CC BY
59
УДК 622.381
МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МОНИТОРИНГА НАРУШЕННОСТИ СКАЛЬНОГО МАССИВА
Владимир Федорович Юшкин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории горной геофизики, тел. (383)217-07-16, e-mail: L14@ngs.ru
Показано создание цифровой модели карьера методами 3D лазерного сканирования для контроля нарушенности его бортов. По данным изменений блочности взрываемого участка определяется распределение фракционного состава горной массы.
Ключевые слова: блочный массив, трещиноватость, 3D лазерное сканирование, контрольные марки, геомеханический мониторинг, программные средства.
METHODICAL ASPECTS OF MONITORING DAMAGES IN HARD ROCKS
Vladimir F. Yushkin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Doctor of Engineering Sciences, Principal Researcher, Mining Geophysics Laboratory, tel. (383)217-07-16, e-mail: L14@ngs.ru
The paper describes generation of digital model using methods of 3D laser scanning to monitor damages in open pit walls. Based on the data on change in jointing in a rock mass area after blasting, the authors determines the particle-size distribution of rocks.
Key words: block rock mass, jointing, 3D laser scanning, control marks, geomechanical monitoring, software.
Естественная и наведенная от буровзрывных работ (БВР) трещиноватость скального массива формирует понятие его структурной нарушенности. Эта характеристика определяет геомеханическое состояние и устойчивость бортов в карьере. В практике категорирования массива по степени нарушенности пород применяется метод сейсмотомографического мониторинга [1], который использует закономерности динамики величин скоростей сейсмических волн. Однако его эффективность на участках с размерами блоков менее 1.0-1.5 м явно недостаточна. Это объясняется тем, что величина скорости волны наряду с нарушен-ностью массива подвержена влиянию ряда других факторов, а также тем, что сейсмические волны, обладая длинами, существенно превышающими размеры блоков, обусловливают инвариантность скоростей от их размеров.
Рассматривая скальный массив как блочную геосреду, для определения трещиноватости используют метод косоугольной фотопланиметрии [2]. Однако этот метод является небезопасным в условиях ведения горных работ: сложность масштабирования, значительные затраты времени на обработку данных, невозможность идентифицировать данные измерений с параметрами нарушенности в плоскостях, где отсутствует масштабирование, ограничивают его применение.
Альтернативой является съемка бортов карьера методами 3D лазерного сканирования, которое с увеличением скорости сбора данных обеспечивает безопасность работ на геообъекте, необходимую точность измерений и быстроту обработки данных [2 — 4]. Данные сканирования включают полную информацию о местоположении каждого измерения, позволяют работать с реальными размерами выделенного геообъекта без прямого доступа, позволяют определять фактическую геометрию и структурное строение массива в масштабе обнажения пород, осуществлять контроль деформаций поверхности.
Скоростной сбор данных делает сканер идеальным устройством для быстрого получения до многих GB информации в эксплуатируемой зоне карьера, что повышает детализацию породного массива. Сканер не может видеть вокруг углов и выступов, что создает теневые зоны в данных. Для просмотра зон перекрывания съемку выполняют с нескольких станций стояния с выбором расстояний между ними, чтобы уменьшить степень затенения плоскости сканировани-яи тем самым повысить достоверность модели геообъекта.
Задачей исследований стало изучение трещиноватости и параметров блочности массива известняка для оценки качества взрывных работ. Съемка производилась по юго-западному борту Искитимского карьера сканером Scan Station 2, который имеет следующие характеристики:
— диапазон сигналов с 80 %-ным отражением - 1.5... 135 м;
— скорость измерений - 50 тыс. точек/с;
— точность измерений - 5 мм.
Сканирование борта выполнено после полной очистки забоя. Для повышения точности связи данных с разных станций стояния использовались геодезические марки. При выборе станций производилась минимизация неоднородно-стей сканируемой поверхности, которые становятся невидимыми для сканера. Малые углы сканирования могут создать существенные отклонения в данных, и без внимательной интерпретации результаты моделирования становятся недостаточно надежными при реконструкции геообъекта.
Задачей взрывных работ является отделение строительного камня от массива пород естественной блочности с разрушением его до требуемых размеров, что повышает эффективность дальнейшей переработки в технологических циклах дробления. Гранулометрический состав взорванной горной массы при добыче строительного камня характеризуется размерами кусков пород по крупности и должен соответствовать приведенным в таблице. При этом необходимо, чтобы размер габаритного куска в наибольшем ребре составлял не более 0.7 м при нормированном выходе негабарита не более 3 %.
Таблица
Нормативные параметры взорванной горной массы
Размер фракции, мм 0 - 10 10 - 400 400 - 700 более 700 (негабарит)
Содержание фракции, % 5 72 20 3
Взрыв нарушает исходное состояние сплошности массива, при этом куски породы разрушенного участка характеризуются средними размерами и углами взаимного расположения граней. Во взорванной горной массе наблюдаются блоки негабаритных размеров с преобладанием сложной полигональной формы с числом граней 8 - 10 и более. Это усложняет переработку сырья до требуемых по ГОСТу кондиций. Поскольку технологически взрыв должен минимизировать дальнейшую переработку сырья, то важны данные о гранулометрическом составе взорванной массы горных пород.
Оценка трещиноватости пород и устойчивость уступа в предельном положении выполнялась по данным сканированных изображений программными средствами системы Cyclone. На рис. 1 представлена фотография и облако точек сканированного участка по борту карьера длиной ~40 м. Участок сложен крупно- и среднеблочными породами и пересекает одну из зон тектонических нарушений [3]. Нарушенности характеризуются чередованием крупноразмерных блоков со смятием и переизмельчением горной массы в такой зоне. Размер фракций в данном месте соответствует определенной трещиноватости.
а
Рис. 1. Фотография борта карьера и сканера на переднем плане (а); фрагмент сканированного изображения (б) обнажения откоса 1 уступа до взрыва с указанием углов наклона трещин
При анализе сканированного изображения на рис. 1б выделяются три системы трещин: две имеют углы падений около 60° внутрь карьера и одна — в глубь массива. Размеры блоков, ограниченных этими системами, составляют 2 м и более. Наблюдаются различия блоков в зависимости от трещиноватости. По визуальным наблюдениям установлено, что блоки крупных размеров имеют многочисленные нарушения, неупорядоченные системы трещин. Это является следствием воздействия взрыва, направленного в глубь массива.
Изменение структуры трещин борта и гранулометрический состав пород определены по данным сканирования с помощью измерений линейных размеров ребер и граней блоков, выбранных для оценки воздействия взрыва на состав разрушенной породы по откосу 1 до взрыва, взорванной горной массы и откосу 2 после взрыва. На рис. 2а показано распределение блоков по линейным размерам до и после взрыва, а также взорванной массы. На механическое состояние массива после взрыва влияет степень прерывистости (или топологической связности) сети трещин, что существенно зависит от исходных деформационно-прочностных свойств горных пород, а также от уровня концентрации разнотипных минералов, других структурных включений в составе пород. Эти факторы присущи практически любым горным породам.
Рис. 2. Распределение линейных размеров блоков (а): по откосу 1 до взрыва, взорванной горной массы и выделенных после взрыва по откосу 2; распределение углов наклона граней блоков после взрыва (б). - общее количество измеренных блоков; - количество блоков, имеющее данный линейный размер или данный угол наклона между боковыми гранями
На рис. 2а видно, что линейные размеры существенно разнятся по своим значениям для разных совокупностей блоков, сформировавшихся в массиве после взрыва. Взорванная горная масса представляет совокупность кусков пород, которые имеют различную форму и объем и обладают значительной вариацией по линейным и угловым размерам граней. Разрушения в массиве, формирующиеся при взрыве, в значительной степени обусловлены естественным строением горных пород и развиваются в основном по уже существующим граням и
ребрам блоков. Процессу способствуют полигональные системы трещин, сформировавшиеся при петрогенезе за счет запасенной внутренней энергии.
В отличие от линейных размеров распределение углов взаимного наклона граней на рис. 2б носит практически равномерный характер.
Таким образом, при определении трещиноватости массива с применением наземного лазерного сканирования, которая наравне с увеличением скорости сбора и обработки данных обеспечивает безопасность выполнения этих работ.
Установлено, что обработка данных лазерного сканирования позволяет выявить фрагменты массива исследуемого блока, при объединении которых в единую картину можно проследить изменение блочности по простиранию взрываемого участка и скорректировать параметры БВР. Выработан порядок инструментальных замеров лазерным сканером Scan Station 2.
Таким образом, развиваемые в настоящее время в геомеханике экспериментальные исследования по количественному описанию структурного строения массивов горных пород в рамках фундаментальной концепции их блочно-иерархического строения по М.А. Садовскому дают основу для совершенствования технологий добычи строительного камня.
1. Отработаны вопросы мониторинга структуры массива с использованием сканера с целью определения развития дезинтеграционных процессов в горном массиве при проведении взрывных работ в карьере.
2. Получены экспериментальные зависимости распределения линейных размеров блоков по откосу уступа до взрыва, блоков взорванной горной массы и блоков, выделенных после взрыва по вновь образовавшемуся откосу. Характер зависимостей показывает, что взорванная горная масса, представляющая совокупность блоков породы, которые имеют различную форму и объем и обладают значительной вариацией по линейным и угловым размерам граней, в части распределения линейных размеров блоков соответствует распределению блоков, выделяемых на откосах до и после взрыва.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Абрамов Н.Н. Методические аспекты сейсмотомографического мониторинга нарушенности скального массива // Известия ВУЗов. Горный журнал. — 2014. — № 4.
2. Рождественский В.Н., Панжин А.А., Пьянзин С.Р., Кочнев К.А. Исследование трещиноватости локальных массивов с помощью средств наземного лазерного сканирования // Известия ВУЗов. Горный журнал. — 2014. — № 5.
3. Опарин В.Н., Середович В.А., Юшкин В.Ф., Прокопьева С.А., Иванов А.В. Формирование объемной цифровой модели поверхности борта карьера методом лазерного сканирования // ФТПРПИ. - 2007. - № 5.
4. Опарин В. Н., Юшкин В. Ф., Акинин А. А., Балмашнова Е. Г. О новой шкале структурно-иерархических представлений как паспортной характеристике объектов геосреды // ФТПРПИ. — 1998. — № 5.
5. Опарин В. Н., Юшкин В. Ф., Полянкин Г. Н., Гришин А. Н., Кузнецов А. О., Рублев Д. Е. Геомеханический мониторинг временной крепи железнодорожного тоннеля, проходимого в сложных горно-геологических условиях юга Западной Сибири // ФТПРПИ. — 2015. — № 4. — С. 174 - 197.
© В. Ф. Юшкин, 2016
