Способ определения изменений напряженного состояния элементов горных выработок,склонных к оползнеобразованию

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ .

МВЮФ

РЕСПУЬЛИН (Ю (И1

3сЮ 1 С.39/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССОР

ЛЮМ В Ю

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 1,... „,", ;„„1

»4(!1ИОТ(МА

sr 4s o waW cSWgmlnmvav (21) 3492866/ l8-25 (22) 24.09. 82 (46) 23.04.84. Бюп. 1 15 (72) В.С. Ямеиков, С.М. 1п(ьеико, Е.Г.,Соболев, K.À. Мартынов и В.В. Бедарев (71) Донецкий ардена Трудового 1(расного Знамени политехнический институт и Донецкий научно-исследовательский горнорудный институт (53) 550-83(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Ф 829933, кл. Е 21 С 39/00, 1980.

2. Бродовой В.В., Свирина В.С., Матвеев В.С., И1ипунов В.С. Высокоточная магниторазведка при изучении оползней.- "Разведка и охрана недр"q ,У 3, 1980, с. 38-44 (прототип).

Гр6

fpЯ р0 р3

Ipf ф1 (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИИ

НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕИЕНТОВ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, СКЛОННЬЕ К ОЛОЛЗНЕОБРАЗОВАНИЮ, включающий измерение компонент главного магнитного поля Зем« ли и их изменения во времени, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повывения эффективности контроля за образованием локальных зон измене. ния напряженного состояния на участках, склонных к оползнеобразованию, производят измерения компонент главного магнитного поля Н, H>, H > периоды интенсивного изменения уровней подземных вод, преимущественно в период с октября по май, строят графики функ нй агсср Нт/Н и/или

garctg Н / Н + H„ и .по экстремальным значениям этих функций определяют наличие и местоположение указанных зон.

l087662

10 сылки.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для оценки изменений напряженного состоя. ния элементов горных выработок с целью прогнозирования ополэневых явлений и контроля за их развитием на скрытной стадии.

Известен способ оценки напряженно.

ro состояния призабойяой 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

I аналогичные измерения в нетронутом массиве для оценки результатон измерений вертикальной магнитной составляющей в исследуемом участке массива элементе горной выработки, где пред.полагается изменение напряженного со стояния горных пород I

Недостатками данного способа являются узкая область применения, ограниченная лишь объемом пород межскважинного пространства, трудоемкость операций по бурению многочисленных сшважин.при ие следовании больших обьемов Горных пород, не исключается влияние на результат измерений естест» венного геоэлектрического тока в скважинах, сторонних источников электрическйх нолей, наличие неоднородностей, скопление подземных вод и т.п., что приведет к ложной оценке напря» женяого состояния.

Наиболее близким к изобретению йо технической сущности является citeоб проведения высокочастотной магнитораэведки прн изучении оползней, включающий измерение компонент главного магнитного поля Земли и и» изменення во времене (2);

Однако эффективность известного способа обнаруживается при изучении напряженного состояния пород уже в движущемся оползне; определение изменения только полного вектора иапря. жеяности магнитного поля Земли ие позволит зафиксировать момента зарождения локальных зон развития изменения напряженного состояния горяьпь- пород исследуемого массива; изучение изменений напряжений в массиве горных пород только по изменению полного вектора магнитного поля Земли требует длительных наблюдений (1-3 ч1

Целью изобретения является повыше ние эффективности контроля за образо

1 ванием локальных зон изменения напряженного состояния на участках, склонных к оползнеобразованию.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения изменений напряженного состояния элементов горных выработок, склонных к ополэнеобразоваяию, включающему измерение компонент главного магнитного поля Земли и их изменения во времени, производят измерения компонент главного магнитного поля Н, Н, Н в периоды интенсивного изменения уровней подземных вод, преимущественно

tS в период: с октября по май строят графики функций 6 агс р >- я/или

"х

aeter э . и по экстремальным

Ч х значениям этих функций определяют наличие и местоположение укаэанных зоя.

В основу предлагаемого способа положены .следующие физические предпоСовременные исследования позволяют разделить магнитное поле Земли на три основные части: главное магнитное поле е его вековыми вариацияии и источняком внутри ядра Земли вносит в наблюдаемую иа поверхности Земли напряженность магнитного поля вклад, равный 952, аномальное поле, обусловленное совокупностью источников в тон ком верхнем слое Земли и намагниченностью пород, вносит вклад е 4Х в наблюдаемую напряженность; внешнее поле, обусловленное источниками токов (поля) в околоземном пространстве, вносит вклад Ф !Х. При проведении измерений затрачяваетая 1-2 мнн (максимальный промежуток времени между измерениями на точках профиля). За это время ано-, мальное и внешнее поля изменятся яа незначительную .величину напряженности. Погрешность, обусловленная этими второстепенными полями, составит не больше 5Х от значений измеряемой напряженности полного вектора. Она бу50 дет повторяться как систематическая ошибка от точки к точке наблюдений.

Согласно способу предлагается измерять три компоненты естественного магнитного поля Земли (Н, Н, Н ).

Эти компоненты можно с указанной по 5 грешностью считать, компонентами главного магнитного поля Земли.

Представление магнитного поля 3еМли силовыми линиями является на совре 4(ца 3

Е„р, .

3 1 087 менном этапе развития науки самым удобным и точным методом представления картины изменения компонент поля.

Силовые линии магнитного поля вообще и поля Земли в частности на границе раздела двух сред претерпевают преломленйе, описанное по формуле где Е,, — диэлектрическая проницаемость двух различных сред (пород); !5 р,, И.р — магнитная проницаемость сред;

n — коэФФициент преломления.

В предлагаемом способе рассматри- щ ваются горные породы немагнитной природы (глины, пески, песчанки, карбо,натные породы и т.п., и вода). В этих породах (. изменяется от 2 до 40 ед. в зависимости от влажности, раздроб» 25 ленности, типа пород, а вода имеет

Я 81 ед. Наблюдается значительный диапазон изменений немагнитных значений.р в осадочных городах: 4 еощ 1ха = 1,0000004; М гвии ЗО

1р027271 Р бесиа ники = lр000728.

Ввиду больших различйй в значении . и 1ц самых распространенных пород, слагающих массивы, в которых чаще всего возникают зоны изменений напря35 венного состояния, становится очевид. ной эффективность предлагаемого способа. В этих зонах происходит изменение Я и М, что приводит к возникновению в результате преломлений силовых линий аномалий тлавного магнитного поля Земли. Причем существует эмпирическая зависимость между магнитны,ми аномалиями и степенью скрытной стадии развития оползня.

Согласно способу используется известный факт уменьшения напряженного состояния горных пород, слагающих мас сив, с увеличением их увлажненности, а для глинистых пород увеличение их . 50 влажности приводит не только к уменьшению напряженного состояния, но и к разрушению. Ро данным исследований наблюдается сезонное колебание уровня подземных вод: с октября по май 55 происходит подъем уровня вод от !О до 15 м, затем происходит падение уровня. В предлагаемом способе учи

662 4 f тывается процесс изменения напряжен.1 ного состояния пород под воздействи- ем влаги путем постановки режимных наблюдений с октября по май с переходом через январь.

Предлагаемый способ в отличие от других известных позволяет заблаго-. временно обнаружить момент зарождения скрытных эон изменения термодинамического состояния пород, которые одновременно являются зонами изменения напряженного состояния пород. Исполь. зование способа для регулярного исследования элементов горных выработок позволит при обнаружении скрытных зон произвести ряд.предохранительных мер для предотвращения оползня пород и разрушения элемента выработки.

На фиг. 1 показана схема расположения профилей наблюдений на борту карьера, содержащая борт карьера 1, профиля 2 наблюдений, локальную зону

3 изменений напряженного состояния пород 1,эона изменения термодинамичес кого состояния) борта карьера, компоненты 4 Н, Н» главного MGFHHTHQFo ноля Земли.

На фиг. 2 показана схема преломле ния магнитных силовых линий главного магнитного поля Земли, содержащая мас сив 5 скальных пород, магнитные силовые линии 6 главного магнитного поля

Земли, границу 7 скальные — рыхлые породы 7, рыхлые породы 8, границу 9 рыхлые породы — воздух, участок 10 изменения угла выхода на поверхность магнитных силовых линий главного маг-, нитного поля Земли.

На фнг.За показан график изменения

-coarct g -"- (град.) по профилю DP4, пер° — 11х пеидикулярному к борту карьера

11; на фиг. 33 - график изменения м.

М аого1 — (град.) по профилю и + М к, ПР4 — 12.

На фиг. 4 ипоказаны изменения от. ношений компонент H>/Н„ за два года (1980-1981); на фиг. 4о — изменения уровня подземных вод в гидронаблюдательных скважинах, расположенных в пределах месторождения; изменения от. ношений по профилю на участке 13 беэ оползненных признаков; изменения от. ношений по профилю на участке 14, склонному к ополэнеобразованию, через тектоническое нарушение, простирающееся под углом к борту карьера.

5 1087662

На фиг. 5 показаны изменения функ.1

I воздух также происходит преломление магнитных силовых линий. При отсутствии каких-либо неоднородностей, т.е, .

npH o o oT Hn cfcpMTHblx soH изменения термодинамических свойств горных по» род, вызывающих изменение напряженного состояния пород, магнитные 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,на 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 без скрытных стадий развития оползня. Участок 10 является аномалией главного магнитного поля Земли, протяженность которого определяется размерами скрытных зон изменения напряженного состояния горных пород. Величина изменений напряженности главного магнитного поля

Земли на участке 10 зависит от Е,(0 пород, участвующих в образовании зоны. По профилям, расстояние между которыми 5-10 м, с шагом 3-6 м произ. водят измерения компонент Н, H „ H полного вектора напряженности главного магнитного поля Земли.

На скрытных зонах изменения напря. женного состояния наибольшее изменение по величине и направлению претер певают компоненты Нк, Н> Величина изменений напряженности магнитного поля по компонентам Н, Ну составляет 80-300 . в зависимости от геометрических размеров зон, физического состояния и типа пород. Величина изменения угла выхода магнитных силовых линий главного магнитного поля Земли относительно осей Н, Н 1, Н изменяется в пределах от -5 до +5О.

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

50 н, н, ции акоп с Ч а с g

Нх Н 1 Нх н 5 в различные месяцы года на ополэнесклонном участке; 15 - кривая изменения функции в феврале; 16 — в июле;

17 — в ноябре 1980 r. l0

При реализации способа предварительно определяют на основе геологических материалов элементы горных выработок, предрасположенных к оползнеобразованию. Рассмотрим пример осуще- 15 ствления способа на элементах, слага" коих карьер. Выберем борт карьера по добыче известняков и доломитов., Оползнеобразования возникают в мес. тах пересечения борта поверхностным 20 карстом вблизи тектонических нарушений, чаще всего обводненных, в местах скоплений грунтовьи и подземных вод, в местах залегания глин, способных резко изменять прочностные свойства 2S (вязкость, пластичность, предел проч. ности на сдвиг и т.n.). При смачивании в этих местах (зонах) и происходит изменение напряженного состояния горных пород, слагающих исследуемый

I элемент горной выработки.

На выбранных участках бортов карьера 1 (фиг.l), склонных к ополэнеобразованию, разбивают профиля 2 наблюдений. Длину профилей наблюдений

1 выбирают такой, чтобы захватить зону

° беэ заметных изменений напряженного состояния горных пород, которая в зависимости от глубины карьера расположена оТ борта HB 30-50 м.Один иэ про . 40 филей 2 наблюдений пересекает скрыт- ную зону 3 изменений напряженного состояния (эона изменений термодинамического состояния) горных пород.

Магнитопрофилирование производят 45 трехкомпонентным магнитометром соглас но инструкции по магнитораэведке с обязательным выбором точки контрольных измерений.

Массив 5 скальных пород (фиг .2) пронизывается магнитными силовыми линиями 6 главного магнитного поля

Земли. На границе 7 скальные — рыхлые породы ввиду различия значений Еа л согласно закону преломления магнитных силовых линий изменяют угол, под которым они пронизывают рыхлые породы 8. На границе 9 рыхлые породы нент . Предварительно

Н Н2

4 х k„s Н строят графики отношений, а затем определяют по этим графикам arctg " показывающий угол поворота вектора

1087662

Ф пвлной напряженности главного магнитного поля Земли вокруг оси OZ„ перпендикулярной к поверхности Земли, ° l

lla

««г««6 ««ока«ыва««щйй угол, н«

«« образованный вектоРам Т с плоскостью х о . По найденным углам строят rpафики изменений их по всей дли р хо у. о не п о° филей.

На графиках (фиг.30 и 5 ) не показаны в еличины углов, а показаны их вреН

Ч енные изменения harctg -„- ( ю и

4 z (1 2$ На нсследуеИк+Н ч мом участке эона изменений напряжен- 20 ности горных пород располагается между пикетами 40-55 (фиг. Зс1 и о ) н определяется по экстремальным значениям названных функций.

Интенсивному изменению УРовня под- земных вод с октября по май (фи r. 4о ) соответствует интенсивное изменение отношений Н 1Н (фиг.40, кривая 13).

Наибольших изменений углы выходов магнитных силовых линий (фиг.5) претерпевают в ноябре и феврале (кривая

l5 и 17), что соответствует периоду интенсивных изменений уровня подземных вод. Подъем уровня подземных вод вызывает смачивание вышележащих горных пород, что приводит к изменению их термодннамический свойств. Статистика показывает, что все крупные оползни (разрушения) элементов выработок происходят в период октябрьмай.

Проведение исследований в этот пе риод позволяет надежно и быстро выявить вновь образовавшиеся зоны изменений напряженного состояния горных пород бортов карьера или проследить за развитием уже ранее обнаруженных эон.

1087662

r имат а в1

1087662

5 аиерениц прюЬЯиме кафедрам I990 а, Юшщрещю, лрМЬВюее ф импе )AN@

Яа) l7ююююащ еюййюее 6ноЯрв lуиг

ФЖЯ

Составитель Е. Поляков

Редактор Л. Гратилло .Техред С,Легеэа. Корректор И. Эрдейи

Заказ 26) 8/29 Тираж 564 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4