CC BY
32
© A.C. Вознесенский, В.Л. Шкуратник, B.B. Набатов, Я.О. Куткин, 2012
УДК 622.831
A.C. Вознесенский, В.П. Шкуратник, В.В. Набатов, Я.О. Куткин
ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ МАССИВА ПОРОД ВОКРУГ ВЫРАБОТОК ПО РЕЗУЛЬТАТАМ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПРИКОНТУРНОЙ ОБЛАСТИ
Описано применение пассивных измерений электромагнитной эмиссии в шпурах для оценки нарушенности целиков месторождения гипса. Интерпретация каро-тажныгх кривых производится с помощью компьютерного моделирования методом конечных элементов. Даны примеры результатов моделирования, результатов каротажа, а также примеры их интерпретации
Ключевые слова: оценка устойчивости массива горных пород, целики, месторождения гипса, приконтурный массив, электромагнитная эмиссия, каротаж, интерпретация результатов, компьютерное моделирование, метод конечных элементов.
Контроль и прогноз устойчивости конструктивных элементов систем разработки полезных ископаемых являются одной из приоритетных зада горной геофизики. В частности, в подземных условиях важнейшими из таких элементов являются целики и выработки различного назначения. Оценка их устойчивости возможна на основе мониторинга пространственно-временной динамики напряжённо-деформированного состояния (НДС) областей массива, находящихся на различной глубине относительно его обнажения. Так приконтурная область под влиянием техногенных воздействий и последующей разгрузки характеризуется наибольшей нарушенностью и, соответственно, наименьшей несущей способностью и уровнем напряжений. Далее, по мере удаления от контура степень повреждённости геосреды уменьшается, а уровень напряжений возрастает, достигая своего максимума в зоне опорного давления. За этой зоной напряжения
постепенно спадают до значений, характерных для естественного состояния массива, то есть до прохождения в нём выработок.
Наличие указанных выше зон распределения напряжений и отсутствие их пространственно-временной динамики свидетельствует об устойчивости целиков и выработок. В противном случае можно говорить о протекании в приконтурном массиве деструктивных процессов, которые, в конечном счете, способны привести к потере устойчивости.
При рассмотрении напряженно-деформированного состояния массива пород в приконтурной области подземных выработок следует учитывать ее нарушенность. От поверхности выработки до некоторой глубины находится зона неупругих деформаций. Трещины здесь возникают как при проведении выработок, так и под влиянием горного давления и других факторов. В [1], в частности, отмечается, что на месторождениях угля зона неупругих деформаций
располагается от поверхности обнажения до глубин, имеющих значение от 1,5—3,0 м до 6-15 м в зависимости от вида напряженно-деформированного состояния массива пород. Возникновение трещин приводит к изменению распределения горного давления, которое необходимо учитывать при интерпретации результатов геофизических измерений в стенках выработок.
Влияние трещин на свойства пород может быть учтено изменением модуля упругости, увеличение размеров и концентрации трещин приводит к соответствующему уменьшению модуля упругости. Значение модуля упругости Е (х, у) в точке М (х, у) в зависимости от декартовых координат х, у вокруг горизонтальной цилиндрической выработки (рис. 1) зададим функцией Е(х, у) = Е0 х
1 - ехр ,1 (\х ( 2 ГМ . 1
х - — - СОЭ( +
а| и У 1 го )
1
/ у Ч > ч
у*?
\ ч ^ ч ^ / /
М(х,у)
В
(1)
где х, у — декартовы координаты, центр которых совпадает с центром выработки, Е0 — значение модуля упругости в нетронутом массиве, г0 — радиус выработки, а — коэффициент скорости изменения е(х,у) с
глубиной, (р = атш%\у-ус|/х , ус, —
глубина центра выработки от поверхности.
На рис. 1 также показан контур выработки квадратного сечения, соответствующий реальным выработкам на рудных месторождениях. Например, ширина и высота камер на Новомосковском месторождении гипса равна 10 м. На рис. 2 показана зависимость изменения модуля упругости
Рис. 1. Выработки круглого (1) и квадратного (2) сечения
в краевой зоне массива пород вдоль линии на высоте 1,5...2,0 м от почвы выработки при неизменном значении Е= 35 ГПа и значениях коэффициента а, составляющих 0,05 и 0,1 при расположении выработки на глубине 160 м от поверхности. Этим значениям а соответствуют размеры зоны неупругих деформаций 1,0 и 2,5 м.
Для оценки влияния модуля упругости на положение областей повышенного давления, в которых наиболее вероятно появление акустической эмиссии, проведен расчет распределения напряжений сдвига, результаты которого представлены на рис. 3. Здесь показаны изолинии напряжений сдвига аху
по отношению к величине гидростатического давления а0 = р (ус - у), где р— плотность пород, д — ускорение свободного падения, (ус - у) — глубина от поверхности.
Не производя подробного анализа представленных результатов расчета, отметим, что разница в распределении напряжений наблюдается только в области, непосредственно прилегающей к выработке.
Рассмотрим теперь распределение напряжений ахх , ауу, аху и деформаций объема от поверхности обна жения
1
2
2
Рис. 3. Распределение изолиний относительных сдвиговых напряжений 30
вокруг выработки квадратного сечения со стороной 10 м при неизменном значении Е = 35 ГПа (а) и при изменяющемся значении Е с коэффициентом а = 0,1 (б), проведенных на различных уровнях от 0 до ±1
Е, ГПа
36
сдвиговых напряжений з . Графики
34
32
30
28
0
1
2
3
4 х, м
относительной величины
(ху/ (0
Рис. 2. Изменение модуля упругости Е в краевой части массива пород при неизменном значении Е = 35 ГПа и различных значениях коэффициента а
вглубь вдоль горизонтальной линии АВ на рис. 1, вдоль которой на практике чаще всего проводятся скважин-ные измерения акустической эмиссии. Для удобства проанализируем графики отношений этих величин к величине гидростатического давления з0 на заданной глубине 160 м, представляющих собой коэффициент концентрации напряжений.
В стенке выработки квадратного сечения горизонтальные напряжения (хх (рис. 4, а) не имеют экстремума, влияние на них уменьшения модуля упругости в краевой зоне хотя и заметно, но не существенно. В то же время вертикальные напряжения зуу
(рис. 4, б) имеют максимум, отчетливо сдвигающийся вглубь от 0,3 до 0,6 м по мере расширения зоны трещино-ватости и уменьшения модуля упругости в краевой области.
С точки зрения определения положения областей возникновения акустической эмиссии и электромагнитного излучения большой интерес представляет область максимальных
зависимости от глубины х при различном характере изменения модуля упругости приведены на рис. 5, а. Здесь обращает на себя внимание перемещение положения максимума сдвиговых напряжений к контуру выработки от 1,6 до 1,3 м по мере уменьшения модуля упругости в краевой зоне. Кроме того на рис. 5, б представлены графики объемных деформаций еу =£уу - 2ех , их максимум находится на расстоянии 0,250,3 м. В этой области можно ожидать пониженного уровня акустической эмиссии, поскольку порода сжата со всех сторон и ее объем минимален.
Подытоживая эти результаты, можно предположить, что по мере удаления от контура выработки вглубь, до глубины 0,2-0,3 м можно ожидать АЭ, вызванную трением берегов трещин, затем пониженный уровень АЭ и ЭМИ на глубинах 0,2-0,4 м. В диапазоне глубин 1,3-1,6 м — повышенный уровень АЭ и ЭМИ, который будет уменьшаться при дальнейшем движении вглубь.
Эти результаты позволяют сделать предположения о расположении областей источников акустической эмиссии (АЭ) и электромагнитного излучения (ЭМИ). Заметим, что АЭ может возникать как при образовании и прорастании трещин, так и при трении берегов трещин. В отличие от нее ЭМИ возникает при образовании и прорастании трещин, а трение берегов трещин не вызывает ее значительного уровня.
Полученные теоретические графики и результаты их анализа иллюстрируют положение экстремальных зна-
в
а)
0хх /°0
0.3
0.2
0.1
— -•—
2
0 12 3 4
б)
°уу 00
0
1
2
3
4
0ху/С
х, м
»-у
3х10 2.5х10 2х10 1.5х10 1х10
- 4
- 4
-4
-4
Рис. 4. Зависимости величины относительных горизонтальных о ^^ ¡00 и вертикальных о^! о0 напряжений от
расстояния х от поверхности обнажения в стенке выработки квадратного сечения при неизменном значении модуля упругости Е=35 ГПа (1) и при его изменении со значениями коэффициента а = 0,05 (2) и 0,1 (3)
чений напряжений и деформаций в однородном изотропном массиве. В реальном же массиве пород картина может быть гораздо сложнее, изменение
Рис. 5. Графики относительных напряжений сдвига оху /оо и объемных
деформаций £у в зависимости от глубины х (пояснения на рис. 4 и в тексте)
трещиноватости может быть немонотонным, а положение источников акустической эмиссии локализованным в нескольких областях или распределенным в пространстве.
По результатам проведённого компьютерного моделирования можно сделать вывод о том что зона трещи-нообразования, которую можно выявлять по максимуму пиковых амплитуд ЭМИ должна находиться за зоной опорного давления. Т.е. зона опорного давления должна предварять мак-
0
1
2
3
4
х, м
0
1
2
3
4
х
х, 5м
26,4 26,2 26,0 25,8 25,6
СО 25,4
5
^ 25,2 2
«Т 25,0 24,8 24,6 24,4 24,2 24,0
23,0
0,5 0,8 1,1 1,4 1,7 2,0 2,3 2,6 2,9 3,2 3,5 3,8
И, м
,7 2,0 2,3 2,6 2,9 3,2 3,5
И, м
Рис. 6. Каротажные диаграммы в координатах пиковые амплитуды ЭМИ (Аэми) -глубина зонда в шпуре (И): а, б - камеры отработаны в 2004 г; в, г - камеры отработаны в 1970 г; д, е - камеры отработаны в 1961 г.
симум на каротажной кривой пиковых амплитуд ЭМИ.
Мониторинг НДС геосреды в окрестностях выработанного пространства можно осуществлять, например, путём периодического измерения скорости распространения ультразвуковых сигналов Ср на уча-
стках массива, расположенных на различных глубинах Н между двумя параллельными скважинами [2]. При этом полученная зависимость Ср = / (Н, будет качественно совпадать с искомой зависимостью напряжений а от глубины Н и времени t.
28,0
27,5
27,0
26,5
26,0
25,5
25,0
23,8
23,6
23,4
23,2
22,8
22,6
22,4
В то же время низкая информативность параметра и его зависимость от ряда помеховых факторов делает актуальной решение задачи оценки пространственно-временной динамики НДС на основе пассивных измерений параметров электромагнитной эмиссии (ЭМИ).
Исследования возможности использования параметров ЭМИ для оценки пространственно-временной динамики НДС производились на Новомосковском гипсовом руднике в шпурах, пробуренных в целиках. Исследования ЭМИ обычно сопряжены со сложностями, которые возникают из-за электромагнитных помех. Так еще при проведении лабораторных исследований по регистрации ЭМИ от нагружаемых гипсовых образцов [3] авторам пришлось столкнуться с проблемой наводок от окружающего оборудования. Однако для условий шахтных измерений ситуация оказалась проще. Даже при измерениях электромагнитного излучения рядом с целиками, проводившихся еще до описываемых в этой статье исследований [4], была установлена взаимосвязь между внешними наблюдаемыми нарушениями целика и уровнем ЭМИ. Также была установлена закономерность изменения уровня ЭМИ, усредненного по длине целика, от его возраста. То, что принималось именно излучение из целика, подтверждалось спецификой применявшейся методики, которая включала в себя множественные измерения с изменяющимся взаимным расположением целика и максимумов диаграммы направленности антенны (см. [5]). При измерениях же в шпурах стоило надеяться еще и на экранирующее воздействие массива горных пород.
Измерения проводились в очистных выработках Новомосковского гипсового рудника в ленточных целиках панелей №6 (горные выработки пройдены в 1961 г.), №7 (горные выработки пройдены в 1970 г.) и №13 (горные выработки пройдены в 2004 г.). Диаметр шпуров — 50 мм; длина шпуров — 4 м; высота от почвы выработки — 1,5 м. В каждом целике было выбурено по три шпура (два с краю, один в середине). С целью уменьшения уровня промышленных электрических помех в местах проведения измерений выбирались камеры без проводов освещения и электрических силовых кабелей.
Для приема и измерения параметров ЭМИ использовался измерительный комплекс «Ангел», а также подключаемый к нему скважинный электромагнитный антенный зонд. Измерения в шпурах производились с шагом 10 см. Измеряемым параметром были пиковые амплитуды (среднее значение амплитуд превысивших порог за некоторый отрезок времени) ЭМИ. На рис. 6 представлены наиболее характерные результаты измерений с электромагнитным зондом. Тонкая линия — кусочно-линейчатая аппроксимация, толстая линия — аппроксимация полиномами с учётом влияния значений экспериментальных точек на полиноминальные коэффициенты через взвешенные наименьшие квадраты.
Здесь возникает проблема интерпретации получаемых данных. Задача контроля состояния целиков требует определения расположения зон опорного давления в целиках (при измерениях через промежутки времени это даст возможность следить за развитием процессов разрушения). Однако на рис. 6 видны
лишь пики и впадины графиков пиковых амплитуд ЭМИ, т.е. до интерпретации результатов нужно принять решение о том как соотносятся зоны опорного давления и пики (либо впадины) графиков пиковых амплитуд ЭМИ. Основанием для такого решения могут быть результаты моделирования.
Теперь приведем примеры интерпретации каротажных кривых, представленных на рис. 6.
Каротажные кривые рис. 6, а, г — это типичная ситуация с одним максимумом, приближенным к поверхности обнажения. Это говорит о том что зона опорного давления находится вблизи обнажения, а ненарушенная, несущая часть целика имеет достаточно большую площадь, т.е. эти целики стоит оценить как устойчивые.
Каротажные кривые рис. 6, в, л имеют ярко выраженные два пика. Т.е. речь может идти о нескольких зонах опорного давления, располагающихся перед пиками. Это говорит о том, что этот целик разбит на несколько блоков. Также наличие нескольких зон опорного давления может говорить о склонности целика к заколообразованию.
Каротажная кривая рис. 6, б представляет собой промежуточный вариант между примерами с одним пиком (рис. 6, а, г) и с их множеством (рис. 6, в, л). Здесь второй пик просматривается, но слабо выражен. Скорее этот целик стоит рассматривать как устойчивый.
Пример рис. 6, е вообще не имеет выраженных пиков, а слабовы-раженных пиков содержит два. Типичная картина устойчивого целика подразумевает наличие выраженного пика, которые указывает на зону опорного давления, находящуюся перед ним. Потому результаты рис.
6, е можно в определенной степени рассматривать как полностью нарушенный целик, потерявший свою несущую способность — т.е. это целик, всё сечение которого представляет собой нарушенную зону, а зону опорного давления и несущую, ненарушенную часть целика можно найти только в самом его центре.
Отдельно стоит обратить внимание на возраст целиков, в которых были сняты каротажные диаграммы рис. 6. Возраст целиков рис. 6, а, б — несколько лет. Они оценены как устойчивые. Возраст целиков рис. 6, в, г — 40 лет. Один целик оценён как устойчивый, один как неустойчивый. Возраст целиков рис. 6, д, е — 50 лет. Оба целика оценены как неустойчивые. Причём форма обеих каротажные диаграмм представляет собой ярко выраженные случаи. Т.е. либо просматриваются несколько очень ярко выраженных пиков (сравните со слабо выраженным пиком рис. 6, б), либо пики отсутствуют вообще. Другими словами — просматривается естественная тенденция — чем старше целики, тем чаще встречаются каротажные кривые, указывающие на их нарушенность.
Таким образом, можно сделать вывод, что с помощью изучения распределения значений амплитуд ЭМИ вдоль по шпуру можно получать оценки пространственного распределения зон активного тре-щинообразования и опорного давления. По распределению этих зон по сечению целика можно давать заключения о его устойчивости. А если эти исследования производить через некоторые промежутки времени, то можно оценивать и динамику разрушения целика и стенок выработок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Управление состоянием массива горных пород: Учеб. пособ. / С. С. Гребенкин, В. Н. Павлыш, В. Ё. Самойлов, Ю. А. Петренко.- Донецк: ВИК, 2010.- 196 с.
2. Ямщиков В. С. Контроль процессов горного производства. М.:Недра, 1989.- 446 с.
3. Вознесенский А. С., Тамарин Д. В., Набатов В. В., Коновалов Е. Н. Электромагнитное излучение и акустическая эмиссия в гипсе при его деформировании. // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2005, №5. С. 83-86.
4. Вознесенский А.С., Набатов Вяч. В., Набатов Вл. В. Методика оценки напряженно-деформированного состояния массива пород методом регистрации электромагнитного излучения // Известия вузов. Горный журнал. 2004, №5, с. 16-23.
5. Вознесенский А.С., Набатов Вяч. В., Набатов Вл. В. Методика оценки напряженно-деформированного состояния массива пород методом регистрации электромагнитного излучения // Известия вузов. Горный журнал. 2004, №5, с. 16-23.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Вознесенский А. С. — доктор технических наук, профессор, Шкуратник В. Л. — доктор технических наук, профессор, Набатов В. В. — кандидат технических наук, доцент, Куткин Я. О. — аспирант,
Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru
ГОРНАЯ КНИГА-2012
ФЛОТАЦИЯ
Собрание сочинений. Том 7. Флотация. Реагенты-собиратели
Абрамов A.A.
Год: 2012 Страниц: 656 ISBN: 978-5-98672-291-7 UDK: 622.765
Рассмотрены требования теории флотации к реагентам-собирателям и предложена новая гипотеза, обосновывающая необходимый состав адсорбционного слоя собирателя на поверхности флотируемого и депрессируемого минералов. Приведен анализ физико-химических свойств органических соединений, которые могут быть использованы в качестве собирателей, закономерностей их изменения в результате внутри- и межмолекулярных взаимодействий и показаны пути создания собирателей с заданными свойствами, сформулированы принципы конструирования селективных собирателей. Теоретически обоснованы методы совершенствования технологии применения собирателей, обеспечивающие оптимизацию их расхода, повышение селективности и интенсификацию процесса флотации.
А.А. Абрамов — д-р техн. наук, профессор кафедры «Обогащение полезных ископаемых» Московского государственного горного университета.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Обогащение полезных ископаемых» направления подготовки «Горное дело». Может быть использовано научными работниками, инженерами-обогатителями и специалистами в области автоматизации флотационных фабрик при совершенствовании, оптимизации и интенсификации технологических процессов флотационного обогащения минерального сырья.
