CC BY
41
-------------------------------------------- © Б.Ю. Зуев, А.А. Ромашкевич,
Е.П. Ютяев, М.А. Логинов,
2010
УДК 622.83.551.252
Б.Ю. Зуев, А.А. Ромашкевич, Е.П. Ютяев,
М.А. Логинов
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ЦЕЛИКОВ И ПОДДЕРЖАНИЯ ВЫРАБОТОК ПРИ ПОДГОТОВКЕ ВЫЕМОЧНЫХ СТОЛБОВ СПАРЕННЫМИ ВЫРАБОТКАМИ
Представлены экспериментальные данные о деформировании массива горных пород при подготовке выемочных столбов спаренными выработками. Исследованы условия работы целиков. Данные получены на физических моделях из эквивалентных материалов при моделировании прохождения спаренных выработок и двух панелей в условиях повышенных горизонтальных напряжений.
Ключевые слова: методы и средства физического моделирования, эквивалентные материалы, граничные условия, многоштрековая подготовка.
'П последние годы участковая су--я-3 точная нагрузка 10-15 тыс. т и более в развитых угледобывающих странах (США, ЮАР, Англия, Германия, Канада, Австралия) стала нормой. Обеспечение такой производительности
- итог целого комплекса организационно-технических и технологических мероприятий, среди которых особого внимания заслуживают применения канатных анкерных крепей, поддержание и охрана выработок угольными целиками, оперативные методы прогноза и предотвращения опасных проявлений горного давления. Поэтому опыт комплексного решения этих проблем в развитых угледобывающих странах имеет важное прикладное значение. Изученные зарубежные публикации отражают условия, характерные для большинства угольных месторождений, в том числе, российских, на которых имеются проблемы по управлению геомеханическими процессами: наличие главных максимальных горизонтальных напряжений, превы-
шающих вертикальные, тектоническая нарушенность и зоны ослабления массива тектоническими трещинами, динамические формы проявлений горного давления - пучение и разломы почвы, горные удары и выбросы, разрушение угля в краевых частях целиков; глубина до 1 км и более, мощность пластов до 2
- 3 м, типы кровель - трудно обрушаю-щиеся и слабые, склонные к пучению породы почв, системы разработки -длинные столбы с обрушением и камерно-столбовая, очистное оборудование -механизированные комплексы и короткозабойные комбайны, способы охраны выработок - угольные целики при многоштрековой подготовке выемочных участков [1, 2, 3].
Среди рассмотренных проблем одной из наиболее актуальных и сложных является применение многоштрековой подготовки выемочных участков, требующей системного подхода при максимально возможном использовании
отечественного и зарубежного научнотехнического потенциала.
Для решения подобных задач предлагается использовать комплексный метод исследований на базе методов физического и компьютерного моделирования. Необходимость применения комплекса таких методов связана с нелинейными реакциями массива на техногенные воздействия, со сложными процессами, сопровождаемыми изменениями структурных и физико-механических параметров массива, разрывами его сплошности, при исследовании которых только одними математическими методами часто возникают непреодолимые препятствия.
Комплексный метод был применен при исследовании условий работы целиков при подготовке выемочных столбов двумя штреками в условиях шахт «СУЭК - Кузбасс» для разработки методов определения размеров околоштрековых целиков, требующих для своего решения системного подхода, и дальнейшего применения данной схемы на практике.
Суть примененного комплексного метода исследования работы целиков при подготовке выемочных столбов двумя штреками на первом этапе состояла в определении граничных условий на контуре физических моделей методом компьютерного моделирования и дальнейшего исследования нелинейных процессов деформирования и разрушения целиков, а также почвы и кровли методом экспериментального физического моделирования. Этот метод позволяет на уменьшенной модели провести качественные и количественные исследования интересующего нас процесса в натуре. По мере накопления данных
о закономерностях процесса в дальнейшем могут быть составлены достаточно обоснованные уравнения связей, которые в критериальной форме можно ис-
пользовать для практических расчётов процесса в натуре, в том числе и с помощью метода компьютерного моделирования.
В условиях «СУЭК - Кузбасса» с высокими горизонтальными напряжениями, превышающими вертикальные, моделировались следующие основные этапы горных работ по подготовке выемочных столбов двумя выемочными штреками:
• поочередное прохождение двух горных выработок сечением 3х5 м;
• моделирование отработки первой панели путем изменения эпюр вертикальных и горизонтальных давлений ов и ог и при перемещении забоя по направлению к исследуемому сечению ленточного целика и при удалении от него в соответствии с данными компьютерного моделирования;
• моделирование отработки второй панели путем изменения эпюр вертикальных и горизонтальных давлений при перемещении забоя по направлению к исследуемому сечению ленточного целика и при удалении от него в соответствии с данными компьютерного моделирования с учетом изменения эпюр в ходе отработки первой панели.
Компьютерное моделирование выполнялось с помощью программы Plaxis V8. Компьютерная модель представляет собой прямоугольник шириной 800 м и глубиной 450 м. Пласт мощностью 3 м залегает на глубине 300 м по почве. В центре расположен целик шириной 15 м, оконтуренный выработками шириной 5м. В модели предусмотрены граничные плоскости для получения эпюр нагрузок (рис. 1).
В процессе расчетов на граничных плоскостях определялись величины
в
Рис. 1. Схема многоштрековой подготовки шахтных полей для компьютерных моделей
нормальных контактных вертикальных и горизонтальных напряжений.
Схема реализации основных этапов физического моделирования производилась с помощью соответствующих технологических схем. На рис. 2 приведена одна из схем моделирования условий
работы целика после полной отработки обеих панелей.
На модели из эквивалентных материалов воспроизводилась область горного массива 200х100 м с угольным пластом и вмещающими его горными породами. Ко всем типам ЭМ предъявлялся ряд общих требований, выполнение которых определяло выбор материала модели:
• обеспечение качественной аналогии в характере механического поведения породы и ЭМ;
• количественное подобие физико-механических параметров материалов натуры и модели, учитывающее масштаб моделирования;
• реализацию технологических и экономических факторов;
• обеспечение стабильности
свойств ЭМ в процессе эксперимента и их воспроизводимости.
Подбор ЭМ с необходимыми прочностными и деформационными характеристиками производился на основе известных зависимостей [4]:
СТсж — аГау- СТСж • Ем=0,1*0™*Ен ,
м 'н? 1 (
где стсЖн и стсжм - прочности на одноос-
Н=500 м Ун=2700 кг/м^
Рис. 2. Схема к физическому моделированию условий работы целика после полной отработки обеих панелей
б
а
III-----------------х
№ п/п Наименование Среднее значение коэффициента структурного ослабления Прочность при сжатии с учетом коэффициента структурного ослабления, МПа Средняя мощность пласта, м Средняя прочность ЭМ, МПа
1 Угольный пласт 0,3 15 3 0,075
2 Породы кровли 0,4 25 2 0,125
3 Породы почвы 0,4 25 2 0,125
ное сжатие натуры и модели, Ен и Ем -модули деформаций натуры и модели; а і - линейный масштаб моделирования; а у = ум0д/унат - масштаб удельных весов.
Учитывая размеры моделируемого участка (200 м) и размеры модели (2 м)
был выбран масштаб моделирования а1 = 1:100. Масштаб удельных весов определялся с учетом средних удельных весов ЭМ и моделируемых горных пород и составил ау = 0,55.
Реальные прочностные характеристики с учетом результатов испытаний образцов угольного пласта и вмещающих пород и средних коэффициентов
структурных ослаблений (для перехода от показателя прочности в образце к массиву) [4] приведены в таблице.
Горные породы моделировались с помощью ЭМ из песчано-эпоксиали-фатических материалов, содержащих в качестве основного по массе компонента кварцевый песок, а в качестве связующего - эпоксидную смолу ДЭГ-1 в комплекте с отвердителем полиэтилен-полиамином и активным модификатором - глицерином.
Формирование эпюр давлений на контуре модели производилось
с помощью системы автоматического управления (САУ), обеспечивающей со-
Рис. 3. Фото модели после отработки обеих панелей 10
^Lпр=40 м, Lл=40 м |
Координата Х, м
Рис. 4. Изменение вертикальных напряжений после отработки двух панелей по 40 м
Рис. 5. Изменения горизонтальных напряжений в кровле целика после отработки правой и левой панелей
вместно со специальным программным обеспечением формирование нагружающих усилий на каждый из дискретных силовых элементов, изменяющихся во времени в соответствии с предварительными данными, полученными в результате компьютерного моделирования и в соответствии с данными натурных наблюдений при многоштрековой подготовке.
При отработке модели фиксировались закономерности изменения напряжений в непосредственной почве и кровле ленточного целика, а также закономерности изменения вертикальных и
горизонтальных смещений и деформаций целика, его почвы и кровли. Кроме того с помощью цифровой камеры фиксировался характер развития трещин и разрушения целика.
Фото модели после отработки правой и левой панелей приведено на рис. 3, а результаты определения вертикальных и горизонтальных напряжений после отработки двух панелей на рис. 4 и 5.
В результате проведенных исследований было установлено, что при отработке панелей произошло резкое увеличение напряжений в почве под целиком и полное разрушению целика позади лавы. Но даже в разрушенном целике сохранились силы реакции раздробленного, сыпучего угля (с' ~ 0, р' > 25 - 35°), приведшие к разрушению массива пород не только непосредственной, но основной кров-ли на расстоянии от пласта, многократно превышающем его мощность. За счет остаточной несущей способности разрушенного целика и формирования опорного давления в зонах обрушения справа и слева от целика процесс развития сдвижения развивается во времени, а условия работы целика изменяются от режима заданных деформаций до режима заданных нагрузок. В этих условиях для управления состоянием массива может быть использован гомеханиче-ский мониторинг с обеспечением контроля сдвижения кровли и деформированием целика.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Координата Х, м
1. Коршунов Г.И., Логинов А.К., Шик В.М. Геомеханические принципы разработки нижних горизонтов Воркутского угольного месторождения. - СПб: Международная академия наук экологии безопасности человека и природы. 2006. 280 с.
2. Коршунов Г. И., Логинов А.К., Шик В.М. Многоштрековая подготовка угольных пластов. -СПб.: Наука, 2007-250 с.
3. Hanna K., Haramy K. and D Conover "Effect of high horizontal stress on coal
nine entry intersection stability". U. S. Department of the Interior, Bureau of Mines, Denver Research Center, Denver, CO. 5th Conference in Ground Control in Mining. Morgantown, WV, June 11-13, 1986.
4. Моделирование в геомеханике. /Ф.П. Глушихин, Г.Н. Кузнецов, М.Ф. Шклярский и др. - М.: Недра, 1991.- 240 с. ISBN 5-24701780-3. ВШЭ
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------
Зуев Б.Ю. - кандидат технических наук, заведующий лабораторией моделирования, Санкт-Петербургский Государственный Горный Институт (ТУ), zuev_bu @spmi.ru Ютяев Е.П. - технический директор, ОАО «СУЭК» - Кузбасс, Loginov [email protected] Логинов M.A. - директор шахты им. Кирова, ОАО «СУЭК» - Кузбасс,
Loginov [email protected]
Ромашкевич A.A. - аспирант, Санкт-Петербургский Государственный Горный Институт (ТУ), romashkevich [email protected]
© Б.Ю. Зуев, Г.И. Коршунов, Е.П. Ютяев, 2010
УДК 622.83.551.252
Б.Ю. Зуев, Г.И. Коршунов, Е.П. Ютяев
МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ МНОГОШТРЕКОВОЙ ПОДГОТОВКЕ ВЫЕМОЧНЫХ СТОЛБОВ
Представлены данные о современных методах и средствах физического моделирования, включающих новые типы эквивалентных материалов, средства оперативного изменения граничных условий, датчики напряжений применительно к исследованию геомеханических процессов при многоштрековой подготовке выемочных столбов.
Ключевые слова: методы и средства физического моделирования, эквивалентные материалы, граничные условия, многоштрековая подготовка.
Эксперименты на физических моделях имеют по сравнению с математическим моделированием свои достоинства и недостатки. К их основ-
ным достоинствам относится: обеспечение наглядности, обзорности и возможности непосредственных наблюдений за отдельными этапами моделируемого
процесса; возможность моделирования процессов, плохо воспроизводимых математическими методами (например, обрушения пород, в особенности непрерывно продолжающиеся разрушения породных слоев, сопровождающиеся сдвижениями массива по плоскостям хрупких изломов и изломов сдвига, а также раскрытием трещин отдельности, и деформации крепи после превышения предела упругости пород.); возможность исследования влияния времени на развитие деформационных процессов; возможность проверки достоверности результатов моделирования и их использования в практике путем непосредственного сравнения с наблюдаемыми в шахте явлениями путем визуальных наблюдений и проведении простейших измерений; сравнительно небольшие затраты времени и средств при решении большинства геомеханических задач [1].
К недостаткам физического моделирования по сравнению с математическим моделированием относятся: значительная трудность варьирования в широких пределах параметров, оказывающих влияние на моделируемые процессы; сложность воспроизведения пространственных процессов; сложность надежного определения напряжений в модели, так как физическая модель позволяет получать количественные показатели только при условии применения датчиков, не нарушающих условий моделирования [1].
В целом - эксперименты на физических моделях целесообразны во всех тех случаях, когда в исследуемых процессах принимает участие комплекс различных сложных природных явлений.
Один из наиболее эффективных методов физического моделирования - на моделях из эквивалентных материалов (ЭМ) основан на впервые высказанной и осуществленной Г. Н. Кузнецовым идее
использования эквивалентных материалов, соответствующих в масштабе моделирования реальным материалам, для имитации на моделях массивов горных пород [2]. Методика реализуется не только в России, но и в ряде других стран. Например, в настоящее время - в лаборатории рудничной крепи и механики горных пород института «Бер-гбауфоршунг».
Эксперименты на моделях должны во всех случаях увязываться, с одной стороны, с шахтными наблюдениями за качественным характером проявлений горного давления и с проводимыми в подземных условиях измерениями и, с другой стороны, с результатами расчетного определения величин горного давления.
С помощью этого метода был проведено исследование условий работы целиков при подготовке выемочных столбов двумя штреками в условиях шахт «СУЭК-Кузбасс» для разработки методов определения размеров околоштреко-вых целиков и дальнейшего применения данной схемы на практике.
Реализация моделирования на ЭМ осуществлялась на базе критериев подобия и комплекса разработанных методик и технических средств, включающих в себя новые эквивалентные материалы, стенды для изготовления и исследования моделей, устройства автоматического регулирования граничных условий, датчики напряжений и деформаций, информационно - измерительные системы.
На основании анализа обширных натурных и модельных исследований по изучению влияния скорости подвигания лавы на параметры проявления горного давления [3, 4] было установлено, что при увеличении скорости
о I
Рис. 1. Общий вид изменения деформаций во времени породных образцов и образцов из ЭМ
Рис. 2. График зависимости ^ = f ^сж) для породныш образцов
‘а’™
10-
8
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Игт,МПа
Рис. 3. -График зависимости ^ = f ^сж.) для образцов из ЭМ
подвигания лавы уменьшается расслоение пород непосредственной кровли, увеличивается шаг осадки основной кровли, уменьшается отжим угля из забоя и высота зоны беспорядочного обрушения пород подработанной толщи, максимум опорного давления смещается в сторону линии забоя, нагрузка на крепь уменьшается.
Среди всех рассмотренных факторов скорость подвигания очистного забоя наиболее существенное влияние оказывает на процессы в зоне опорного давления.
Таким образом, при моделировании работы околоштрекового целика при подготовке лавы спаренными выработками необходимо воспроизвести явления, возникающие при высоких скоростях подвигания забоя, главным из которых по влиянию на работу целика является перемещение максимума опорного давления к поверхности обнажения целика. Для моделирования этого явления необходимо, чтобы соотношение времени ведения горных работ и стабилизации процессов деформирования в модели и натуре соответствовали друг другу.
В работе [5] рассмотрены вопросы, связанные с направленным регулированием масштаба времени.
При регулировании нет необходимости одновременного обеспечения критериев подобия по медленно и быстро протекающим процессам. В соответствии с одним из основных требований моделирования [2] необходимо из всей совокупности влияющих факторов выделить тот из них, который предопределяет ход исследуемого процесса. Таким образом, при исследовании медленно протекающих процессов нет необходимости точного воспроизведения динамической закономерности деформирования горных пород. В противном слу-
чае - при определении масштаба времени следует исходить из законов динамики.
Анализ кривых ползучести образцов горных пород и эквивалентных материалов показывает, что процесс деформирования образцов можно разбить на ряд стадий, каждая из которых отражает определенное физическое состояние рассматриваемого процесса (рис. 1). Так, например, стадия 1 соответствует мгновенному деформированию образца горной породы или эквивалентного материала, 2-ая стадия - деформированию с переменной скоростью, 3-я стадия - постоянной скорости деформирования образцов, 4-я стадия соответствует ускоренному деформированию образцов непосредственно перед разрушением.
Стадия 4 соответствует степени напряженного массива ст2/Ясж = 0,6^0,9. При меньших значениях =СТ;/Ясж стадия
4 , как правило, отсутствует и остаются только три первые стадии. На графике можно выделить ряд характерных точек А, А и Б. Наибольший интерес при анализе процесса деформирования образцов представляет точка А, расположенная на границе двух стадий (2 , 3) и соответствующая моменту перехода к постоянной скорости деформирования образцов.
На основании данных анализа кривых ползучести породных образцов [6], построен график (рис. 2), где по оси абсцисс отложена образцов прочность породного образца, а по оси ординат время 1А.
По кривым ползучести образцов из ЭМ и зависимостей, приведенных в работах [5], построен сводный график (рис. 3) зависимости времени 1А от прочности эквивалентных материалов R
сж.
Полученные функции (рис. 2 и рис.
3) имеют затухающий характер и в об-
щем случае могут быть аппроксимированы уравнением вида:
1л = К / е г (К сж) (2)
где К - численный коэффициент, R сж -прочность на сжатие испытуемых породных образцов и образцов из ЭМ.
Анализ зависимостей, приведенных в работах [2, 5, 6], показывает, что положение точки А, характеризуемое координатами е - t , зависит не только от прочности испытуемых образцов, но и от относительных напряжений ст2 /Rсж.
При определении масштаба времени для медленно протекающих процессов в модели и натуре необходимо учитывать помимо зависимости (2) функцию интегрального реологического параметра среды, предложенного Г.Н. Кузнецовым в 1970 г. Этот параметр представляет собой отношение временного модуля деформации Еь определяемого по деформации образца горной породы или ЭМ после стабилизации процесса ползучести во времени, и его мгновенного модуля деформации Емг [6].
Окончательно, время продолжительности процесса, протекающего в условиях натуры и модели, определится, соответственно, из следующих зависимостей [5]
т-ч 0,35
t н = 4128 / н •(ст Zн / 0,4 R сжн) • [1п(
Е н /Емг, н)-1]025 (3)
tм = 0,6 / R сжм е0,03 R сж м • (ст Zм/4 R сжм
)• [1п( Е,м/Емг, м)-1]0,25 (4)
Для определения прочности на сжатие ЭМ необходимо задаться геометрическим масштабом моделирования и тогда величина Ксжм, будет равна:
Rсжм = 1 / L • у м/ун • Rсж н
Отсюда следует, что геометрический масштаб моделей l/L является одним из определяющих факторов при расчетах времени протекания реологических процессов в модели, при этом отношение 1 мЛн определяет масштаб времени.
Рис. 4. Физическая модель горного массива
Результаты анализа кривых ползучести образцов горных пород и материалов, эквивалентных горным породам, показали, что масштаб времени при моделировании медленно протекающих процессов, является величиной переменной - функцией многих факторов, к которым, в первую очередь, относятся прочностные и деформационные характеристики моделируемого массива и самой модели, а также геометрический масштаб модели. Полученные расчетные формулы для определения масштаба времени дают возможность его направленно изменять, варьируя геометрическим масштабом, интегральными реологическими параметрами ЭМ, обоснованно соотносить темпы ведения моделируемых горных работ с изменением свойств ЭМ во времени и «переносить» данные моделирования на условия натуры.
Если за ключевой временной параметр принять положение точки А, то из рис. 2 и 3 следует, что в время ее достижения в натуре и модели в среднем отличаются в 30 - 50 раз. С учетом проч-
ности ЭМ ^сж = 0,1 МПа ) и данных в работе [5] при нагрузке 60% от разрушающей для достижения точки А требуется около 10 часов. Для того, чтобы процессы реологического деформирования не успели развиться, необходимо, чтобы моделирование процессов прохождения выработок не превышало 1 - 2 часов. В этом случае максимум эпюры опорного давления имеет наибольшую величину и максимально приближен к поверхности обнажения.
С учетом выбранного линейного масштаба моделирования 1:100, были подобраны эквивалентные материалы (ЭМ), обеспечивающие выполнение критериев подобия [2] Было испытано несколько сотен образцов и подобрана соответствующая рецептура ЭМ на основе мелкодисперсного кварцевого песка и эпоксидной смолы ДЭГ -1. Были учтены реальные прочностные и реологические характеристики материалов с учетом результатов испытаний образцов угольного пласта, вмещающих пород и средних коэффициентов структурных
ослаблений (для перехода от показателя прочности в образце к массиву).
При изготовлении модели массив оснащался профильными линиями геометрического нивелирования и датчиками напряжений, заложенных на различных горизонтах (рис. 4).
Напряжения в массиве определялись с помощью микродатчиков МДГ-2 и МДГ-3 не препятствующих развитию геомеханических процессов при моделировании горных работ и устанавливаемых внутри моделей в процессе их изготовления.
Микродинамометры типа МДГ-2 и МДГ-3 ( А.с. № 1208486, А.с. № 1778566 ) предназначены для определения напряжений, нормальных к рабочей поверхности мембраны в мелкодисперсных материалах с модулем упругости до 1000 МПа и с напряжениями до 1,5 МПа. Диаметр микродинамометра-15мм, толщина- 1,5 мм. Геометрические и жесткостные параметры прибора обеспечивают как минимизацию его воздействия на поле напряжений в исследуемом материале, так и высокую точность измерений (в диапазоне от 0,01 до 1,5 МПа с надежностью 0,95 доверительные границы относительной погрешности измерений находятся в пределах 5% [2]). Указанные точностные параметры датчика обеспечиваются с учетом воздействия всех возможных влияющих факторов, действующих в лабораторных условиях: температуры
(15-25 С), влажности (30-95%) и т.д. Расположенный в датчике интегральный тензомодуль мембранного типа 3х0,5 мм из кремния с кольцом жесткости и напыленными на нем по автоэпитакси-альной технологиями кремниевыми тен-зорезисторами обеспечивает получение высокого выходного сигнала - 10mV на
1 V питания при номинальной нагрузке. Это обеспечивает простую стыковку
микродинамометра со стандартными тензометрическимисс систеиами а также с АЦП - преобразователями для подключения к ЭВМ ( ПК ).
Датчики подключались к информационно-измерительной системе СИИТ-3, обеспечивающей опрос датчиков по внешнему сигналу с ПК со скоростью 30 измерений в секунду.
Схема расположения реперов (марок) и датчиков приведены на рис. 4.
На поверхности модели в кровле угольного пласта на 15 горизонтах были закреплены марки для оценки смещений отдельных элементов массива. Расстояния между марками, приведенные к условиям натуры, по вертикали и по горизонтали составляли от 5 до 10 м. Точность определения координат марки цифровой камерой типа САКОК-620 с разрешением 7,1 МПС составила около
0,2 мм в модели или 20 мм в условиях натуры.
Реализация граничных условий обеспечивалась с помощью системы управления стендом и специального программного обеспечения, позволяющего формировать нагружение модели вертикальными и горизонтальными силовыми элементами в соответствии с заданными эпюрами нагрузок.
Работа программы осуществляется следующим образом: на компьютере устанавливаются параметры эпюры нагрузок на данном этапе, а также та или иная закономерность изменения скорости, необходимая для реализации оптимального режима регулирования вблизи заданной величины нагрузки по каждому из силовых элементов. После достижения заданной величины нагрузки (с заданной точностью) нагружение данного силового элемента приостанавливается. Когда заданная величина нагрузки достигается всеми элементами, система переводится в режим саморегулирования и
поддержания заданной эпюры на прежнем уровне.
Обеспечение работы программы производится с помощью информационно-измерительной системы СИИТ-3, интерфейса И-1, платы ЦАП, платы АЦП, блока усилителей, силовых элементов ЭИМ.
Из 16 силовых элементов 8 расположены вертикально, а остальные горизонтально - по 4 с каждой стороны. Этому расположению СЭ соответствует интерфейс пользователя на экране монитора, позволяющего следить в режиме реального времени за процессами нагружения и разгрузки модели в соответствии с заданными эпюрами.
1.Якоби О. Практика управления горным давлением. Пер. с нем.- М.: Недра, 1987. - 566 с.
2. Глушихин Ф.П., Кузнецов Г.Н., Шкляр-ский М.Ф. и др. Моделирование в геомеханике. М. :Недра, 1991, 240 с
3. Воскобоев Ф.Н. Управление горным давлением в щитовых забоях / Ф.Н Воскобоев,
Н.А Шаповал, А.Т. Курносов. - Уголь, 1984. -№ 10.
4. Медведчук Н.Д. Влияние скорости под-вигания очистного забоя на проявление горного давления при выемке угольных пла-
Результаты проведенных исследований показали, что комплекс разработанных методик и технических средств физического моделирования, включающих в себя новые эквивалентные материалы, устройства автоматического регулирования гра-ничных условий, миниатюрные датчики напряжений -позволяет исследовать геомеханиче-ские процессы, происходящие в горном массиве, при использовании современных технологий разработки МПИ, характеризующихся высокими скоростями подвигания забоя, в сложных горно-геологических условиях с различными вариантами аномальных напряжений.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
стов / Н.Д. Медведчук // Автореферат кандидатской диссертации. - Донецк, ДонУГИ, 1968.
5. Определение масштаба времени при моделировании медленно протекающих геомеха-нических процессов. Шклярский М.Ф. , Зуев Б.Ю. // Сб.научн.тр. “Горная геомеханика и маркшейдерское дело” СПб.: ВНИМИ, 1999 г.
- С.35-39.
6. Карташев Ю.М. Ускоренные методы определения реологических свойств горных пород. - Л.: Недра, 1973. - 111 с. 115 ГЛ
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------
Зуев Б.Ю. - кандидат технических наук, заведующий лабораторией моделирования, Санкт-Петербургский Государственный Горный Институт (ТУ), zuev_bu @spmi.ru Коршунов Г.И. - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой БП и РГП Санкт-Петербургский Г осударственный Г орный Институт (ТУ), [email protected] Ютяев Е.П. - технический директор, ОАО «СУЭК» - Кузбасс, Loginov [email protected]
© Л.А. Гладкова, Б.Ю. Зуев, Р.С. Истомин, М.А. Логинов,
УДК 622.83.551.252
Л.А. Гладкова, Б.Ю. Зуев, Р.С. Истомин,
М.А. Логинов
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ МОНИТОРИНГА ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
По данным отечественных и зарубежных источников проведен анализ современных методов и средств мониторинга при подземной разработке полезных ископаемых и на конкретных примерах рассмотрены преимущества и недостатки составных элементов мониторинга: натурных датчиков напряжений и деформаций, систем сканирования, компьютерных моделей, используемых для контроля за состоянием массива в режиме реального времени и прогнозирования возникновения опасных динамических явлений.
Ключевые слова: методы и средства мониторинга, натурные датчики напряжений и деформаций, компьютерные модели, контроль состояния массива в режиме реального времени.
Обычно под геомеханическим мониторингом понимается комплексная система регламентированных наблюдений, оценки и прогноза изменений геомеханического состояния массива горных пород при разработке полезного ископаемого в целях выявления опасных проявлений и выработки рекомендаций по управлению горным давлением.
Еще на 15-ом Международном горном конгрессе (25-29 мая 1992 г. Мадрид, Испания) обсуждались вопросы экологии и выживания горной промышленности в условиях экономической конкуренции. Перспективы развития виделись только в развитии новых идей, концепций и методов и широком использовании средств автоматики, робототехники, информатики и других самых современных технологий, связанных с современным пониманием термина «мониторинга» [1].
Необходимость создания мониторинговых систем для горной промышленности, проведения мониторинга на шахтах и рудниках в связи с проблемами охраны окружающей среды, обес-
печения безопасности и эффективности горных работ в настоящее время признается большинством исследователей, рассматривающих эти проблемы.
Современный комплексный мониторинг - надежный инструментарий для повышения эффективности и безопасности горных работ. Общая структура мониторинга на различных этапах разработки месторождений полезных ископаемых (МПИ) приведена на рис. 1.
В настоящей работе проведен анализ геомеханического мониторинга на этапе отработки МПИ. Мониторинг включает в себя комплексную систему периодических наблюдений за состоянием природной среды с целью выявления негативных изменений и выработки рекомендаций по их устранению. Диагностика массива горных пород основывается на всестороннем и систематическом изучении его состояния на всех стадиях ведения горных работ. Она включает анализ изменения геометрических размеров выработанного пространства по мощности и кратности подработки, различные инструментальные
методы измерения физических параметров массива горных пород, включая сейсмику.
и сдвижение горных пород. В процессе диагностики выполняется анализ геологических и маркшейдерских документов; осуществляется регулярное обследование выработанного пространства на основе визуальных наблюдений за проявлениями горного давления; ведутся наблюдения за сдвижением земной поверхности и сейсмической активностью массива. По результатам диагностики устанавливаются причины изменения состояния массива.
Основными задачами диагностики являются: получение исходной информации о массиве; оценка текущего состояния массива горных пород; профилактическое обследование массива и прогнозирование геомеханических процессов, происходящих в нем; проведение необходимых наблюдений (измерений) по предупреждению внезапных обрушений. Диагностика позволяет обосновать возможность выемки полезного ископаемого, способы и порядок погашения накопившихся потенциально опасных пустот, необходимость переноса поверхностных сооружений и др. Знание потенциально опасных по обрушениям зон позволяет еще на стадии планирования и проектирования горных работ установить места возможных обрушений и заранее принять меры по их предотвращению.
В общем виде в структуру мониторинга входят датчики напряжений, смещений, геофизические датчики, компьютерные системы для обработки их показаний, компьютерные модели исследуемой области массива.
Применяемые в отечественной и зарубежной практике методы оценки напряженно-деформационного состояния массива горных пород, подразделяются
на две существенно отличающиеся группы. К первой группе относятся методы, основанные на измерениях параметров деформирования горных пород. Ко второй группе относятся геофизические методы, в которых используются вариации естественных или наведенных искусственно геофизических полей.
К недостаткам геофизических методов можно отнести сложность корреляции параметров искусственных геофизических полей с параметрами напряжений и деформации, что затрудняет их использование в решении практических горнотехнических задач, связанных, например, с расчетом параметров крепления выработок или разгрузки массива горных пород от высоких напряжений. Поэтому для решения поставленной цели рекомендуется применять системы мониторинга деформационного состояния массива горных пород, основанные на методе прямых измерений деформаций, которые надежно коррелируются с напряженным состоянием горных пород. Датчики, применяемые в таких системах мониторинга деформационного состояния массива горных пород, должны обеспечивать:
-однозначную зависимость выходной величины от входной величины;
-стабильность характеристик во времени;
-высокую чувствительность, малые размеры и массу;
-отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс или на контролируемый параметр;
-работу при различных условиях эксплуатации и различные варианты монтажа.
Построение системы мониторинга целесообразно рассмотреть на конкретных примерах. В работах [2, 3, 4] применительно к разработке системы мониторинга для глубоких рудников Талнаха, характеризующегося сложными горногеологическими и горно-техническими
условиями, рекомендуется в зависимости от назначения и размещения в горном отводе выработок следующая система деформационного контроля при-контурного массива выработок:
1) деформационный мониторинг на основе прямых измерений деформационного состояния приконтурного массива выработок с записью показаний в полевом журнале рекомендуется применять для выработок, не попадающих в зону влияния очистных работ и для оценки изменения напряженно-деформированного состояния отдельных участков массива горных пород, вмещающих горные объекты, после проведения профилактических мероприятий:
2) деформационный мониторинг на основе косвенных измерений с бинарной оценкой состояния приконтурного массива выработок рекомендуется применять для околоствольных и вскрывающих выработок, которые не попадают в зону влияния очистных работ.
3) деформационный мониторинг на основе косвенных измерений деформационного состояния приконтурного массива выработок в режиме накопления информации в стационарных или переносных накопителях рекомендуется применять в подготавливающих и подготовительных выработках, которые попадают в зону влияния очистных работ и пройдены в трещиноватых и слоистых горных породах.
4) деформационный мониторинг на основе косвенных измерений деформационного состояния приконтурного массива выработок в режиме непрерывной записи информации и передачи ее от объекта контроля на поверхность рекомендуется применять для выработок, попадающих в зону влияния опорного давления, не исключающего динамические формы разрушения горных пород.
Установленная в настоящее время на руднике «Скалистый» система ISS позволяет использовать новые, более надежные методики обработки получаемых данных. Система включает в себя ряд подсистем:
1. Подсистема контроля напряженно-деформированного состояния с использованием импульсных искусственных сейсмических источников.
При проведении сейсмических наблюдений на рудниках ГМК для определения скоростной модели массива горных пород проводятся специальные тарировочные взрывы. Альтернативой взрывам могут служить невзрывные сейсмические источники, применяемые при сейсморазведочных работах.
Невзрывные способы возбуждения сейсмических колебаний имеют определённые преимущества по сравнению с взрывами в скважинах. Проведение работ по определению скоростей сейсмических волн в массиве горных пород с использованием невзрывных источников позволяет упростить работы, снизить их стоимость и повысить безопасность за счет отказа от использования взрывчатых веществ, исключить или свести к минимуму ущерб, наносимый горным выработкам.
Кроме использования источника вместо таррировочных взрывов используется источник активного сейсмического мониторинга. Расположив источник в определенной точки,
Геолого-маркшейдерская база ПОМ теЭсаре
База
исходных данных объектов
Архивная база ГГУ
Расчет НДС элементов ________по МГИУ_________
Текущие базы данных разгузка База текущих данных объектов Текущие базы данных взрывные работы
Конструктивные элементы рудной залежи НДС в мгп Л Ґ НДС в элементах Ґ Расчет энергии в МГП Ґ Расчету лементах мі м } ^ тектонических нарушений ) \от тектонических нарушений) ^элементе цароопасности рудной залежи )
(^Нормальные напряжения \ у Тензор напряжений Тензор напряжений ^ 1 ^ Методический блок“XII” 1Методический блок “XIII”
1Методический блок “II” ^ 1^ Методический блок “VI” ^ 1^ Методический блок “IX”
^ Тензор наг Р’—"«й ) Тензор деформаций ^ ^ Тензор деформаций ^
1Методический блок “ІІГ ^ 1^ Методический блок “VII” ^ 1^ Методический блок"X" ^
^ Тензор деформаций ^ Вектор перемещений ^ Вектор перемещений
1 Методический блок “IV” 1 (^Методический блок “VIII’ ^ 1 ^ Методический блок *ХГ ^
Вектор перемещений
Методический блок “V”
Служба точного времени
Данные мониторинговых наблюдений
Т —
Экспресс-и _______приборами
сс-контроль іборами_____________/
Значения замеров
Сейсмический м
__________________3
Сброс напряжения
Координаты замеров
Величины деформац
Скорости дефорк
Рис. 2. Структура геомеханического модуля
периодически прозвучивая горный массив, можно контролировать изменение напряженно-деформирован-ного состояния в процессе отработке по параметрам сейсмических волн, определяя скорости продольных и поперечных волн практически по всему шахтному полю. Рассчитав при этом модули упругости можно перейти к напряженно деформированному состоянию массива.
Проведенные исследования позволяют рекомендовать в качестве импульсного источника для рудников Норильска два типа источников: импульсный электромагнитный источник ударного типа «Г ео-тон» и импульсный скважинный пневмоисточник «Пульс-6».
2. Подсистема деформационного контроля.
Для создания систем мониторинга деформационного состояния прикон-турного массива горных выработок рекомендуется использовать индуктивные датчики типа ДИ8, конструкции ВНИ-МИ, которые прошли опытнопромышленную проверку на рудных месторождения Российской Федерации и рудниках НГМК.
Для деформометра, исполнение которого базируется на применении индуктивного датчика ДИ8, разработан и применяется в промышленных условиях критерий оценки опасного состояния подрабатываемых очистными работами блоковых структур Октябрьского и Тал-нахского месторождений.
3. Подсистема «Геомеханический модуль»
Геомеханический модуль предназначен для расчета напряженно-деформированного состояния массива горных пород при проектировании и ве-
дении горных работ с визуализацией полученных результатов.
В настоящее время многие фирмы занимаются исключительно разработкой пре - и постпроцессорных блоков, совместимых с программными комплексами ANSYS, COSMOS, NASTRAN и др. [5]. Однако громоздкость и сложность программных комплексов влечет за собой трудности и временные затраты на их освоение и эффективное использование. Но основным отрицательным фактором является невозможность пользователю «достраивать» или «перестраивать» под себя эти программные комплексы. Отмеченные отрицательные моменты находят свое отражение в том, что специалистами института СПГГИ разработан специализированный программный комплекс для оценки напряженно-деформированного состояния и удароопасности с учетом горногеологических и горнотехнических особенностей их разработки.
На рис. 2 представлена схема разработанного геомеханического модуля.
В структуре модуля учтены, как стационарные базы данных, так и текущие данные мониторинговых наблюдений.
Предлагаемый геомеханический модуль позволяет строить прогнозные модели с учетом данных разгрузочного бурения и взрывных работ. Использование данных сейсмического и деформационного мониторинга, позволяет с заданной периодичностью оценивать текущую обстановку, параллельно корректируя прогнозную модель.
Перспективы развития рассмотренной мониторинговой системы связаны с улучшением ее оперативных параметров и возможностью получения результатов измерений в режиме реального времени.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Перспективы развития горной промышленности. XV Международный горный конгресс. 25-29 мая 1992 г. - Мадрид, Испания.
- 5б 1 с. (Доклады на англ.яз.: THE MINING OUTLOOK/ - Volume I, II/ - 1529 p.).
2. Разработка рекомендаций по развитию систем непрерывного контроля деформационного состояния массива Отчет о научно-исследовательской работе. С.-Пб, 2009.
3. Методика по контролю участков массива микросейсмическим методом на основе
системы сейсмического контроля ISS. С.-Пб, 2009
4. Разработка методики и научное сопровождение внедрения системы сейсмического контроля фирмы ISS на руднике «Скалистый». Отчет о научно-исследовательской работе. С.-Пб, 2009
5. Разработка структуры геомеханиче-ского модуля к программному обеспечению Міпсот МтеЗсар» Отчет о выполнении научи о-техниче ской работы. С.-Пб, 2008. іі5и=і
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------
Гладкова Л.А. - студентка, Санкт-Петербургский Государственный Горный Институт (ТУ), [email protected]
Зуев Б.Ю. - кандидат технических наук, заведующий лабораторией моделирования, Санкт-
Петербургский Государственный Горный Институт (ТУ), ше^Ьи @spmi.ru
Истомин Р. С. - аспирант, Санкт-Петербургский Государственный Горный Институт (ТУ),
Логинов М.А. - директор шахты им. Кирова, ОАО «СУЭК» - Кузбасс,
ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Г.И. НОСОВА
АГЛЮКОВ Харис Исхакович Управление геомеханическими процессами при разработке рудных месторождений технологией с высокоплотной закладкой 25.00.20 25.00.22 д.т.н.
