Глава 3. Маркшейдерские инструментальные наблюдения

1) установление границ распространения и вида деформаций горных пород;

2) определение скорости и величин деформаций;

3) определение критической величины смещений, предшествующих началу активной стадии, для различных инженерно-геологических комплексов;

4) предрасчет развития деформаций во времени при углубке карьера.

53. Для проведения маркшейдерских наблюдений за деформациями бортов карьеров и откосов отвалов закладываются специальные наблюдательные станции, на которых периодически проводятся инструментальные наблюдения. Наблюдательная станция состоит, как правило, из нескольких профильных линий, по которым расположены опорные и рабочие реперы.

54. Инструментальные маркшейдерские наблюдения за деформациями бортов и отвалов начинаются одновременно с началом развития вскрышных работ на карьере.

В технические проекты разработки месторождений открытым способом следует включать проекты наблюдательных станций по наблюдению за деформациями бортов, в целом, и за деформациями отдельных участков бортов с неблагоприятными условиями устойчивости. В тех случаях, когда технические проекты отработки месторождений не содержат проектов наблюдательных станций, последние составляются геолого-маркшейдерской службой предприятий. По мере накопления данных наблюдений за деформациями бортов карьеров и отвалов проекты наблюдательных станций и периоды наблюдений изменяются в соответствии с фактическими горно-геологическими условиями.

55. Использование инструментальных маркшейдерских наблюдений основывается на следующих положениях:

1) возникновению оползней и обрушений откосов предшествуют длительно развивающиеся микродеформации (cкрытые деформации) прибортовых массивов;

2) отстройка бортов карьеров по предельному (проекному) контуру при существующих системах открытой разработки месторождений занимает значительный промежуток времени, вследствие чего период скрытой стадии деформирования бортов, предшествующий активной стадии, растянут во времени, что позволяет по результатам наблюдений судить о характере и степени опасности тех или иных деформаций;

3) для правильной интерпретации характера деформаций бортов длительные инструментальные наблюдения следует совмещать, по возможности, с детальным изучением геологического строения отдельных участков месторождения и физико-механических свойств пород (в особенности деформационных свойств, в том числе предельных деформаций);

4) на устойчивость бортов карьеров оказывают влияние многие факторы, часть из которых учитывается с большой погрешностью, определяющей необходимость введения при расчетах устойчивости значительных коэффициентов запаса; материалы инструментальных наблюдений за деформацией бортов карьеров и отвалов дают возможность устанавливать углы наклона бортов и откосов отвалов с меньшим коэффициентом запаса;

5) позволяя дать количественную оценку деформации откоса, маркшейдерские инструментальные наблюдения, в комплексе с инженерно-геологическими и гидрогеологическими исследованиями, помогают выявить характер начавшейся деформации, что дает возможность сделать прогнозы относительно развития во времени и пространстве и наметить мероприятия по устранению причин, вызывающих развитие опасных деформаций.

56. Реперы наблюдательной станции закладываются по линиям, перпендикулярным к простиранию борта карьера в предельном положении (рисунок 4). Вначале составляется проект наблюдательной станции, который состоит из плана наблюдательной станции в масштабе 1:1000 или 1:2000, краткой пояснительной записки, а также соответствующих геологических карт и разрезов.

Параграф 2. Закладка наблюдательных станций
1) На плане наблюдательной станции следует показывать:

состояние горных работ на момент составления проекта;

проект дальнейшего развития горных работ;

сооружения, находящиеся на бортах карьера или вблизи отвала;

расположение запроектированных профильных линий и реперов на них;

рельеф местности;

2) к плану наблюдательной станции рекомендуется прилагать детальные геологические разрезы, на которые наносятся:

границы литологических разностей пород;

степень и характер трещиноватости каждой литологической разности;

дизъюнктивные нарушения и тектонические трещины большого протяжения с указанием направления и угла их падения;

характеристики сопротивления сдвигу (ρ и К);

характеристики сопротивления сдвигу по поверхностям ослабления (ρ^' и К^') - по тектоническим трещинам, дизъюнктивным нарушениям, контактам между слоями или сланцеватости;

Рис. 4. Проект наблюдательной станции на карьере
3) в пояснительную записку следует включать:

общее краткое описание месторождения и горных работ;

расчеты по закладке наблюдательной станции (определение количества реперов, длины профильных линий, расстояния между реперами, объема работ по бурению скважин под реперы, расхода материалов - круглого железа, цемента, песка и тому подобное);

краткую методику наблюдений с указанием сроков производства наблюдений и инструментов, которые предполагается применять. Все материалы по проекту наблюдательной станции сброшюрованы и подписаны лицом, составившим проект. Проект наблюдательной станции утверждается главным инженером предприятия.

57. Профильные линии наблюдательной станции закладываются в различных горно-геологических условиях. В первую очередь, профильные линии закладываются на менее устойчивых участках борта.

Наименее устойчивые участки бортов карьеров характеризуются следующими признаками:

1) крутым углом заоткоски борта или крутым общим углом откоса многоярусного отвала;

2) большой глубиной карьера или высотой отвала;

3) подрезкой слоев в основании бортов и слоистым основанием отвалов;

4) наличием тектонических нарушений;

5) наличием слабых контактов и пластичных слоев в основании бортов или отвалов и ослаблений, обусловленных спецификой древнего и современного рельефа на отдельных участках (балки, ложбины стока, карстовые проявления и так далее);

6) обводненностью горных пород, увлажнением отвальных масс атмосферными осадками и обводненностью основания отвалов;

7) наличием на бортах или отдельных уступах больших навалов породы;

8) сейсмическим воздействием взрывов и вибрацией от работы горнотранспортного оборудования (влияющих на устойчивость отдельных уступов).

58. Крайние пункты профильной линии заложены вне зоны деформаций, возникающих при углубке карьера до проектной глубины.

Профильные линии проводятся по всему карьеру (через оба противоположных борта и дно карьера), а при большой глубине карьера они закладываются на каждом борту карьера самостоятельно.

Профильная линия состоит из опорных и рабочих реперов. Протяженность части профильной линии без опорных реперов на поверхности, примыкающей к карьеру (рисунок 5), должна быть не менее 1,5 Н (здесь Н - глубина карьера) при предельно допустимых углах наклона бортов, полученных на основе расчета устойчивости (при коэффициенте запаса устойчивости, равном 1,2 - 1,3).

Опорные реперы профильных линий закладываются вне зоны деформаций. С каждой стороны следует закладывать не менее двух на каждой (рисунок 5).

59. Расстояние между рабочими реперами зависит от их расположения на профильной линии. На каждой площадке (берме) уступа или яруса отвала следует закладывать не менее двух реперов - один вблизи бровки уступа, другой - у подошвы вышележащего уступа. Реперы закладываются так, чтобы была обеспечена безопасность наблюдателя при работе на этих реперах. Расстояния между реперами, расположенными на земной поверхности, в зависимости от их удаления от верхней бровки борта карьера, принимаются

Рис. 5

1) на участке призмы возможного оползания (обрушения) - 5-10-15 м;

2) с удалением от верхней бровки карьера - от 15 до 30 м.

Расстояние между опорными реперами - не менее 20 м.

60. Одновременно с закладкой наблюдательных станций рекомендуется закладывать исходные реперы, к которым привязываются опорные реперы всех линий. Исходных реперов должно быть не менее трех. Закладка этих реперов производится в местах, обеспечивающих неизменность их положения в течение всего времени производства наблюдений. Исходные реперы заложены вне зоны влияния горных работ, а также за пределами зоны возможного оседания земной поверхности под влиянием снижения уровня подземных вод при дренаже карьерного поля.

61. Перенос проекта наблюдательной станции в натуру производится путем построения на местности соответствующих углов и длин.

62. Конструкция реперов простая, а способ их закладки обеспечивает:

1) прочную связь репера с горной породой, чтобы сдвижения репера точно соответствовали сдвижениям пород;

2) сохранность и неизменность положения реперов на весь срок их службы, а также удобство пользования ими;

3) отчетливость отмеченного центра на головке (полусфере) репера для обеспечения точности наблюдений за сдвижением репера в горизонтальной плоскости;

4) устойчивость репера в условиях сезонных изменений температуры и влажности пород, промерзания и оттаивания горных пород.

63. Для длительного срока службы рекомендуется закладку репера осуществлять следующим образом: в пробуренную скважину диаметром 160 - 220 мм, на глубину ниже зоны промерзания на 0,5 м, бетонируется металлический штырь диаметром 20 - 30 мм. Цементный раствор заливается только в нижнюю часть скважины на 0,4 - 0,5 м (рисунок 6). Верхний конец металлического стержня репера обрабатывается на полусферу, на которую наносится центр в виде отверстия диаметром не более 2 мм и глубиной 4 - 5 мм. Пространство между стенками скважины и штырем выше бетонной подушки заполняется песком или шлаком и неплотно утрамбовывается.

Для предотвращения образования ледяной подушки при промерзании в основании репера рекомендуется также укладка пористого основания из материалов, не обладающих капиллярными свойствами (шлак, крупнозернистый песок и другие материалы).

Для уменьшения влияния на репер сил морозного выпучивания верхний конец штыря репера необходимо заглублять от поверхности земли на глубину 20 - 30 см.

Глубина закладки репера h относительно земной поверхности определяется следующим образом:

h=h_max+a+ b, (5)

где h _max - максимальная глубина промерзания грунта;

Во избежание вертикальных смещений репера за счет деформаций грунта, вызываемых изменением его влажности, глубина закладки реперов принимается не менее 1,5 м.

На срок службы до 3 - 5 лет рекомендованы забивные реперы. На рисунке 7 показан забивной репер, представляющий собой металлический штырь диаметром 25 - 35 мм, заершенный и заостренный с одного конца; верхний конец штыря обрабатывается на полусферу, на которую наносится центр.

Длина таких реперов выбираются в зависимости от плотности грунта - от 0,7-1,0 м до 1,5 м и более. В насыпных грунтах для повышения прочности закрепления грунтов длину забивных реперов увеличивают до 2,0 - 2,5 м. В качестве забивного используется деревянный репер, представляющий собой деревянный кол диаметром 80 - 120 мм и длиной 0,5 - 0,7 м. После того как кол вбит, в его торцевую часть вбивают металлический центр.

Для закладки реперов в скальных породах выбуривается углубление,

Рис. 6. Конструкция репера длительного срока службы

1 - сухой песок, шлак; 2 - железный штырь; 3 - бетон

Рис. 7. Тип забивного репера

В районе вечной мерзлоты конструкция реперов и глубина их закладки выбираются на основе сведений о влиянии промерзания грунта на устойчивость реперов в данном районе.

64. После закрепления опорных реперов необходимо составить подробный абрис их расположения относительно постоянных предметов местности и исходных реперов. Для удобства отыскания опорных реперов около них устанавливаются сторожки.

65. Дополнительно к реперам по профильным линиям необходимо производить закладку наблюдательных пунктов в шурфах и других выработках, имеющихся на оползневых участках, с целью выявления поверхности скольжения и мощности оползневого массива.

1) определение величин сдвижений реперов наблюдательной станции в горизонтальной и вертикальной плоскостях по результатам инструментальных наблюдений;

2) замеры ширины и протяженности трещин на земной поверхности и бермах уступов;

3) соответствующие съемки, в результате которых, производится пополнение планов и разрезов горных работ на каждую дату наблюдений с указанием времени производства отдельных операций горных работ (массовых взрывов, вскрышных работ и тому подобное).

67. Инструментальные наблюдения на станции заключаются в следующих работах:

1) привязка опорных и исходных реперов наблюдательной станции к рудничной маркшейдерской опорной сети (к пунктам триангуляции, полигонометрии и нивелирным реперам);

2) производство начальной серии наблюдений для определения исходного положения реперов наблюдательной станции (в горизонтальной и вертикальной плоскостях);

3) производство систематических наблюдений за положением реперов для определения величины их сдвижения.

68. Привязка исходных и опорных реперов наблюдательной станции в горизонтальной плоскости осуществляется посредством триангуляции или проложением замкнутых полигонометрических ходов от близлежащих пунктов триангуляции или полигонометрии.

Относительная ошибка хода при этом допускается не более 1:8000 и средняя ошибка измерения углов 8". Допускается привязка опорных реперов к одному триангуляционному или полигонометрическому пункту путем прокладывания висячего полигонометрического хода при условии проложения обратного хода.

Высотная привязка исходных и опорных реперов наблюдательной станции производится от пунктов триангуляции нивелированием II-го класса. Нивелирование производится из середины по башмакам в прямом и обратном направлениях. Невязка прямого и обратного ходов ∆ h не превышает величины

∆h ≤ (6)

где L - длина хода (в одном направлении), км.

69. Начальные наблюдения на станции заключаются:

1) в нивелировании реперов наблюдательной станции;

2) в измерении расстояний между реперами по профильным линиям;

3) в съемке трещин на участке наблюдательной станции.

70. Для определения начального положения реперов наблюдательной станции выполняются две независимые серии измерений с интервалом 3 - 5 дней.

71. Нивелирование реперов по профильным линиям на горизонтальных участках и участках с небольшими наклонами (до 10 - 15°) выполняется геометрическим способом, а на наклонных участках - тригонометрическим способом. Нивелирование производится одновременно с измерением длин между реперами.

При геометрическом нивелировании невязка замкнутых ходов ∆h (мм) не превышает ± или ± , где n- количество штативов, а L - длина хода, км.

72. Для нивелирования реперов наблюдательной станции применяются нивелиры, с уровнями на трубе и ценою деления уровня не более 20 " на 2 мм при увеличении трубы не менее 25^х. Рейки применяются трехметровые, двух- и односторонние, с уровнями.

73. Перед началом нивелирования на станции произведены все поверки инструментов согласно требованиям соответствующих методических указаний.

74. Нивелирование реперов в каждой серии наблюдений производится дважды - в прямом и обратном направлениях. Нивелирование производится из середины, между связующими реперами с отклонением не более 2 - 3 м. Расстояние от инструмента до реек должно быть не более 50 м. Рейки устанавливаются непосредственно на реперы.

75. Тригонометрическое нивелирование производится для определения высотных отметок реперов и горизонтальных проложений между ними на участках с большими наклонами.

При наблюдениях применяются теодолиты с ценою деления вертикального круга не более 30″.

Измерение углов наклона линий при тригонометрическом нивелировании рекомендуется производить при двух положениях трубы; измерение длин интервалов следует производить стальной компарированной рулеткой с постоянным натяжением (силой 10 кг) полотна рулетки. На каждом интервале с измерением температуры рулетки (термометром, типа «пращ») с точностью до 1°. При каждом измерении интервала, по рулетке следует брать не менее трех пар отсчетов, со смещением начального отсчета на 5 - 10 см. Расхождения между измерениями при этом не превышают 2 мм.

Ошибка измерения высоты инструмента и сигнала не допускается более 1 мм.

Высотные отметки всех реперов определяются в каждой серии дважды, в прямом и обратном направлениях, либо в одном направлении при двух горизонтах инструмента.

При измерении угла наклона визировать следует, по возможности, непосредственно на центр репера; в этом случае ошибка в определении высоты сигнала исключается.

При каждом измерении угла наклона вычисляется «место нуля». Допустимые отклонения значений «места нуля» не больше двойной точности нониуса вертикального круга.

76. Погрешность определения отдельных превышений при тригонометрическом нивелировании, в зависимости, от расстояния между реперами и углом наклона, определяется по таблице приложения 21.

77. Измерение расстояний между реперами профильных линий производится стальными компарированными рулетками, длиной не менее 30 м на весу. Компарирование рулетки следует производить через каждые 2 - 3 серии наблюдений на наблюдательной станции. Вынос скрытых центров осуществляется с помощью лот-аппаратов, жестких или шнуровых отвесов. Описание жесткого отвеса и схема измерения длин интервалов приведены в приложении 11.

78. Измерение длин производится с постоянным натяжением (10 кг), определяемым с помощью динамометров, с замером температуры рулетки термистором или термометром-пращом с точностью до ± 1° на каждом измеряемом интервале. Измерение длин в каждой серии рекомендуется производить дважды - в прямом и обратном направлениях. (При измерении длин больших наклонных интервалов в ветреную погоду стрела провеса рулеток существенно возрастает и изменяется от порывов ветра; в таких случаях следует длины измерять компарированными проволоками - приложение 11).

79. В отдельных случаях, когда производство непосредственных измерений длины между реперами затруднительно, для определения смещений реперов применяются тригонометрические методы - прямые и обратные засечки.

80. Для съемки больших оползней и определения их развития во времени и пространстве следует применять метод наземной стереофотограмметрической съемки.

81. Сроки проведения повторных наблюдений устанавливаются в зависимости от поставленных в проекте задач и развития процесса сдвижения.

В первое время после закладки наблюдательной станции наблюдения проводятся ежемесячно. После 3 - 4 серий, наблюдений и установления скорости смещения прибортового массива периодичность наблюдений изменяется.

Если скорость смещения реперов не превышает 1 мм/сут и затухает во времени, интервалы времени между сериями наблюдений увеличиваются до 3 - 4 и более месяцев, однако наблюдения следует проводить не реже 1 - 2 раз в год.

Если скорость смещения реперов постоянна и составляет 0,5 - 1,0 мм/сут, наблюдения проводятся, соответственно, один раз в два месяца и ежемесячно.

При активизации процесса сдвижения интервалы между сериями наблюдений сокращаются до нескольких недель и даже дней.

При наблюдениях за активными оползнями со скоростными смещениями 10 мм/сут и более, серии наблюдений проводятся ежедневно; если скорость смещения реперов увеличивается во времени, то для установления критических скоростей смещений, предшествующих срыву оползней, интервалы времени между сериями наблюдений сокращаются до нескольких часов, в отдельных случаях устанавливаются автоматические сигнализаторы скорости деформаций.

82. Средняя квадратическая погрешность определения положения рабочих реперов относительно опорных не превышает:

1) в вертикальней плоскости, m _h, мм (при геометрическом нивелировании);

2) в горизонтальной плоскости m _{ι .}мм:

где L - удаление данного репера от близлежащего опорного репера в км.

На тех участках бортов, где применяется тригонометрическое нивелирование, среднеквадратические погрешности определяются по формулам, приведенным в приложении 21.

83. Значения координат X ,У и Z реперов, заложенных в стенках шурфов, определяют упрощенными методами решения аналогичных задач, известными из курса «Маркшейдерское дело».

Камеральная обработка результатов наблюдений производится, непосредственно по окончании каждой серии измерений и заключается в следующем:

1) проверка полевых журналов;

2) вычисление высотных отметок всех реперов наблюдательных станций;

3) вычисление горизонтальных расстояний между реперами профильных линий с введением в измеренные длины соответствуюших поправок;

4) составление по каждой профильной линии ведомостей:

вертикальных смещений реперов;

горизонтальных смещений реперов вдоль профильных линий;

горизонтальных деформаций (растяжений и сжатий);

величин сдвигов;

скоростей смешения реперов по направлению векторов смещения;

5) составление и пополнение графических материалов:

пополненного плана наблюдательной станции и карьера;

вертикальных разрезов по каждой профильной линии с уточнением литологии пород и положения горных работ на момент закладки станции, проведения наблюдений и появления трещин, заколов;

графиков вертикальных и горизонтальных сдвижений и деформаций по каждой профильной линии;

графиков скоростей смещения реперов по направлению векторов.

85. Вычисление превышений и отметок реперов при геометрическом нивелировании производится в журнале нивелирования, а при тригонометрическом нивелировании - в специальном журнале.

Отметки реперов после обработки каждой серии наблюдений заносятся в ведомость оседаний.

Оседания η, мм определяются по формуле

η =Н _η –Н _η+1 , (7)

где Н_η - отметка репера из предыдущего или начального наблюдения;

86. Вычисление горизонтальных расстояний между реперами профильных линий производится в специальном журнале; при этом вычисляются и учитываются следующие поправки:

1) поправка за температуру ∆ l₁, мм:

∆ l ₁= l α (t-t_К), (8)

где l - длина измеренной линии, мм;

α - коэффициент линейного расширения (для стальных рулеток α = 1,15 х

10^-5

t - температура воздуха при измерениях, градус;

t_к - температура компарирования рулетки;

2) поправка за компарирование ∆l₂, мм берется из паспорта компарирования данной рулетки;

3) поправка за провес ∆ l ₃, мм:

l₃ = ∆Ll³/L³ , (9)

где L - длина всей рулетки;

∆ L - поправка за провес на всю длину рулетки, которая вычисляется по формуле:

где f - стрела провеса всей рулетки при данном натяжении, равная

где Т - величина натяжения в кг;

Поправка за провес вводится в том случае, если компарирование рулетки производилось не на весу, а на плоскости. С целью упрощения вычисления поправок за провес составляются график или таблица величин поправок. Для рулеток длиной 50 м рекомендуется пользоваться таблицами Д.Н.Оглоблина;

4) поправки за наклон ∆ l ₄ (мм) и за отклонение от створа ∆₁ (мм) вычисляются по формулам:

, (12)

∆ ₁ = - h²/2 l,

∆ l ₂ = ∆ l₁ ² /2 l= h⁴ /8 ∆ l ³, где

l - измеренная длина интервала,

h - превышение между концами рулетки или ордината (отклонение от створа).

87. При тригонометрическом нивелировании реперов горизонтальное расстояние между реперами α определяется по формуле:

где - измеренный угол наклона;

Вычисление превышений между реперами производится по формуле:

∆Z= l_испр·sin δ +i-v, (14)

где i - высота инструмента (от репера до оси вращения трубы);

Вычисленные горизонтальные расстояния между реперами из каждой серии наблюдений выписываются в ведомость горизонтальных смещений.

88. Горизонтальные деформации интервала за период между двумя наблюдениями определяются по формуле:

, (15)

где α, α₁, α₂ - горизонтальная длина интервала соответственно из начального, предыдущего и последующего наблюдений.

Горизонтальные деформации за весь период наблюдений - от начального до данного - определяются по формуле:

(16)

где α_п - горизонтальная длина интервала из данного наблюдения.

Горизонтальные деформации, соответствующие увеличению интервала, обозначаются знаком «+» и называются растяжениями, а соответствующие уменьшению интервалов - отрицательными «-» и называются сжатиями.

89. По вычисленным горизонтальным расстояниям между реперами путем их суммирования определяются расстояния от опорного репера до каждого из реперов профильной линии, которые вписываются в ведомости горизонтальных смещений.

При обработке материалов наблюдений по профильной линии величины горизонтальных смещений (мм) определяются по следующей формуле:

=D₂-D_{1 ,} (17)

где D₁, D₂ - расстояния от опорного репера до данного репера соответственно из начального (или предыдущего) наблюдения и из последующего наблюдения.

Горизонтальные и вертикальные смещения вычисляются также по разностям длин интервалов и превышений между смежными реперами в сравниваемых сериях наблюдений.

90. По смещениям реперов составляются ведомости величин сдвигов прибортовой зоны массива горных пород. Величина сдвига γопределяется как отношение разности полных смещений соседних реперов к расстоянию между этими реперами по нормали к направлению их смещения:

где ∆b_n+1 - полное смещение переднего репера;

∆b_n - полное смещение заднего репера;

m - расстояние между реперами по нормали к направлению смещения векторов.

Величину сдвига относят к середине интервала.

91. Вертикальный и горизонтальный масштабы разрезов по профильным линиям должны быть одинаковыми и равными масштабу плана наблюдательной станции.

92. Масштабы графиков вертикальных и горизонтальных смещений, сдвигов, горизонтальных деформаций выбираются, исходя из удобства и наглядности изображения. При этом масштаб расстояний между реперами принимается таким же, как на вертикальных разрезах.

Для удобства совместного рассмотрения графиков сдвижений и деформаций, положения горных работ, строения толщи пород, слагающих борт карьера, и других горно-геологических факторов, в целях установления степени влияния этих факторов на процесс развития деформаций рекомендуется составлять графики и вертикальные разрезы на одном листе.

Параграф 5. Упрощенные маркшейдерские наблюдения
93. Упрощенные маркшейдерские наблюдения за деформациями откосов на карьерах проводятся на участках, где глазомерным обследованием выявлены признаки формирующихся нарушений устойчивости откосов (оползней, обрушений и другие).

94. Если деформации откоса развиваются интенсивно, проведение высокоточных измерений на постоянной наблюдательной станции не целесообразно. Закладывается временная наблюдательная станция упрощенного типа. В этом случае реперы представляют собой обычные деревянные колья или металлические стержни, забиваемые в грунт. При этом опорные реперы закладываются вне зоны заколов, а точность измерений - не ниже 1:200. Привязка опорных реперов производится после завершения наблюдений.

95. Упрощенные наблюдения по реперам проводятся также на участках, где заложены станции длительного срока наблюдений, в промежутки времени между отдельными сериями наблюдений, выполняемых по полной программе.

96. Для наблюдения за оседанием прибортовых участков земной поверхности, участков уступов или отвалов производится периодическое нивелирование отдельных реперов или групп реперов, закладываемых на этих участках.

Нивелирование реперов производится от опорного репера, закрепляемого за пределами деформирующегося участка. Погрешность определения высотной отметки наблюдаемых реперов при нивелировании в прямом и обратном направлениях не допускается более ± 3 мм, что позволяет устанавливать начало скрытой стадии деформирования бортов. Частота наблюдений определяется их задачей. Подобные же наблюдения проводятся за развитием просадок над карстовыми полостями и подземными горными выработками.

97. Наблюдения за раскрытием трещин проводятся по парным реперам, закладываемым с двух сторон наблюдаемой трещины. Парные реперы представляют собой колья или стойки с закрепленными на них телескопическими скользящими оцифрованными рейками (рисунки 8, 9), мерными лентами проволоками (рисунок 10). Для более точных измерений используются микрометренные головки (индикаторы типа часового механизма, закрепляемые на рейках); наблюдения также автоматизированы и оборудованы сигнализацией в случаях, когда необходима автоматическая информация о появлении критических смещений (рисунок 11). На трещинах значительной протяженности устанавливается несколько пар таких реперов. Периодичность взятия отсчетов по парным реперам определяется в зависимости от скорости раскрытия трещины и опасности возникновения обрушения. Резкое возрастание скоростей смещений свидетельствует о приближении момента обрушения.

Рис. 8. Наблюдения за развитием заколов и трещин

а, г - измерения с применением шпагата и угломера; б - наблюдения за смещением массива по поверхности ослабления с применением маркирующих штрихов; в-измерения с использованием оцифрованных реек

Рис. 9. Наблюдения за раскрытием трещин с помощью реек

1 - деревянный кол; 2 - шарнир; 3 - обоймы; 4 - две рейки
Рис. 10. Наблюдения за раскрытием трещин с использованием проволоки и оцифрованной рейки

4-груз со стрелкой указателя; 5-стойка со шкалой.

Рис. 11. Схема сигнализирующего устройства, рассчитанного на заданную величину деформации

Параграф 6. Особенности маркшейдерских наблюдений

за деформациями отвалов
98. Наблюдения за деформациями отвалов отличаются рядом особенностей, связанных с условиями отвалообразования, составом отвальных пород, их уплотнением и релаксацией порового давления.

99. Устойчивость отвалов зависит, главным образом, от механических характеристик отвальных пород и пород основания отвалов, гидрогеологических условий основания, а также климатических условий района.

100. Для свежеотсыпанных отвалов характерны деформации оседания, связанные с уплотнением разрыхленных горных пород (величины оседаний достигают 4 - 7 % от их высоты).

Процесс уплотнения отвалов протекает более интенсивно в первый период после отсыпки отвалов и затухает с течением времени; 90 - 95 % величины общего оседания происходит в течение первых 6 месяцев в слабых породах и 10 - 12 месяцев в крепких породах. Деформации отвалов, связанные с их уплотнением, не представляют опасности для ведения горных работ.

101. Наиболее опасными являются развивающиеся во времени сдвиговые деформации типа оползней.

Различают следующие типы оползней отвалов: подподошвенный, характеризующийся выпиранием слоев слабых пород основания отвалов и оседанием верхней площадки отвала; надподошвенный - при прочном основании, характеризующийся образованием в нижней части откоса отвала надвигающегося оползневого вала отвальных пород и оседанием верхней площадки отвала; подошвенный оползень - при размещении отвалов на слоистом основании, когда слои залегают согласно с поверхностью основания отвала, характеризующийся оседанием верхней площади отвала и отсутствием видимых признаков развития оползня в основании отвала.

102. Наблюдения за деформациями отвалов производятся на наблюдательных станциях, состоящих из ряда линий реперов, закладываемых на верхней площадке отвала перпендикулярно верхней бровке отвала, и ряда линий реперов, закладываемых по основанию отвала и нижней части откоса отвала перпендикулярно нижней бровке отвала.

Начало развития оползня и его тип объективно устанавливается только по характеру деформирования основания отвала.

При недоступности для наблюдений основания отвала, о развитии оползневых деформаций можно судить по графикам скоростей оседания верхней (рабочей) площадки отвалов:

1) если оседание площадки после отсыпки очередной заходки связано только с уплотнением отвальных пород, то скорости оседания имеют отчетливо выраженный затухающий характер;

2) при развитии оползневых деформаций скорости оседания площадки в первое время после отсыпки имеют также затухающий характер, а затем затухание уменьшается, и скорость оседания приближается к постоянной величине; при дальнейшем развитии оползневого процесса скорости оседания верхней площадки возрастают.

103. Требования к закладке реперов наблюдательной станции на отвале сводятся к следующему:

1) опорные реперы рекомендуется располагать вне зоны деформаций, как верхней площадки, так и основания отвалов;

2) расстояние до ближайшего опорного репера допускается не менее высоты отвала на верхней площадке уступа и не менее 100 м по основанию отвала (на внутренних отвалах опорные реперы для линий реперов, располагаемых в основании отвала, заложены в откосе нижнего уступа рабочего борта карьера).

104. Привязка опорных реперов профильных линий наблюдательных станций производится к точкам рабочего обоснования; необходимо обеспечить точность привязки, соответствующую точности определения местоположения точек рабочего обоснования.

105. Расстояние между рабочими реперами принимается не более половины ширины заходки (отсыпки); рабочие реперы на верхней площадке отвалов пополняются сразу же после отсыпки очередной заходки.

106. На наблюдательных станциях производится нивелирование всех реперов и измерение расстояния между ними по профильным линиям с точностью, предусмотренной пунктами 71 - 78.

107. Сроки между сериями наблюдений принимаются в зависимости от интенсивности отсыпки отвала и скорости его деформации. При отсыпке высоких нагорных отвалов и наличии оползневых деформаций упрощенные наблюдения должны быть ежедневными.

1) выделение в бортах карьеров участков, характеризующихся одинаковыми условиями, влияющими на их устойчивость;

2) установление зон максимальных растяжений, сжатий и максимальных сдвигов. Примечание: зоны максимальных сдвигов и растяжений на верхней площадке откоса и максимального сдвига и сжатия в основании откоса соответствуют наиболее вероятному выходу потенциальной поверхности скольжения на дневную поверхность (приложение 12);

3) установление типа потенциального оползня или происшедших нарушений устойчивости откосов;

4) по графику изменения во времени скоростей смещения отдельных характерных реперов - определение влияния времени, времен года и производственных процессов на развитие деформаций бортов карьеров;

5) установление степени опасности деформаций;

6) разработка мероприятий по предотвращению развития опасных деформаций.

109. Установление типа оползней и построение поверхности скольжения производится на основе следующих особенностей развития деформаций откосов.

Если векторы сдвижения реперов изменяют свое направление закономерно, плавно выполаживаясь к основанию откоса, а по величине почти одинаковы от верха до низа откоса, то это является признаком того, что оползневое тело движется по плавной криволинейной поверхности как одно целое без существенных относительных смещений отдельных участков.

В этом случае, пользуясь направлениями векторов перемещения реперов, строится приближенное положение поверхности скольжения.

Построение выполняют следующим образом (рисунок 12).

Рис. 12. Построение поверхности скольжения в однородном откосе по векторам смещений реперов (1-график сдвигов)

2) от точки на земной поверхности, в которой зафиксировано максимальное значение сдвига, строится вертикальный отрезок, равный H ₉₀;

3) из конца H ₉₀ и основания откоса проводятся отрезки, параллельные векторам смещения реперов и пересекающие перпендикуляры к векторам смещений; эти отрезки проводятся до пересечения с биссектрисами углов между соседними перпендикулярами (между перпендикулярами, пересекаемыми отрезками и соседними с ними);

4) из точек пересечения проведенных отрезков и биссектрис проводятся новые отрезки, параллельные последующим векторам смещения, до пересечения с биссектрисами углов между двумя другими следующими по порядку перпендикулярами и так далее;

5) полученная таким путем ломаная линия между верхней и нижней точками сглаживается в плавную кривую;

6) если при построении ломаной линии от одной (верхней или нижней) точки она не смыкается с другой, построение необходимо вести одновременно от обеих точек до середины откоса; полученное несмыкание исправляется проведением плавной кривой, как показано на рисунке 12.

При значительных деформациях векторы смещения реперов на профиле изображаются в масштабе профиля, поэтому при построении поверхности скольжения в массиве перпендикуляры восстанавливают из середины вектора, а построение производят от трещины отрыва - сверху и линии отреза (надвига) – снизу.

Если векторы сдвижения реперов параллельны наслоению пород и между собой, то это указывает на скольжение оползневых масс по наслоению пород; такие деформации наблюдаются при контактных оползнях или подошвенных оползнях отвалов.

При оползнях выпирания иди надвига, связанных с наличием горизонтально залегающего слабого контакта или слабого прослойка, деформации носят своеобразный характер: в массиве четко формируются клин активного давления призма упора и вал выпирания. Общий вид оползня выпирания и направление векторов смещения реперов при развитии этого типа оползня показаны на рисунке 13.

Построение потенциальной поверхности скольжения оползней выпирания и глубинных оползней лежачего бока производится аналогично вышеизложенной методике.

Рис. 13. Построение поверхности скольжения по векторам смещений реперов при развитии оползня выпирания (1-график сдвигов)

При установившейся скорости деформирования (относительного сдвига) время до обрушения откоса определяется из выражения:

где γ _пр - предельная относительная деформация сдвига, установленная лабораторными испытаниями пород или натурными наблюдениями, по достижении которой наступает разрушение породы;

Принимая во внимание, что скорость деформации сдвига в стадии затухающей ползучести на любом ее интервале больше скорости деформирования на последующей стадии установившейся ползучести, приближенную оценку времени до разрушения откоса по скорости деформирования на стадии затухающей ползучести следует осуществлять по выражению:

где γ_ί - деформация сдвига на момент данного расчета;

111. Анализ данных наблюдений за деформациями отвалов также заключается в установлении типа оползня и прогнозе развития оползня.

Тип оползня устанавливается по характеру деформирования его основания. При этом различают:

1) подподошвенные оползни отвалов, которые характеризуются образованием «вала выпирания» основания; глубины залегания поверхности скольжения, которая определяется приближенно по векторам смещения реперов, заложенных по основанию отвалов;

2) надподошвенные оползни отвалов, которые характеризуются образованием «вала накатывания» нижней части откоса отвала на его основание;

3) подошвенные оползни отвалов, которые не имеют визуально определяемых признаков оползания и характеризуются размещением отвальных пород по поверхности, прилегающих к основанию отвала; контур подошвенного оползня устанавливается маркшейдерскими наблюдениями.

112. В тех случаях, когда основание отвалов недоступно для маркшейдерских наблюдений, развитие оползневых деформаций отвалов устанавливается по изменению скорости смещения верхней площадки отвалов; свежеотсыпанная верхняя часть отвалов во всех случаях подвергается оседанию, связанному с уплотнением отвальной массы, скорость оседания затухает со временем; при возникновении же оползневых смещений, имеющих прогрессирующий характер, скорость общего смешения рабочей площадки отвалов в течение короткого времени становится постоянной, а затем начинает возрастать.

113. При прогнозировании развития оползней отвалов во времени необходимо принимать во внимание, что кроме нарастания скоростей смещений, возможно также развитие оконтуривающей оползень трещины отрыва на флангах оползня (активная стадия оползня наступает при его полном оконтуривании трещиной отрыва на флангах); по данным совместных наблюдений за нарастанием скоростей смещения оползня в его центральной части и развитием трещин отрыва по флангам оползня устанавливаются критические скорости смещения оползня для данных инженерно-геологических и горнотехнических условий.

114. Анализ данных маркшейдерских наблюдений о развитии осыпания откосов уступов сводится к установлению зависимости скорости осыпания от величины углов откосов уступов на отдельных участках бортов карьеров (с учетом литологического состава пород, их трещиноватости и критической прочности, положения откосов относительно сторон света и другие). На основании установленной зависимости путем соответствующих технико-экономических расчетов определяются углы откосов уступов нерабочих бортов.