книги / Основы механики горных пород

Значительная информация о пространственных закономер­ ностях структурных ослаблений массива может быть получена на основе изучения трещиноватости по кернам геологоразве­ дочных скважин. Для такого изучения необходимо обеспечить фиксацию первоначальной пространственной ориентировки из­ влекаемых кернов. Керны подвергают далее визуальному ос­ мотру, выявляют в них естественные ослабления (трещины, поверхности напластования) и измеряют ориентировку ослаб­ лений относительно образующей керна, определяя затем пере­ счетом элементы залегания этих поверхностей ослабления в массиве. Наряду с этим часть керна используют для изготов­ ления так называемых ориентированных шлифов (положение плоскостей строго определено в пространстве).

Под микроскопом изучают микротрещиноватость по шли­ фам, определяя ориентировку микротрещин относительно ори­ ентированных осей шлифов. Результаты измерений подвергают статистической обработке на диаграммах, выявляя простран­ ственную ориентировку систем микротрещиноватости. По­ скольку системы макро- и микротрещнноватости массивов по их пространственной ориентировке четко взаимно коррелируются, такой анализ позволяет предварительно прогнозировать прост­ ранственную ориентировку основных систем крупно- и мелко­ блоковой трещиноватости.

Степень структурного ослабления массива может сущест­ венно изменяться по простиранию и по глубине. Для прогно­ зирования трещиноватости на подлежащих вскрытию новых го­ ризонтах или участках месторождения, смежных по простира­ нию с разрабатываемой частью месторождения, следует произ­ водить анализ изменений интенсивности трещиноватости — плотности трещин различных систем и интенсивности трещино­ ватости участков массива в целом. Такой анализ позволяет также прогнозировать приближение горных работ к тектони­ ческим разрывам, не выявленным при разведке месторождения, поскольку вблизи разрывных нарушений обычно развита опе­ ряющая трещиноватость, вследствие чего общая интенсивность трещиноватости возрастает.

Анализ погоризонтных диаграмм трещиноватости позволяет выявить закономерности изменения ее с глубиной и путем экс­ траполяции дать прогноз развития трещиноватости на очеред­ ном горизонте, подготавливаемом к вскрытию.

Раздел МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ]][ В МЕХАНИКЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Глава 5. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

ВНАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ

§24. РОЛЬ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ И ИЗМЕРЕНИЙ

ИИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Процессы механики горных пород изучают с привлече­ нием трех различных групп методов: аналитических, моделиро­ вания и натурных наблюдении и измерений. Последняя группа методов является при этом основной, поскольку в процессах горных работ чрезвычайно велико многообразие влияющих фак­ торов. Это обусловлено как большим разнообразием и измен­ чивостью горно-геологических условий, так и вариациями ре­ жимов ведения и параметров горных работ, а также тем, что горные работы постоянно развиваются и фронт их непрерывно перемещается в пространстве. Поэтому, хотя наблюдения и из­ мерения в натурных условиях трудоемки и организационно сложны, без них невозможно выявить основные определяющие факторы изучаемых процессов и правильно поставить задачи для аналитических исследований и моделирования. Основная задача натурных наблюдений состоит в том, чтобы выяснить в общих чертах механизм изучаемых процессов, выделить до­ минирующие факторы, установить наиболее важные параметры изучаемых процессов.

К настоящему времени для задач механики горных пород разработано и применяется на практике большое число экспе­ риментальных методов натурных измерений. Их можно подраз­ делить по видам решаемых задач и изучаемых процессов на четыре основных класса (табл. 5), из которых методы, отно­ сящиеся к классу I, были описаны выше.

Кроме методов инструментальных наблюдений при изуче­ нии процессов механики горных пород большую роль играют визуальные наблюдения, которые в качестве необходимой со­ ставной части в том или ином объеме входят во все методики исследования процессов механики горных пород в натурных условиях. Сущность визуальных наблюдений состоит в фикса­ ции видимых проявлений горного давления и сдвижения горных пород. Они позволяют получить те необходимые сведения, кото-

Классификация методов натурных измерений в механике

горных пород

имакродеформаций

4.Измерение сближений пород в выра­ ботках

5.Измерение наклонов

и дать первые качественные представления о механизме про­ цессов, принимаемом обычно в качестве рабочей гипотезы, т. е. основы для выбора методики инструментальных измерений про­ цессов и их моделирования.

Визуальные наблюдения позволяют в сравнительно корот­ кий срок качественно проследить картину проявления процес­ сов механики горных пород на больших площадях шахтного поля, тогда как инструментальные наблюдения ввиду их го­ раздо более высокой трудоемкости могут быть проведены в ог­ раниченных объемах. Сочетание визуальных наблюдений с ин­ струментальными измерениями позволяет, во-первых, правильно выбрать участки для инструментальных измерений; во-вторых, оценить представительность результатов инструментальных на­ блюдений путем качественного сравнения изучаемых процес­ сов на тех участках, где проводили измерения, и на других участках,, на которые стремятся распространить выводы, полу­ ченные по данным измерений; в-третьих, установить область

применения результатов, полученных при инструментальных оп­ ределениях.

Весьма важное значение имеют результаты визуальных на­ блюдений и для правильного последующего формирования за­ дач, решаемых аналитическими методами.

Вместе с тем визуальные наблюдения следует рассматри­ вать и как вполне самостоятельный метод, особенно эффектив­ ный, когда необходимо дать прогноз состояния уже эксплуати­ рующихся выработок. При этом зачастую подобные оценки приходится выполнять в весьма срочном порядке, и потому ин­ струментальные исследования и измерения проводить некогда, а порой и небезопасно.

Однако применение визуальных методов в качестве основ­ ного метода исследования при кажущейся их простоте требует большого опыта и, главное, весьма четкого представления о ме­ ханизме происходящих явлений.

шений пород над их деформированием и, как следствие, в образовании во­ круг выработок ослабленной зоны, из пределов которой возможно вывалообразованпе.

Исходя из этого главной задачейнатурных обследований выработок внзуальнымн методами в этих условиях является локализация в первую очередь участков разрушений пород в выработках. В то же время по виду разрушений, их масштабу и приуроченности к тем или иным структурным элементам массива можно с достаточной надежностью оценить уровень на­ пряженности массива, а также размеры и направление действующих сил, если последние достигают значений, близких к пределу разрушения пород,

кпредельной прочности крепи.

Взаключение необходимо отметить, что, несмотря на боль­ шое значение и весьма широкое применение визуальных мето­ дов в механике горных пород, к настоящему времени практи­ чески отсутствуют какие-либо методические разработки, регла­ ментирующие их проведение в каких-то типовых условиях или для отдельных классов задач. Исключение составляют лишь условия скальных массивов, где одной из первых попыток та­ кого рода является детальное описание визуальных методов получения исходной информации для целей оценки устойчиво­ сти выработок [59].

§25. ИЗМЕРЕНИЕ СДВИЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

ИТОЛЩИ ГОРНЫХ ПОРОД

Изучение характера и измерение параметров сдвиже­ ния земной поверхности и толщи горных пород ведут с по­ мощью наблюдательных станций, состоящих из системы репе­ ров, закладываемых в грунт (земную поверхность), в подраба­ тываемые здания и сооружения, в стенки, кровлю или подошву

горных выработок, в специально пробуриваемые скважины по определенной схеме в пределах предполагаемой области сдви­ жения.

По мере развития горных работ по реперам ведут система­ тические наблюдения посредством нивелирования и измерения горизонтальных расстояний между ними с привязкой к исход­ ным или опорным реперам, располагаемым заведомо за преде­ лами возможной области сдвижений.

Реперы наземных наблюдательных станций обычно распо­ лагают в створах профильных линий с таким расчетом, чтобы обеспечить получение необходимых данных о границах обла­ сти сдвижения и об основных параметрах процесса сдвижения земной поверхности. В отдельных случаях, например при бесшахтных способах добычи полезных ископаемых, закладывают так называемые площадные наблюдательные станции в виде квадратной сетки с реперами в вершинах квадратов над всей предполагаемой областью сдвижения. Наблюдения на такой станции весьма трудоемки.

Различные типы наблюдательных станций на земной по­ верхности и принципы расчета протяженности профильных ли­ ний и других параметров освещаются ниже в гл. 13, 14.

В тех случаях, когда стремятся с максимально возможной степенью детальности изучить механизм процесса сдвижения всего породного массива, необходимо сочетать наблюдения за сдвижением земной поверхности с наблюдениями за сдвиже­ нием пород вокруг очистного пространства, за сдвижением и деформированием промежуточной толщи пород. При наличии на шахте или руднике нескольких горизонтов для наблюдений за деформациями промежуточной толщи пород используют вы­ работки этих горизонтов, а также вертикальные и наклонные выработки, связывающие горизонты. Следует, одиако, заме­ тить, что расположение и размеры профильных линий реперов в выработках промежуточных горизонтов определяются ориен­ тацией и протяженностью горных выработок, проходимых для технологических целей. Это обычно ограничивает возможно­ сти изучения сдвижений промежуточной толщи пород с по­ мощью горных выработок, поскольку проходка специальных выработок для наблюдений сопряжена с большими затратами и производится в редких случаях.

Профильные линии реперов в кровле подготовительных и очистных выработок позволяют следить за оседанием и дефор­ мациями пород кровли в процессе ведения горных работ. В тех случаях, когда выработки проводят в породах, склонных к пу­ чению, для изучения процесса пучения пород закладывают ли­ нии реперов в подошве и в стенках выработок в зависимости от расположения выработки относительно склонного к пучению пласта породы.

бурят с земной поверхности или из горных выработок скважины. В скважинах размещают и закрепляют в выбранных точках так называемые глубинные реперы. Обычно в каждой сква­ жине устанавливают несколько глубинных реперов, связи ко­ торых с поверхностью могут быть гибкими (проволока) или жесткими (штоки). Собственно глубинные реперы представ­ ляют собой металлические патрубки соответствующей кон­ струкции или деревянные цилиндры, посредством цементирова­ ния или расклинивания прочно закрепляемые в скважине. В слабых породах применяют реперы якорного типа, представ­ ляющие собой металлические цилиндры, наружная поверхность которых снабжена упругими элементами, внедряющимися в по­ роду при натяжении проволоки или штанг [103].

Наиболее универсальной конструкцией, пригодной для ус­ тановки как в прочных, так и в слабых породах, является ре­ пер, представляющий собой пустотелый деревянный цилиндр, в который вставляется металлический усеченный конус. По

сто применяют глубинные реперы с гибкими механическими связями (рис. 31). При этом измерения смещений производятся с помощью реостатных датчиков или отсчетиых кругов, укреп­ ленных на блоках, через которые перекидывается проволока.

С целью повышения точности наблюдений обычно при уста­ новке глубинных реперов в нисходящих или восходящих сква­ жинах, пробуриваемых из горных выработок, применяют ре­ перы с жесткими механическими связями [103]. В этих случаях смещения реперов измеряются при помощи мерной ленты, ру­ летки, штангенциркуля или индикаторов часового типа.

Так как само устье скважины обычно расположено в пре­ делах области сдвижения пород, одновременно с измерениями перемещений глубинных реперов относительно устья скважины ведут измерения сдвижений устья, осуществляя привязку к ре­ перам, расположенным заведомо вне пределов области сдви­ жения. В тех случаях, когда устье скважины с глубинными ре­ перами расположено в пределах возможной зоны обрушений и провалов земной поверхности, организуют дистанционные на­ блюдения.

Внеобходимых случаях проводят непрерывную регистра­ цию сдвижений глубинных реперов на лентах специальных ба­ рабанов с пружинным устройством при параллельной записи отметок времени.

Водной скважине технически возможно установить не бо­ лее 5—7 глубинных реперов. В тех случаях, когда требуется проследить развитие процесса сдвижения пород с большей де­ тальностью, используют глубинные реперы без механических

Рис. 31. Скважина с глубинными реперами, пробуренная с земной поверхно­ сти, и типы глубинных репёров.

лирная рейка; 6 — основной кронштейн; 7 — блоки; 8 — дополнительный кронштейн; Р — противовесы; 10 — тело глубинного репера; // — резиновые прокладки; 12 — трубки для пропуска проволок или тросиков от глубинных реперов.