книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности под влиянием подземной разработки

ных участках скважины. Дальнейшие наблюдения состоят в периодическом проведении гамма-каротажа по скважине в период сдвижения толщи пород и определении смещений по глубине скважины пиков каротажной кривой, соответствую­ щих смещениям радиоактивных реперов. Одновременно с каротажем ведут определения смещений устья скважины. Сум­ мирование смещений устья скважины и пиков кривых гам­ ма-каротажа относительно устья позволяет определять абсо­ лютные смещения реперов.

Основные трудности, которые возникают при применении радиоактивных реперов, связаны с обеспечением требуемого заглубления их в породу. Кроме того, для фиксирования точки с максимальной интенсивностью излучения, которая принимает­ ся в качестве исходной при определении смещения репера, необходимо измерять интенсивность радиоактивного поля в сравнительно большом числе точек в окрестностях репера (для построения графика, позволяющего определить точку с макси­ мальным значением интенсивности радиоизлучения). Извест­ ные трудности связаны также с изготовлением радиоактивных реперов и обращением с ними. Эти недостатки устраняются при применении для определения положения реперов магнито-гер- коновых датчиков.

Метод определения положения реперов в скважине при помощи магнито-герконовых датчиков разработан в Уральском филиале ВНИМ И И. А. Петуховым, В. П. Самариным и В. К. Шляхецким.

Датчик состоит из магнитоуправляемого герметизированно­ го контакта (геркона) и постоянного магнита. Геркон предста­ вляет собой две пластинки из ферромагнитного материала, запа­ янные в стеклянный баллон диаметром 3—4 мм и длиной 20— 40 мм. Контакты геркона в магнитном поле постоянного магни­ та замкнуты. При попадании в магнитное поле датчика металли­ ческого репера последний, являясь магнитоактивной массой, ослабляет напряженность поля между герконом и постоянным магнитом и контакты геркона размыкаются. Для измерения рас­

стояния до репера достаточно зафиксировать две точки срабаты­ вания датчика.

Репер представляет собой металлический цилиндр (отрезок трубы) длиной 150-200 мм, к наружным стенкам которого при­ крепляются (клепкой или сваркой) 4—6 фигурных пластинчатых пружин. Диаметр репера по концам пружин превышает диаметр скважины.

Доставка реперов к местам установки осуществляется при помощи полихлорвинилового става труб, на котором размеща­ ются на требуемом расстоянии реперы. Став полихлорвиниловых труб наращивается на резьбе по мере опускания (проталки­ вания) его в скважину отрезками различной длины. Каждый отрезок трубы имеет на одном конце фланец, под который под­ водится репер, надеваемый на трубу с другого ее конца «усами» пружины в сторону фланца. При проталкивания става труб с реперами по скважине фланцы упираются в торцы реперов. При окончании подачи става труб реперы фиксируются за счет уси­ лия распора пластинчатых пружин, а став труб несколько при­ поднимается (или опускается, если скважина пробурена снизу вверх), чтобы освободить реперы от связи с трубой и тем самым исключить ее влияние на смещение реперов.

Для измерения расстояния до репера магнито-герконовый датчик пропускается по ставу труб. По сигналам, поступающим от датчика на измерительную станцию, регистрируется расстоя­ ние до обоих концов репера. Разность измеренных расстояний должна быть равной длине репера. Точность измерения смеще­ ний, как показали экспериментальные работы на шахтах Д он­ басса, составляет ±0,5 мм.

Радиометрические наблюдения методом гамма-гамма-ка- ротажа позволяют следить за разрыхлением и расслоением пород. Сущность метода состоит в том, что в скважинном глу­ бинном приборе (зонде) помещают источник гамма-излучения и индикатор его интенсивности, разделенные свинцовым экра­ ном. Индикатор интенсивности гамма-излучения фиксирует ослабленное экраном прямое гамма-излучение источника и

рассеянное гамма-излучение пород, окружающих индикатор в скважине. Эффект рассеяния гамма-излучения от источника проявляется в различной степени для сред разной плотности. Таким образом, когда зонд при перемещении по скважине про­ ходит слои пород, имеющие разную плотность, соответственно плотностям пород меняется эффект рассеяния гамма-излуче­ ния, что фиксируется на каротажной диаграмме. Отражая плот­ ность горных пород, метод гамма-гамма-каротажа позволяет определять и изменения плотности при разрыхлении пород в процессе их сдвижения, а также устанавливать участки толщи, где происходит расслоение пород при сдвижении. С помощью этого метода можно следить за изменением и развитием во вре­ мени процесса разрыхления и расслоения толщи пород над выработкой. Медленно протекающие процессы в массиве гор­ ных пород, такие как формирование зоны опорного давления, перераспределение напряжений вокруг выработок, изменение давления на целики иди крепь, обусловливают развитие дефор­ маций и смещений, в том числе неупругих деформаций и дефор­ мации с разрывом сплошности, изучение и наблюдение за кото­ рыми имеет большое значение для решения задач, связанных с креплением горных выработок, прогнозом и предупреждением динамических проявлений горного давления и другими процес­ сами. К настоящему времениразработано довольно большое число приборов, предназначенных для измерения смещений и деформаций горных пород в массиве. По способу регистрации деформаций и смещений все эти приборы условно можно разде­ лить на механические и тензометрические. В группу механиче­ ских входят измерительные стойки, называемые иногда конвергометрами, рассмотренные выше глубинные реперы. К тензо­ метрическим относятся различного типа деформометры, в кото­ рых в качестве чувствительных элементов использованы элек­ трические тензометры.

Контрольные вопросы 1. Перечислите природные факторы, наиболее влияющие на

процесс сдвижения горных пород и земной поверхности.

2.Назовите технологические факторы, определяющие характер процесса сдвижения.

3.Какие параметры процесса сдвижения определяют при

помощи маркшейдерских инструментальных наблюдений? 4 .Какие задачи решают на моделях из эквивалентных мате­

риалов?

5.Для решения каких вопросов применяется математиче­ ское моделирование и аналитические исследования?

6.Перечислите типы глубинных реперов и их конструктив­ ные особенности.

7.Какие измерения сдвижения горных пород выполняются на комплексной наблюдательной станции?

1.8.Наблюдения за сдвижением земной поверхности

идеформациями подрабатываемых объектов

Инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности под влиянием горных разработок производят с целью определения или уточнения параметров процесса сдвиже­ ния при освоении новых участков месторождений, выемке угля на больших глубинах, применении закладки выработанного про­ странства, наличии тектонических нарушений, установления взаимосвязи между деформациями земной поверхности и возни­ кающими деформациями в подрабатываемых объектах, опреде­ ления эффективности применяемых мер охраны объектов и в некоторых других случаях.

Наблюдения за сдвижением земной поверхности обязатель­ ны: 1) при выемке угля под охраняемыми объектами с примене­ нием горных мер охраны; 2) когда подрабатываемые объекты расположены над выходами сместителей дизъюнктивных нару­ шений или над осевыми поверхностями синклинальных скла­ док; 3)по требованию организаций, эксплуатирующих подраба­ тываемый ответственный или уникальный объект; 4) когда подрабатываются: железная дорога, водные объекты, дамбы, плотины, леса, подкрановые пути, сварные трубопроводы.

Результаты инструментальных наблюдений используют при установлении, выборе и уточнении мер охраны зданий, сооруже­

ний и природных объектов от вредного влияния горных разрабо­ ток; при выборе способов выемки угля под охраняемыми объек­ тами; для корректировки методов прогноза сдвижений и дефор­ маций.

Инструментальные наблюдения проводят на наблюдатель­ ных станциях, состоящих из системы реперов, закладываемых по определенной схеме на земной поверхности, в сооружениях или подземных выработках.

На застроенных территориях для исключения возможности повреждения подземных коммуникаций места закладки реперов согласуются с местными органами власти. Закладка реперов и начальные наблюдения на них должны быть проведены до появления влияния очистных выработок.

Весь цикл работ, связанных с производством наблюдений, включает в себя: составление проекта станций, разбивку станций в натуре, закладку реперов, привязку (плановую и высотную) станций к опорной геодезической сети, производство наблюде­ ний и камеральную обработку результатов наблюдений.

Различают типовые и специальные наблюдательные стан­ ции. Типовые наблюдательные станции закладывают для опре­ деления параметров процесса сдвижения, установления характе­ ра распределения сдвижений и деформаций земной поверхности в мульде сдвижения, а также характера их накопления при мно­ гократной подработке. Срок существования станции - от одно­ го года да нескольких десятилетий.

Специальные наблюдательные станции закладывают для изучения сдвижения земной поверхности при определении усло­ вий и мест образования сосредоточенных деформаций и других особенностей процесса сдвижения, для контроля за подрабаты­ ваемыми зданиями, сооружениями и природными объектами.

1.8.1. Типовые наблюдательные станции.

Закладку наблюдательной станции и наблюдения на ней производят по специальному проекту, который должен вклю­ чать: совмещенный план наблюдательной станции и горных работ в масштабах 1:500, 1:1000, 1:2000, 1: 5000; геологические

разрезы по профильным линиям и пояснительную записку. На плане должны быть показаны: рельеф земной поверхности; пройденные горные выработки и намечаемые к проведению во время наблюдений на станции; сооружения, расположенные в районе наблюдательной станции и предохранительные целики под охраняемыми объектами; профильные линии и распложен­ ные на них реперы. На геологических разрезах по профильным линиям должны быть показаны тектонические нарушения и дру­ гие факторы, которые могут оказать существенное влияние на процесс сдвижения горных пород.

В пояснительной записке указывается цель наблюдений и излагается:

1) краткая геологическая и горнотехническая характеристи­ ки пород и горных выработок участка шахтного поля, на котором намечается закладка наблюдательной станции; 2) обоснование конструкции и местоположения наблюдательной станции; 3) конструкция и способ закрепления реперов; 4)намеченная методика производства наблюдений, характеристика инстру­ ментов и периодичность наблюдений; 5) способ привязки стан­ ции к существующей маркшейдерско-геодезической сети; 6) количество и расчеты длин профильных линий, интервалов между реперами, количества реперов, необходимые материалы.

Типовая наблюдательная станция, как правило, должна состоять не менее, чем из двух профильных линий вкрест про­ стирания и одной по простиранию пласта — при подвигании забоя в направлении простирания и не менее, чем из двух линий по простиранию пласта и одной вкрест простирания — при подвигании забоя по восстанию или падению. Длины профиль­ ных линий вкрест простирания на типовых станциях определя­ ются в зависимости от угла падения пласта и наличия старых выработок. На рис. 1.8 показано определение длин профильных линий на разрезах вкрест простирания (при а < 25° ) и по прости­ ранию пласта. С обоих концов профильной линии закладывают по два (на расстояниях 50 и 100 м) или три (на расстояниях 30,60 и 90 м от крайних рабочих реперов) опорных репера.

б

Рис. 1. 8. Определение длин профильных линий на типовой станции: а —вкрест простирания пласта; б —по простиранию пласта

Разбивка наблюдательной станции на местности произво­ дится инструментально с помощью теодолита и рулетки. Места закладки реперов обозначают колышками или другими способа­ ми. Отклонения реперов от створа не должны превышать 5 см. Конструкция реперов и способ их закладки в грунт должны обес­ печивать: а) их надежную сохранность на весь срок службы наблюдательной станции, защиту от влияния промерзания и от внешних повреждений; б) прочную связь с грунтом; в) удобство наблюдений за их сдвижением. Кроме того, реперы должны иметь простую конструкцию, допускающую возможность изго­ товления их в местных условиях. Грунтовые реперы могут быть изготовлены из металлических стержней диаметром не менее 20 мм, металлических трубок диаметром не менее 30 мм или обрезков рельсов. Верхние концы обрезков рельсов или металли­ ческих стержней обтачивают до полусферы, а в центре, высвер­ ливают углубления диаметром 1-2 и глубиной 5—7 мм. К верхне­ му концу металлической трубки приваривают металлическую

головку, обточенную до полусферы, с высверленным отверстием. Реперы закладываются в скважины диметром 150—170 мм или в специально подготовленные котлованы. Глубина закладки репе­ ров должна быть такой, чтобы их нижний конец располагался на расстоянии не менее 0,5 м от границы промерзания грунта в дан­ ной климатической зоне. Часть репера, расположенная ниже горизонта промерзания, должна бетонироваться, а выше — засы­ паться сухим плотным грунтом. Общая длина репера в нескальных породах должна быть не менее 1 м, в скальных —не менее 0,5 м.

На участках, где возможно повреждение реперов движу­ щимся транспортом или земляными работами, верхнюю часть реперов заглубляют на 30—40 см ниже поверхности земли. В качестве рабочих реперов допускается использовать забивные металлические стержни длиной не менее 1,5 м.

Наблюдения за сдвижением земной поверхности заключа­ ются в инструментальном определении на разные даты положе­ ния реперов в вертикальной (нивелировки) и горизонтальной (измерение расстояний между реперами) плоскостях.

Перед началом наблюдений производят привязку опорных реперов наблюдательной станции к ближайшим пунктам опор­ ной маркшейдерской сети. Относительная линейная невязка теодолитного хода не должна превышать 1:2000, угловая невязка не более определяемой по формуле - Г Vw , где п — число углов хода. Длины необходимо измерять стальными компарированными рулетками или светодальномерами, оптическими даль­ номерами и другими приборами, обеспечивающими требуемую точность.

Высотную привязку исходных и опорных реперов наблюда­ тельной станции производят от реперов или пунктов нивелир­ ной сети. Высотные отметки передают сначала на исходные реперы, а от них —на опорные реперы профильных линий. При передаче высотных отметок на исходные и опорные реперы нивелирование производят из середины с отклонением не более 2 м, расстояния от инструмента до реек - не более 75 м. Не раз­ решается применять раздвижные или складные рейки. В случае

привязки опорных реперов профильных линий типовой станции расхождение в суммах превышений между прямым и обратным ходами не должна превышать АЛ = ±15 4Z , где L - длина хода в одном направлении, км.

Полная серия инструментальных наблюдений на станции должна состоять из следующих работ: нивелирования всех репе­ ров, измерения расстояний между реперами по профильным линиям и отклонений реперов от створов профильных линий, съёмки трещин на земной поверхности с указанием времени их появления и величины раскрытия. Съемка трещин производит­ ся их привязкой к реперам профильных линий. Ширина раскры­ тия трещин измеряется рулеткой или линейкой с точностью до 2 мм. К нивелированию рабочих реперов применяются те же тре­ бования, что и при передаче высотных отметок на исходные и опорные реперы. Расхождение в превышениях реперов по чер­ ным и красным сторонам реек не должно превышать 3 мм.

На участках профильных линий, где углы наклона превыша­ ют 15°, допускается применять тригонометрическое нивелиро­ вание. При этом применяются высокоточные или повышенной точности теодолиты с СКП измерения вертикального угла не более 5".

При измерении расстояний между реперами стальными рулетками вынос центров осуществляется с точностью до 1 мм. Длины измеряют с постоянным натяжением, на каждом конце интервала берут по три отсчета с точностью до 1 мм, а также измеряют температуру с точностью до 1°. Расхождения в длине интервала не должны превышать 2 мм. За длину интервала при­ нимают среднее из трех измерений. Расстояния между реперами измеряют в прямом и обратном направлениях. Расхождение горизонтальных расстояний между крайними реперами прямого и обратного ходов не должно превышать 1/10000 длины про­ фильной линии.

Измерения на наблюдательной станции можно начинать не ранее, чем через 7дней после закладки бетонных и 3дня —забив­ ных реперов. Начальное положение реперов определяют как

среднее арифметическое из двух серий наблюдений, проводи­ мых до подработки наблюдательной станции. Разница во време­ ни между сериями не должна превышать 5 дней. Сроки после­ дующих наблюдений на типовых станциях устанавливают в зави­ симости от решаемых задач. Если необходимо получить только конечные величины параметров сдвижения достаточно провести кроме начального ещё два наблюдения. При этом второе наблю­ дение необходимо приурочить к моменту окончания периода опасных деформаций, а последнее —ко времени прекращения процесса сдвижения. Если необходимо получить данные о развитии процесса сдвижения, то кроме начальной и конечной серий наблюдений дополнительно проводят не менее четырех наблюдений.

1.8.2. Специальные наблюдательные станции.

Специальные наблюдательные станции закладывают для детального изучения особенностей сдвижения земной поверхно­ сти (условий образования и мест формирования трещин, усту­ пов; определение скорости сдвижения после посадки кровли в лаве и др.), установления взаимосвязи грунта и сооружений при подработке, контроля соответствия фактических деформаций расчётным, а также с целью изучения влияния деформаций зем­ ной поверхности на состояние природных объектов. Наблюде­ ния за подрабатываемыми зданиями и сооружениями проводят с целью сравнения ожидаемых и фактических повреждений и деформаций конструкций для своевременного принятия мер, предотвращающих аварийные ситуации.

Специальные наблюдательные станции на земной поверх­ ности закладывают в основном при подработке следующих объектов:

-гражданских жилых и общественных зданий (домов, школ, больниц, административных зданий и др.);

—промышленных зданий (заводских цехов, обогатительных фабрик, надшахтных зданий и др.);

-л и н и й железных дорог и транспортных сооружений (мостов, путепроводов, газо- и нефтепроводов и др.);