Инструментальный контроль сдвижений закладки при ее подработке Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

- © В.Д. Барышников,

Д.В. Барышников, 2013

УДК 622.28.017 + 531.746

В.Д. Барышников, Д.В. Барышников

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ СДВИЖЕНИЙ ЗАКЛАДКИ ПРИ ЕЕ ПОДРАБОТКЕ

В докладе рассмотрены вопросы организации и проведение наблюдений за вертикальными сдвижениями закладочного массива при его подработке. Приведены результаты апробации метода скважинной инклинометрии для контроля осадок закладки при выемке запасов слоевой нисходящей системы разработки.

Ключевые слова: закладка выработанного пространства, очистные выработки, профиль скважины, малогабаритный скважинный зонд.

Применение систем разработки с закладкой выработанного пространства — наиболее перспективный способ рационального использования недр, обеспечивающий повышение безопасности горных работ с минимальными потерями и разубоживанием руды [1]. Одним из вариантов разработки высокоценных и слабоустойчивых руд является слоевая система с твердеющей закладкой и нисходящий порядок выемки. В отличие от восходящей выемки слоев, обеспечивающей монолитность формируемого искусственного массива, последовательное создание слоев закладки сверху вниз сопровождается накоплением пустот на границах смежных слоев вследствие технологического недозаклада и усадки закладки. По мере отработки запасов создается искусственный массив блочной структуры, объем пустот в котором постепенно накапливается. Данное обстоятельство может привести со временем к активизации процесса сдвижения подрабатываемой толщи и, как следствие, негативно отразиться на безопасности горных работ. От успешности решения вопросов контроля состояния подрабатываемого закладочного массива во многом зависит безопасность дальнейшей отработки месторождения. В практике горного дела наблюдались явления внезапного обрушения в очистные выработки закладки из вышележащих слоев [2].

Прогнозировать расчетными методами поведение блочных сред с неопределенными границами на контактах слоев (из-за технологических недозакладов) и в условиях значительных изменений механических свойств закладки от времени ее формирования практически невозможно. Поэтому инструментальные наблюдения являются единственным надежным способом определения вертикальных смешений.

Наиболее простым и эффективным методом контроля вертикальных сдвижений закладочного массива является метод инклинометрии, основанный на измерении углов наклона обсаженной полиэтиленовой трубой субгоризонтальной скважины, пробуренной в контролируемом слое закладки. Результатом инк-линометрических измерений является массив данных по углам наклона трубы на различных глубинах от устья скважины, по которым рассчитываются вертикальные отметки ее профиля. Для определения профиля скважины в натурных условиях к датчикам предъявляются следующие требования: высокая точность измерений углов наклона скважины с применением малогабаритных датчиков, а также магнито- и виброустойчивость.

Для контроля вертикальных сдвижений закладочного массива в ИГД СО РАН разработан инклинометрический комплекс, включаюший малогабаритный скважинный зонд, устройство преобразования и передачи данных на ПК и комплект досылочных штанг [3].

Конструкция зонда диаметром 60 мм и базой измерения 130 мм выполнена на основе двух перпендикулярно расположенных инклинометров жидкостного типа ДК-1А, имеюших диапазон измерения ±30° и погрешностью 0.06°. Первый датчик, установленный в плоскости продольной оси зонда, является основным элементом для измерений углов наклона обсадной трубы в вертикальной плоскости. Второй датчик располагается ортогонально первому и используется для ориентации зонда в вертикальной плоскости.

Для измерений зонд устанавливается в обсадную трубу и продвигается по длине скважины с помошью досылочных штанг. Через одинаковые интервалы программно снимаются и записываются в файл значения вертикальных углов при движении зонда в направлениях «прямо» (от устья к забою скважины) и «обратно».

Программное обеспечение комплекса позволяет:

• вводить исходные данные и характеристики эксперимента;

• наблюдать за изменением углов наклона численно и на графике;

• визуально контролировать изменения профиля обсадной трубы, «появляющегося» в процессе продвижения зонда;

• производить экспресс-анализ и сравнение с ранее полученными данными по данной скважине и архивировать результаты замера.

На рис. 1. приведена экранная форма программы для контроля и управления экспериментом.

Результатом инклинометрических измерений является массив данных по углам наклона трубы Vi(x) на глубинах XI от устья измерительной скважины. Расчет вертикальных отметок профиля скважины Ы от устья хй по дискретным данным углов наклона обсадной трубы Vi(x) определяется формуле:

X-

= | у( х) ¿х.

х0

Рис. 1. Экранная форма для оперативного наблюдения н управления ходом эксперимента

Величина прогиба (осадки) подрабатываемого слоя рассчитывается по разности отметок текушего профиля относительно его исходного состояния.

Перед использованием комплекса в натурных условиях была проведена серия лабораторных испытаний. Для этого выполнено сравнение результатов изменений профиля трубы длиной 5 м, рассчитанных по данным замера зондом и нивелирования при двух положениях трубы. Расстояние между точками замера составило 20 см. Отклонение измерений профиля трубы, восстановленного с помошью инклинометрии и нивелирования, составило 1 мм на метр ее длины.

Натурная апробация разработанных программно-технических средств выполнена на руднике «Интернациональный» АК «Алроса» (Саха-Якутия).

Важным показателем надежности определения измерений является повторяемость результатов. С этой целью в подземных условиях было проведено два цикла измерений в направлениях «прямо — обратно» в скважине длиной 40 м (рис. 2, а). Обшее среднеквадратическое отклонение по 2 циклам получилось 5,5 мин. (0,09 град.). На рис. 2, б отображены профили этой скважины, рассчитанные по полученным угловым данным для каждого цикла.

Среднеквадратическая ошибка определения вертикальной отметки трубы в конце скважины составила около 50 мм, что соответствует 1,25 мм/м.

Подземная разработка запасов блока 5 ниже границы безопасного ведения очистных работ под метегероичерским водоносным комплексом (МИВК) осушествляется с применением слоевой нисходяшей системы разработки с твердеюшей закладкой (рис. 3а). Блок 5 делится на три подэтажа высотой по 30 м каждый, последовательная отработка которых производится в направлении «снизу-вверх». Для контроля состояния предохранительного целика до начала осушения МИВК разработан проект гидрогео-механического мониторинга. Составной частью проекта являются наблюдения за развитием процесса сдвижений подрабатываемого закладочного массива, служашего основанием (упором) предохранительного целика и во многом определяюшего его механическое состояние.

а

б

Рис. 2. Значение углов наклона скважины (а) н ее профили по данным ннклинометрнческих измерений (б)

Для проведения инклинометрических наблюдений за сдвижением закладочного массива при его подработке в верхней части блока 5 оборудована контрольная скважина, пробуренная по оси трубки на глубину 90 м с заходом во вмешаюшие породы на глубину 5 м (рис. 3, б). Необходимо отметить, что на начало проведения замеров погашена нижняя часть блока 5 (слои 14—1), а в верхнем подэтаже отработаны и заложены слои 20—17. Результаты наблюдений за осадкой закладки показали следуюшее (рис. 4):

.... ■¿ф ЯШ

-[Э.о. -200 ы

I

ТА У «

щт %

......а.0.-390г,1

Sn.SK - * 'г . гмб* 380 и

рЕ тт Е Е ь. "к 1£ "а "ть "а—Е—бг—Е.;

! л, Ь. Ь К V к к| к Ъ I Н

Ь к и к. ь *■ '(к к, ь. 41 * ь.

и

и fc.li 1!. Ь 1ь ь I к к , •

Ь Ь Ь к Ь I 1 1( к к к 1 '

Ь I к ь 4. с к к .1 к к к 1

□

.м-

I ■

I | *

Ьнг

«О

Блок 5 сл*и

Слои 18

Рис. 3. Вертикальный разрез трубки «Интернациональная» (а) и схема расположения контрольной скважины (б)

Рис. 4. Вертикальные смешения слоя 20 блока 5 (начальный отсчет: 17.02.2007 г.) по глубине скважины

б

• на начальном этапе прогиб контролируемой скважины, вызванный частичной отработкой нижележащего слоя 16, носит симметричный характер, а максимальная осадка (около 70 мм) наблюдается в центре рудного тела (отчет 22.04.07 г.);

• эпюра вертикальных сдвижений при замере 03.08.07 г. приобретает ассиметричную форму с максимальной осадкой

(260 мм) в призабойной части скважины; за счет смятия обсадной трубы установка зонда на участке вмешаюших пород оказалась невозможной, что свидетельствует о проскальзывании закладочного массива вдоль его контакта с вмешаюшими породами;

• после полной отработки и закладки подэтажа (после выемки слоя 15) наблюдается активная стадия сдвижений закладки в верхней части блока, а осадка призабойной части скважины достигла 470 мм (замер 15.05.08 г.);

• последуюший замер (21.11.09 г.) свидетельствуют о наметившейся тенденции затухания (но не стабилизации) процесса сдвижений закладочного массива; при этом максимальная осадка вблизи контакта с вмешаюшими породами составила около 600 мм.

Анализ условий отработки и закладки верхнего подэтажа блока 5 показал, что при наклоне слоев 1° причиной максимальных сдвижений в призабойной части скважины (на контакте с вмешаюшими породами) является образование пустот за счет недозаклада наиболее удаленных от мест подачи закладочной смеси частях очистных заходок.

Вторым участком контроля сдвижений закладочного массива был выбран разрезной слой 34 блока 7/8 (глубина от поверхности 780—960 м, рис. 5), отрабатываемого с применением слоевой нисходяшей системы разработки.

Наклон слоев в блоке принят 3°-4°. Выемка запасов производилась в трех подэтажах.

На рис. 6а приведен график вертикальной осадки по глубине контролируемой скважины после полной отработки и закладки нижележашего слоя 33 [4]. Анализ результатов позволяет отметить следуюшее:

• максимальный прогиб зарегистрирован в центральной части трубки, а его величина составила около 300 мм;

• отмечается неравномерный характер осадки, причиной которого может служить неоднородность пригрузки за-ходок за счет этапности их отработки, а также различная степень недозаклада и, как следствие, отпора заходок ни-жележашего слоя.

Анализ результатов показывает следуюшее (см. рис. 5 и 6).

б

Рис. 5. Контрольная скважина в разрезном слое в плане (а) н разрезе на начало замера 13.09.2006 г. (б), при частичной выемке слоя 33 10.11.2006 г. (в)

В

• при отработке слоя 32 и 31 кривая осадки носит более плавный характер с образованием плоского дна мульды сдвижения в центральной части трубки при удалении 25 м от устья скважины (замер 20.09.2007 г.); суммарная осадка дна мульды при отработке слоев 33—31 составила около 420 мм (300 мм + 120 мм);

Начальный отсчет: 13.09.2006г.

-50

-100

= -150 3 -200

-250

-300

ь 1 0 1 5 2 9 2 5 3 9 3 5 4 9 4 5

-1-10. —•—09. 11.2006 12.2006 -

Расстояние от устья скважины, м

а

Рис. 6. Вертикальные смешения слоя 34 по глубине скважины:

а — в процессе и после полной отработки нижележащего слоя 33 (начальный отсчет: 13.09. 06 г.); б — после отработки нижележащих слоев 32—24 (начальный отсчет: 17.02.07 г.)

• при выемке слоя 30 и пригрузке слоя 34 (за счет отработки и закладки слоя 35, при котором произошла подрезка обсадной трубы на удалении 30 м от устья скважины) суммарная величина осадки на глубине 30 м составила 450 мм (замер 17.03.2008 г.);

• результаты замера 17.01.09 г. показали, что процесс сдвижения разрезного слоя 34 не завершен даже после полной отработке 10 нижележащих слоев (слои 33—24), а его осадка на удалении 30 м достигла величины 488 мм.

Полученные результаты развития процесса сдвижений свидетельствуют об отсутствии проскальзывания на контакте закладки с вмещающими породами, что приводит к образованию пустот на границе смежных слоев в этой зоне (за счет усадки и недозаклада), поскольку в центральной части трубки наблюдается смыкание смежных слоев (т.е. формируется плоское дно мульды сдвижений).

Заключение

1. Разработанные программно-технические средства для реализации метода инклинометрии позволяют контролировать развитие процесса сдвижений закладочного массива при его подработке с достаточной для практических целей точностью;

2. Результаты апробации методики и средств измерений на руднике «Интернациональный» позволили получить количественную оценку вертикальных сдвижений и установить особенности развития процесса сдвижений закладочного массива при слоевой нисходящей системе разработки.

3. Экспериментальные данные вертикальных сдвижений в блоке 7/8 могут быть использованы при адаптации геомеханической модели для проведения численных расчетов НДС подрабатываемого закладочного массива с целью обоснования параметров очистных заходок и оптимизации нормативной прочности закладочной смеси на глубоких горизонтах рудника.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Mining with Backfill. Edited by S Grauholm. — Luleo University of Technology, Sweden. — A.A. Balkema. Rotterdam. — 1983.

2. Терешин A.A. Обоснование способа управления искусственной кровлей при системе разработки горизонтальными слоями с нисходящей выемкой и закладкой: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. — М., 2002.

3. Барышников В.Д. Опыт применения инклинометрического метода для контроля за сдвижениями закладочного массива при подземной разработке месторождений / В.Д. Барышников, В. Г. Качальский, Д. В. Барышников // Гео-Сибирь-2007. — Новосибирск, 2007. — Т. 5.

4. Барышников В.Д. Организация и проведение наблюдений за сдвижениями закладочного массива при его подработке / В.Д. Барышников, Д.В. Барышников // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2008. —№12. НШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Барышников Василий Дмитриевич — кандидат технических наук, Барышников Д.В. — младший научный сотрудник,

Институт горного дела им. H.A. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, тел. (383)217—05—41.