Геофизические методы контроля за состоянием устойчивости бортов глубоких карьеров Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

СЕМИНАР 3

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

П

© А.И. Клименко, А.С. Федянин, Б.Г. Лукишов, А.М. Иоффе, 2001

УДК 622.831

А.И. Клименко, А.С. Федянин, Б.Г. Лукишов, А.М. Иоффе

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЗА СОСТОЯНИЕМ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ

Сейсмические методы исследований, применяются с целью получения объективной оценки воздействия массовых технологических взрывов на прочность породного массива и соответственно на устойчивость карьерных откосов, и основываются на изучении характеристик сейсмического шума и сейсмоколеба-ний горных пород под воздействием массовых взрывов, амплитудно-частотный спектр которых существенно зависит от особенностей строения горного массива.

Геофизические методы исследования скважин (ГИС) являются одним из методов получения данных о состоянии горных пород в их естественном залегании, способствуют практически однозначному инженерно-геологическому толкованию полученных физических свойств и включают:

• гамма каротаж (ГК);

• инклинометрию скважин (ИК);

• метод кажущегося сопротивления (КС);

• метод потенциалов собственной поляризации (ПС);

• метод электродных потенциалов (МЭП) для выявления участков графитизации и пиритизации пород.

ерспектива развития глубоких карьеров влечет за собой необходимость постоянного контроля за состоянием устойчивости уступов бортов, проведения анализа изменений напряженно деформированного состояния массива горных пород под влиянием вскрышных работ с учетом тектонического строения верхних слоев литосферы, с целью обеспечения безопасности горных работ. Для решения этой задачи в последнее время успешно применяются геофизические методы исследований.

Методы электроразведки применяются для предварительного и оперативного прогнозирования деформационных процессов при разработке глубоких карьеров, обладают высокой чувствительностью к структурным изменениям в массиве, при отсутствии визуально заметных деформаций. Геоэлектрическим признаком, позволяющим прогнозировать деформационные процессы, является увеличение электрического сопротивления породного массива в процессе развития скрытых деформаций борта карьера.

Таким образом, комплексное использование геофизических методов позволяет с достаточной точностью прогнозировать состояние массива горных пород. В целом, геофизические наблюдения на карьере Мурунтау проводятся совместно с инструментальными маркшейдерскими измерениями, что представляет собой комплекс геомеханических исследований направленных на оперативное обнаружение изменений, происходящих в массиве горных пород с целью контроля за состоянием устойчивости при-бортового массива.

Основной объем геофизических исследований на карьере Мурунтау занимают режимные наблюдения методом вертикального электрозондирования (ВЭЗ), на стационарно оборудованных станциях в чаще карьера, позволяющие отслеживать изменения напряженно-деформированного состояния горных пород во времени, определять наиболее напряженные поверхности прибортовых массивов на данный период эксплуатации, в дальнейшем учитывая результаты наблюдений при расчете практического коэффициента запаса устойчивости бортов карьера.

Вертикальное электрическое зондирование позволяет прогнозировать степень устойчивости породного массива на основе регистрации изменения его электрических характеристик (кажущегося сопротивления) во времени. Проводя регулярные замеры на контролируемых участках бортов, можно определить изменения значений за определенный период, что может быть связано только с перестройкой структуры массива и образованием зон возможных деформаций. Отмечена четкая дифференциация в распределении кажущихся сопротивлений в ненарушенном массиве и зоне деформации, что говорит о высокой чувствительности метода и целесооб-

разности его использования для контроля за состоянием устойчивости бортов.

Результат проведенных электрозондирований отображается в графиках показывающих зависимость сопротивления от напряженно-деформированного состояния массива во времени (рис. 1).

Работы по данной методике проводятся с использованием аппаратуры типа АНЧ-3 в комплекте Рис. 2. График изменения кажущегося сопротивления (Кк), метод дипольного зондирования: ряд 1 - изменение относительных значений Кк на участке 1 (о сжатия = 200 МПа); ряд 2 - изменение относительных значений Кк на участке 2 (о сжатия = 80 МПа)

со стационарным генератором, дающим возможность подавления промышленных помех за счет высоких токов. Согласно инструкциям, при каждом наблюдении проводятся контрольные замеры в обратном ходе, при необходимости, их объем доводится до 100 %.

Совмещение центров станции ВЭЗ с реперами маркшейдерских наблюдательных станций, позволяет интерпретировать маркшейдерские и геофизические данные в комплексе.

На рис. 1 приведен пример обработки результатов полевых наблюдений методом ВЭЗ на карьере Мурунтау. В данном случае оцениваются относительные изменения кажущегося сопротивления от исходных значений на двух разносах токовых электродов (100,56 м). Анализ кривых зондирования говорит о стабильности значений кажущегося сопротивления во времени, за исключением данных по разному АВ/2=56 м, отражающих динамику развития деформационных процессов для данной глубины исследований.

Таким образом, изменения кажущегося сопротивления во времени характеризуют изменение

Рис. 1. График изменения кажущегося сопротивления пород во времени (точка 2МО_5)

физического состояния массива, позволяя прогнозировать напря-женно-дефор-мированное состояние приконтурного массива в целом.

Высокоэффективным для

оценки устойчивости прибортово-го массива является сейсмический метод, основанный на измерении сейсмоколебаний горных пород под воздействием массовых взрывов. Указанные измерения проводятся, с целью получения объективной оценки воздействия массовых технологических взрывов на

взрыва, является горизонтальная составляющая массовой скорости колебания грунта. Для интенсивности повреждений в УП-УШ баллов (соответствует скорости колебаний грунта до 0,16 м/с) характерны: оползни на крутых склонах, трещины в каменных оградах, отдельные случаи оползней. В настоящее время, по имеющимся данным о максимальной скорости колебания среды для отдельных участков чаши карьера, возможно рассчитать коэффициент сейсмического воздействия

прочность породного массива и соответственно на устойчивость карьерных откосов, что в условиях длительной эксплуатации месторождения приобретает важное значение.

По опыту работ, основной причиной деформирования откосов карьеров является сформировавшаяся поверхность возможного скольжения, которой для преодоления состояния предельного равновесия требуется внешний, незначительный по силе импульс. Данным импульсом может послужить как землетрясение, так и воздействие массового взрыва на карьере.

Важнейшей характеристикой разрушительности воздействия

взрыва на каждый борт карьера, а также на участки локального деформирования за которыми ведется постоянное инструментальное маркшейдерское наблюдение.

Основной целью данного метода, является получение достоверной количественной информации о параметрах сейсмического воздействия взрывов, на основание которой, в дальнейшем, прогнозируются динамические параметры сейсмических волн массового взрыва и их влияние на ослабленные участки бортов карьера, охраняемые объекты и зоны развития деформаций.

Для расчета полного сейсмического воздействия на участок

карьера от серии взрывов необходимо определить горизонтальную и вертикальную компоненту скорости колебаний для каждого взрываемого блока и вычислить их суммарное значение ЦрЕ , отражающее полное воздействие взрываемых блоков на исследуемый участок борта. Далее, зная полную горизонтальную компоненту скорости колебания можно вычислить интенсивность сейсмического воздействия по отношению к коэффициенту сжатия (Осж) и растяжения (о ), характеризующую деформирующее воздействие взрыва:

Осж = РСЦРЕ

0р = 0,0сж

В случае, если осж превышает табличные нормативные значения для физико-механических свойств образцов пород при статических режимах нагружения, произойдет неизбежное деформирование участка борта карьера.

Опытные работы по исследованию сейсмического воздействия взрывов на борта карьера проводились на двух разноудаленных от взрываемых блоков участках в чаше карьера. Для подтверждения результатов сейсмического воздействия, до и после проведения массового взрыва, на данных участках осуществлялись инструментальные геофизические и маркшейдерские наблюдения.

Первый участок располагался на расстоянии порядка 150 метров от взрываемых блоков в районе деформации № 30 на юго-западном борту карьера. Согласно расчетам, участок испытывал значительное сейсмическое воздействие от массового взрыва. Второй участок располагался в 600 метрах от очага массового взрыва в районе деформации № 37 на западном борту карьера вне зоны опасных сейсмических нагрузок.

По данным исследований, в результате воздействия массового взрыва на первом участке, произошло нарушение сплошности массива на глубине 2-4 метра, что привело к значительному изменению относительных значений кажущегося сопротивления (рис. 2). Также, по данным маркшейдерских наблюдений, было отмечено смещение абсолютных высотных отметок верхней

бровки уступа (рис. 3). На втором участке, находящемся вне зоны опасного сейсмического воздействия, изменений не обнаружено.

Полученные результаты говорят о высокой точности расчетов, достоверно отражающих реальный уровень сейсмического воздействия массового взрыва на исследуемый участок борта карьера.

Таким образом, можно сделать вывод, что при разработке глубоких карьеров, контроль за состоянием устойчивости бортов и уступов на ранней стадии развития деформационных процессов наиболее целесообразно проводить используя методы электро- и сейсмометрии, т. к. только они позволяют выявить ослабленные участки бортов карьера до появления

видимых деформаций и, как следствие, обеспечить безопасность горных работ.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Рис. 3. График смещения горных пород на участке 1