CC BY
35
УДК 622.831 © П.В. Гречишкин, В.Ф. Харченко, Е.Ю. Розонов, В.С. Горностаев, С.Ф. Панин, 2019
Повышение эффективности оценки состояния пород кровли выработок с применением различных методов в условиях шахты «Чертинская-Коксовая»
Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-10-42-46 -
ГРЕЧИШКИН П.В.
Канд. техн. наук, Директор
Кемеровского филиала АО «ВНИМИ», 650099, г. Кемерово, Россия, e-mail: kf@vnimi.ru
ХАРЧЕНКО В.Ф.
Директор ООО «ММК-УГОЛЬ», 652607, г. Белово, Россия, e-mail: office@mmk-coal.ru
РОЗОНОВ Е.Ю.
Заместитель директора ООО «ММК-УГОЛЬ», 652607, г. Белово, Россия, e-mail: office@mmk-coal.ru
ГОРНОСТАЕВ В.С.
Главный инженер
шахты «Чертинская Коксовая»
ООО «ММК-УГОЛЬ»,
652607, г. Белово, Россия,
e-mail: gornostaev.vs@mmk-coal.ru
ПАНИН С.ф.
Заведующий Кузбасским сектором АО «ВНИМИ»,
199106, г. Санкт-Петербург, Россия, e-mail: panin6262@mail.ru
В статье рассмотрены различные методы оценки состояния пород кровли горных выработок в условиях шахты «Чертинская-Коксовая». Приведены результаты метода электромагнитного зондирования, геомеханического метода по отбору керна и эндоскопического исследования контрольных скважин. Установлено, что результаты геофизических исследований полностью коррелируют с результатами отбора и испытаний образцов керно-вых проб и видеоэндоскопических исследований скважин в породах кровли в части наличия природных и техногенных трещин, интервалов смены литотипов пород, поверхностей ослабления. Установлено, что применение метода электромагнитного зондирования уже на первом этапе исследований позволяет весьма эффективно выявить характерные участки со сходными условиями либо структурных неоднородностей пород кровли для дальнейшей оценки геомеханическими методами. Отмечено, что совместное применение геофизических и геомеханических методов оценки состояния горного массива существенно повышает оперативность получения достоверной информации о структуре, физико-механических свойствах, трещиноватости и состоянии пород кровли на всем протяжении горных выработок, которая необходима для дальнейшей разработки мероприятий по их поддержанию на проблемных участках. Ключевые слова: геофизические исследования, электромагнитное зондирование, эндоскопическое исследование, геомеханическое состояние пород кровли, показатель структурной неоднородности, литологический состав, зоны ослабления пород кровли.
ВВЕДЕНИЕ
Наличие достоверных данных о структуре, свойствах и состоянии вмещающего массива на различных этапах службы горных выработок важно для выбора адекватных мер по их поддержанию в эксплуатационном состоянии [1, 2, 3]. Отбор и испытания керновых проб, скважин-ные исследования эндоскопом позволяют получить точную информацию о свойствах и структуре пород кровли [4, 5] на локальном участке горной выработки и определенном этапе ее эксплуатации. Однако увеличение коли-
чества прогнозных скважин для отбора керна по трассе выработки данными методами приводит к существенному повышению трудоемкости и стоимости геологического прогноза. По мнению авторов, решение данной проблемы заключается в совместном применении геомеханических и геофизических методов. Такой способ исследования вмещающих порода был весьма эффективно применен на ряде угольных шахт Кузбасса, в том числе и на шахте «Чертинская-Коксовая» при оценке устойчивости горных выработок по пласту 5.
ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОфИЗИЧЕСКИХ
И ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА
На шахте «Чертинская-Коксовая» конвейерный штрек № 555 охранялся податливым целиком мощностью 4-6 м, глубина от поверхности на исследуемом участке ведения горных работ составляла около 600 м. На расстоянии до 80-100 м от очистного забоя в конвейерном штреке № 555 наблюдались негативные проявления горного давления в виде: деформирования контура выработки, пучения почвы, провисов затяжки, деформирования и разрыва опорных элементов, обрыва анкерной крепи, срыва гаек, выдавливания боков, прорывов затяжки боков выработки. Высота и ширина штрека на отдельных участках уменьшались более чем в два раза. Это вызывало необходимость перекрепки вспомогательной выработки, что существенно сказывалось на производительности очистного забоя из-за длительных его простоев.
По геологическому прогнозу непосредственная кровля представлена алевролитом с коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодьяконова / = 3-4, мощностью 7-8 м. При этом была не ясна причина обрывов анкеров первого уровня, так как не может быть создано достаточной нагрузки весом породы в пределах длины анкеров.
Для уточнения свойств и состояния пород кровли исследования проводились при использовании трех методов:
- отбор керна для уточнения прочностных свойств и структуры пород;
- видеоэндоскопические обследования скважин для локализации зон трещиноватости и обводненности;
- оценка состояния участков горного массива с помощью электромагнитного зондирования, позволяющего выявлять напряженные и разгруженные участки массива.
Геофизические исследования методом электромагнитного зондирования были проведены аппаратным комплексом ANGEL-M с высокочастотным генератором. Принцип действия основан на зависимости электропроводности углепородно-го массива от величины напряжений в нем и степени трещиноватости [6, 7, 8, 9, 10].
90 ЛЕГ
На рис. 1 представлены значения показателя состояния массива F в зависимости от расстояния до очистного забоя 555 и глубины зондирования.
Из приведенных на рис. 1 данных следует:
- по значению показателя F (зеленая заливка) отмечается зона разгруженных трещиноватых пород кровли и составляет преимущественно до 2-3 м от кровли штрека;
- значение показателя (желтая заливка) указывает на породы кровли средней трещиноватости;
- значение показателя (красная заливка) соответствует монолитной породе (трещин нет, либо они минимальны, преобладание песчаника), как правило, в напряженном состоянии;
- значения F < 0,1 зафиксированы на расстоянии от очистного забоя до 100 м, где наблюдались наибольшие проявления горного давления.
Из результатов геофизических исследований (см. рис. 1) и визуального обследования выработки были сделаны предварительные выводы:
- зона влияния от очистного забоя 555 достигает 100 м (показатель F < 0,1);
- мощность непосредственной кровли преимущественно составляет до 3 м, выше залегают более прочные и менее трещиноватые породы, которые могут зависать в выработанном пространстве действующего забоя и ранее отработанного столба № 56;
- зависание основной кровли приводит к разрушению пород непосредственной кровли и их «выдавливанию» в конвейерный штрек № 555.
Для проверки этих выводов были выполнены керно-вое бурение и эндоскопические исследования скважин. Особый интерес представляли участки конвейерного штрека в районе ПК 86 и ПК 83, так как там наблюдалась смена разгруженных/трещиноватых пород кровли более монолитными и напряженными, глубже - снова трещиноватыми.
Места отбора кернов и эндоскопических исследований представлены на схеме выполнения измерений (рис. 2).
Результаты геофизических исследований (см. рис. 1) сопоставлялись с результатами выхода керна (рис. 3), испыта-
Кроаля
0,!s ftjtl L Й 0,16 ft5Q ftj? Ui (№1
asi 0Д7 ЛЕЗ ftli ftSl щз ftti 0.S9 0,16
0,15 ИЛ as '1,15 flu07 457 <3,67 0,11 017
да a 13 ftsl fluos 0,4} o.?o ai3
040 0,35 ftJS fttt ft 19 ft« 0.1! out?
с.12 ClSi ftSJ Vi ft32 ftli 0i>l ftio
ais ft47 it« ода ftG4 ftiS 0,13 0,11
0,15 о,и ft77 ftSl 103 OjflZ CU15
а.к 1 AC, dm 0,55 ft97 fteo 1,15 us
a so сдо us Ш 0£7 1,07 1,82 U? 1.31
Г1КМ ИКЫНЯ ГЖЙ5 Целина пннотда
Рис. 1. Значения показателя состояния массива F в зависимости от расстояния до очистного забоя 555 и глубины зондирования Fig. 1. The values of the state indicator of the array F depending on the distance to the face 555 and the depth of sounding
Рис. 2. Схема выполнения измерений Fig. 2. Measurement scheme
Рис. 3. Образцы пород кровли конвейерного штрека № 555 (ПК86+10) Fig. 3. Samples of rocks of the roof of the conveyor drift No. 555 (PC 86+10)
ний керновых проб (см. таблицу), видеоэндоскопических исследований скважин в кровле.
Из рис. 3 следует, что выход первых 2,5 м керна на ПК 86+10 представлен дробленым алевролитом, далее до 5 м залегают слои более прочного и монолитного алевролита и песчаника, после 5 м начинается менее прочный песчаник, ослабленный прослоями углистых веществ (см. таблицу), что полностью соответствует результатам электромагнитного зондирования (см. рис. 1).
Видеоэндоскопические исследования скважин, пробуренных в кровлю, на ПК 83+10 м позволили выявить участки трещиноватых пород на следующих глубинах: 0,22-0,58 м - система раскрывшихся трещин; 0,41 м - расслоение, зона ослабления пород; 1,38 м -расслоение; 2,19 м - каверна, зона ослабления пород; 2,33 м - система трещин; 4,40-5,01 м - каверны, участки трещиноватых пород; 6,09-6,21 м - каверны, участки трещиноватых пород.
Некоторые участки на рушения сплошности пород кровли (ПК 83+10) представлены на рис. 4.
Совмещенные результаты исследований методом электромагнитного зондирования (параметр Г, см. рис. 1), отбо-
Рис. 4. Зоны ослабления пород кровли Fig. 4. Roof weakening zones
■1 ■ I i m I i
90 ЛЕГ
Прочностные характеристики пород кровли конвейерного штрека № 555
Интервал, м Характеристика пород
ПК 86+10
0-2,5 Алевролит мелкозернистый, темно-серого цвета, трещиноватый, перемятый (/= 3,7-6,2)
2,5-5,0 Переслаивание алевролита мелкозернистого с песчаником (/ = 3,4-7,7)
5,0-6,0 Песчаник с включением остатков растительного детрита (/ = 4,4-4,5)
ПК 83+10
0-2,0 Алевролит мелкозернистый темно-серого цвета. Преимущественно переслаивание алевролита и песчаника (/ = 3,4-4,8)
2,0-2,5 Песчаник (/ = 5,2)
2,5-3,5 Переслаивание алевролита мелкозернистого и песчаника (/ = 2,4-4,8)
3,5-4,0 Песчаник (/ = 4,6)
ра и испытания керновых проб, эндоскопического исследования скважин приведены на рис. 5.
На рис. 5 видно, что по величине показателя ^ > 0,9 интервалы совпадают с участками смены литотипов пород по результатам кернового бурения, наличия расслоений, зон дробления, согласно эндоскопические исследования скважин. Величине показателя 0,35 < ^ < 0,9 соответствуют интервалы с поверхностями ослабления в виде остатков растительного детрита, природными нераскрытыми трещинами, ^ < 0,35 - интервалы, представленные монолитными песчаниками, переслаиванием песчаника и алевтолитов без трещин.
ВЫВОДЫ
Результаты геофизических исследований полностью коррелируют с результатами отбора и испытаний образцов керновых проб и видеоэндоскопических исследований скважин в породах кровли в части наличия природных и техногенных трещин, интервалов смены литотипов пород, поверхностей ослабления.
Первичные исследования методом электромагнитного зондирования позволяют выявить характерные участки со сходными условиями либо структурных неоднородностей пород кровли для дальнейшей оценки геомеханическими методами.
Совместное применение перечисленных геофизических и геомеханических методов существенно повышает оперативность получения достоверной информации о структуре, физико-механических свойствах, трещиноватости и состоянии пород кровли на всем протяжении горных выработок, которая необходима для дальнейшей разработки мероприятий по их поддержанию на характерных участках.
трещиноватые породы
Рис. 5. Структурные колонки по результатом отбора керновых проб, эндоскопии скважин и электромагнитного зондирования на участках конвейерного штрека № 555: а - ПК 83+10; б - ПК 86+10 Fig. 5. Structural columns based on the results of core sampling, well endoscopy and electromagnetic sounding in areas of conveyor drift No. 555: a - PC 83+10; b - PC 86+10
Список литературы
1. Bieniawski Z.T. Strata Control in Mineral Engineering. New York: Wiley, 1987. 212 p.
2. Molinda G., Mark C. Coal Mine Roof Rating (CMRR): A practical rock mass classification for coal mines. Information circular / Bureau of Mines, Pittsburgh, PA (United States): Pittsburgh Research Center, 1994. 83 p.
3. Loubscher D.H. Design aspects and effectiveness of support systems in different mining conditions // Trans. Instn Min. Metall. (Sect. A). Apr. 1984. Vol. 93. А70-А82.
4. Гречишкин П.В., Хаймин А.В., По-золотин А.С. Особенности технического аудита подготовительных выработок угольных шахт, закрепленных анкерной крепью // Уголь. 2013. № 8. С. 89-91. URL: http://www.ugolinfo. ru/Free/082013.pdf (дата обращения: 15.09.2019).
5. Применение современных технических средств мониторинга для оценки соответствия проектных параметров анкерной крепи изменяющимся условиям проведения подземных выработок / А.В. Рогачков, А.С. Позолотин, В.Ф. Исамбетов и др. // Уголь. 2012. № 12. С. 38-41. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/122012. pdf (дата обращения: 15.09.2019).
6. Методические указания по прогнозу удароопасности и оценке состояния участков угольных пластов, контролю эффективности профилактических мероприятий при помощи геофизической аппаратуры типа АЭШ-1. СПб., 2012. 30 с.
7. Методические указания по созданию систем контроля состояния горного массива и прогноза горных ударов как элементов многофункциональной системы безопасности угольных шахт. СПб.: ВНИМИ, 2012.
■1 ■ 1 i I H 1 i
8. Техническое описание и инструкция по эксплуатации аппаратуры электрометрической шахтной АЭШ-1. Л.: ВНИМИ, 1988.
9. Инструкция по замеру прибором АНГЕЛ с применением различных методов выявления аномалий напряженного состояния в краевой части угольного пласта. СПб.: ВНИМИ, 2013.
10. Combination of geophysical prospecting techniques into areas of high protection value: Identification of shallow volcanic structures / DavidGómez-Ortiza, Fuensanta G. Montesinos, Tomás Martín-Crespo, Mercedes Solla, José Arnoso, Emilio Vélez // Journal of Applied Geophysics. October 2014. Vol. 109. P. 15-26.
SUBSOIL USE
UDC 622.831 © P.V. Grechishkin, V.F. Kharchenko, E.Yu. Rozonov, V.S. Gornostaev, S.F. Panin, 2019 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 10, pp. 42-46 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-10-42-46
Title
IMPROVING THE EFFICIENCY OF ASSESSING THE CONDITION OF ROOFING ROCK FORMATIONS USING VARIOUS METHODS IN THE CONDITIONS OF THE "CHERTINSKAYA-KOKSOVAYA" MINE
Authors
Grechishkin P.V.1, Kharchenko V.F.2, Rozonov E.Yu.2, Gornostaev V.S.3, Panin S.F.4
1 "Research Institute of Mining Geomechanics and Mine Surveying - the Intersectoral Research Center VNIMI" JSC, Kemerovo branch, Kemerovo, 650099, Russian Federation
2 "MMK-COAL" LLC, Belovo, 652607, Russian Federation
3 "Chertinskaya-Koksovaya" mine of "MMK-COAL" LLC, Belovo, 652607, Russian Federation
4 "Research Institute of Mining Geomechanics and Mine Surveying - the Intersectoral Research Center VNIMI" JSC, Saint-Petersburg, 199106, Russian Federation
Authors' Information
Grechishkin P.V., PhD (Engineering), Director, e-mail: kf@vnimi.ru Kharchenko V.F., Director, e-mail: office@mmk-coal.ru Rozonov E.Yu., Deputy Director, e-mail: office@mmk-coal.ru Gornostaev V.S., Chief Engineer, e-mail: gornostaev.vs@mmk-coal.ru Panin S.F., Head of Kuzbass Sector, e-mail: panin6262@mail.ru
Abstract
The paper touches upon the various methods for assessing the condition of rocks of the roof of mine workings in the conditions of the "Chertinskaya-Koksovaya" mine. The results of the method of electromagnetic sounding, geomechanical method for coring and endoscopic examination of control wells are presented. It was found that the results of geophysical studies are fully correlated with the results of sampling and testing of core samples and video endoscopic studies of wells in the rocks of the roof regarding the presence of natural and man-made cracks, intervals of lithotypes of rocks, and weakening surfaces. It is shown that the application of the method of electromagnetic sounding already at the first stage of research makes it possible to very effectively identify characteristic areas with similar conditions, or structural heterogeneities of roof rocks for further assessment by geomechanical methods. It is noted that the combined use of geophysical and geomechanical methods for assessing the state of the rock mass significantly increases the efficiency of obtaining reliable information on the structure, physicomechanical properties, fracture and condition of roof rocks throughout the mine workings, which is necessary for the further development of measures to maintain them in problem areas.
Keywords
Geophysical studies, Electromagnetic sounding, Endoscopic research, The geomechanical state of roof rocks, Indicator of structural heterogeneity, Lithological composition, Zones of weakening of roof rocks.
References
1. Bieniawski Z.T. Strata Control in Mineral Engineering. New York, Wiley, 1987, 212 p.
2. Molinda G., Mark C. Coal Mine Roof Rating (CMRR): A practical rock mass classification for coal mines. Information circular. Bureau of Mines, Pittsburgh, PA (United States), Pittsburgh Research Center, 1994, 83 p.
3. Loubscher D.H. Design aspects and effectiveness of support systems in different mining conditions. Trans. Instn Min. Metall. (Sect. A), Apr. 1984, Vol. 93, pp. A70-A82.
4. Grechishkin P.V., Khaymin A.V., Pozolotin A.S., Rogachkov A.V. & Razu-mov E.A. Osobennosti tekhnicheskogo audita podgotovitel'nyh vyrabotok ugol'nyh shaht, zakreplennyh ankernoy krepyu [Particularities of technical audit in bolted coal mine development workings]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2013, No. 8, pp. 89-91. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/082013.pdf (accessed 15.09.2019). (In Russ.).
5. Rogachkov A.V., Pozolotin A.S., Isambetov V.F. & Muravsky P.I. Primenenie sovremennyh tekhnicheskih sredstv monitoringa dlya ocenki sootvetstviya proektnyh parametrov ankernoy krepi izmenyayushchimsya usloviyam provedeniya podzemnyh vyrabotok [Use of modern technical monitoring means to ensure the bolting design parameters meet the changing underground working conditions]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2012, No. 12, pp. 38-41. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/122012.pdf (accessed 15.09.2019). (In Russ.).
6. Metodicheskiye ukazaniya po prognozu udaroopasnosti i otsenke sostoy-aniya uchastkov ugol'nykh plastov, kontrolyu effektivnosti profilakticheskikh meropriyatiy pri pomoshchi geofizicheskoy apparatury tipa AESH-1 [Guidelines for predicting impact hazard and assessing the condition of sections of coal seams, monitoring the effectiveness of preventive measures using geophysical equipment such as AES-1]. St. Petersburg, 2012, 30 p. (In Russ.).
7. Metodicheskiye ukazaniya po sozdaniyu sistem kontrolya sostoyaniya gornogo massiva i prognoza gornykh udarov kak elementov mnogofunktsional'noysis-temy bezopasnosti ugol'nykh shakht [Guidelines for the creation of systems for monitoring the state of the massif and forecasting mountain impacts as elements of a multifunctional coal mine safety system]. St. Petersburg, VNIMI Publ., 2012. (In Russ.).
8. Tekhnicheskoye opisaniye i instruktsiya po ekspluatatsii apparatury elektro-metricheskoy shakhtnoy AESH-1 [Technical description and instruction manual for electrometric mine equipment AESH-1]. Leningrag, VNIMI Publ., 1988. (In Russ.).
9. Instruktsiya po zameru priborom ANGEL s primeneniyem razlichnykh me-todov vyyavleniya anomaliy napryazhennogo sostoyaniya v krayevoy chasti ugol'nogo plasta [Instructions for measuring with the ANGEL device using various methods for detecting stress anomalies in the edge of a coal seam]. St. Petersburg, VNIMI Publ., 2013. (In Russ.).
10. DavidGómez-Ortiza, Fuensanta G. Montesinos, Tomás Martín-Crespo, Mercedes Solla, José Arnoso & Emilio Vélez Combination of geophysical prospecting techniques into areas of high protection value: Identification of shallow volcanic structures. Journal of Applied Geophysics, October 2014, Vol. 109, pp. 15-26.
Received September 05,2019
