CC BY
31
кие динамические проскоки трещин. Акустическая эмиссия и акустоэмиссионный эффект «памяти» в этом случае должны проявляться отчетливо.
В заключение необходимо отметить следующее. Чередование режимов квазистатического и динамического роста, скачкообразное развитие трещин возможно, если в материале имеются дефекты, включения, поры и другие неоднородности на различных масштабных уровнях. В массиве горных пород такая ситуация характерна для большого масштабного диапазона, а для конструкционных материалов справедлива только до определенного масштаба. Для технологический целей конструкционные материалы (металл, бетон) должны быть достаточно
однородны и не должны содержать дефектов больше определенного размера.
Таким образом, если относительно устойчивое подрастание трещин в металлах ограниченно небольшим масштабным интервалом, то в горной породе (массиве горных пород) масштабный интервал чередования квазистатического и динамического роста трещин, в принципе, может простираться от размера зерна до размера блоков земной коры. Отсюда следует, что в геоматериале акустоэмиссионный (сейсмический) эффект «памяти» может наблюдаться при различных масштабах рассмотрения: и в образцах, и в масштабе горных выработок, и в региональном масштабе.
1. Федер Е Фракталы. - М.: Мир, 1991.
2. Гольдштейн P.S., Мосолов A.Б. Трещины с фрактальной поверхностью II ДAH CCCP. - 1997.- Т.319.- □ 4.
3. Иванова В.С., Бала.нкин A.C, Бунин И.Ж., Оксогоев A.A. Синергетика и фракталы в материаловедении. - М.: Наука, 1994.
4. Одинцев В.Н. Отрывное разрушение массива скальных горных пород. - М.: Изд. ИПКОН PAH, 1996.
5. Шкуратник В.Л., Лавров А.В. Эффекты памяти в горных породах. -М.: Изд. Академии горных наук, 1997.
6. Лавров А.В. Закономерности формирования и проявления эффектов памяти в горных породах // Дисс... докт. техн. наук. МГГУ, 2001.
7. Садовский М.А. О распределении размеров твердых отдельностей // ДАН CCCP. - 1983.- Т.2699.- □ 1.
8. Brady B. T, Leighton F. W Seismicity anomaly prior to a moderate rock burst: a case study //Int.J.Rock Mech. Min.Sci. - 1977. -V.14. - P.127.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
9. Родионов В.Н, Сизов И. А., Цветков В.М. Основы геомеханики. -М.:Недра, 1986.
10. Huang Z.H., Tian J.F, Wang Z.G. Comments on some fractal equations // Material Science and Engineering . - 1990. - A128.
11. Плювинаж Г. Механика упруго-пластического разрушения. - М.: Мир, 1993.
12. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. - М. :Наука, 1974.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Одинцев Владимир Николаевич - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ИПКОН PAH. Бунин Игорь Жанович - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИПКОН PAH.
© Т.И. Лазаревич., В.П. Скитович, А.С. Харкевич, 2003
УЛК 622.831
Т.И. Лазаревич., В.П. Скитович, А.С. Харкевич
МЕТОЛИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО ПРОГНОЗА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЦЕЛИКОВ В УСЛОВИЯХ СОКОЛОВСКОГО МЕСТОРОЖЛЕНИЯ
■о^Ьз напряженного состояния угольных целиков 1влжтся актуальным для всех шахт, так как позволяет определить необходимые и достаточные размеры целиков различного назначения, обеспечивающие безопасность ведения горных работ и рациональное использование природных ресурсов. В связи с тем, что теоретические решения данного вопроса пока не дают надежных результатов, нами ис-
пользован экспериментальный метод, позволяющий оценивать напряженное состояние целиков с учетом основных влияющих факторов. Метод базируется на использовании геофизической аппаратуры конструкции ВНИМИ [1].
Для определения основных факторов, от которых зависит устойчивость целиков, использован метод наведенных электромагнитных полей с помощью аппаратуры типа АЭШ-1.
Оценка напряженности и трещиноватости угольного массива в целиках с помощью наведенных электромагнитных полей основана на зависимости электропроводности пород от величины горного давления. Известно, что с ростом напряжений электропроводность большинства пород увеличивается. Создав в окружающих горную выработку породах переменное электромагнитное поле токами высокой
Рис. 1. Оценка напряженного состояния целика, 1996 г.
Рис. 2. Оценка напряженного состояния целика, 1998 г.
Рис. 3. Оценка напряженного состояния целика, 2000 г.
частоты, и изучив его распределение в массиве, можно судить о напряженном состоянии самого массива, выявлять пригруженные, разгруженные и трещиноватые участки и зоны. В основе такой оценки лежит зависимость амплитуды электромагнитного поля от удельной электропроводности горных пород.
Напряженность пласта при этом оценивается по величине параметра р=Ухх/Ууу в плоскости, перпендикулярной оси выработки, и по величине Р=Ухх/У^ - в направлении кровля-почва пласта, где: Ухх ,Ууу ,У22 -амплитуда электромагнитного поля в трех направлениях. Указанным методом измерения проводились в режиме дипольного электромагнитного зондирования (ДЭМЗ). Параметры наведенных электромагнитных полей "РЭ характеризуют напряженное состояние массива, которое зависит от ряда факторов, в том числе от структуры массива, его нарушенность и трещиноватости, типа пород и др. В этой связи указанный метод оценки напряженности массива использовался на шахтах Кузбасса для оценки устойчивости межлавных, барьерных и других целиков [2].
На основе многочисленных исследований установлены критериальные значения показателя напряженности Р при различных состояниях устойчивости целиков. Участки с высокой напряженностью угольных целиков выделялись по критерию Р < 0,10 4 0,20. По значению Р > 1,0 выделялись разгруженные от горного давления участки. На удароопасных пластах при расположении ядра напряженности с показателем Р < 0,10 4 0,20 в пределах защитной зоны складывается удароопасная ситуация. Исследования напряженного состояния целиков проводилось по пласту 52 на шахте П7 Соколовского месторождения, являющегося одним из наиболее перспективных месторождений в Ерунаковском геологоэкономическом районе. По пласту 52 мощностью 4,5 м и углом падения от 10 о до 25о на глубине от 100 до 300 м проводились исследования целиков различных размеров:
• целика между наклонными стволами шириной 30 м;
• межлавного целика переменной ширины от 6 до 20 м между отрабатываемой лавой 5201 и подготавливаемой лавой 5203;
• целика между конвейерным штреком 5203 и вентиляционным штреком 5205 шириной 20 м.
Напряженное состояние целиков оценивалось в различных горнотехнических условиях на длительном временном интервале. Исследования напряженного состояния целиков проводились как в зоне влияния очистных работ, так и вне зоны влияния очистных работ. Пункты зондирования располагались на расстоянии 15 м друг от друга по всей протяженности выработок.
Результаты исследований напряженного состояния в 30 м целике между путевым и конвейерным стволами вне зоны влияния очистных работ, на глу-
бине от 40 до 250 м за период наблюдений с 1996 г по 2001 г представлены на рис. 1-3.
На рис. 1 в изолиниях показателя напряженности "Р" представлены результаты исследований, выполненных в 1996 г в целике между стволами после их проведения.
Из рис. 1 видно, что уровень напряженности угля в целике по показателю "Р" достаточно неоднороден. Значения показателя "Р" изменяются от значений больше 1,0 на расстоянии 1-3 м от бортов выработок, что характеризует разгруженную трещиноватую зону угля до значений меньше 0,10 в центральной части целика, что соответствует высокому уровню напряжений в целике. Сформировавшееся ядро напряженности имеет место на всем протяжении обследованного участка. Повторные наблюдения, выполненные в 1998 г, показали, что со временем произошло разделение области с повышенными напряжениями на 2 обособленные зоны (рис. 2).
Ширина зоны разгруженной от горного давления у бортов стволов осталась без изменений и составляет также 1-3 м.
Следующая оценка напряженного состояния была проведена в 2001 г (рис. 3) и показала, что вблизи устьев стволов (на протяжении до 200 м) произошла полная релаксация напряжений. Протяженных участков повышенных нагрузок уже не существует, отмечаются только лишь отдельные "островки напряженности".
Таким образом, за период с 1996 г по 2001 г произошло перераспределение напряжений в массиве, что вызвало снижение нагрузок в центральной части целика. Результаты исследований в целике между отрабатываемой лавой 5201 и подготавливаемой лавой 5203 представлены на рис.4. Исследуемый участок межлавного целика залегает на глу-
бине 100 - 150 м от поверхности. Межлавный целик в пределах данного участка имеет переменную ширину от 6 до 20 м. Напряженное состояние целика было измерено до начала отработки лавы 5201 и после ее отработки соответственно в 2000 г и в 2001 г.
По результатам наблюдений в целике, имеющем ширину 6 м, установлено что, максимум зоны опорного давления расположен на 2 - 3 м метре от борта вентиляционного штрека 5203 при значении показателя напряженности "Р " меньше 0,15, что указывает на высокий уровень горного давления.
Результатами наблюдений в целике, имеющем ширину 20 м, установлено, что максимальные нагрузки расположены на 10 - 15 м от борта штрека, тое есть перераспределились на центральную часть целика. Таким образом, увеличение ширины межлавного целика с 6 до 20 м значительно улучшило его геомеханическое состояние.
Результаты наблюдений в целике между вентиляционным штреком 5203 и конвейерным штреком
Рис. 4. Оценка напряженного состояния целика между конвейерным штреком 5201 и вентиляционным штреком 5203: а) в 2000 г до начала отработки лавы 5201; б) в 2001 г после отработки лавы 5201.
Рис. 5.. Оценка напряженного состояния целика между конвейерным штреком 5203 и вентиляционным штреком 5205 в 2001 г.
5205 представлены на рис.5. Наблюдения были выполнены на глубине 250-300 м. Ширина межлавного целика на всем его протяжении составляет 20 м. Исследования напряженного состояния целика было выполнено вне зоны влияния очистных работ при проходке штреков.
Из результатов проведенной инструментальной оценки следует, что в 20 м целике при оконтурива-нии его выработками повышенных нагрузок не создается, за исключением призабойной зоны.
При последующем развитии очистных работ в лаве 5203 уровень напряжений в межлавном целике возрастет. Характер распределения напряжений в целике станет более неоднородным, возникнет чередование областей с низким и высоким значением нагрузок, аналогичное полученному в межлавном целике лавы 5201.
Таким образом, на основании проведенных геофизических исследований в целиках различного назначения в различных горнотехнических условиях установлено, что в целиках с течением времени происходит перераспределение напряжений:
• вне зоны влияния очистных работ (в целике у наклонных стволов) происходит релаксация напряжений за период около 3 лет с момента проведения стволов;
• в межлавных целиках характер формирования напряженного ядра зависит не только от временного фактора, а в большей степени от размеров целика.
С учетом установленного факта перераспределения напряжений в целиках и их релаксации, не рекомендуется прорезка целиков размером 30 м выработками до истечения срока 3 лет с момента формирования целика.
При не соблюдении этого условия проведение выработки будет осуществляться по перенапряженному целику, что опасно по проявлению динамических явлений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Временные указания по оценке трещиноватости угля геофизическими методами. Кемерово. Кемеровское Представительство ВНИМИ, 1997. - С.15.
2. Лазаревич Т.И. Оценка устойчивости целиков геофизическими методами//Горная геофизика. СПб.,1998. -С.262-266.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Лазаревич Тамара Ивановна - кандидат технических наук, Кемеровское Представительство Федерального государственного унитарного предприятия (ФГУП) «Государственный научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ», г. Кемерово.
Скитович Владимир Павлович - научный сотрудник, Кемеровское Представительство (ФГУП) «Государственный научноисследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ. Харкевич Андрей Сергеевич - инженер, Кемеровское Представительство (ФГУП) «Государственный научноисследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ».
