Прогноз и контроль устойчивости уступов на угольных разрезах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прогноз и контроль устойчивости уступов на угольных разрезах

1. Общие положения

1.1 Факторы, влияющие на устойчивость бортов разрезов

Массивами горных пород в инженерной геологии называют часть земной коры, подвергаемую инженерному воздействию человека. Массив горных пород представляет собой сложную динамическую систему, постоянно меняющую свое положение и характеризующуюся геологическими, гидрогеологическими и инженерно-геологическими закономерностями.

Для условий открытой геотехнологии под массивом горных пород понимают часть земной коры, вмещающую карьер, техногенные насыпи и ограниченную зоной, в которой локализуются все инженерно-геологические явления, вызванные добычей полезного ископаемого. Инженерно-геологические явления - это различного рода деформации (обрушения, оползни, оплывины, просадки и т.д.) бортов карьеров, откосов уступов, отвалов и дамб накопителей жидких промышленных отходов.

Технологические особенности открытой геотехнологии, эксплуатации намывных и насыпных грунтовых горнотехнических инженерных сооружений (отвалов, дамб, плотин), складирования продуктов обогащения полезных ископаемых и других отходов производственных процессов в значительной мере определяются пространственно-временной изменчивостью свойств массива горных пород. Эта изменчивость обусловлена совместным действием значительного числа факторов.

Все факторы, влияющие на устойчивость бортов разрезов, можно разделить на четыре группы (рис 1.):

- инженерно-геологические;

- гидрогеологические;

- физико-географические;

- горно-технические.



Рис. 1. Факторы, влияющие на устойчивость бортов разрезов

1.1.1 Инженерно-геологические факторы

К наиболее существенным инженерно-геологическим факторам относятся:

1. Структурно-тектоническое строение массива. Условия залегания угольных пластов и вмещающих пород, наличие тектонических нарушений, трещин большого протяжения, поверхностей древних оползней и т.д.

От пространственной ориентировки крупных поверхностей ослабления в массиве горных пород (слоистости, сланцеватости, разрывных тектонических нарушений, поверхностей древних оползней) в значительной степени зависят положение и форма поверхностей скольжения, что, в свою очередь, определяет схему расчета устойчивости бортов. Этот фактор является одним из решающих при оценке устойчивости откосов, сложенных осадочными слоистыми породами при направлении падения слоев и нарушений в сторону открытой горной выработки, так как по таким поверхностям ослабления сцепление незначительно, а углы трения существенно меньше, чем по другим направлениям.

2. Прочность горных пород в прибортовом массиве.

Основными характеристиками прочности пород в массиве при оценке устойчивости откосов являются показатели сопротивления сдвигу или срезу (сцепление и коэффициент внутреннего трения), которые определяются генезисом пород, степенью литификации осадочных пород, их литолого-петрографическими особенностями (минеральным и гранулометрическим составами, структурой и текстурой в образце, составом цемента в осадочных сцементированных породах, плотностью сложения в рыхлых несвязных породах - песках, галечниках, гравелистых породах, плотностью сложения и влажностью в мягких связных - глинистых породах); сцепление в массиве всех трещиноватых пород зависит от прочности (сцепления) пород в образце, интенсивности и характера трещиноватости пород (формы и размера структурных блоков), а также сцепления пород по контактам слоев и другим поверхностям ослабления.

3. Характеристики сопротивления сдвигу по контактам пород и другим поверхностям ослабления, которые зависят от характера контакта и контактирующих поверхностей (контакты открытые, закрытые, с заполнителем; поверхности ровные, неровные, гладкие, шероховатые).

4. Деформационные характеристики пород, их длительная прочность.

5. Склонность пород в откосах к изменению свойств во времени (набухание, разуплотнение, выветривание, выщелачивание).

1.1.2 Гидрогеологические факторы

Влияние гидрогеологических факторов сводится к следующим трем направлениям:

1. Изменение напряженного состояния прибортового массива горных пород: гидродинамическое давление и гидростатическое взвешивание.

Суммарное влияние гидростатического взвешивания и гидродинамического давления проявляется как гидростатическое давление, действующее по поверхности скольжения и направленное по нормали к ней; гидростатическое давление снижает эффективные напряжения в массивах горных пород и способствует уменьшению сил, удерживающих массивы в устойчивом состоянии; гидростатическое взвешивание и гидродинамическое давление оказывают существенное воздействие на устойчивость борта в целом при условии, что значительная часть призмы возможного оползания находится ниже депрессионной (пьезометрической) кривой, или же при больших перепадах напоров в прибортовой зоне вблизи откоса; кроме силового воздействия гидростатические и гидродинамические силы способствуют набуханию и снижению прочности глинистых пород, вскрываемых горными работами.

2. Снижение прочности пород, склонных к набуханию.

Значительное влияние на снижение прочности пород в процессе отработки полезного ископаемого оказывают поверхностные и подземные воды; под влиянием поверхностных вод (в основном дождевых и талых, а также подземных, стекающих по поверхности откосов при отсутствии организованного их отвода) песчано-глинистые породы разуплотняются, увлажняются и набухают, что может приводить к оползанию слагаемых ими уступов.

3. Механический вынос и снос - поверхностная эрозия, оплывание, суффозия и другие фильтрационные деформации.

1.1.3 Физико-географические факторы

К этой группе факторов относятся климатические условия, орогидрография участка разреза и прилегающей к нему территории, сейсмичность района, наличие и характер распространения многолетнемерзлых пород.

К климатическим факторам, оказывающим влияние на устойчивость откосов, относятся: количество атмосферных осадков, характер дождей, мощность снегового покрова и продолжительность его таяния (с этим фактором связано питание водоносных горизонтов, развитие деформаций); температурный режим района, глубина сезонного промерзания и оттаивания пород оказывают влияние на интенсивность выветривания слабостойких пород, образование осыпей и разрушение берм; режим ветров, их сила, продолжительность и направление влияют на устойчивость песчаных откосов и на выветривание пород.

Рельеф района существенно влияет на характер стока атмосферных осадков и обводнение пород в окрестности разреза.

1.1.4 Горно-технические факторы

К основным факторам этой группы относятся: способы ведения буровзрывных работ, форма выемки в плане, высота и профиль борта, параметры элементов уступов, подработка прибортового массива пород подземными горными выработками при комбинированном способе отработки месторождения.

На устойчивость откосов уступов, сложенных скальными и полускальными породами, и на величину углов наклона бортов наибольшее влияние оказывают способ производства буровзрывных работ, параметры уступов и берм (ширина берм, частота их расположения). Степень влияния взрывных работ на уменьшение прочности массива горных пород зависит от способа взрывания, расстояния от места взрыва и структуры массива.

На устойчивость рыхлых или выветрелых пород, склонных к набуханию или размоканию, влияют профиль площадок уступов, обеспечивающий сток дождевых и талых вод, и своевременная заоткоска уступов.

Форма выемки в плане определяет наличие в различных горно-геологических условиях сил бокового распора, влияющих на предельные параметры устойчивых откосов.

Подработка бортов разрезов подземными горными выработками приводит к уменьшению прочности массива, что необходимо учитывать при определении общих углов наклона бортов или углов откосов уступов. Это влияние зависит от системы разработок, свойств горных пород и характера их деформаций при подработке.

В зависимости от структурного и литологического строения массива горных пород степень влияния перечисленных выше факторов на устойчивость бортов различна.

Объем и методика инженерно-геологических работ определяются в зависимости от степени сложности геологического строения месторождения, а также стадии его освоения (разведка, проектирование, строительство и эксплуатация).

1.2 Нарушение устойчивости горнотехнических сооружений

Деформации массива горных пород представляют собой сложные инженерно-геологические явления, приводящие к изменению контура горных выработок под влиянием природных и техногенных факторов.

Причинами появления деформаций являются: несоответствие углов наклона борта геологическим условиям или недостаточная изученность этих условий, отсутствие дренажа или его неэффективность, а также неправильное ведение горных работ.

При ведении открытых горных работ выделяют пять основных видов деформаций: осыпи, обрушения, оползни, просадки и оплывины.

Г.Л. Фисенко отмечал, что четкой границы между отдельными видами деформаций нет. Осыпи и обрушения различают по относительной величине деформирующихся массивов, обрушения и оползни - по скорости развития деформации, которая зависит от наклона поверхности скольжения. Просадки с течением времени переходят в оползни. При насыщении горных пород водой оползни переходят в оплывины.

Таблица 1. Классификация деформаций бортов

Виды деформаций	Характеристика	Причины	Условия возникновения
Осыпь	Отрыв отдельных частиц, кусков породы и скатывание их к подошве уступа	-выветривание - влияние взрывов	Угол откоса борта больше угла естественного откоса пород
Обрушение	Отрыв и быстрое смещение больших объемов породных масс, слагающих откос, активная стадия происходит практически мгновенно	-завышение угла откоса или высоты борта - наличие дизъюнктивных нарушений и трещин	Падение слоев, дизъюнктивных нарушений и трещин в сторону выемки круче 25-40о.
Оползень	Отрыв и медленное перемещение породных масс по поверхности скольжения под влиянием силы тяжести	-наличие в толще пород пластичных прослойков и слабых контактов - обводнение пород	При углах наклона положе 25-35о.
Просадки	Вертикальное опускание прибортовых участков рыхлых пород без образования поверхности скольжения	-увлажнение высокопористых отложений - уплотнение отвалов или засыпанных карьеров - подработка подземным способом
Оплывины	Перемещение потока насыщенных водой рыхлых породных масс	-отсутствие водоотводящих устройств - интенсивное выпадение атмосферных осадков

1.3 Нарушение устойчивости бортов карьеров

Развитие оползня часто происходит в несколько стадий, т.е. при отрыве первой призмы обрушения развитие деформаций не останавливается, вглубь массива развивается новая система трещин и процесс может продолжаться в течение нескольких лет. Деформирующийся массив передвигается по неподвижной поверхности скольжения. Особенностью оползней является медленное их развитие с последующим быстрым обрушением. Развивается оползень от десятков минут до нескольких лет. Массив оползающих пород называется телом оползня или призмой обрушения.

Нарушение условия предельного равновесия откоса вызывает развитие деформаций по следующему сценарию:

- в прибортовой зоне массива на расстоянии появляются нарушения сплошности поверхности в виде трещин, заколов, просадок;

- постепенно амплитуда трещин увеличивается и происходит отрыв призмы обрушения в верхней части практически вертикально до глубины породы, а затем сползают по поверхности скольжения.

По форме поверхности скольжения, ее пространственному положению выделяют поверхностные оползни (контактный, покровный) и глубинные (выпирания, надвиг).

Контактный оползень формируется при падении слоев в сторону выработанного пространства под углом, меньшим угла внутреннего трения. Прочность пород позволяет удерживать в равновесии откос достаточно долгое время. Однако при подрезке снизу горными работами ослабленных контактов между слоями, падающими в сторону выемки, а также при насыщении водой мягкосвязных и выветрелых пород происходит оползание верхнего, более слабого слоя пород по контакту с более прочными коренными породами.

При формировании контактного оползня поверхность скольжения проходит по контактам пород, трещинам, нарушениям, по которым прочность значительно ниже, чем в других направлениях. Векторы смещения пород параллельны поверхности скольжения.

Покровный оползень слабых пород является частным случаем контактного оползня. Как правило, происходит смещение сильно увлажненных мягкосвязных пород по контакту с коренными породами, имеющими наклон в сторону выработанного пространства.

Покровный оползень продуктов выветривания происходит в основном на нерабочем борту, где длительное время скапливаются выветрелые горные породы. При их сильном увлажнении происходит оползание водонасыщенных пород, при сильном насыщении пород водой такой оползень переходит в оплывину.

Глубинные оползни захватывают большие объемы прибортовых массивов и достигают от нескольких тысяч до сотен миллионов кубических метров. Условием возникновения глубинного оползня является наличие на вскрытых карьером породах висячего бока слабых пластичных глин или слабых контактов между слоями, которые имеют наклонное или пологое падение в сторону выработанного пространства. Причинами глубинных оползней могут также являться напорные воды в слоистых породах висячего бока и крутые углы наклона борта.

Оползень выпирания возникает, когда в основании борта залегают слабые контакты или слои слабых пластичных глин, не пересеченные бортом. Поверхность скольжения опускается ниже подошвы выемки и в нижней части выходит на дневную поверхность на некотором расстоянии от нижней бровки откоса, образуя перед откосом вал выпирания.

Оползень-надвиг. В нижней части поверхность скольжения проходит по ослабленному контакту между слоями или слабому пластичному прослойку, полностью пересеченному бортом, а в средней и верхней - пересекает слои горных пород.

1.4 Классификация опасных зон

Ведение горных и строительных работ изменяет напряженное состояние массива и слагающих его горных пород и сопровождается сложными инженерно-геологическими явлениями в виде различного рода деформаций (осыпи, обрушения, оползни, оплывины, просадки и др.) бортов выработок, откосов отвалов и дамб, что приводит к трансформации контура горных выработок. Участок техногенного массива горных пород, на котором в результате инженерно-геологических явлений может возникнуть аварийное состояние объекта ведения горных работ, создающее угрозу опасности для жизни и здоровья людей либо нанесения значительного ущерба имуществу физических или юридических лиц и окружающей природной среде, является опасной зоной. Исследования инженерно-геологических явлений при открытой геотехнологии, проведенные на большом числе горных предприятий Кузбасса с разнообразными геологическими и гидрогеологическими условиями, показывают, что наиболее часто опасные зоны формируются в массивах техногенных дисперсных грунтов (на участках бортов, сложенных мягкосвязными породами, на отвалах вскрышных пород, расположенных на наклонном или слабом основаниях, и на дамбах накопителей жидких промышленных отходов).

Оползни участков бортов мягкосвязных пород возникают при определенных инженерно-геологических, гидрогеологических и физико-географических условиях, т.е. формируются под воздействием природных факторов. Оползни отвалов обусловлены, в первую очередь, действием горнотехнических факторов: технология формирования, последовательность и интенсивность отсыпки ярусов отвалов, динамические и статические нагрузки и др. При этом наиболее значимое влияние на формирование опасных зон в любых отвальных массивах оказывает его основание (угол наклона и тип пород). Поэтому при оценке устойчивых параметров отвалов принято оценивать устойчивость системы «отвал - основание». Размещение отвалов в прибортовой зоне массива мягкосвязных пород ведет к формированию оползня не столько за счет дополнительной нагрузки на борт, а большей частью вследствие накопления влаги от атмосферных осадков на контакте подошвы отвала с поверхностью борта, насыщения этой влагой пористых мягкосвязных пород и снижения их прочностных характеристик. Еще одним условием формирования опасных зон являются участки бортов, отвалов и дамб, расположенные на подработанной территории.

Отдельно следует выделять опасные зоны, связанные с прорывом воды (затопленные выработки, карстовые полости, накопители жидких промышленных отходов) и возникновением гидродинамической аварии, способной в зависимости от последствий привести к чрезвычайной ситуации.

По воздействию на массив природных и техногенных факторов, а также последствий от аварии было предложено разделить опасные зоны на три группы: обусловленные природными факторами; обусловленные горнотехническими факторами и опасные по прорыву воды. Каждую группу опасных зон делят на подгруппы в зависимости от определяющих факторов, под воздействием которых происходит активизация неблагоприятного инженерно-геологического явления.

Первая группа опасных зон обусловлена воздействием на массив горных пород природных факторов. В этой группе выделено три основные подгруппы.

Опасные зоны, обусловленные природными факторами.

Борт массива горных пород с наклонным и пологим залеганием слоистости в сторону выработанного пространства при наличии в призме возможного обрушения тектонических трещин, секущих уступ, протяженностью более 0,25-0,3 высоты уступа или ослабленных поверхностей, а также при подрезке таких массивов горными работами на высоту более высоты черпания экскаватора

Формирование опасной зоны обусловлено здесь в первую очередь условиями залегания пород - наклонное и пологое залегание слоистости в сторону выработанного пространства. Подрезка горными работами контактов: коренных пород с рыхлыми четвертичными отложениями, отдельных слоев рыхлых четвертичных отложений (глины и суглинка) или отдельных слоев коренных пород вызывает контактный оползень. Время формирования этой опасной зоны зависит от целого ряда дополнительных факторов: литологического состава и структурной неоднородности пород, сопротивления пород сдвигу по контакту, степени обводнения массива, наличия напорных вод в водоупорных слоях и др.

Участки повышенной водообильности бортов карьера или отвалов, сложенные мягкими связными, твердыми глинистыми и рыхлыми несвязными или слабосцементированными породами.

С увеличением влажности мягкие связные, твердые глинистые и рыхлые несвязные или слабосцементированные породы набухают, постепенно снижается их прочность и породы переходят в пластичное, а при сильном увлажнении в текучее состояние, поэтому пористость и водопроницаемость играют определяющую роль при формировании опасной зоны в массивах таких горных пород. Рельеф земной поверхности и коренных пород, атмосферные осадки, а также водоносные горизонты, водоемы, открытые и подземные водотоки вблизи такого массива активизируют процесс формирования опасной зоны. Участки борта карьера, отвала вскрышных пород и дамб накопителей жидких промышленных отходов, на которых обнаружены признаки (трещины, заколы, просадки, оползание и т.д.) развивающихся деформаций.

Воздействие внешних сил (выемка и складирование горных пород, статические и динамические нагрузки от выемочно-погрузочного оборудования, транспорта и инженерных сооружений, «'сейсмическое воздействие технологических взрывов) вызывает изменение напряженного состояния массива горных пород, характеризуемое внутренними силами взаимодействия между отдельными его составляющими. В результате происходит снижение прочностных характеристик и разрыв внутренних структурных связей пород, возникают трещины отрыва, и наблюдается постепенное оседание отколовшегося блока.

Вторая группа опасных зон обусловлена действием горнотехнических факторов. Выявлено девять основных подгрупп.

- опасные зоны, обусловленные техногенными факторами

- отвалы скальных, полускальных, песчано-гравелистых пород и отвальные смеси на слабом основании происходит в выработанное пространство, при этом насыщаются водой мягкосвязные породы прибортового массива, уменьшаются их прочностные характеристики и одновременно увеличивается нагрузка на призму возможного обрушения.

- участки ведения горных работ под высокими (более полуторной высоты черпания экскаватора) уступами.

- уступы глинистых пород. Сухие глинистые породы ведут себя как твердые тела. С увеличением влажности они постепенно снижают свою прочность, переходят в мягкопластичное состояние, а при сильном увлажнении в текучее (полностью теряют прочность).

- уступы скальных и полускальных пород. Длительный срок стояния высокого уступа без обновления способствует развитию процессов выветривания пород под воздействием осадков и температуры воздуха, а также сейсмического воздействия взрывов, что ведет к формированию здесь опасной зоны.

В уступах, которые находятся в непрерывном движении, процессы разуплотнения, набухания и выветривания пород не успевают развиться, и они сохраняют устойчивое состояние при крутых углах откоса и большой высоте. Поэтому интенсивность обновления откоса является определяющим фактором развития опасной зоны при ведении горных работ под высокими уступами.

- барьерные целики между открытыми и подземными горными выработками, а также смежными открытыми выработками.

1.5 Паспортизация деформаций откосов

Анализ причин нарушения устойчивости уступов, бортов карьеров, отвалов и дамб в различных горнотехнических и инженерно-геологических условиях показывает, что сбор информации об оползнях и обрушениях и их систематизация по единой методике способствует накоплению достаточного опыта по предупреждению оползневых явлений и дает возможность разрабатывать эффективные меры защиты и активной борьбы с разрушающими деформациями.

В соответствии с требованиями правил безопасности все нарушения устойчивости бортов, отвалов, рабочих площадок, предохранительных и транспортных берм необходимо отражать в «Журнале учета опасных зон», а на деформации объемом более 1000 м³ или захватывающие площадь более 500 м² целесообразно дополнительно составлять паспорт деформации.

Нормативными документами Ростехнадзора документирование деформаций возложено на геолого-маркшейдерскую службу горнодобывающего предприятия, которая не позднее чем в месячный срок с момента возникновения деформации на основании инструментальных маркшейдерских наблюдений, инженерно-геологических, гидрогеологических съемок, проектно-изыскательской и другой имеющейся на предприятии документации составляет паспорт деформации. В паспорте указывают сведения о предприятии, объект деформации, его координаты.

Датой начала деформации считают начало активной ее стадии, обнаруживаемое визуально (появление трещин, языков, оплывин). Для оползня указывают число, месяц и год, для обрушения - время в часах. При сложной деформации указывают длительность развития каждой ее фазы. Дату окончания деформации определяют по результатам инструментальных наблюдений, когда их величина не превышает 10 мм.

Параметры оползня определяют по данным маркшейдерской съемки, которую выполняют до и после возникновения оползня.

В паспорте деформации указывают виды проводимых наблюдений на данном участке, прикладывают выкопировку с плана горных работ, 2-3 геологических разреза по характерным участкам нарушения, но не реже чем через 50 м.

По профильным линиям строят вектора смещений. На план и разрезы наносят положение противооползневых мероприятий.

В разделе «Горнотехнические условия» указывают краткую характеристику горных работ в районе деформации: параметры уступов, размеры рабочих площадок, тип экскаватора, тип транспорта, соответствие фактического состояния работ проектным решениям. В разделе «Инженерно-геологическая характеристика участка» дают описание геологии разреза, показателей прочности пород, структуру и условия их залегания.

На техническом совете инженерная служба предприятия определяет причины деформаций и намечает меры по их устранению.

На основе паспортизации решают следующие задачи:

- проверка обоснованности выбранных схем расчета;

- установление закономерностей деформирования массива;

- разработка мероприятий по управлению устойчивостью;

- прогнозирование оползневых явлений.

Г.Л. Фисенко отмечал, что причиной деформаций являются не поверхность ослабления и естественная обводненность пород и не наличие горных разработок, а то, что эти поверхности были недостаточно разведаны или их не приняли во внимание при проектировании и проведении горных разработок. Поэтому для оперативного анализа и управления устойчивостью с учетом накопленного опыта целесообразно создавать базу данных паспортов деформаций откосов, систематически проводить их анализ, что позволит строить более достоверный генетический прогноз устойчивых параметров бортов, отвалов и дамб накопителей жидких промышленных отходов и если не исключить полностью, то значительно уменьшить неблагоприятные инженерно-геологические явления при открытой геотехнологии.

2. Геомеханический мониторинг при открытой геотехнологии

Геомеханический мониторинг - это система наблюдений состояния геологической среды, процессов сдвижения горных пород и земной поверхности, геомеханических и гидродинамических процессов в массиве горных пород, интерпретация результатов наблюдений, формирование суждения о состоянии массива в целом и прогноз параметров устойчивых откосов инженерно-технических сооружений.

Цель геомеханического мониторинга

- выявление механизма процесса сдвижения и предотвращение вредного влияния горных разработок на горные выработки, объекты поверхности и окружающую природную среду.

- осуществление контроля ведения горных работ на деформирующихся участках инженерно-технических сооружений;

- определение эффективности противодеформационных мероприятий.

2.1 Методы контроля физических параметров и гидрогеомеханических процессов горных пород

К аномальным геологическим зонам, влияющим на устойчивость массива горных пород (открытых и подземных горных выработок, отвалов, дамб, насыпей, выемок), относят участки влагонасыщенных мягких связных и раздельнозернистых (сыпучих) пород, плывуны, пустоты в форме тектонических трещин, разломов, зон выгоревшего угля, карсты, слои водоносных пород (коллекторы), обводненные зоны трещиноватых пород и т.д.

В зависимости от места установки контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) методы обнаружения и контроля аномальных зон делят на 2 вида:

- полевые (КИА устанавливаются на земной поверхности);

- подземные (КИА устанавливаются в горных выработках).

В зависимости от применяемой физической основы все методы контроля состояния массива горных пород разделяют на прямые и косвенные (рис. 2).

Рис. 2. Методы контроля состояния массива

Прямые методы контроля основаны на инженерных изысканиях, визуальных и инструментальных наблюдениях. Косвенные (геофизические) - на связи параметров состояния и свойств горных пород в аномальных зонах с параметрами разного рода физических полей.

Прямые методы контроля являются наиболее распространенными, хорошо разработанными и наиболее информативны, однако в ряде случаев они весьма трудоемки и требуют значительных материальных затрат.

В зависимости от используемого оборудования применяют следующие прямые методы контроля физического состояния массива горных пород:

- инженерно-геологический, основанный на проведении разведочных и горных выработок, отборе образцов (монолитов, кернов) горных пород и исследовании их в лабораторных и полевых условиях, а также определении поверхностей ослабления и их пространственной ориентировки в массиве;

- гидрогеологический метод предполагает бурение разведочных скважин и изучение гидрогеологического режима с использованием специальных измерительных устройств;

- маркшейдерско-геодезический метод основан на закладке в массиве горных пород специальных наблюдательных станций в виде системы поверхностных и глубинных реперов и контроля их состояния с помощью измерительных приборов;

- тензометрический контроль предполагает установку специальных датчиков в исследуемых зонах и контроль напряженного состояния массива горных пород.

Косвенные (геофизические) методы контроля в зависимости от используемого физического поля разделяют:

- на звукометрический, предусматривающий возбуждение в массиве упругих колебаний определенного диапазона: низкочастотного сейсмического, акустического или ультразвукового. Фиксируя сигнал, прошедший через контролируемый участок массива, определяют изменение скорости распространения составляющих сигнала или его затухание, зависящих от плотности, пористости и влажности пород;

- термический, основанный на измерении аномалий температуры массива или его теплофизических параметров (теплопроводности, теплоемкости), зависящих от состояния и свойств пород;

- геомагнитный, предполагает измерение аномалий геомагнитных полей;

- геоэлектрический, базируется на измерении пространственно-временных изменений комплекса электромагнитных параметров среды.

Группу геоэлектрических методов разделяют на две подгруппы: электрофизический и электромагнитный.

Электрофизический метод контроля реализуется при наличии электрического контакта с породным массивом. Он включает методы регистрации тока, зондирование (подземное и вертикальное с земной поверхности), профилирование, межскважинное просвечивание, скважинный каротаж на постоянном, переменном токе и диэлектрический, методы вызванной поляризации, а также комплекс методов регистрации параметров естественных электрических полей (электрохимических, стационарных, фильтрационных нестационарных).

Электромагнитный контроль основан на измерении параметров электромагнитных полей, распределение которых зависит от электрических и магнитных свойств горных пород. В зависимости от частоты электромагнитного поля различают методы постоянного тока, низкочастотные, высокочастотные и радиоволновые.

Анализ геофизических методов контроля состояния массива горных пород свидетельствует о перспективности и широких возможностях этих методов. Данные методы наиболее оперативны и малотрудоемки, поскольку не требуют в большинстве случаев бурения контрольных скважин и проходки дополнительных выработок. Вместе с тем, геофизические методы, особенно в вариантах бесскважинного геоконтроля, как правило, интегральны, а также подвержены влиянию целого ряда побочных факторов и помех, имеющих непредсказуемый характер. По данной причине применение описанных методов в конкретных условиях часто требует проведения дополнительных исследований.

Геоэлектрические методы контроля включают электрофизические и высокочастотные электромагнитные методы.

Электрофизические методы основаны на измерениях аномалий параметров искусственно возбуждаемых в массиве электрических полей постоянного или низкочастотного переменного тока. Данные методы предполагают применение соответствующих методов электроразведки, хорошо изученных теоретически, отличаются большим разнообразием схем измерений, в том числе бесскважинных. Последнее обстоятельство позволяет считать, что электрофизические способы контроля обеспечивают оптимальное сочетание оперативности, точности и универсальности.

Геофизические наблюдения проводят для выявления систем трещин и нарушений. Выделяют следующие методы инженерной геофизики: электрометрический, звукометрический, электромагнитный, радиоволновой, сейсмоакустический.

Физической основой электрофизического контроля состояния и свойств неустойчивых пород является взаимосвязь их электромагнитных свойств с параметрами, определяющими пустотность и заполненность пустот влагой. Известны различные пути исследования данной взаимосвязи. Наиболее распространенным является установление экспериментальных зависимостей для пород конкретного месторождения или его участка, при этом используют статистические параметры (законы распределения, доверительные интервалы и др.), что позволяет повысить достоверность прогноза. Математическое моделирование электрофизических свойств мягких пород предусматривает представление среды в виде частиц правильной формы (шары, октаэдры и др.) с деформируемыми контактами, пустоты между которыми заполнены газом и влагой.

Поскольку влагонасыщение высокопористых глинистых грунтов существенно изменяет их электрофизические свойства, это позволяет контролировать геометрические параметры обводненных зон по аномалиям электрических полей.

разрез угольный устойчивость геомеханический

2.2 Сущность прогноза

Под прогнозом понимают научно обоснованное суждение о перспективах состояния откоса на весь срок службы карьера.

Прогноз различают по времени, методам, характеру и этапам прогнозирования.

По времени: оперативный - от 1 суток до 1 месяца; краткосрочный - от 1 месяца до 1 года; среднесрочный - от 1 года до 5 лет; долгосрочный - от 5 до 10 лет; дальнесрочный - более 10 лет.

По методам различают эмпирико-статистический и генетический прогноз, а в зависимости от объема исходных данных, геологической изученности нормативный и поисковый прогноз.

Поисковый прогноз выполняют на основе геологической разведки на этапе проектирования, определяя состояние массива горных пород в течение всего срока службы карьера.

Нормативный прогноз выполняют на различных этапах ведения горных работ по результатам разведки, исследования свойств при строительстве и эксплуатации разреза, а также по результатам геомеханического мониторинга.

Поисковый прогноз выполняют методами аналогии, моделирования и расчетным.

Метод аналогии - заключается в выявлении сходства инженерно-геологических и гидрогеологических условий разведанного месторождения с существующими или ранее отработанными.

Для отвалов поиск аналогов сводится к нахождению отвального массива, сходного по составу пород в их процентном соотношении и подобного по углу наклона и типу пород основания отвала.

Метод моделирования применяют для обоснования расчетной схемы по оценке устойчивости, ожидаемого механизма их деформирования, учета влияния внешних нагрузок и воздействий на напряженное состояние массива горных пород.

Физические модели откоса создают из эквивалентных материалов с соблюдением масштаба геометрических размеров и приложенных нагрузок.

Математическое моделирование основано на описании процессов, происходящих в прибортовом массиве, с использованием дифференциальных уравнений.

Расчетные методы основаны на анализе различных факторов, влияющих на поведение массива горных пород карьеров и отвалов.

Нормативный прогноз устойчивости состоит в определении сроков достижения допустимых деформаций на различных этапах освоения месторождения и включает: прогноз геологических нарушений, гидрогеологических условий, геомеханических параметров.

Конечная цель нормативного прогноза на основе комплекса систематических наблюдений - установить оптимальные параметры борта на различных участках месторождений.

Таблица 2

В табл. 2. приняты сокращения:

Н, ??, а - соответственно высота, угол откоса, ширина призмы возможного обрушения уступа; Н₉₀ - высота вертикальной трещины отрыва; в - угол падения слоев и поверхностей ослабления; щ - угол наклона поверхности скольжения в верхней части; е - угол между направлением наибольшего главного напряжения и площадкой скольжения; С_n, ц_n, г - соответственно расчетные значения сцепления, МПа, угла внутреннего трения, удельного веса горных пород, Н/м³; ц' - угол трения по поверхности ослабления; ??_р - сопротивление пород отрыву, МПа; и' - угол излома поверхности скольжения; N_i, T_i - нормальная и касательная составляющая веса отдельного блока.

Схема 1 используется для определения максимально допустимой высоты вертикального откоса и ширины призмы обрушения при благоприятном залегании поверхностей ослабления: падают в сторону массива, горизонтальны, вертикальны или падают в сторону выемки под углом, меньшим угла внутреннего трения по контактам слоев ц'.

Схема 2 применяется при установлении высоты вертикального откоса с неблагоприятным залеганием поверхностей ослабления в массиве: падением в сторону выемки при в > ц', сопротивление сдвигу по которым больше расчетной величины удельного сопротивления отрыву горных пород. Трещина отрыва не образуется, если ор по этой трещине больше сопротивления сдвигу по поверхности ослабления в пределах призмы возможного обрушения.

Схема 3 применяется для определения высоты уступов с падением поверхностей ослабления в в сторону выемки под углами ??, большими, чем углы падения поверхностей ослабления (?? > в).

Схема 4 применяется для определения высоты и угла откоса а, когда углы в поверхностей ослабления и слоев превышают угол внутреннего трения по контактам ц' и не подрезаются горными работами, а откосы заоткашиваются по этим контактам (?? = в).

Схема 5 применяется для определения угла откоса при известной его высоте или высоты при известном его угле, когда в массиве отсутствуют поверхности ослабления, с которыми частично или полностью может совпадать поверхность скольжения в предельном напряженном состоянии уступа.

Параметры уступов, рассчитанные по формулам, приведенным в табл. 2. уточняют поверочными расчетами. Поверочный расчет позволяет исключить погрешности, связанные с осреднением характеристик прочности горных пород. Выбор метода поверочного расчета связан с условиями залегания горных пород.

Поверочные расчеты производятся методом алгебраического сложения сил или методом многоугольника сил аналогично поверочным расчетам для борта.

Размещено на Allbest.ru

...