Приложение 3. Приборы и приспособления для наблюдений за сдвижением поверхности и горных пород

Приложение 3

Приборы и приспособления для наблюдений за сдвижением поверхности и горных пород

Отвесы

Для выноса скрытых центров реперов используют жесткие отвесы ОЖ-3 и ОЖ-4 (разработка ВНИМИ).

В жестком отвесе ОЖ-3 (рис. 11, а) на круглом основании 8 закреплены три проушины 9, в которых барашковыми гайками 1 крепят ножки 11. Стержень 10 с круглым уровнем 6 свободно вставлен в шаровой шарнир 4, размещенный в корпусе шарнира 5, который жестко соединен с крышкой 2. Корпус шарнира вставлен в отверстие основания и может перемещаться в пределах этого отверстия. Закрепляют стержень в нужном положении зажимом 3. Для предохранения стержня от выпадания, а уровня от ударов на стержне имеются два резиновых кольца 7, 12.

При установке отвеса на точке замера совмещают нижнее острие стержня с центром репера, предварительно ослабив барашковые гайки ножек и зажим, а затем приводят основание (как обычный штатив) в примерно горизонтальное положение и закрепляют ножки. Перемещением крышки в горизонтальной плоскости выводят уровень на середину и закрепляют положение стержня зажимом. При вращении стержня вокруг своей оси пузырек уровня не должен уходить за пределы второго кольца ампулы. Замеряют длины интервалов между реперами по верхнему острию стрежня при двух (с поворотом на 180°) положениях уровня.

Отвес ОЖ-4 (см. рис. 11 б) целесообразнее использовать на пересеченной местности. Отвес состоит из стержня 1 с уровнем 3 на верхнем конце, радиус ампулы которого равен длине стержня. Стержень свободно перемещается в муфте 4, к которой крепят три сочлененные ножки 2. Фиксация положения ножек обеспечивается плоскими пружинами в шарнирных соединениях.

При установке отвеса в точке замера острие стержня совмещают с центром репера. Изменяя положение ножек в шарнирах, стержень отвеса приводят в вертикальное положение, при этом пузырек уровня не должен касаться стенок ампулы. Замеряют длины сначала по одному из краев пузырька (1-2 отсчета), затем по другому. При замере длин по реперам, закрепленным в кровле горных выработок, используют:

1. Жесткий отвес (разработка ВНИМИ), приведенный на рис. 11, в, состоящий из двух телескопических труб. На наружной трубе 5 отвеса жестко закреплен подвес 4 с коническим упором 3. В нижней части трубы имеются продольный разрез с хомутом и зажимным винтом 6 и отсчетное окно 2 с нониусом на одном из срезов окна. Внутренняя труба 1 имеет разметку с ценой деления 1 мм и конус 7.

2. Нитяной отвес (см. рис. 11, г), состоящий из кольцевого подвеса 3 с коническим упором 2, соединенного с помощью нити 4 с корпусом отвеса 1 любого типа.

При замере длин отвесы коническим упором подвешивают на головку 2 репера (см. рис. 11, д), имеющую паз 1 и втулку 4 из нержавеющей стали с центром 3. Длину отвесов устанавливают на весь период одного наблюдения. Замер длин целесообразно проводить с использованием трех отвесов. Поправки за длину отвеса уводятся в измеренное расстояние только при переходе на другой способ измерения длин.

Натяжные устройства

При замере длин интервалов между реперами на профильных линиях поверхности используют натяжное устройство (разработка ВНИМИ), приведенное на рис. 12, а. На корпусе 2 с рукояткой закреплен крючок 1 для крепления динамометра. Телескопический упор 3 выдвигают на необходимую высоту положения рулетки и закрепляют зажимным винтом 4.

При замере длин интервалов между реперами в шахте используют аналогичное натяжное устройство с укороченными рукояткой и упором.

При замере длин интервалов реперов, закрепленных в кровле выработок, целесообразно (особенно в наклонных выработках) использовать натяжное устройство, приведенное на рис. 12, б. В обойме 1, закрепленной на теодолитном штативе становым винтом, устанавливают на оси блок 2 с впрессованным шарикоподшипником. С помощью раздвижной штанги 3, шарнирно соединенной с обоймой, устройство надежно раскрепляют в выработке. На втором штативе вместо блока закреплен станок рулетки. После распора штативов разматывают необходимую длину рулетки, станок закрепляют, а к свободному концу рулетки через отрезок проволоки подвешивают груз массой 10 кг и снимают отсчеты по центрам отвесов. При использовании данного устройства достаточно двух наблюдателей.

Замер температуры воздуха

Температура воздуха измеряется при помощи пращ-термометра любого типа.

При длительном воздействии на полотно рулетки прямых солнечных лучей, особенно в весенне-осенний период, целесообразно пользоваться устройствами, позволяющими выполнять непосредственное измерение температуры полотна рулетки.

Измерение длин

Измеряют длины интервалов между реперами на всех профильных линиях компарированными рулетками РВ-30 или РК-50. На каждом руднике при проведении наблюдений желательно использовать одну и ту же рулетку. В этом случае при замере длин одних и тех же интервалов поправку за провес рулетки не вводят. В случае замены рулетки следует учитывать разность поправок за провес для старой и новой рулеток на данном интервале, если ее значение превышает 1 мм. При замере длин между реперами без вспомогательного репера на промежуточной точке и выполнении других маркшей-дерско-геодезических работ поправку за провес рулетки вводят и определяют по формуле , где Q - масса 1 погонного метра полотна рулетки; l - измеренная длина; Р - сила натяжения рулетки. При замерах длин на наземных станциях целесообразно использовать проволочные рулетки из комплекта базисного прибора или специально изготовленные из рояльной проволоки диаметром 0,8 мм с разметкой через 1 м и приклепанным отрезком 1,5-2,0 м полотна рулетки. При выдержанных в пределах 1,0-2,0 м интервалах между реперами на всех профильных линиях отрезки рулетки крепят с двух сторон без разметки проволоки. Начальную серию замера длин в этом случае выполняют с помощью рулетки РК-50 (РВ-30) и проволочной рулетки.

Для замера относительных смещений по "парам точек" или на станциях глубинных реперов используют рулетку разработки ВНИМИ (рис. 13). Полотно 2 рулетки с крючком 1 на свободном конце намотано на размещенный в корпусе 9 барабан. Сматывают рулетку с помощью рукоятки 8, которую фиксируют в нужном положении подпружиненным стопором 7 рукоятки в отверстиях (пазах) 6 корпуса. Ось барабана рулетки имеет пружину, которая при зафиксированном положении рукоятки позволяет обеспечить натяжение свободного конца рулетки с усилием 100 Н. При замерах рулетка зацепляется крючком за петлю репера (регистрирующего устройства) и натягивается до упора конуса 5 в торец второго репера. Положение полотна при замере фиксируют рычагом 4, а отсчет снимают по нониусу, нанесенному на срезе окна 3 с точностью 0,1 мм. Замер длины интервала в каждой серии наблюдений проводят не менее трех раз.

Нивелирные рейки

Для нивелирования по реперам, закрепленным в кровле, к пятке обычной нивелирной рейки (рис. 14, а) сквозным болтом крепят обойму 3 с кольцевым подвесом, состоящим из штока 1, жестко скрепленного с обоймой и свободно вращающегося на штоке кольца 2 с коническим упором 4. Обойма делается поворотной на случай использования рейки при переходе на нивелирование по реперам в почве без ее снятия.

Для нивелирования по стенным реперам применяют подвесные рейки (см. рис. 14, б, в, г). Рейка (см. рис. 14, б) 3 с лавсановым полотном длиной 1,0 м (разработка ВНИМИ) имеет штриховую (1 мм) или шашечную (через 5 или 10 мм) разметку. Свободный конец полотна закреплен в обойме 2 с кольцевым подвесом 1. Полотно размещено на подпружиненном барабане в кожухе 5, который одновременно служит грузом-отвесом. Свертывание и роспуск полотна рейки осуществляют с помощью стопора 4 пружины барабана.

В рейке, изображенной на рис. 14, в, вместо лавсанового полотна используют металлическое (желательно нержавеющее) полотно 1 рулетки длиной 1,0-2,5 м, размещенное в барабане 3. Грузом-отвесом служат две металлические пластины 2 с резиновыми прокладками, закрепляемые на полотне с помощью зажимов. В качестве подвесной рейки можно использовать металлическую метровую линейку 1 с кольцевым подвесом 2 и съемным грузом 3 (см. рис. 14, г).

Устройство для измерения высоты инструмента

Высоту инструмента над точкой стояния (расстояние от верха репера до горизонтальной оси вращения инструмента) измеряют специальным жестким отвесом, входящим в комплект теодолита, или, при его отсутствии, с помощью рулетки и уровня на подставке (рис. 15), изготовляемой из металлической пластины толщиной 3-5 мм, длиной 200-250 мм и шириной 50 мм. К середине подставки крепят уровень, а на одном конце делают прорезь с зажимным винтом. Высоту инструмента измеряют в следующей последовательности:

трубу теодолита приводят к горизонту;

нулевое деление рулетки с помощью зажимного винта фиксируют на уровне низа подставки;

один из наблюдателей ставит подставку на верх репера (если репер заглублен, то на верх жесткого отвеса); при этом расстояние от оси репера до рулетки l должно быть равно длине окулярного колена теодолита с точностью мм;

второй наблюдатель, удерживая рукой полотно рулетки у окуляра, по команде первого наблюдателя поднимает или опускает конец уровня до момента выведения пузырька на середину и берет через объектив отсчет по полотну рулетки; измерения проводят трижды.

Ординатометры

Для непосредственного замера ординат реперов используют ординатометры, приведенные на рис. 16.

Ординатометр (см. рис. 16, а) применяют для грунтовых реперов наземных и подземных профильных линий в комплекте с жесткими отвесами ОЖ-3, ОЖ-4. Ординатометр состоит из линейки 1, жестко скрепленной с насадкой 4, фиксируемой зажимным винтом 5 на стержне отвеса. По направляющим планкам линейки свободно перемещается марка-сигнал 2 с визиром 3 и индексом 6.

Ординатометр, изображенный на рис. 16, б, предназначен для замера ординат стенных реперов и состоит из насадки 1, закрепляемой на репере зажимным винтом 2, мерной линейки 9 с уровнем 4 и шаровой пятой 11, фиксируемой в насадке гайкой 3, марки-сигнала 6 с индексом 10 и визиром 5, свободно перемещающимся по направляющим 7 линейки. При длине линейки более 0,5 м к свободному концу линейки крепят телескопический упор 8.

Методика измерения ординат и определения векторов сдвижения реперов

Необходимость измерения ординат или определения векторов сдвижения для каждого конкретного случая устанавливают при составлении проекта наблюдений. При замере ординат возможны следующие случаи:

наличие прямой видимости между опорными реперами, расположенными на противоположных концах профильной линии;

отсутствие прямой видимости между опорными реперами.

В первом случае при использовании ординатометров и полярного способа на одном из опорных реперов устанавливают теодолит и визируют на опорный репер противоположного конца профильной линии. Ординатометр последовательно устанавливают на рабочих реперах, если реперы, заложены в кровле выработки - под центром отвеса, а линейку ординатометра - горизонтально и перпендикулярно направлению на теодолит. Марка-сигнал перемещается по линейке до совпадения центра с линией визирования теодолита, по индексу берут отсчет. Ордината репера соответствует разности отсчета и "места нуля" линейки. Для ординатометра (см. рис. 16, а) при невозможности его центрирования над репером или при большой величине ординаты репера определение ординат выполняют без центрирования ординатометра на репере. В этом случае ординатометр устанавливают с учетом возможности снятия двух отсчетов - по линии визирования теодолита и над центром репера. Ордината репера при этом равна разности отсчетов.

При полярном способе от направления на второй опорный пункт замеряют угол и расстояние от места нахождения теодолита до репера. Ординату репера рассчитывают по формуле:

.

Во втором случае за направление визирования теодолита на отдельных участках профильной линии принимают направление, близкое к створу реперов. Точки визирования закрепляют вешками, а их начальное положение фиксируют углом и расстоянием. На опорном репере измеряют угол от исходного репера или достаточно удаленной точки вне зоны сдвижения, а на точках перехода - углы между линиями визирования. Положение линий визирования восстанавливают при каждом повторном наблюдении по начальным углам и длинам. Замер ординат реперов проводят от выбранных линий визирования аналогично первому случаю.

Сдвижение реперов в направлении, перпендикулярном линии визирования (ордината сдвижения), во всех случаях определяют как разность ординат реперов из повторных и начальных наблюдений. Определение векторов сдвижения реперов в плане выполняют в случае значительной изломанности профильной линии (в основном на подземных наблюдательных станциях) полярным способом или прокладкой теодолитного хода.

В обоих случаях определяют координаты нескольких рабочих реперов, расположенных в характерных по отношению к очистному пространству местах. По разности координат из начальной и повторных серий наблюдений определяют линейное значение и дирекционный угол векторов сдвижения в плане. Значение полного вектора сдвижения рассчитывают по вычисленным величинам оседания и ординаты или вектора сдвижения. При необходимости оно может быть пересчитано на одну из вертикальных плоскостей. Замер ординат реперов и определение векторов сдвижения в плане проводят дважды в прямом и обратном направлениях. Расхождение значений ординат или векторов сдвижения в плане из двойного определения не должно превышать мм.

"Маяки" и марки

В дополнение к визуальным наблюдениям на участках деформации наземных и подземных объектов наблюдения и охраны устанавливаются "маяки" различного типа, позволяющие измерять относительное смещение точек объекта, величину раскрытия трещин, выявлять новые трещины и т.д. "Маяком" может служить полоса свежей штукатурки или бетона необходимой длины на стенах здания или боках горных выработок шириной 20-30 см. Например, при наблюдениях в районе тектонической трещины длина полосы должна быть на 3-5 м больше зоны ее влияния. Замер относительного смещения краев трещины проводят с помощью "маяка", приведенного на рис. 17. Пластину 4 с плоской пружиной 3 крепят со стороны меньшего ожидаемого смещения пород. Палетку 1 крепят по другую сторону трещины. Смещение определяют по "следу" пера 2.

При подработке объектов в качестве "маяка" могут быть использованы: "Прибор для сигнализации о деформациях горного массива при проходке выработок" (а.с. N 299730, СССР, опубл. 26.03.71) при регулировке сигнала на разную величину смещения кровли и групповом расположении приборов, "Сигнализатор опасных деформаций" (разработка ВНИМИ), который предназначен для непрерывного контроля относительного смещения отдельных частей зданий и сооружений, а также другие приборы, позволяющие определять величины и характер относительных сдвижений и деформаций.

Марками при проведении наблюдений (визуальных и инструментальных) могут служить крестообразные полосы, нанесенные краской или цветными мелками, насечки на крепи и породах, шляпки гвоздей и другие фиксированные точки на объекте наблюдения, позволяющие замерять относительные смещения или наводить прибор. Для замера относительного смещения точек марки закладывают "парами точек". Марки, используемые при геодезических работах, применяют также при проведении дистанционных наблюдений тахеометрическим или фотограмметрическим методами за сдвижением поверхности и деформацией подрабатываемых объектов. Марки закрепляют на разных уровнях сооружения или на нескольких реперах поверхности.

При изучении нарушенности пород и их деформации по скважинам (изучение трещиноватости, тектонической нарушенности, определение зон трещин и обрушений) применяют оптический или фотометрический метод с использованием оптических перископов РВП-454 и РВП-457, которые позволяют просматривать или фотографировать скважины на глубине до 7,5-8,0 м. При фотографировании к окуляру перископа через переходник подсоединяют фотоаппарат "Зенит". Для выявления зоны трещин стенки скважины после исходной серии наблюдений следует торкретировать - промазать цементным раствором. При значительных глубинах скважин для этих же целей используют различного типа трещиномеры и зонды [1]. Качественную оценку изменения нарушенности массива проводят с помощью геофизических методов (ультразвук, гамма - гамма - карротаж и др.) [19].

Измерение смещений пород по скважине, пересекающей тектоническое нарушение или трещину разрыва (срез скважины), проводят с помощью клиновой насадки.