Как отмечалось в предыдущих статьях, в горном массиве вокруг сооружаемых туннелей и других подземных выработок образуется зона нарушенных пород. Определение ее глубины имеет первостепенное значение для расчета величины нагрузки на крепь и ее параметров.

Фактическую глубину золы нарушенных пород вокруг выработок можно определять специальными методами исследования, в частности ультразвуковым методом. Этот метод основан на известном снижении скорости распространения продольных колебаний в зависимости от степени пористости и трещиноватости горных пород.

По мере удаления от поверхности выработки в глубь массива, где породы менее повреждены, следует ожидать увеличения скорости распространения продольных ультразвуковых колебаний. Но, начиная с определенной глубины, скорости остаются неизменными, хотя и могут отклоняться в известных пределах от средних значений ввиду естественной неоднородности физико-механических характеристик исследуемых пород.

Использование сквозного прозвучивания породы между шпурами вызывает известные трудности при измерениях ввиду фактической не параллельности расположения шпуров. При этом расстояние, на котором производится измерение времени распространения колебаний, может измениться от 8 до 10%, что вызывает ошибки при вычислении скорости, достигающие 20%.

Разработанное в институте Оргэнергострой угломерное приспособление позволяет с помощью транспортиров с точностью до 1° в двух плоскостях измерять углы отклонений шпуров от запроектированных направлений, что полностью исключает возможность ошибки при определении базы измерений.

При исследованиях применяли приборы УБ-1 и УКБ-1. Излучателями и приемниками ультразвуковых импульсов служили пьезо- преобразователи с батареей кристаллов сегнетовой соли размером 2x2x2 см, заключенные в металлические круглые корпуса. Как показал спектральный анализ, наибольший амплитудный вклад в исследуемом спектре применяемых преобразователей находится в диапазоне частот 50—60 кГц.

Прижимают ультразвуковые преобразователи к стенкам скважин с помощью двух пружин, заделанных в металлический корпус преобразователей. Излучатели и приемники крепили на штангах, состоящих из свинчиваемых элементов длиной по 0,5 м.

В туннелях на определенных участках пробуривали 3—4 шпура глубиной до 3 м и диаметром 42 мм, расположенные по углам квадрата пли треугольника. Расстояние между шпурами на стенке или в своде выработки составляло в известняках и песчаниках 80—100 см, а в алевролитах 50—70 см.

Прямолинейность шпуров проверяли при помощи специального осветительного устройства, помещаемого на дно шпура, с направлением света в сторону выработки. Стенки шпура, которые должны были касаться рабочих поверхностей преобразователей (излучателя и приемника) детально просматривали при помощи прибора РГ1-386 с шестикратным увеличением. При этом выявились все местные дефекты, которые могли служить причинами задержки распространения ультразвуковых колебаний (трещины, раковины) и фиксировалось их положение.

Чтобы исключить влияние анизотропии породы и получить средние значения скорости для каждого значения глубины, измерения времени распространения ультразвуковых колебаний производили по различным направлениям. В плоскостях, параллельных контуру выработки, это достигалось попарным прозвучиванием 3—4 шпуров, а в плоскостях каждой пары — 3—5 перемещениями излучателя при одном положении приемника.

Прозвучивание каждой пары начиналось от контура выработки и проводилось в глубь массива с интервалом через 10 см.

Вблизи устья шпуров на индикаторе обычно не удавалось зафиксировать вступление волн из-за сильной раздробленности пород. Однако по мере удаления преобразователей в глубь массива принятый сигнал почти всегда просматривался достаточно четко, и по нему на индикаторе прибора в масштабе изображенных меток времени определялось время распространения продольных волн в породе.

При работе с прибором УБ-1 результаты фотографировались, на приборе УКБ-1 отсчет снимался визуально.

При определении глубины hH зоны нарушенных пород вокруг подземной выработки учитывали, что скорость распространения ультразвуковых колебаний с уменьшением трещиноватости и с увеличением сжимающих напряжений возрастает. Поэтому область максимальных скоростей характеризует наружную границу нарушенной зоны, где располагаются наиболее сохранные породы и имеют место наибольшие сжимающие напряжения в стенках в результате их концентрации вокруг выработки.

Коэффициент вариации при определении скорости распространения продольных волн в области наружной границы нарушенной зоны изменялся от 5 до 14 %.

Из анализа приведенных кривых, получено, что коэффициент а меняется в пределах 0,68—0,76. Это значит, что трещиноватость породы в нарушенной зоне вокруг выработок увеличивается на 30—50% по сравнению с остальным массивом, а модуль упругости породы в пределах этой зоны в 2 раза ниже, чем в остальном массиве. Следует отметить, что примерно такие же результаты получены прессиометрическими измерениями, проведенными на многочисленных объектах сотрудниками НИИ оснований и подземных сооружений под руководством К. В. Руппенейта.

Выполненные работы позволили подтвердить существование на-рушенной зоны вокруг подземных выработок с использованием ульт-развукового метода для определения ее размеров. На основании этих исследований были уточнены параметры анкерной крепи в конкретных условиях, что способствовало ее широкому внедрению в гидротехнических туннелях большого сечения.

Облако