Система мониторинга массива горных пород в Кунгурской Ледяной пещере Печать
09.12.2014 19:08

Р.В. Криницын, К.В. Селин

Кунгурская Ледяная пещера (КЛП) - уникальный геологический памятник, одна из крупнейших карстовых пещер в Европейской части России. Протяжённость пещеры составляет около 5700 м, из них 1,5 км оборудовано для посещений туристами. КЛП содержит 48 гротов, 70 озёр, 146 так называемых «органных труб», все они формируют очень сложную структуру, с точки зрения геомеханики.

Массив пород КЛП представлен преимущественно гипсовыми породами с различной степенью трещиноватости. В пещере 100% влажность – среда агрессивная. Среднегодовая температура +5° С, но часть пещеры постоянно скована льдом, часть имеет положительную температуру, а третья часть сезонно оттаивает и замерзает, что приводит к изменению напряженно-деформированного состояния, вследствие чего повышается опасность обрушения горной породы. Из-за 100% влажности, при положительной температуре, в карстовых полостях идет активный процесс разуплотнения – деформирования, предшествующий обрушению массива. Часть таких районов находится непосредственно над туристической тропой. Данное обстоятельство предопределяет необходимость оперативного геомеханического контроля массива горных пород.
В ходе ведения экспериментальных работ производилось визуальное обследование состояния массива пород КЛП, результаты которого можно охарактеризовать следующим образом. Практически на всём протяжении туристического маршрута имеются зависания пород в виде консолей, рассечённых арок, значительных по протяженности плоских сводов и пр. Методы решения проблем, связанных с такими участками, напрямую зависят от возможности и целесообразности применения того или иного оборудования в условиях КЛП. Также следует отметить отсутствие данных о физико-механических свойствах пород КЛП, что, в свою очередь, тоже осложняет задачи по выбору путей снижения возможных рисков. Каждый грот является самостоятельной геомеханической моделью и требует отдельного анализа состояния массива пород.
Для повышения безопасности туристического маршрута в КЛП применяется винтовая анкерная крепь. Винтовой анкер (рис. 1) представляет собой круглый стержень 1 с резьбой специального профиля по всей длине. На одном конце стержня высажена шестигранная головка 2 для завинчивания анкера и удержания опорной плиты 3. К преимуществам можно отнести то, что винтовой анкер обладает высокой несущей способностью. При испытаниях анкер выдержал нагрузку 105 кгс/см2. К недостаткам установки анкерной крепи следует отнести:
• сложность работ по установке, особенно на большой высоте, и при низких сводах;
• снижение эффективности использования анкерной крепи при установке в пустотелых и сильно расслаивающихся породах, из- за необходимости сгущения сетки анкеров.
Учитывая особенности использования винтовой анкерной крепи в условиях КЛП, необходима разработка методов оперативного геомеханического контроля приконтурного массива на протяжении туристического маршрута.


Рис. 1. Винтовой анкер.

Контроль деформационных процессов возможен с применением геофизических методов и технических средств, из которых наиболее разработанным и включенным в нормативные документы [1] является геоакустический метод, имеющий более высокую «разрешающую способность» в сравнении с другими. С помощью геоакустического метода, в зависимости от применяемых технических средств, можно осуществлять как локальный, так и региональный контроль состояния массива горных пород. Он базируется на явлении акустической эмиссии АЭ, которая сопровождает процесс разрушения горных пород [7].
Первая серия замеров АЭ была проведена в 34 точках (пунктах), расположенных по пути следования экскурсионной тропы. Зонд устанавливался в имеющиеся расщелины массива. Проведенные измерения не выявили активных процессов разрушения пород, трещинообразования в приконтурной части массива пород КЛП. Во всех точках замеров было отмечено относительно стабильное состояние горного массива. Дальнейшие исследования проявлений АЭ проводились на специально подготовленных пунктах регистрации акустической эмиссии (ПР АЭ), представляющих собой шпуры глубиной 0,5м Ø40мм. ПР АЭ размещались в элементах массива, имеющих наиболее монолитную связь со сводом грота, для обеспечения задач мониторинга на участках значительных размеров.
По данным замеров акустической эмиссии (АЭ), проведённых на ПР АЭ, можно с уверенностью сказать о наличии проявлений дискретной АЭ в гротах Кунгурской Ледяной пещеры.
Одна из главных задач деформационного мониторинга – это наблюдение за развитием деформаций кровли и образованием зависаний (заколов) породного массива в районе туристического маршрута. Причина развития данного вида деформаций – естественный процесс разуплотнения породных пачек, который обусловлен в том числе 100% влажностью воздуха КЛП.
Для выполнения задач данного вида исследований были разработаны два вида конструкции пункта инструментального контроля деформационных процессов (ПИК ДП), обеспечивающие контроль нижних слоёв массива пород (рис. 2) с использованием электронного штангенциркуля с ценой деления 0,01 мм. Использование штангенциркуля позволяет повысить оперативность наблюдений за деформационными процессами приконтурной части пород.


Рис. 2. Оборудованные ПИК ДП (вариант №1 слева и вариант №2 справа) и их схематическое изображение, где 1 – анкер; 2 – шпур; 3 – штанга; 4 – контролируемый слой; 5 – пластина контроля положения наблюдаемого слоя (контролируемая пластина); 6 – контрольная пластина.

В результате экспериментальных наблюдений вариант №2 оказался более удобным для проведения оперативного контроля.


Рис. 3. Деформационная шкала DMC 20.

Большая протяжённость туристического маршрута не позволяет быстро создать сеть ПЗ АЭ и ПИК ДП, поэтому необходимо использование менее сложного в организации оперативного метода геомеханического мониторинга. Таким методом является наблюдение за деформациями приконтурного массива с использованием стеклянных маяков. Данный способ уже успешно внедрён и применяется горной службой КЛП. Среди достоинств метода следует отметить, что возможности установки стеклянного маяка позволяют контролировать деформации, развивающиеся в любых направлениях.
К недостаткам следует отнести то, что данный маяк позволяет зафиксировать лишь факт смещения, в результате развития деформации, а величина смещения остаётся неизвестной. Для повышения эффективности данного метода, рядом со стеклянным маяком целесообразно размещать деформационную шкалу, которая зафиксирует величину смещения в случае негативного развития деформационного процесса на участке установки. Экспериментальная установка деформационной шкалы DMC 20 (рис. 3, 4) произведена в переходе у грота «Дамские Слёзки», рядом со стеклянным маяком №24. Стеклянный маяк, установленный в паре с деформационной шкалой, является пунктом визуального контроля деформационных процессов (ПВК ДП).


Рис. 4. Оборудованный ПВК ДП.

Дальнейшее развитие сети ПЗ АЭ; ПИК ДП; ПВК ДП позволит выявлять зоны с активными деформационными процессами, и принимать своевременные меры по снижению рисков связанных с негативными последствиями деформационных процессов.

Литература
1. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам (РД 06-329-99). – М.: ГП НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехадзора России, 2000. – 66 с.
2. Куксенко В.С. Возможности акустической эмиссии в прогнозировании разрушения горных пород // Системы контроля горного давления. – М.: ИПКОН, 1989. – С. 5-22.
3. Связь между размерами образующихся под нагрузкой трещин и длительностью выделения упругой энергии / В.С. Куксенко, А.И. Ляшков, К.Н. Мирзоев и др. // ДАН СССР. – 1982. – Т. 264. – № 4.
4. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. – М.: Изд-во стандартов, 1976. – 276 с.
5. Куксенко В.С. Возможности акустической эмиссии в прогнозировании разрушения горных пород // Системы контроля горного давления. – М.: ИПКОН, 1989. – С. 5-22.
6. Регистрация и обработка сигналов электромагнитного излучения горных пород / М.В. Курленя, А.Г. Вострецов, Г.И. Кулаков, Г.Е. Яковицкая. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. – 232 с.
7. Рассказов И.Ю. Контроль и управление горным давлением на рудниках Дальневосточного региона / Науч. ред. д-р. техн. наук, проф. Ю.А. Мамаев. – М.: Издательство «Горная книга», 2008. – 329 с.: ил. (Горная книга – ДАЛЬНИЙ ВОСТОК).