Разработка месторождений полезных ископаемых открытым способом требует обязательной организации систематических наблюдений за деформациями прибортового массива, которые необходимы для своевременнего обнаружения деформации бортов карьеров, оценки степени опасности этих деформаций и принятия опережающих развитие деформаций мер по обеспечению безопасности ведения горных работ [1].
Традиционные геодезические методы основаны на геометрическом (тригонометрическим) нивелировании реперов по профильным линиям и измерении расстояний между реперами с использованием стальной рулетки.
Традиционные геодезические способы наблюдений можно разделить на следующие виды.
Наблюдения по профильным линиям:
– створные измерения;
– геометрическое нивелирование;
– тригонометрическое нивелирование.
Наблюдение методами линейно-угловых сетей:
– метод полигонометрических ходов.
Наблюдение методами геодезических засечек:
– прямые засечки:
а) угловые;
б) линейные;
– линейно-угловые засечки;
– линейно-пространственные засечки.
Совместное применение всех этих методов является классическим способом наблюдения за деформациями. Рассмотрим суть и условия применения этих методов наблюдений.
Наблюдение по профильным линиям. Наблюдения на профильных линиях позволяют получить наиболее полную картину распределения деформаций в прибортовом массиве, определить величину смещений участков поверхности на различных расстояниях от верхней бровки по всей высоте борта.
Профильные линии закладывают, как правило, перпендикулярно простиранию борта или по направлениям, совпадающим со смещением. В целях контроля определения смещений и деформаций рекомендуется закладка парных профильных линий. Расстояние между ними должно быть около 50 м.
Закладка профильных линий производится, в первую очередь, в наименее устойчивых участках борта.
Крайние пункты профильной линий должно быть 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. Опорные реперы профильных линий закладываются вне зоны деформаций в количестве не менее трех. При невозможности удалить крайние реперы за зону деформаций, например, при застроенности территории или при пологих углах наклона поверхности, примыкающей к карьеру, их контролируют методами линейно-угловых построений. Средняя квадратическая погрешность определения смещения этих реперов не должна превышать ±10мм.
Расстояние между рабочими реперами зависит от их расположения на профильной линий. На каждой площадке (берме) уступа их должно быть заложено не менее двух – один вблизи бровки уступа, другой у подошвы вышележащего уступа. Реперы закладываются таким образом, чтобы была обеспечена безопасность наблюдателя при работе на них.
Кроме опорных и рабочих, наобходимо заложить исходные реперы, которых должно быть не менее трех. Закладка этих реперов производится в местах, обеспечивающих неизменность их положения в процессе производства наблюдений. Исходные реперы должны быть вне зоны влияния горных работ, а также за пределами возможного оседания земной поверхности под влиянием подземных вод при дренаже карьерного поля.
Наблюдения на профильных линиях заключаются в периодических отметках рабочих реперов и горизонтальных опорных. Отметки реперов определяются геометрическим или тригонометрическим нивелированием, а их плановое положение в результате линейных измерений – вдоль профильной линий. В отдельных случаях нет возможности измерить расстояние между реперами, расположенными на площадках разных уступов. Их плановое положение может определяться методами засечек.
Геометрические нивелирование применяют для контроля положения опорных реперов профильных линий относительно исходных, а также определения превышений на участках с небольшими наклонами до 15°. При выдержанном рельефе склона, прилегающего к борту карьера, геометрическое нивелирование может применяться и при углах наклона до 30°.
Определение отметок опорных реперов и нивелирование реперов линий производят по методике нивелирования 3 класса в соответствии с инструкцией.
Специфические особенности нивелирования профильных линий состоят в следующем:
– нивелирование выполняется короткими лучами при длине визирного луча от 4 до 30 м;
– нивелир устанавливают посередине между реперами так, чтобы неравенство лучей не превышало 2 м;
– высота визирного луча над поверхностью должна быть не менее 0,3 м;
– нивелирование можно выполнять в любое время дня;
– нивелирование ведут по реперам в прямом и обратном направлениях по двум шкалам реек;
– невязки между прямым и обратным ходами не должны превышать:
f доп = ± 10 √L или f = ± 2,6√n, мм (1)
где L – длина хода (в одном направлении), км;
n – число станций в ходе одного направления;
– расхождения в превышениях между соседними реперами профильных из прямого и обратного хода не должны превышать 2 мм.
Камеральная обработка геометрического нивелирования состоит в следующем:
– проверяют полевые вычисления в журналах;
– вычисляют фактические и допустимые невязки;
– вычисляют средние значения превышений из прямого и обратного ходов;
– определяют отметки реперов.
Тригонометрическое нивелирование производят для определения превышений и горизонтальных проложений между реперами профильных линий на участках с большими углами наклона, между реперами, распоженными на площадках разных уступов. Тригонометрическое звание производят, как правило одновременно с измерением реперами, поэтому схемы и методика выполнения тригонометрического нивелирования зависят также от применяемых приборов и инструментов для линейных измерений.
Для измерения вертикальных углов следует применять теодолиты типа Т2 и им равноточные. Инструментальная погрешность измерения вертикальных углов теодолитами одним приемом составляет от 3 до 5".
Тригонометрическое нивелирование с измерением длин рулеткой используется между реперами, расположенными на площадках соседних уступов (при высоте уступа не более 25 м), между соседними реперами профильных линий, расположенных на склонах. Измерение вертикальных углов производится при двух положениях вертикального круга, измерение длин – стальной компарированной рулеткой с натяжением 10 кг.
Измерение длин необходимо производить либо в пасмурную погоду, либо измерять температуру полотна рулетки с помощью специальных термометров. Не рекомендуется выполнять линейные измерения при скорости ветра более 3,5 м/с, т.к. в этом случае начинается сильная вибрация полотна рулетки. При каждом измерении интервала по рулетке берется не менее трех отсчетов со смещением рулетки не менее 10 см. Расхождения между измеренными длинами не должны превышать 2 мм. Длину измеряют между горизонтальной осью вращения трубы теодолита и точкой визирования при угловых измерениях.
При измерений угла наклона следует визировать на центр. В этом случае ошибка в определении высоты сигнала исключается. В тех случаях, когда нет такой возможности, в качестве сигнала используют жесткие отвесы ОЖ-3 и визируют на целик жесткого отвеса. Погрешности измерения высоты инструмента и сигнала не должны превышать 1 мм.
Вычисление горизонтальных проложений S и превышений ∆H при тригонометрическом нивелировании производят по следующим формулам:
S = D * cosϭ, м или S = D * sinZ, м (2)
∆Н = D * sinϭ + i – v, или ∆Н = D * cos Z + i – v, м (3)
где D – измеренная наклонная длина, м;
Z – измеренный угол наклона линии, град;
i – высота теодолита, м;
v – высота визирования, м.
Превышения и горизонтальные проложения между реперами линий должны определяться дважды, в прямом и обратном направлениях, либо в одном направлении при двух независимых центрировках теодолита и сигнала. За окончательное значение принимается среднее арифметическое, если разности отдельных измерений не превосходят допустимой величины, вычисляемой по формуле:
f = 2m, (4)
где m – ошибка определения превышения.
Погрешности тригонометрического нивелирования при измерении длин рулеткой определяются по формулам:
m2ϭ = m2Dcos2ϭ+ m2ϭ/p2*D2 * sin2 ϭ, мм (5)
m2 ∆Н = m2 Dsin2 ϭ + m2 ϭ/p2 * D2 * cos2 ϭ + mi2 + m2v, мм (6)
где mp – погрешность измерения длин,мм.
m ϭ – погрешность измерения вертикального угла, с;
mv и mi погрешности измерения высоты прибора и сигнала, мм;
р = 206265''
На основании обработки большого числа результатов наблюдений при различных длинах интервалов получена следующая формула погрешности измерения длины стальной рулеткой:
mD = 0,8 + 0,017D, мм. (7)
В длины, измеренные рулетками, вводят поправки на компарирование, температуру, провес и несиметрию провеса.
Расстояния между реперами при тригонометрическом нивелировании с использованием светодальномеров могут достигать значительных величин, которые определяются диапазоном работы светодальномера и условиями видимости между реперами. При этом с увеличением измеряемого расстояния погрешности определения наиболее удаленного репера возрастают за счет погрешностей измерения вертикальных углов и влияния рефракции, а при их уменьшении – увеличивается число стоянок, что также ведет к увеличению погрешности положения наиболее удаленного репера. В связи с этим необходимо установить оптимальное максимальное расстояние при тригонометрическим нивелировании, обеспечивающее минимальное погрешности наиболее удаленного репера.
Оптимальное расстояния зависят от угла наклона и длины профильной линии, погрешностей измерений вертикальных углов и наклонных расстояний.
Выбор схем тригонометрического нивелирования профильных линий следует производить, исходя из конкретных условий наблюдений, а именно, из условний видимости между реперами, расположенными на разных уступах, и обеспечения минимальных погрешностей в определения положения реперов.
Наблюдение методами линейно-угловых сетей. Использование линейно-угловых сетей для наблюдений за деформациями бортов карьеров целесообразно в начальной стадии деформирования, контроля планово-высотного положения опорных реперов профильных линий, а также при наблюдениях за смещениями крупных оползней.
При проектировании линейно-угловых сетей исходят, прежде всего, из плотности контрольных(рабочих) пунктов, которая непосредственно связана с конкретными задачами наблюдений. В большинстве случаев достаточно располагать пункты равномерно по всему периметру карьера. Расстояние между пунктами следует принимать равным от 1 до 2Н (Н – высота борта). Это позволит контролировать устойчивость бортов на всем протяжении, а развитая сеть будет служить основной для расширения наблюдений, привязанных к пунктам сети (метод створов, профильных линий, засечек).
После решения вопроса о местах закладки контрольных пунктов выбирается метод измерений. Рекомендуется использовать метод (триангуляцию, трилатерацию, полигонометрию и любое их сочетание), который обеспечивает требуемую точность определения смещений при наименьшом объеме полевых измерений.
Для сравнительной оценки метода построения сетей следует принимать погрешность положения пункта в направлении вероятного смещения. В том случае, когда направление смещений невозможно точно прогнозировать, в качестве критерия необходимо использовать максимальную погрешность в определении положения точки, т.е. большую полуось эллипса погрешностей.
Отмечание критерии в большинстве случаев получение наиболее полной оценки положенного пункта – педальной кривой (подеры) эллипса. Полная оценка точности наблюдательной сети может быть осуществлена только с помощью специальных програм для ЭВМ. Удобной для этих целей является программа, разработанная А.В.Хлебниковым, которая позволяет уравнивать и оценивать сети, состоящие из любых комбинаций полигонометрии, триангуляции и трилатерации, при этом измерения могут быть неравноточными.
Погрешность определения положения пункта по интересующему направлению вычисляется по формуле:
Мφ = √(а2сos2(а2 – θ) + b2sin2(φ – θ), мм (8)
где a и b – большая и малая полуоси эллипса, мм;
θ – диррекционный угол большой оси;
φ – диррекционный угол вероятного направления смещения, град.
Вероятное направление смещений, используемое для анализа точности схем наблюдений, а в большинстве случаев следует принимать перпендикулярным простиранию борта. При наличии поверхностей ослабленния положенных диагонально к простиранию откосов, направление смещений принимается с учетом элементов залегания этой поверхности.
Методика измерения расстояний в сетях зависит от типа применяемого светодальномера, однако, в любом случае, расстояние должно быть измерено не менее двух раз при независимом центрировании приемпередатчика и отражателя.
Камеральная обработка наблюдений включает:
– проверку полевых журналов;
– вычисление средних значений углов и фактических угловых невязок;
– вычисление отметок всех пунктов;
– вычисление горизонтальных проложений измеренных расстояний;
– вычисление координат рабочих пунктов на ЭВМ по специальным программам уравнивания линейно-угловых сетей;
– определение плановых смещений пунктов по разностям их координат в соответствующих сериях наблюдений.
Наблюдение методами геодезических засечек могут использоваться для определения смещений отдельных пунктов, что позволяет вести наблюдения за периодически обновляемым бортом.
В зависимости от конкретных условий наблюдений, наличия соответствующих геодезических приборов и требуемой точности наблюдений нанесения пунктов в горизонтальной плоскости определяются следующими засечками:
– прямой угловой;
– обратной угловой;
– комбинированной угловой;
– линейной;
– линейно-угловой.
При выборе вида засечки необходимо учитывать удобство измерений, а также время, затрачиваемое на выполнение полевых работ. Следует стремиться к менее трудоемким схемам измерений, но необходимо учитывать, что простые зачески обладают рядом недостатков:
– отсутствие контроля определния смещенного положения пункта;
– невозможность получения вектора смещения в случае уничтожения или повреждения одного опорного пункта;
– отсутствие возможности обеспечения необходимой точности измерений.
Поэтому простые засечки следует применять на кратковременных станциях и когда есть уверенность в сохранности опорных пунктов. В остальных случаях схемы засечек должны удовлетворять следующими требованиям:
– иметь минимальное количество опорных пунктов;
– обеспечивать избыточные измерения;
– обеспечивать преемственность наблюдений в случае нарушения или уничтожения одного из опорных пунктов;
– обеспечивать наименьшее влияние вертикальной рефракции при определении вертикальной составляющей вектора смещения.
Погрешность определения смещений, как и для линейно-угловых сетей, необходимо определять для верояного направления смещений. Предрасчет точности засечек выполняется аналитически или графически.
Методика измерений светодальномерами зависит от типа прибора. В измеренные светодальномером расстояния должны быть введены необходимые поправки: на температуру, давление воздуха и приборная поправка [2].
Определение смещений при наблюдениях мтеодами засечек производят, как правило, дифференциальным методом, т.е. избегая вычисления координат, смещения определяют по разностям измеренных величин. Дифференциальный метод может быть реализован с помощью аналитических формул или графических построений.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Попов И.И., Окатов Р.П. Брьба с оползнями на карьерах. – М.,Недра, 1980. – 239 с.
2. Турсбеков С.В. Геомеханическое обеспечение устойчивости карьерных откосов. – Алматы, 2011. – 212 с.
