CC BY
98
УДК 622.283.4:624.042.13
С.В. Баловцев, Р.В. Шевчук
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ
ШАХТНЫХ СТВОЛОВ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Аннотация. Проходка шахтных стволов является наиболее трудозатратным и технически сложным процессом. При проектировании стволов в сложных горно-геологических условиях необходимо использовать современные и эффективные методы расчета с целью выбора конструкции крепи, обладающей необходимой несущей способностью. Приведена актуальность деформационных наблюдений за крепью вертикальных стволов, в основе которого лежат систематические инструментальные наблюдения за смещениями и конвергенцией точек крепи с целью определения фактического напряженно-деформированного состояния. Приведены методы измерения деформаций крепей стволов. Выбор методов измерений определяется как техническими возможностями, так и материальными затратами. Для оптимизации затрат на осуществление геомеханического мониторинга целесообразно комбинировать тахеометрическую съемку радиальных деформаций крепи стволов, струнные датчики деформации комплекса, лазерное сканирование и мониторинг деформаций крепи ствола с применением волоконно-оптических датчиков.
Ключевые слова: шахтный ствол, продолжительность строительства, выбор конструкции крепи, несущая способность, сложные горно-геологические условия, разрушение бетонной крепи, деформирование ярусов армирования, «зависание» подъемных сосудов, разрушение расстрелов, радиальные смещения крепи, напряженно-деформированное состояние, ресурс крепи, струнные датчики деформации, лазерное сканирование, волоконно-оптические датчики, автоматизация измерений, геомеханический мониторинг.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-8-0-77-83
Проходка шахтных стволов является наиболее трудозатратным и технически сложным процессом, занимающим до 50% времени от общей продолжительности строительства горного предприятия [1, 2].
При выборе крепи необходимо учитывать несущую способность, горно-геологические условия, характеризующиеся наличием многолетнемерзлых пород, соляных пластов, агрессивных и напорных подземных вод, трещиноватых и склонных к набуханию пород, значительной тектонической нарушенности массива горных пород, наличием особенностей процесса сдвижения горных пород
под влиянием горных работ и влиянием очистных работ [3—6].
Приведем примеры разрушения шахтных стволов по причинам несоответствия выбранной крепи и условиям ее эксплуатации. Несоответствие жесткой монолитной бетонной крепи ствола № 3 рудника БКПРУ-2 ПАО «Уралкалий» условиям ее эксплуатации в соляном массиве стало главной причиной появившихся процессов разрушения крепи. В результате начавшегося разрушения крепи произошло деформация ярусов армирования, что привело к «зависанию» подъемных сосудов. Далее началось разрушение расстрелов (рис. 1) [7].
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 8. С. 77-83. © С.В. Баловцев, Р.В. Шевчук. 2018.
Рис. 1. Разрушение армирования ствола № 3 рудника БКПРУ-2 (2007 г.) Fig. 1. Reinforcement damage in shaft 3 of Berezni-ki Mine-2 (2007)
Бетонная крепь ствола «Главный» Ка-лушского калийного рудника за 10 лет эксплуатации была разрушена полностью, при этом радиальные смещения крепи превысили 200 мм [8].
В 1984 г. произошло катастрофическое разрушение бетонной крепи кле-тьевого ствола шахты «Центральная» Донского горно-обогатительного комбината в интервале глубин 572—765 м. Ствол на высоту 193 м был засыпан породой [8].
Вышесказанное подтверждает актуальность деформационных наблюдений за крепью вертикальных стволов, к которым относятся систематические инструментальные наблюдения за смещениями и конвергенцией точек крепи с целью определения фактического напряженно-деформированного состояния и уточнения надежности и ресурса крепи ствола.
Для наблюдений за деформациями крепей стволов, в зависимости от наличия оборудования на конкретном горном предприятии, возможно измерение различными методами [9, 10]:
• профилирование шахтных стволов с использованием отвесов;
• струнные датчики деформации комплекса;
• лазерное сканирование [11—13];
• мониторинг деформаций крепи ствола с применением волоконно-оптических датчиков, чувствительными элементами которых являются волоконные брегговские решетки.
Приведенные методы позволяют осуществлять геомеханический мониторинг с частичной или полной автоматизацией измерений и обработкой данных. Выбор методов измерений определяется техническими возможностями, надежностью эксплуатации, долговечностью и материальными затратами [14, 15].
При профилировании шахтных стволов в шахту опускаются отвесы, которые располагаются на расстоянии 20—30 см от стенок ствола. После спуска происходит проверка отвесов, не касаются ли они стенок и оборудования, а также принимают меры для уменьшения колебания, для этого отвесы в нижней части ствола закрепляют ограничителями, на поверхности замеряют пространственное положение отвесов относительно оси ствола или производят их съемку. Глубину горизонтов определяют при помощи глубиномера или отвеса с прикрепленным к проволоке фиксатором через 5—10 м.
Измерения расстояний от отвесов до стенок ствола выполняется линейкой или специальной рейкой. Отсчеты по рейке берутся с точностью 0,5—1 см. По полученным данным производится камеральная обработка, определяются отклонения фактических расстояний от проектных, по этим данным составляют-
ся вертикальные профили стенок ствола (рис. 2).
Известная станция СИ, разработанная во ВНИМИ, и ее современная модификация способны решать проблему профилирования стволов. Результатами измерений являются графики отклонения проводников от вертикали, их износ и ширина колеи, однако информация о состоянии крепи, расстрелов, различных зазоров не выдается.
Применение струнных датчиков и классической съемки шахтных стволов с помощью отвесов обеспечивает только локальный контроль участков крепи. Ор -ганизовать наблюдения во взаимоувязке с измерениями деформаций земной поверхности невозможно, что является существенным недостатком при прогнозировании геомеханических процессов.
Элементами лазерного сканера являются лазерный дальномер и механическая система развертки направления визирования. Основной задачей метода является внешнее ориентирование результатов измерений, представляющее сложный процесс в условиях вертикального ствола [15].
Установка сканирующей системы и оборудования в клети — одна из основных задач при сканировании ствола.
Рис. 3. Модель закрепления сканера под днищем клети Fig. 3. Model of scanner attachment under cage bottom
Рис. 2. Схема профилей стенок ствола Fig. 2. Sketch of profiles of shaft walls
Для обеспечения высокой точности производимых измерений, для безопасного использования дорогостоящего сканера все узлы сканирующей системы должны быть надежно закреплены, обеспечивая возможность выполнения измерений. Сканер устанавливается через технологическое отверстие в днище клети (рис. 3) [15].
w
Рис. 4. Схема сканирования вертикального шахтного ствола: 1 — земная поверхность; 2 — горная выработка; 3 — ствол; 4 — клеть; 5 — лазерный сканер; 6 — электронный тахеометр; n1,...n5 — марки, находящиеся в надшахтном здании (на дневной поверхности); p1,...p8 — марки, находящиеся в стволе, закрепленные на расстрелах; S1, S2, S3 — номера сканпозиций; МТ1, МТ2 — пункты маркшейдерской опорной сети; m1, m2 — марки, сцентрированные или подвешенные под маркшейдерскими точками
Fig. 4. Scheme of vertical mine shaft scanning: 1—ground surface; 2—mine excavations; 3—shaft; 4—cage; 5—laser scanner; 6—electronic tachometer; n1,...n5—marks in the collar house (ground surface); p1,...p8— marks at the buntons in the shaft; S1, S2, S3—scanning positions; МТ1, MT2—survey control points; m1, m2— marks that are or suspended under survey control points
Лазерная съемка в стволе производится в следующем порядке [15]:
• выполняется проложение полиго-нометрического хода от подходных пунктов к устью ствола с использованием электронного тахеометра;
• производится установка отражателей (марок) в устье ствола и по вертикальной оси ствола на несущих расстрелах для сшивки скановых изображений;
• производится закрепление сканера под днищем клети;
• выполняется определение координат марок на поверхности полярным
способом с использованием электронного тахеометра;
• производится сканирование вертикального шахтного ствола в соответствие со схемой, представленной на рис. 4.
Применение волоконно-оптических датчиков как современный метод мониторинга за деформациями крепи имеет преимущество по сравнению с остальными методами.
Чувствительными элементами точечных волоконно-оптических датчиков являются волоконные брегговские решетки. Такие решетки записаны в оптическом
волокне при помощи ультрафиолетового лазера, представляют собой участок световода с периодическим изменением показателя преломления вдоль оси волоконных брегговских решеток каждого датчика, отражает свет определенной длины волны с шириной спектра ~0,2 нм.
При механическом и температурном воздействии волоконные брегговские решетки позволяют определять относительную деформацию (смещения) и изменение температуры. Диапазон измерения волоконно-оптических датчиков может достигать ±3000 отн. ед.
У современных анализаторов сигнала разрешение датчиков по температуре и деформации составляет соответственно 0,1 °С и 0,00001 отн. ед.
Преимуществами волоконно-оптических датчиков по сравнению с электрическими аналогами являются:
• абсолютная невосприимчивость к электромагнитным полям и помехам, устойчивость к радиации;
• устойчивость к сложным климатическим условиям и агрессивным химическим средам;
• отсутствие необходимости электропитания, заземления и гальванической развязки;
• пожаро- и взрывобезопасность;
• удаление датчика на большое расстояние (>10 км) от станции приема сигналов;
• малое время отклика датчика, малая тепловая инерционность;
• возможность последовательного соединения множества датчиков в одну цепочку;
• более высокое разрешение и меньшая погрешность по сравнению с классическими решениями;
• компактность и срок службы 20 лет, а также первичная поверка распространяется на весь срок службы.
По одной оптоволоконной линии можно разместить более 20 датчиков с передачей сигналов до 10 км, кроме того можно обеспечить автоматизированный контроль наклонов копра в единой системе измерений деформаций стволов.
Мониторинг деформаций крепи шахтных стволов с использованием волоконно-оптических датчиков позволяет следить за техническим состоянием объекта в режиме реального времени при минимальном участии человека.
Однако при выборе системы контроля шахтных стволов для оптимизации затрат на ее реализацию целесообразно комбинировать тахеометрическую съемку радиальных деформаций крепи стволов, струнные датчики деформации комплекса, лазерное сканирование и мониторинг деформаций крепи ствола с применением волоконно-оптических датчиков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Картозия Б. А., Федунец Б. И., Шуплик М. Н. и др. Шахтное и подземное строительство. Учебник для вузов: Т. I. - М.: ИАГН, 2001. - 607 с.
2. Картозия Б. А., Федунец Б. И., Шуплик М. Н. и др. Шахтное и подземное строительство. Учебник для вузов: Т. II. - М.: ИАГН, 2001. - 582 с.
3. Баклашов И.В., Борисов В.Н. Проектирование и строительство горнотехнических зданий и сооружений. — М.: Недра, 1991.
4. Картозия Б.А., Борисов В. Н. Инженерные задачи механики подземных сооружений. — М.: Недра, 2001. - 246 с.
5. Картозия Б.А. Строительная геотехология. - М.: МГГУ, 1998.
6. Frenzel C., Delabbio F., Burger W. Shaft boring systems for mechanical excavation of deep shafts - Australian Centre for Geomechanics, 2010. - C. 289-295.
7. Тарасов В. В., Иванов О. В. Реконструкция бетонной крепи шахтного ствола № 3 рудника БКПрУ-2 ПАО «Уралкалий» в условиях непрерывно действующего производства // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 9. — С. 303—315.
8. Казикаев Д. М., Сергеев С. В. Диагностика и мониторинг напряженного состояния крепи вертикальных стволов. — М.: Изд-во «Горная книга», 20ll. — 244 с.
9. Волохов Е. М., Новоженин С. Ю., Нгуен С. Б. Современные системы контроля сдвижений и деформаций при строительстве подземных сооружений // Записки Горного института. — 2012. — Т. 199. — С. 253—259.
10. Geomechanical evaluation and analysis of research shafts and galleries in MIU Project ResearchGate, 01/2003.
11. Токин А.А., Токин А.А. Мониторинг деформаций подземных горных выработок с помощью лазерных сканирующих систем // Интерэкспо Гео-Сибирь. — 2013. — Т. 1. — № 3. — С. 120—123.
12. Горохова Е.И. Геомониторинг инженерных сооружений и прогнозирование их деформаций по данным лазерного сканирования // Вестник СГУГиТ (Сибирского государственного университета геосистем и технологий). — 2016. — № 2 (34). — С. 65—72.
13. Люфт С. К., Бесимбаева О. Г., Бесимбаев Н. Г., Капасова А.З. Использование метода лазерного сканирования для выполнения маркшейдерских работ в шахтном стволе // Интерэкспо Гео — Сибирь. — 2015. — С. 204—209.
14. Гроссе К.У. Неразрушающий контроль и технология мониторинга технического состояния конструкций при контроле качества и надзоре за объектами строительства // ALITinform: Цемент. Бетон. Сухие смеси. — 2012. — № 6. — С. 62—77.
15. Luis Ribeiro e Sousa, Roberto Azevedo M. M. Fernandes. Euripedes Vargas Jr. Innovative Numerical Modelling in Geomechanics CRS Press, 2012. — С. 474. ü^re
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Баловцев Сергей Владимирович1 — кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected], Шевчук Роман Васильевич1 — студент, e-mail: [email protected], 1 МГИ НИТУ «МИСиС».
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 8, pp. 77-83. Geomechanical monitoring of mine shafts in difficult ground conditions
BalovtsevS.V1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: [email protected], Shevchuk R.V1, Student, e-mail: [email protected], 1 Mining Institute,
National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.
Abstract. Mine shafting is one of the most labor-consuming and technologically complex processes. Mine shaft planning in difficult ground conditions should use modern efficient computational methods for selecting support design of the required load-bearing capacity. The article emphasizes currentness of deformation monitoring in vertical shaft support based on systematic instrumental observations over displacement and convergence of the support points with a view to determining actual stress state of the support. The methods to measure deformation of shaft support are described. The choice of the measurement methods is governed by the technical capabilities and material costs. It is expedient to optimize the geomechanical monitoring expenses by combining tacheometric survey of radial deformation of shaft support, vibrating-wire transducers, laser scanning and fiber-optic sensors.
Key words: mine shaft, construction period, support design, load-bearing capacity, difficult ground conditions, concrete lining damage, deformation of reinforcement stages, hoist hovering, damage of
buntons, radial displacements in support, deformation monitoring of vertical shaft support, stress state, support life, tacheometric survey of radial deformation, vibrating -wire strain sensors, laser scanning, fiber-optic sensors, measurement automation, data processing, geomechanical behavior prediction, technical state of object, geomechanical monitoring.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-8-0-77-83
REFERENCES
1. Kartoziya B. A., Fedunets B. I., Shuplik M. N. Shakhtnoe i podzemnoe stroitel'stvo. Uchebnik dlya vuzov: T. I [Underground mine construction. Textbook for high schools: vol. I], Moscow, IAGN, 2001, 607 p.
2. Kartoziya B. A., Fedunets B. I., Shuplik M. N. Shakhtnoe i podzemnoe stroitel'stvo. Uchebnik dlya vuzov: T. II [Underground mine construction. Textbook for high schools: vol. II], Moscow, IAGN, 2001, 582 p.
3. Baklashov I. V., Borisov V. N. Proektirovanie i stroitel'stvo gornotekhnicheskikh zdaniy i sooruzheniy [Design and construction of buildings and structures in mining], Moscow, Nedra, 1991.
4. Kartoziya B. A., Borisov V. N. Inzhenernye zadachi mekhaniki podzemnykh sooruzheniy [Engineering problems of mechanics of underground structures], Moscow, Nedra, 2001, 246 p.
5. Kartoziya B. A. Stroitel'naya geotekhologiya [Construction geotechnology], Moscow, MGGU, 1998.
6. Frenzel C., Delabbio F., Burger W. Shaft boring systems for mechanical excavation of deep shafts Australian Centre for Geomechanics, 2010, pp. 289—295.
7. Tarasov V. V., Ivanov O. V. Rekonstruktsiya betonnoy krepi shakhtnogo stvola № 3 rudnika BKPRU-2 PAO «Uralkaliy» v usloviyakh nepreryvno deystvuyushchego proizvodstva [Reconstruction of concrete lining in mine shaft 3 in Berezniki Mine-2 of Uralkali under conditions of uninterrupted production]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 9, pp. 303—315. [In Russ].
8. Kazikaev D. M., Sergeev S. V. Diagnostika i monitoring napryazhennogo sostoyaniya krepi vertikal'nykh stvolov [Diagnostic analysis and stress state monitoring in lining of vertical shafts], Moscow, Izd-vo «Gornaya kniga», 2011, 244 p.
9. Volokhov E. M., Novozhenin S. YU., Nguen S. B. Sovremennye sistemy kontrolya sdvizheniy i defor-matsiy pri stroitel'stve podzemnykh sooruzheniy [Modern systems of displacement and deformation control in underground construction]. Zapiski Gornogo instituta. 2012, vol. 199, pp. 253—259. [In Russ].
10. Geomechanical evaluation and analysis of research shafts and galleries in MIU Project Research-Gate, 01/2003.
11. Tokin A. A., Tokin A. A. Monitoring deformatsiy podzemnykh gornykh vyrabotok s pomoshch'yu laz-ernykh skaniruyushchikh sistem [Deformation monitoring in underground excavations using laser scanning systems]. Interekspo Geo-Sibir'. 2013, vol. 1, no 3, pp. 120—123. [In Russ].
12. Gorokhova E. I. Geomonitoring inzhenernykh sooruzheniy i prognozirovanie ikh deformatsiy po dannym lazernogo skanirovaniya [Geomonitoring of engineering structures and deformation prediction by laser scanning data]. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo universiteta geosistem i tekhnologiy. 2016, no 2 (34), pp. 65—72. [In Russ].
13. Lyuft S. K., Besimbaeva O. G., Besimbaev N. G., Kapasova A. Z. Ispol'zovanie metoda lazernogo skanirovaniya dlya vypolneniya marksheyderskikh rabot v shakhtnom stvole [Laser scanning in mine shaft logging surveys]. Interekspo Geo Sibir'. 2015, pp. 204—209. [In Russ].
14. Grosse K. U. Nerazrushayushchiy kontrol' i tekhnologiya monitoringa tekhnicheskogo sostoyaniya konstruktsiy pri kontrole kachestva i nadzore za ob"ektami stroitel'stva [Nondestructive control and technical state monitoring of structures under quality management and supervision in construction projects]. ALITinform: Tsement. Beton. Sukhie smesi. 2012, no 6, pp. 62—77.
15. Luis Ribeiro e Sousa, Roberto Azevedo M. M. Fernandes. Euripedes Vargas Jr. Innovative Numerical Modelling in Geomechanics CRS Press, 2012, pp. 474.
A
