изменения barctg (11) и . Ч121 На исследуе к--Чу .

мом участке зона изменений напряжен- 20вить вновь образовавшиеся зоны измености горных пород располагается меж-нений напряженного состояния горных

ду пикетами 40-55 (фиг. Sq и) ипород бортов карьера или проследить

определяется по экстремальным значе-за развитием уже ранее обнаруженных

ниям названных функций.зон. Интенсивному изменению уровня под- земных вод с- октября по май (фиг. AS } соответствует интенсивное изменение отношений Hu/Hj (фиг.АО, кривая 13). Наибольших изменений углы выходов .магнитных силовых линий (фиг.5) претерпевают в ноябре и феврале (кривая 15 и 17), что соответствует периоду интенсивных изменений уровня подземных вод. Подъем уровня подземных вод вызывает смачивание вышележащих горных пород, что приводит к изменению их термодинамический свойств. Статистика показывает, что все крупные оползни (разрушения) элементов выработок происходят в период октябрьмай. Проведение исследований в этьт пе риод позволяет надежно и быстро выя

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТОРffiJX ВЫРАБОТОК, СКЛОННЫХ К ОПОЛЗНЕОВРАЗОВАНИЮ, включающий измерение компонент главного магнитного поля Земли и их изменения во времени, отличающнйся тем, что, с целью повышения зффективности контроля за образованием локальных зон изменения напряженного состояния на участках, склонных к оползнеобразованию, ПРШ13ВОДЯТ измерения компонент главного магнитного поля HJ, Н, Н в перио да интенсивного изменения уровней подземных вод, преимущественно в период с октября по май, строят графики функций & arctg Ну/Н; и/нли (Л iarctg + HX и-по экстремальс ным значениям зтих функций определяют наличие и местоположение указанных зон. р ю 9 ЭЬ

ФЙ

в Hf

Ik

«

tat

M

ш

Aarttg

0

к (/)fvpenM, ttfieSofuiwf 8 февром 1990 в. ifuiMepewfi iVoMiawe 9теле 1980г.

17tafiepeMM, /упАвЫмг внол . Фвг.5