RU2292457C1

RU2292457C1 - Method for predicting stability of shelves of quarry sides

Info

Publication number: RU2292457C1
Application number: RU2005116618/03A
Authority: RU
Inventors: Сергей Михайлович Простов (RU); Сергей Михайлович Простов; Александр Сергеевич Пыхтин (RU); Александр Сергеевич Пыхтин; нов Владимир Васильевич Демь (RU); Владимир Васильевич Демьянов; Иван Владимирович Щербаков (RU); Иван Владимирович Щербаков
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2007-01-27
Also published as: RU2005116618A

Abstract

FIELD: mining industry, possible use during extraction of coal, ore and non-ore deposits by open method.

SUBSTANCE: in accordance to method, geological structure of massif is analyzed, position of potential sliding surface is detected, physical and mechanical properties of rocks are determined. Along profile parallel to edge of shelf in its middle portion, frequency of alternation of impulses of natural electromagnetic radiation is measured. On intervals where this frequency exceeds level of background radiation more than 2 times, interval-wise measurement of relation of strength level of signal electric field at two working frequencies is performed. By means of computed logarithmic dependence, depth of location of potential sliding surface is determined. With consideration of change of this depth, structure of massif, technological parameters and physical-mechanical properties of rocks, values of stability reserve coefficients are calculated on basis of ratio of momentums of holding and moving forces within limits of detected dangerous portion. Probability of landslide development is evaluated on basis of minimal values of stability reserve coefficients.

EFFECT: increased precision when predicting stability of quarry sides.

2 cl, 1 ex, 1 tbl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке угольных, рудных и нерудных месторождений открытым способом.The invention relates to the mining industry and can be used in the development of coal, ore and non-metallic deposits in an open way.

Известны способы прогноза устойчивости бортов карьеров, основанные на измерении параметров геофизических полей, взаимосвязанных с изменением напряженно-деформированного состояния массива.Known methods for predicting the stability of the sides of quarries based on measuring the parameters of geophysical fields, interconnected with changes in the stress-strain state of the massif.

Например, известен способ определения изменения напряженного состояния элементов горных выработок, склонных к оползнеобразованию, согласно которому на контролируемых участках измеряют главные компоненты геомагнитного поля, находят отношение величин вертикальной и остальных компонент, а о вероятности развития оползня судят по изменению во времени этого отношения (см. а.с. № 1087662, МКИ Е 21 С 39/00, опубл. 23.04.84, БИ № 15). Данный способ весьма оперативен и малотрудоемок, поскольку не требует бурения скважин и предполагает бесконтактный электромагнитный мониторинг. Вместе с тем, данный способ имеет низкую точность, так как он не учитывает при прогнозе особенности геологического строения массива и не предусматривает определение расположения очага формирующегося оползня в глубине массива.For example, a method is known for determining changes in the stress state of elements of mine workings that are prone to landslide formation, according to which the main components of the geomagnetic field are measured in controlled areas, the ratio of the values of the vertical and other components is found, and the probability of the development of a landslide is judged by the change in time of this ratio (see AS No. 1087662, MKI E 21 C 39/00, publ. 23.04.84, BI No. 15). This method is very quick and laborious, because it does not require well drilling and involves contactless electromagnetic monitoring. However, this method has low accuracy, since it does not take into account the features of the geological structure of the massif when forecasting and does not provide for determining the location of the center of the emerging landslide in the depths of the massif.

Устранению указанных недостатков в значительной мере способствует применение способа оценки устойчивости массива горных пород борта карьера, включающего бурение скважин на участке, предрасположенном к оползням, выбор базового профиля в зоне равновесного напряженного состояния массива, измерения эффективного удельного электросопротивления (УЭС) массива по базовому и линейным профилям путем попарного перемещения электродов в скважинах, определение изменений во времени отношений значений эффективных УЭС линейных и базовых профилей, установление момента и координат места зарождения оползня по экстремальным значениям этих отклонений (см. а.с. № 10640000, МКИ Е 21 С 39/00, опубл. 30.12.83, БИ № 48). Данный способ обеспечивает существенное повышение точности прогноза, поскольку предусматривает выявление геологической структуры массива в процессе скважинных измерений и определение координат зоны зарождения оползня, связанной с локальным разуплотнением или влагонасыщением массива.The elimination of these drawbacks is greatly facilitated by the use of the method of assessing the stability of the rock mass of the side of the quarry, including drilling wells in the area predisposed to landslides, choosing a base profile in the zone of equilibrium stress state of the massif, and measuring the effective electrical resistivity (resistivity) of the massif based on basic and linear profiles by pairwise displacement of the electrodes in the wells, determining the changes in time between the ratios of the values of the effective resistivity of linear and basic profiles, determination of the moment and coordinates of the landslide origin using the extreme values of these deviations (see AS No. 10640000, MKI E 21 C 39/00, publ. 30.12.83, BI No. 48). This method provides a significant increase in the accuracy of the forecast, since it involves the identification of the geological structure of the massif during downhole measurements and the determination of the coordinates of the zone of landslide nucleation associated with local softening or moisture saturation of the massif.

Недостаток аналога заключается в том, что при высокой детальности прогноза времени и места зарождения ослабленной зоны он не позволяет устанавливать фазу развития оползня, поскольку о площади аномальной зоны судят только по одному ее размеру вдоль соответствующего линейного профиля. Кроме того, данный способ для обеспечения измерений методом погруженных электродов на различных глубинных отметках и профилях требует большого объема буровых работ.The disadvantage of the analogue is that with a high degree of forecasting the time and place of origin of the weakened zone, it does not allow to establish the phase of the development of the landslide, since the area of the anomalous zone is judged only by its size along the corresponding linear profile. In addition, this method for providing measurements by the method of immersed electrodes at various depth marks and profiles requires a large amount of drilling work.

Недостатки описанного аналога в значительной мере устраняются способом, включающим определение по геологическому разрезу вероятной поверхности скольжения, измерение эффективного УЭС массива бесскважинным методом продольного электропрофилирования над средней частью ослабленного слоя с разносом, соответствующим глубине его залегания, выбор поперечного профиля по экстремальному значению УЭС и прогноз стадии развитии оползня по площади аномальной (повышенный или пониженных значениях) зоны на графиках электропроводимости (см. патент РФ № 2239064, МПК Е 21 С 41/26, 39/00, опубл. 27.10.2004, БИ №30). Трудоемкость способа снижается за счет исключения необходимости бурения контрольных скважин, а точность прогноза повышается путем дополнительных измерений по поперечному профилю.The disadvantages of the described analogue are largely eliminated by a method including determining the probable sliding surface from the geological section, measuring the effective resistivity of the array using the downhole longitudinal longitudinal profiling method over the middle part of the weakened layer with a spacing corresponding to its depth, selecting the transverse profile for the extreme resistivity value and forecasting the development stage landslide over the area of the anomalous (increased or decreased values) zone on the conductivity graphs (see patent RF No. 2239064, IPC E 21 C 41/26, 39/00, publ. 10/27/2004, BI No. 30). The complexity of the method is reduced by eliminating the need for drilling control wells, and the accuracy of the forecast is improved by additional measurements along the transverse profile.

Основными недостатками данного и всех описанных выше аналогов является недостаточная точность прогноза места вероятного дальнейшего развития оползня, поскольку они предусматривают сопоставление определенной по результатам измерений величины с критической, установленной на основе предварительных исследований в условиях, близких к контрольному участку. Точное установление критических значений контролируемых параметров (уровня геомагнитного поля и эффективного УЭС, площади аномальной зоны) принципиально невозможно, так как свойства массива и технологические параметры горных работ непрерывно изменяются как в пространстве, так и во времени даже в пределах конкретных участков одного месторождения.The main disadvantages of this and all of the analogs described above are the lack of accuracy in predicting the site of the likely further development of a landslide, since they provide for the comparison of a value determined from the measurement results with a critical value established on the basis of preliminary studies in conditions close to the control site. The exact establishment of critical values of controlled parameters (geomagnetic field level and effective resistivity, anomalous area area) is fundamentally impossible, since the properties of the array and the technological parameters of mining operations are constantly changing both in space and in time even within specific sections of the same field.

Наиболее совершенным является способ повышения устойчивости уступов бортов карьеров, включающий анализ геологического строения массива, определение физико-механических свойств массива с учетом гидрогеологических и горно-технических факторов, установление изменения глубины залегания вероятной поверхности скольжения по результатам продольного электропрофилирования, расчет с учетом этого изменения значений коэффициента запаса устойчивости по соотношению сдвигающих и удерживающих сил и прогноз наименее устойчивого участка уступа по наименьшим значениям этого коэффициента (см. патент РФ № 223715 МПК Е 21 С 41/26, опубл. 27.09.2004, БИ № 27). Данный способ позволяет принципиально устранить основной недостаток всех анализов, поскольку место наиболее вероятного проявления оползня определяют не в результате сопоставления контролируемой величины с критическим уровнем, имеющем только локальную область применения, а по минимальному соотношению моментов удерживающих и сдвигающих сил, т.е. по универсальному критерию, следующему из условия предельного равновесия элементов массива. Таким образом, данный способ объединяет достоинства методов геофизического контроля, заключающиеся в возможности оперативного бесскважинного прогноза изменения состояния и свойств массива на интервалах между геологическими скважинами, с достоинствами прямых экспериментально-расчетных методов, основанных на знании физико-механических свойств пород в геологическом разрезе и решении классических уравнений статики при разбиении зоны сдвижения на блоки (см. Арсентьев А.И., Букин И.Ю., Мироненко В.А. Устойчивость бортов и осушение карьеров. - М.: Недра, 1982. - С.53-88).The most perfect is a way to increase the stability of the ledges of the quarry sides, including analysis of the geological structure of the massif, determination of the physicomechanical properties of the massif taking into account hydrogeological and mining factors, establishing changes in the occurrence depth of the likely sliding surface according to the results of longitudinal electric profiling, calculation taking into account this change in the coefficient values stability margin according to the ratio of shear and holding forces and the forecast of the least stable section of the ledge the smallest values of this coefficient (see RF patent No. 223715 IPC E 21 C 41/26, publ. 09/27/2004, BI No. 27). This method allows you to fundamentally eliminate the main drawback of all analyzes, since the place of the most likely occurrence of a landslide is determined not by comparing the controlled value with a critical level that has only a local scope, but by the minimum ratio of holding and shear forces, i.e. according to the universal criterion following from the condition of limiting equilibrium of array elements. Thus, this method combines the advantages of geophysical control methods, which include the possibility of an operational wellless forecast of changes in the state and properties of the massif at intervals between geological wells, with the advantages of direct experimental calculation methods based on knowledge of the physicomechanical properties of rocks in a geological section and the solution of classical equations of static when dividing the displacement zone into blocks (see Arsentiev A.I., Bukin I.Yu., Mironenko V.A. Stability of sides and drainage of the quarry . - M .: Nedra, 1982. - S.53-88).

Принимаем данный способ за прототип.We accept this method as a prototype.

Недостатком прототипа является недостаточная точность прогноза развития оползня по времени. Способ позволяет установить место вероятного оползня (обрушения), где при определенном ухудшении горно-геологических и горнотехнических условий (влагонасыщение пород грунтовыми водами или атмосферными осадками, подсечение слабого слоя, ослабление массива в результате взрывного воздействия и т.п.) вероятно нарушение устойчивости борта карьера. Обычно критическими считают значения коэффициента запаса устойчивости η_пр=1,2 (20%-й запас устойчивости массива). Если η≤η_пр, то устойчивость участка массива близка к предельной, однако вывала может не произойти, поскольку контролируемый параметр (УЭС) зависит от изменяющихся физико-механических свойств массива, влияющих на его устойчивость (влажность, пустотность, уровень механических напряжений, трещиноватость), а не от интенсивности развития процессов разрушения пород по формирующейся реальной поверхности скольжения.The disadvantage of the prototype is the lack of accuracy in predicting the development of a landslide in time. The method allows you to establish the place of a likely landslide (collapse), where, with a certain deterioration of geological and mining conditions (water saturation of rocks with groundwater or precipitation, undercutting of a weak layer, weakening of the massif as a result of explosive impact, etc.), the stability of the quarry side is likely to be impaired . Typically, critical values are considered to be the stability margin coefficient η _pr = 1.2 (20% array stability margin). If η≤η _pr , then the stability of the massif section is close to the limit, however, the collapse may not occur, since the controlled parameter (resistivity) depends on the changing physical and mechanical properties of the massif, affecting its stability (humidity, voidness, level of mechanical stresses, fracturing) rather than the intensity of the development of the processes of rock destruction along the emerging real sliding surface.

Задача изобретения - повышение точности прогноза устойчивости уступов бортов карьеров за счет комплексного контроля на участках, опасных по оползням, интенсивности процессов разрушения и глубины расположения очага разрушения, совпадающего с вероятной поверхностью скольжения, по параметрам естественного электромагнитного излучения.The objective of the invention is to improve the accuracy of forecasting the stability of the ledges of the sides of the quarries due to integrated monitoring in areas dangerous for landslides, the intensity of the destruction processes and the depth of the location of the fracture site, which coincides with the likely slip surface, according to the parameters of natural electromagnetic radiation.

Решение указанной задачи достигается тем, что в способе прогноза устойчивости уступов бортов карьеров, включающем анализ геологического строения массива с выявлением потенциальной поверхности скольжения, определение электрических и физико-механических свойств массива, геофизические измерения по профилю, параллельному бровке уступа в его средней по ширине зоне, прогноз на основе измерений глубины залегания потенциальной поверхности скольжения, расчет коэффициентов запаса устойчивости участков уступа по соотношению моментов удерживающих и сдвигающих сил с использованием данных о геологическом строении массива, механических свойствах пород и изменяющейся глубине залегания поверхности скольжения, согласно изобретению вдоль профиля уступа проводят измерения частоты следования импульсов естественного электромагнитного излучения, на интервалах, где эта частота превышает уровень фонового излучения более чем в 2 раза, проводят поинтервальные измерения соотношения уровня напряженностей электрического поля сигнала Е₁/Е₂ на рабочих частотах соответственно f₁ и f₂, рассчитывают глубину залегания потенциальной поверхности скольжения по формулеThe solution to this problem is achieved by the fact that in the method for predicting the stability of the ledges of the quarry sides, including the analysis of the geological structure of the massif with the identification of the potential sliding surface, the determination of the electrical and physico-mechanical properties of the massif, geophysical measurements along the profile parallel to the edge of the ledge in its mid-width zone, forecast based on measurements of the depth of the potential sliding surface, the calculation of the safety margins of the sections of the ledge by the ratio of retention times of shear and shear forces using data on the geological structure of the massif, the mechanical properties of the rocks and the changing depth of the sliding surface, according to the invention, along the step profile, the pulse repetition rate of natural electromagnetic radiation is measured at intervals where this frequency exceeds the background radiation level by more than 2 times, conduct interval measurements of the ratio of the electric field strength of the signal E ₁ / E ₂ at operating frequencies, respectively, f ₁ and f ₂ , p calculate the depth of the potential sliding surface according to the formula

где К - постоянная, зависящая от электрических и магнитных свойств массива и определяемая на предварительном этапе прогноза, после чего рассчитывают значения коэффициентов запаса устойчивости, по минимальным значениям которых судят о вероятном развитии оползня.where K is a constant depending on the electrical and magnetic properties of the array and determined at the preliminary stage of the forecast, after which the values of the stability margin coefficients are calculated, the minimum values of which are used to judge the likely development of a landslide.

Решение указанной задачи достигается также тем, что измерения частот следования импульсов естественного электромагнитного излучения проводят при отключенных объектах электропотребления.The solution to this problem is also achieved by the fact that the measurement of the repetition rates of pulses of natural electromagnetic radiation is carried out when the power consumption objects are disconnected.

Решение указанной задачи достигается также тем, что глубину залегания потенциальной поверхности скольжения определяют с помощью экспериментальной тарировочной зависимости, устанавливаемой предварительно путем измерений величины Е₁/Е₂ при различной глубине установки в скважине искрового имитатора очага импульсного электромагнитного излучения в виде коммутатора тока.The solution of this problem is also achieved by the fact that the depth of the potential sliding surface is determined using the experimental calibration dependence, which is established previously by measuring the value of E ₁ / E ₂ at different installation depths in the well of the spark simulator of the focus of pulsed electromagnetic radiation in the form of a current switch.

Сущность заявленного способа поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема участка борта карьера, на котором реализуется прогноз устойчивости по заявленному способу, на фиг.2 приведен график изменения частоты следования N^& импульсов естественного электромагнитного излучения по профилю Ох, на фиг.3 представлены графики изменения расчетных параметров: глубины h(x) залегания потенциальной поверхности скольжения и коэффициента запаса устойчивости η(x) на интервале х₁<х<х₂, на котором уровень N^& вдвое превышает уровень фонового излучения N^& _ф, на фиг.4 приведена тарировочная экспериментальная зависимость.The essence of the claimed method is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a diagram of a section of the side of a quarry that implements a stability forecast by the inventive method, Fig. 2 shows a graph of the repetition rate of N ^& pulses of natural electromagnetic radiation along the Ox profile, Fig. 3 shows graphs of changes in the calculated parameters: the depth h (x) of the potential slip surface and the safety factor η (x) in the interval x ₁ <x <x ₂ , on which the level N ^& doubles the level of background radiation N ^& _f , figure 4 shows the calibration experimental dependence.

Осуществляют способ следующим образом.The method is carried out as follows.

По данным геологической разведки в скважинах 1 анализируют структуру массива горных пород уступа борта карьера, включающую слои алевролита 2, угля 3, песчаника 4, и выявляют потенциальную поверхность скольжения 6 (фиг.1). Скольжение слоев массива вероятно при наличии следующих признаков: наличие слоя малопрочных пород; расположение на участке разрывного тектонического нарушения, формирование влагонасыщенной зоны или фильтрационного коллектора по контакту с водоупорным слоем. Потенциальная (вероятная) поверхность скольжения 6 образуется на контакте разнопрочных слоев. Если угол наклона выявленной поверхности скольжения превышает угол естественного откоса, то при определенном сочетании геологических и техногенных факторов может произойти обрушение пород путем скольжения верхней части массива по данной поверхности. Такими факторами являются: изменение глубины h залегания потенциальной поверхности скольжения из-за аномалий геологической структуры массива; неправильный выбор технологических параметров уступа (высота, ширина, угол откоса), приводящий к подсечению скользящего слоя с частичным или полным устранением упорной призмы; влагонасыщение пород грунтовыми водами или атмосферными осадками, приводящее к увеличению объемной массы пород и снижению сил сцепления.According to geological exploration in wells 1, the structure of the rock mass of the ledge of the side of the quarry is analyzed, including layers of siltstone 2, coal 3, sandstone 4, and a potential sliding surface 6 is revealed (Fig. 1). Slip layers of the massif is likely in the presence of the following symptoms: the presence of a layer of low-strength rocks; the location on the site of a discontinuous tectonic disturbance, the formation of a water-saturated zone or filter collector in contact with the water-resistant layer. A potential (probable) sliding surface 6 is formed at the contact of different strength layers. If the angle of inclination of the identified sliding surface exceeds the angle of repose, then with a certain combination of geological and technogenic factors, rock collapse can occur by sliding the upper part of the massif along this surface. Such factors are: a change in the depth h of the potential slip surface due to anomalies in the geological structure of the massif; wrong choice of technological parameters of the ledge (height, width, slope angle), leading to the cutting of the sliding layer with the partial or complete elimination of the stubborn prism; moisture saturation of rocks with groundwater or precipitation, leading to an increase in the bulk mass of rocks and a decrease in adhesion forces.

Путем бурения разведочных скважин и лабораторных испытаний выбуренного керна определяют электрические и физико-механические (плотность, сцепление, угол внутреннего трения) свойства пород при естественной влажности. Такие исследования проводят по всей длине участка (расстояние между разведочными скважинами составляет 100-200 м). При наличии сочетания указанных выше неблагоприятных факторов определяют участки, опасные по оползням. На данных участках в сечениях разведочных скважин рассчитывают коэффициенты запаса устойчивости по известной формулеBy drilling exploratory wells and laboratory tests of the drilled core, the electrical and physico-mechanical (density, adhesion, angle of internal friction) rock properties are determined at natural humidity. Such studies are carried out along the entire length of the site (the distance between exploratory wells is 100-200 m). In the presence of a combination of the above adverse factors, areas dangerous for landslides are determined. At these sites in sections of exploratory wells, safety factors are calculated according to the well-known formula

где tgφ - коэффициент внутреннего трения; k - сцепление; L - длина поверхности скольжения; N_i - сила нормального давления на i-м участке поверхности скольжения; Т_i - сдвигающая сила i-го блока борта карьера.where tgφ is the coefficient of internal friction; k is the clutch; L is the length of the sliding surface; N _i - normal pressure force on the i-th part of the sliding surface; T _i - shear force of the i-th block of the side of the quarry.

Если расчетные значения η находятся в диапазоне η=1,2-1,8 на данных участках в дальнейшем проводят оперативный прогноз изменения устойчивости борта. Для этого на поверхности уступа 5 в его средней части намечают профиль 7, расположенный параллельно бровке. По намеченному профилю проводят измерение параметров естественного электромагнитного излучения. Основными измеряемыми параметрами являются частота N^& следования импульсов и напряженность Е электрического поля электромагнитного сигнала. Измерения производят с помощью экспериментальной аппаратуры СБП-2, ЕГ-9 или специально разработанных приборов с повышенными чувствительностью и рабочим диапазоном (см. Справочное пособие для служб прогноза и предотвращения горных ударов на шахтах и рудниках. П.В.Егоров, В.В.Иванов, В.В.Дырдин и др. - М.: Недра, 1995. - 240 с.). Электромагнитное излучение наряду с акустическим является физическим процессом, сопровождающим разрушение горных пород и образование трещин скольжения. В частности, метод регистрации электромагнитного излучения нашел широкое применение при прогнозе степени удароопасности выработок: повышенные значения N^& свидетельствуют об интенсификации проявлений горного давления и повышении вероятности горных ударов. При формировании очага оползня по поверхности скольжения происходит накопление локальных микроповреждений и образование трещин. Лабораторные и натурные исследования показывают, что превышение двукратного естественного фонового уровня электромагнитного излучения 2N^& _ф характеризует начальную стадию формирования оползня. Эта стадия в зависимости от интенсивности действия указанных выше факторов может продолжаться от одного до шести месяцев и в случае непринятия своевременных мер может привести к обрушению борта.If the calculated values of η are in the range η = 1.2-1.8 in these areas, an on-line forecast of changes in board stability is subsequently carried out. To do this, on the surface of the ledge 5 in its middle part outline a profile 7 located parallel to the edge. The intended profile is used to measure the parameters of natural electromagnetic radiation. The main measured parameters are the pulse repetition rate N ^& and the electric field strength E of the electromagnetic signal. Measurements are made using the SBP-2, EG-9 experimental equipment or specially designed instruments with increased sensitivity and operating range (see the Reference manual for services of forecasting and prevention of mountain impacts in mines and mines. P.V. Egorov, V.V. Ivanov, V.V. Dyrdin et al. - M .: Nedra, 1995 .-- 240 p.). Electromagnetic radiation along with acoustic radiation is a physical process that accompanies the destruction of rocks and the formation of sliding cracks. In particular, the method of detecting electromagnetic radiation has found wide application in predicting the degree of shock hazard of workings: increased values of N ^& indicate an intensification of manifestations of rock pressure and an increase in the probability of rock blows. When a landslide focal point is formed along the sliding surface, local microdamages and cracking accumulate. Laboratory and field studies show that exceeding the twofold natural background level of electromagnetic radiation 2N ^& _f characterizes the initial stage of the formation of a landslide. This stage, depending on the intensity of the above factors, can last from one to six months and, if timely measures are not taken, can lead to collapse of the side.

По результатам периодических измерений по профилю Ох 7 строят графики N^&(x) (фиг.2), на которых отмечают интервалы х₁ и х₂ с уровнем N>2N_ф. В пределах данных интервалов с шагом Δх=5-10 м производят измерение напряженности Е электрического поля излучения. В результате аналитических исследований, подтвержденных лабораторными экспериментами, установлено, что частотный спектр электромагнитного импульсного излучения при трещинообразовании имеет следующий вид (см. Хямяляйнен В.А., Простов С.М., Сыркин П.С. Геоэлектрический контроль разрушения и инъекционного упрочнения горных пород. - М.: Недра, 1996 - 288 с.)According to the results of periodic measurements on the profile Ox 7, graphs N ^& (x) are constructed (Fig. 2), at which intervals x ₁ and x ₂ with a level N> 2N _f are noted. Within these intervals, with a step Δx = 5-10 m, the intensity E of the electric field of the radiation is measured. As a result of analytical studies confirmed by laboratory experiments, it was found that the frequency spectrum of electromagnetic pulsed radiation during crack formation has the following form (see Hämäläinen V.A., Prostov S.M., Syrkin P.S. Geoelectric control of rock destruction and injection hardening . - M .: Nedra, 1996 - 288 p.)

где f - частота гармонической составляющей излучения; Е_∞ - напряженность стационарного естественного электрического поля; n - число излучающих микротрещин в единичном объеме массива; μ, λ - магнитная проницаемость и удельная электропроводность пород; V - средняя скорость развития микротрещин; r - радиус вершины микротрещины; Δf - полоса пропускания регистрирующего устройства;

- затухание электромагнитного сигнала на единичном расстоянии; h - глубина расположения источника электромагнитного излучения (зоны формирования очага оползня), совпадающая с глубиной залегания вероятной поверхности скольжения.where f is the frequency of the harmonic component of the radiation; E _∞ is the intensity of the stationary natural electric field; n is the number of emitting microcracks in a unit volume of the array; μ, λ — magnetic permeability and electrical conductivity of rocks; V is the average rate of microcrack development; r is the radius of the tip of the microcrack; Δf is the bandwidth of the recording device;

- attenuation of the electromagnetic signal at a unit distance; h is the depth of the location of the source of electromagnetic radiation (zone of formation of the landslide zone), which coincides with the depth of the probable slip surface.

Из уравнения (2) следует, что при измерении величины Е на частотах f₁ и f₂ (f₂>f₁), поскольку параметры Е_∞, n, V, r, Δf сохраняются одинаковыми, соотношение Е₁/Е₂ зависит только от h и электрофизических свойств массива. Решая систему уравнений (2) при f=f₁ и f=f₂ относительно h, получимFrom equation (2) it follows that when measuring E at frequencies f ₁ and f ₂ (f ₂ > f ₁ ), since the parameters E _∞ , n, V, r, Δf are kept the same, the ratio E ₁ / E ₂ depends only from h and the electrophysical properties of the array. Solving the system of equations (2) with f = f ₁ and f = f ₂ with respect to h, we obtain

где

- постоянная, зависящая от электрических и магнитных свойств массива.Where

- constant, depending on the electrical and magnetic properties of the array.

Физическая сущность уравнения (3) состоит в том, что более высокочастотные составляющие электромагнитного сигнала интенсивней затухают на единичном расстоянии в проводящем породном массиве, покрывающем источник излучения, вследствие скин-эффекта.The physical essence of equation (3) is that the higher-frequency components of the electromagnetic signal decay more intensively at a unit distance in the conductive rock mass covering the radiation source, due to the skin effect.

По результатам расчетов строят график h(x) для интервала х₁<х<x₂. Используя значения h, данные о геологической структуре массива (фиг.1), физико-механических свойствах массива, по уравнению (1) определяют значения коэффициентов запаса устойчивости η и строят график η(х), по минимальным значениям которого судят о вероятности развития оползня. При η<1,2 следует принимать меры, обеспечивающие предотвращение оползня: изменить параметры уступа, применить инъекционное укрепление пород или специальные удерживающие устройства (см. Фесенко Г.Л., Ревазов М.А., Галустьян Э.Л. Укрепление откосов в карьерах. - М.: Недра, 1974. - С.100-197).Based on the calculation results, a graph of h (x) is plotted for the interval x ₁ <x <x ₂ . Using the values of h, data on the geological structure of the massif (Fig. 1), physicomechanical properties of the massif, according to equation (1), the values of the safety factors η are determined and a graph η (x) is plotted, the minimum values of which are used to judge the likelihood of a landslide. When η <1.2, measures should be taken to prevent landslide: change the parameters of the ledge, apply injection rock reinforcement or special holding devices (see Fesenko G.L., Revazov M.A., Galustyan E.L. Strengthening slopes in quarries . - M .: Nedra, 1974. - S.100-197).

Для повышения точности прогноза необходимо снизить уровень технологических помех, источниками которых являются электроустановки трансформаторных подстанций, экскаваторов, буровых станков, конвейеров, электровозов, а так же подводящие ЛЭП. Проведенными исследованиями установлено, что уровень сигналов N^&, Е от указанных источников при расстоянии до них менее 300-500 м соизмерим с полезным, причем спектры сигналов близки. Поэтому объекты электроснабжения в пределах 500 м от исследуемого участка должны быть обесточены.To increase the accuracy of the forecast, it is necessary to reduce the level of technological interference, the sources of which are electrical installations of transformer substations, excavators, drilling rigs, conveyors, electric locomotives, as well as power lines. Studies have shown that the level of signals N ^& , E from these sources at a distance of less than 300-500 m is comparable with the useful one, and the signal spectra are close. Therefore, power supply facilities within 500 m from the investigated area should be de-energized.

Поскольку определение глубины h залегания потенциальной поверхности скольжения включает установление постоянной К, точность прогноза по заявленному способу непосредственно зависит от точности определения этой постоянной. Аналитический расчет К возможен на основе изучения электрических параметров λ и μ образцов горных пород или дополнительных электрофизических измерений по известным методикам. Если массив неоднороден по электрическим свойствам, то погрешность определения К может превышать 20-30%. Целесообразно поэтому вместо расчетной зависимости (3) использовать предварительно установленную экспериментальную тарировочную зависимость h(E₁/E₂). Для получения такой зависимости в скважину на различную глубину h помещают искровой имитатор источника электромагнитного сигнала, представляющий собой коммутатор тока с частотой 0,1-1 кГц. Измерения Е₁/Е₂ производят основным комплектом аппаратуры при фиксированных значениях f₁ и f₂. По результатам предварительных исследований строят тарировочные зависимости h(E₁/E₂; f₁/f₂) (фиг.4).Since the determination of the depth h of the potential sliding surface involves establishing a constant K, the accuracy of the forecast according to the claimed method directly depends on the accuracy of determining this constant. An analytical calculation of K is possible on the basis of a study of the electrical parameters λ and μ of rock samples or additional electrophysical measurements by known methods. If the array is heterogeneous in electrical properties, then the error in determining K may exceed 20-30%. It is therefore advisable, instead of the calculated dependence (3), to use the previously established experimental calibration dependence h (E ₁ / E ₂ ). To obtain such a dependence, a spark simulator of an electromagnetic signal source is placed in the well at various depths h, which is a current commutator with a frequency of 0.1-1 kHz. Measurements of E ₁ / E ₂ produce the main set of equipment with fixed values of f ₁ and f ₂ . According to the results of preliminary studies, calibration dependencies h (E ₁ / E ₂ ; f ₁ / f ₂ ) are built (Fig. 4).

Пример конкретного выполнения способа. По данным исследования геологических скважин установлено, что массив уступа борта карьера включает слои алевролита 2, угля 3 и песчаника 4. Угол падения слоев 25-28° (фиг.1). Потенциальная поверхность скольжения приурочена к контакту разнопрочных слоя алевролита 2 и пласта угля 3. Для исследования свойств массива в средней части уступа была пробурена вертикальная скважина 1 с отбором керна. Основные параметры массива, необходимые для расчета коэффициентов запаса устойчивости уступа приведены в таблице.An example of a specific implementation of the method. According to the study of geological wells, it was found that the ledge array of the side of the quarry includes layers of siltstone 2, coal 3 and sandstone 4. The angle of incidence of the layers is 25-28 ° (Fig. 1). A potential sliding surface is confined to the contact of a different-strength layer of siltstone 2 and a coal seam 3. To study the properties of the massif, a vertical well 1 with core sampling was drilled in the middle part of the ledge. The main parameters of the array, necessary for calculating the margin stability factors of the ledge are given in the table.

Для прогноза устойчивости борта был намечен профиль Ох 7 параллельно бровке уступа 5. Основные параметры уступа: высота Н=16 м, ширина b=20 м, угол откоса α=35°.To predict the stability of the side, the Oh 7 profile was planned parallel to the edge of the step 5. The main parameters of the step: height H = 16 m, width b = 20 m, slope angle α = 35 °.

Измерение импульсного электромагнитного изучения проводили опытной аппаратурой, включающей штыревую антенну, высокочастотный блок, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, частотомер и измеритель уровня сигнала. Основные технические характеристики аппаратуры следующие: диапазон рабочих частот f=0,1...70 МГц; максимальная чувствительность E_min=0,1 мкВ/м; диапазон частотомера N^&=0...20 кГц.The measurement of pulsed electromagnetic studies was carried out by experimental equipment, including a whip antenna, a high-frequency unit, an amplifier, an analog-to-digital converter, a frequency meter, and a signal level meter. The main technical characteristics of the equipment are as follows: operating frequency range f = 0.1 ... 70 MHz; maximum sensitivity E _min = 0.1 μV / m; frequency meter range N ^& = 0 ... 20 kHz.

ТаблицаTable Физико-механические параметры породPhysical and mechanical parameters of rocks Тип породыBreed type Мощность слоя, мLayer power, m Плотность, γ, т/м³ yDensity, γ, t / m ³ y Коэффициент внутреннего трения tgφCoefficient of internal friction tgφ Сцепление k, МПаCoupling k, MPa АлевролитSiltstone 15fifteen 4,34.3 0,450.45 3,53,5 УгольCoal 2,12.1 1,871.87 0,530.53 2,72.7 АлевролитSiltstone 2,52,5 3,73,7 0,470.47 3,73,7 ПесчаникSandstone 1212 6,16.1 0,650.65 6,76.7

При отключении всех энергопотребителей фоновый уровень излучения составил на частоте f=1 МГц N^& _ф=32 Гц. Тарировочная зависимость, полученная с помощью искрового имитатора (реле с частотой коммутации N^&=0,2 кГ), опускаемого в скважину на досылочных штангах, приведена на фиг.4.When all power consumers were turned off, the background radiation level at the frequency f = 1 MHz was N ^& _f = 32 Hz. The calibration dependence obtained using a spark simulator (relay with a switching frequency of N ^& = 0.2 kG), lowered into the well at the delivery rods, is shown in Fig.4.

Измерения по профилю Ох показали, что на интервале x₁x₂=60 м уровень N^& составил от 70 до 200 Гц (фиг.2). На этом интервале с шагом Δх=10 м проводили дополнительные измерения на частотах f₂=0,1 МГц и f₁=1,0 МГц. Результаты измерений следующие:Measurements along the Ox profile showed that in the interval x ₁ x ₂ = 60 m, the N ^& level was from 70 to 200 Hz (Fig. 2). In this interval, with a step of Δx = 10 m, additional measurements were performed at frequencies f ₂ = 0.1 MHz and f ₁ = 1.0 MHz. The measurement results are as follows:

х, мx, m 00 1010 20twenty 30thirty 4040 50fifty 6060 E₂/E₁ E ₂ / E ₁ 1,711.71 1,511.51 1,851.85 2,112.11 2,772.77 2,652.65 2,752.75

Результаты расчетов h по графику на фиг.4 при f₁/f₂=10, а также η по уравнению (1) с использованием определенных значений h(x) и данных табл. представлены на фиг.3. В результате прогноза установлено, что минимальное значение коэффициента запаса устойчивости составило η_min=1,07, что свидетельствует о высокой вероятности оползня на момент прогноза и необходимости укрепления данного участка.The calculation results of h according to the graph in Fig. 4 for f ₁ / f ₂ = 10, as well as η according to equation (1) using certain values of h (x) and the data in Table. presented in figure 3. As a result of the forecast, it was found that the minimum value of the safety factor was η _min = 1.07, which indicates a high probability of a landslide at the time of the forecast and the need to strengthen this site.

Применение заявляемого способа позволяет повысить точность прогноза устойчивости борта карьера за счет более точного определения фазы развития оползня и места расположения наименее устойчивого участка.The application of the proposed method can improve the accuracy of the forecast stability of the side of the quarry due to a more accurate determination of the phase of development of the landslide and the location of the least stable area.

Claims

1. A method for predicting the stability of ledges on pit sides, including analysis of the geological structure of the massif with the identification of potential slip surfaces, determination of the electrical and physicomechanical properties of the massif, geophysical measurements along a profile parallel to the edge of the ledge in its mid-width zone, a forecast based on measurements of the depth potential sliding surface, the calculation of the safety margin factors of the ledge sections by the ratio of the moments of holding and shear forces using data on the geological structure of the massif, the mechanical properties of the rocks and the changing depth of the sliding surface, characterized in that along the ledge profile they measure the repetition rate of pulses of natural electromagnetic radiation, at intervals where this frequency exceeds the background radiation level by more than 2 times, make an interval measurement correlation levels of the electric field strength signal E ₁ / E _2, respectively, at the working frequencies f ₁ and f _2, the depth is calculated potentially second sliding surface by the formula

where K is a constant depending on the electrical and magnetic properties of the array and determined at the preliminary stage of the forecast,

calculate the stability margin coefficients, the minimum values of which judge the likelihood of a landslide.

2. The method according to claim 1, characterized in that the measurement of the repetition rate of the pulses of natural electromagnetic radiation is produced when the power consumption objects are turned off.