CC BY
37
DOI: 10.26730/1999-4125-2020-2-12-17 УДК 622.817.47
КОНТРОЛЬ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫЕМОЧНЫХ ВЫРАБОТОК НА ШАХТАХ АО «СУЭК-КУЗБАСС» С ПРИМЕНЕНИЕМ ВИДЕОЭНДОСКОПОВ
ROADWAYS STABILITY MONITORING IN MINES OF JSC "SUEK-KUZBASS" USING VIDEO ENDOSCOPES
Казанин Олег Иванович,
доктор техн. наук, проф., декан горного факультета, зав. кафедрой взрывного дела,
e-mail: Kazanin@pers.spmi.ru
Oleg I. Kazanin, Dr. Sc. in Engineering, Professor, Dean of Mining Faculty, Head of the Blasting
Engineering Department Ильинец Андрей Александрович, аспирант, e-mail: s175015@stud.spmi.ru Andrey A. Ilinets, postgraduate
Санкт-Петербургский горный университет, 199106, Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21 линия, д. 2
Saint-Petersburg Mining University, 199106, Saint Petersburg, Russia
Аннотация:
В статье представлены результаты исследований устойчивости выработок, оконтуривающих выемочные участки угольных пластов на шахтах АО СУЭК «Кузбасс», на основе оценки состояния пород кровли выработок с применением системы видеоэндоскопического контроля. Видеоэндоскопические исследования с целью прогнозирования состояния пород кровли выработок на угольных шахтах активно применяются в течение последних 20 лет. В большинстве случаев полученный материал используется как вспомогательная система оценки, в качестве подтверждения данных, полученных визуальным методом фиксирования изменений. Отсутствие единой системы оценки и систематизации проведения работ не позволяют полностью раскрыть потенциал получаемых данных. В работе приведены анализ существующих систем оценки видеоматериала, покадровая классификация и иерархическая структура породного массива, представлены рекомендации, направленные на увеличение информативности метода видеоэндоскопической съемки.
Ключевые слова: угольная шахта, выемочная выработка, контроль состояния, видеоэнодскопическая съемка, классификация пород шпура.
Abstract:
Current monitoring and stability control of roadways is a necessary complex of measures to control direct and indirect causes ofroofstructure rupture. The article presents assessment of the roof condition using the system of video-endoscope stability control on the example of mines of JSC "SUEK-Kuzbass". Over the past 20 years, for the purposes offorecasting the roof conditions, the video-endoscopic surveys have been actively used in coal mines. In most cases, the material obtained is used as a secondary evaluation system, as a confirmation of the data obtained by the visual method of changes fixation. The lack of a unified system of assessment and systematization of work does not allow revealing the potential of the data. The paper presents an analysis of existing systems for evaluating video material, frame-by-frame classification and hierarchical structure of the rock mass, presents recommendations aimed at increasing the information content of the video endoscopic survey method.
Key words: coal mine, roadway, condition monitoring, video-endoscope survey, classification of borehole rock
Исследование состояния массива горных угольных шахт, является основным элементом пород, вмещающего выемочные выработки анализа устойчивости горных выработок. Для
г
3
1
\ 1 ® 12
1 \
| Рис. 1. Исследования кровли выработок видеоэндоскопом. 1 - ручная буровая установка; 2 -| видеоэндоскоп, 3 - анкерное крепление
\ Fig. 1. Research roof workings video endoscope. 1 - manual drilling rig; 2 - video endoscope, 3 - anchor
mount
i____________________________________________________________________________________
выработок прямоугольной формы поперечного сечения, закрепленных анкерной крепью, устойчивость определяется главным образом, состоянием кровли выработок. Для оценки состояния кровли горных выработок применяются визуально-измерительный и инструментальные методы контроля [1, 2, 3]: испытания несущей способности анкеров [4], определение смещений слоев кровли выработки [5], визуальный осмотр анкерного крепления [6], георадиолокационные [7, 8] и видеоэндоскопические исследования [9].
Обследование шпуров видеоэндоскопом позволяет оперативно уточнить структуру пород кровли, своевременно выявить геологические нарушения, зоны трещиноватости и расслоения массива. Однако на сегодняшний день нет единой системы оценки получаемых данных [10, 11, 12].
В работе [13] предлагается систематизация состояния выработок на основе анализа трещиноватости, основанная на форме, размере и степени открытости трещин. В статье [14] приведена классификация степени опасности трещин в зависимости от их расположения относительно зоны действия анкеров с учетом других возможных факторов: деформации элементов анкерной крепи, отжима угля, изменения ширины выработки, смещения пород кровли. В зависимости от расстояния между трещинами и ширины раскрытия трещин в породах Луганцев Б.Б. [15] предложил классификацию устойчивости кровли в подготовительных выработках с указанием времени устойчивого состояния пятиметрового пролета выработки. В то же время в работах [13, 14] основное внимание при оценке состояния выработки уделяется характерным признакам опасности, таким как прогиб подхватов, смятие опорных шайб, прогиб
решетчатой затяжки. В случае оценки шпура с использованием представленной классификации, обследование видеоэндоскопом выступает в роли вспомогательной системы анализа текущего состояния кровли и мониторинга изменения параметров трещин. Кроме того, в статьях не рассмотрена основная структура пород внутренних стенок шпура и иерархическая организация породного массива.
В целях мониторинга текущего состояния кровли выработок на угольных шахтах АО «СУЭК-Кузбасс» в последнее десятилетие активно используется технология видеоэндоскопического исследования. Обследования проводятся в выемочных и подготовительных выработках, в том числе в зоне влияния очистных работ. Для выполнения видеосъемки пород кровли бурятся шпуры диаметром 30 мм с рекомендуемой длиной 7 м (рис. 1). Располагаются шпуры по центру поперечного сечения выработки так, чтобы устье шпура находилось на уровне кровли.
В большинстве случаев структура пород стенок шпура по этим признакам на видеоизображении может быть поделена на 6 видов (табл.1).
Как показали исследования, в подавляющем большинстве случаев трещиноватые породы (п.4 табл.1) занимают порядка 20% от длины шпура, располагаются на расстоянии не более 1,5 м от контура выработки, при этом интервал интенсивно трещиноватых пород (п.6) не превышает 0,5 м. Последующие монолитные породы (п.1) и породы с винтовой поверхностью стенок (п.2) составляют до 60-70% от общей длины шпура. Оставшиеся 1020% приходятся на переслаивающиеся и трещиноватые породы с изливом воды, их расположение хаотично и зависит от горно-
Таблица 1. Структура поверхности стенок шпура Table 1. The surface structure of the walls of the hole
№
Структура поверхности стенок _шпура_
Описание
Видеоизображение
Монолитная
Представляют собой цельную сплошную поверхность с гладкими или кольцевыми участками стен шпура.
Монолитная, с
винтовой
направленностью
Обладают повышенной крепостью, выделяются спиралевидной структурой стенок шпура.
Переслаивающаяся
Чередование пород различных по составу, текстуре, крепости и другим характеристикам.
Трещиноватая
Незначительное изменение геометрии стенок шпура, шероховатость, раскрытие трещин до 3мм.
Трещиноватая, с изливом воды
Частично или полностью увлажненные стенки шпуров.
Интенсивно трещиноватая
Раздробленная структура с выраженным блочным строением, раскрытие трещин до 5 мм, сокращение диаметра шпура в кадре видеосъемки более 20%.
1
2
3
4
5
6
геологических условий залегания пород.
При видеофиксации нетипичных обширных трещин на участке монолитных пород необходимо пробурить дополнительные шпуры в радиусе 5 метров от первичной точки обследования с целью уточнения характера трещиноватости. Поскольку в течение срока службы выемочные выработки переживают несколько периодов,
характеризующихся разной интенсивностью смещений пород кровли, возможно разрастание трещин и появление новых в период нахождения выработки в зоне влияния опорного давления лавы.
Видеоэндоскопическая съемка позволяет не только оперативно отслеживать изменения состояния пород, но и исследовать динамику процессов разрушения пород кровли, приводящих
Рис. 2. Параллельный штрек 66-09 в зоне завала Fig. 2. Parallel drift 66-09 in the dam area
Рис. 3. Структурная колонка отбуренных шпуров
1 - монолитная порода; 3 -переслаивающаяся порода; 4 - трещиноватая порода; 5-трещиноватая порода, с изливом воды; 6 -интенсивно трещиноватая порода Fig. 3. Structural column of drilled holes 1 - monolithic rock; 3 - interchangeable breed; 4 - fissured rock; 5 - fissured rock, with a spout of water; 6 - intensely fractured rock
к нарушению устойчивости выработок.
К примеру, на шахте «Талдинская Западная 1» в параллельном штреке 66-09 произошло обрушение кровли, длина обвала составила 17,4 м, деформация элементов крепи 6,4 м (рис. 2). Параллельный штрек 66-09 пласта 66 пройден комбайновым способом (ширина 5,2 м, высота 3,3 м, сечение 17,6 м2), крепь: кровля - 6 анкеров типа А20В длиной 2,75 м при помощи 2 полимерных ампул (1000 мм) под «штрипс» с шагом установки 0,8 м с перетяжкой металлической решетчатой затяжкой; бока - 3 анкера типа А20В длиной 1,8 м при помощи полимерной ампулы (1000 мм) под металлические шайбы 300х300 мм с шагом установки 0,8 м с перетяжкой полимерной сеткой СПЭШ.
В кровле параллельного штрека было отбурено 2 шпура диаметром 30 мм. Шпур №1 отбурен в кровле выработки глубиной 6,9 м в месте заложения ПК82 в двух метрах в сторону от завала. Шпур №2 отбурен в кровле выработки глубиной 7 м в месте заложения ПК82 в шести метрах в сторону от завала. Оба шпура были обследованы видеоэндоскопом. Сравнение и анализ шпуров №1 и №2 (рис. 3) позволяет предположить, что прекращение обвала кровли связано с залеганием монолитных пород на уровне 0,26-1,09 м.
Однако возможности применения
видеосъемки в текущих условиях проведения работ реализованы не полностью. Основываясь на полученных данных, невозможно оценить устойчивость кровли, опираясь только на анализ трещиноватости поверхности шпура. Для полноценной оценки необходимо
систематизировать получение данных в режиме реального времени. В целях получения систематизированной информации необходимо в месте проведения замера пробурить сетку из 3 скважин с межскважинным расстоянием 5м.
В зависимости от условий изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) массива вокруг выработки в различные периоды (до начала влияния опорного давления лавы, в зоне влияния опорного давления, в зоне остаточного опорного давления, в зоне опорного давления второй лавы) проводить повторные съемки видеоэндоскопом по мере подвигания очистного забоя.
Получение и сравнение видеоизображений в различные периоды поддержания выработки, а также численная оценка НДС массива в рассматриваемые периоды позволит для конкретных условий разработать критерии обеспечения устойчивости выработок для последующего использования в системах мониторинга состояния выработок в режиме реального времени.
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Видеосъемка поверхности стенок шпуров видеоэндоскопом позволяет достоверно оценить состояние пород кровли для последующей оценки устойчивости выработок;
2. Недостатком существующей практики
применения видеоэндоскопов является отсутствие системных наблюдений с формированием соответствующей базы данных. Результаты проводимых исследований используют для оценки состояния выработки на рассматриваемом участке «здесь и сейчас», как правило, без повторных исследований в другие периоды поддержания выработок;
3. Горно-геологические условия залегания угольных месторождений позволяют для конкретных условий систематизировать характерные видеоизображения поверхности стенок шпуров, определяющие устойчивость пород кровли выемочных выработок;
4. Для разработки критериев устойчивости выработок в конкретных горно-геологических условиях шахты с целью последующего использования в системах мониторинга состояния выработок в режиме реального времени исследования видеоэндоскопом при отработке первого выемочного участка необходимо производить в разные периоды эксплуатации выработки вплоть до ее погашения, что является одной из задач дальнейших исследований авторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Buddery P., Morton C., Scott D., Owen N., A continuing roof and floor monitoring systems for tailgate roadways // Proceedings of the 18th Coal Operators' Conference, Mining Engineering, University of Wollongong, 7-9 February 2018, pp. 72-81.
2. Lynch R., A continuing roof and floor monitoring systems for tailgate roadways // Proceedings of the 18th Coal Operators' Conference, Mining Engineering, University of Wollongong, 7-9 February 2018, pp. 31-38.
3. Daigle L., Mills K., Experience of monitoring shear movements in the overburden strata around longwall panels // Proceedings of the 17th Coal Operators' Conference, Mining Engineering, University of Wollongong, 810 February 2017, pp.125-137.
4. Кострыкин А.П., Шайдулин К.В., Ушаков Е.Н., Мерзляков П.Е. Обзор применяемых методов контроля эффективности анкерного крепления // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности - 2010. - №2. - С. 207-211.
5. Ануфриев В.Е., Преслер В.Т., Черданцев Н.В. Перспективы развития приборной базы геомеханического мониторинга массива в окрестности выработок при подземной угледобыче // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности - 2011. - №2. - С. 53-60.
6. Казанин О.И., Ютяев Е.П., Ермаков А.Ю. Организация непрерывного контроля за состоянием анкерной крепи горных выработок на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2013. - №4. - С. 253-256.
7. Калинин С.И., Пудов Е.Ю., Кузин Е.Г. Перспективы применения георадиолокации для определения состояния кровли шахтовых выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2015. - №1. - С. 297-299.
8. Бакин В.А., Пудов Е.Ю., Кузин Е.Г., Ремпель К.К. Анализ обследований состояния горных выработок закрепленных анкерной крепью с применением георадара // Горный информационно -аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2015. - №10. - С. 172-177.
9. Бахтин Е.В., Кузьмин С.В., Мешков С.А. Мониторинг структуры пород кровли и состояния крепления капитальных и подготовительных горных выработок на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2015. - №10. -С. 459-470.
10.Иванчин Е.А., Федюков А.А., Борисова Т.А. Оценка устойчивости горных выработок // Известия вузов. Горный журнал - 2014. - №5. - С. 18-22.
11.Г.М. Редькин Показатели структурной раздробленности массивов горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2009. - №12. - С. 219-225.
12.Лабшер Д.Х., Якубек Я. Классификация MRMR для трещиноватых массивов горных пород // Undeground mining methods, 2001. - pp. 475-482.
13.Е.М. Жуков, И.А. Лугинин, Ю.И. Кропотов, К.А. Зырянов, В.В. Басов Оценка влияния трещин на устойчивость пород в кровле подготовительных выработок угольных шахт // Вестник Сибирского государственного индустриального университета - 2015. - №4 (14). - C. 26-30.
14.Жуков Е.М., Кропотов Ю.И., Лугинин И.А,, Полошков С.И. Классификация трещин и расслоений пород кровли по степени опасности с точки зрения возможности обрушения кровли в горных выработках // Молодой ученый - 2016. - №2 (106). - С. 142-146.
15.Луганцев Б.Б. Обеспечение устойчивости подземных горных выработок в трещиноватом породном массиве. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. -Москва, 2001 - 32 с.
REFERENCES
1. Buddery P., Morton C., Scott D., Owen N., A continuing roof and floor monitoring systems for tailgate roadways // Proceedings of the 18th Coal Operators' Conference, Mining Engineering, University of Wollongong, 7-9 February 2018, pp. 72-81.
2. Lynch R., A continuing roof and floor monitoring systems for tailgate roadways // Proceedings of the 18th Coal Operators' Conference, Mining Engineering, University of Wollongong, 7-9 February 2018, pp. 31-38.
3. Daigle L., Mills K., Experience of monitoring shear movements in the overburden strata around longwall panels // Proceedings of the 17th Coal Operators' Conference, Mining Engineering, University of Wollongong, 810 February 2017, pp. 125-137.
4. Kostrykin A.P., Shaydulin K.V., Ushakov E.N., Merzlyakov P.E. Obzor primenyaemykh metodov kontrolya effektivnosti ankernogo krepleniya // Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugol'noy promyshlennosti - 2010. - №2. - pp. 207-211.
5. Anufriev V.E., Presler V.T., Cherdantsev N.V. Perspektivy razvitiya pribornoy bazy geomekhanicheskogo monitoringa massiva v okrestnosti vyrabotok pri podzemnoy ugledobyche // Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugol'noy promyshlennosti - 2011. - №2. - pp. 53-60.
6. Kazanin O.I., Yutyaev E.P., Ermakov A.Yu. Organizatsiya nepreryvnogo kontrolya za sostoyaniem ankernoy krepi gornykh vyrabotok na shakhtakh OAO «SUEK-Kuzbass» // Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten' (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal). - 2013. - №4. - pp. 253-256.
7. Kalinin S.I., Pudov E.Yu., Kuzin E.G. Perspektivy primeneniya georadiolokatsii dlya opredeleniya sostoyaniya krovli shakhtovykh vyrabotok // Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten' (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal). - 2015. - №1. - pp. 297-299.
8. Bakin V.A., Pudov E.Yu., Kuzin E.G., Rempel' K.K. Analiz obsledovaniy sostoyaniya gornykh vyrabotok zakreplennykh ankernoy krep'yu s primeneniem georadara // Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten' (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal). - 2015. - №10. - pp. 172-177.
9. Bakhtin E.V., Kuz'min S.V., Meshkov S.A. Monitoring struktury porod krovli i sostoyaniya krepleniya kapital'nykh i podgotovitel'nykh gornykh vyrabotok na shakhtakh OAO «SUEK-Kuzbass» // Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten' (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal). - 2015. - №10. - pp. 459-470.
10. Ivanchin E.A., Fedyukov A.A., Borisova T.A. Otsenka ustoychivosti gornykh vyrabotok // Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal - 2014. - №5. - pp. 18-22.
11. G.M. Red'kin Pokazateli strukturnoy razdroblennosti massivov gornykh porod // Gornyy informatsionno -analiticheskiy byulleten' (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal). - 2009. - №12. - pp. 219-225.
12. Labsher D.Kh., Yakubek Ya. Klassifikatsiya MRMR dlya treshchinovatykh massivov gornykh porod // Undeground mining methods, 2001. - pp. 475-482.
13. E.M. Zhukov, I.A. Luginin, Yu.I. Kropotov, K.A. Zyryanov, V.V. Basov Otsenka vliyaniya treshchin na ustoychivost' porod v krovle podgotovitel'nykh vyrabotok ugol'nykh shakht // Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo industrial'nogo universiteta - 2015. - №4 (14). - pp. 26-30.
14. Zhukov E.M., Kropotov Yu.I., Luginin I.A,, Poloshkov S.I. Klassifikatsiya treshchin i rassloeniy porod krovli po stepeni opasnosti s tochki zreniya vozmozhnosti obrusheniya krovli v gornykh vyrabotkakh // Molodoy uchenyy - 2016. - №2 (106). - pp. 142-146.
15. Lugantsev B.B. Obespechenie ustoychivosti podzemnykh gornykh vyrabotok v treshchinovatom porodnom massive. Avtoreferat dissertatsii na soiskanie uchenoy stepeni doktora tekhnicheskikh nauk. - Moskva, 2001 - 32 p.
Поступило в редакцию 16.03.2020 Received 16 March 2020
