CC BY
56
© Ш. Петерс, В.В. Набатов, А.С.
Вознесенский, 2008
УДК 622.023
Ш. Петерс, В.В. Набатов, А. С. Вознесенский
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СКВАЖИННОГО ВИДЕОЗОНДА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
Семинар № 2
Обнаружение и измерение параметров систем трещин, в значительной степени определяющих устойчивость пород вокруг горных выработок, является важной технологической задачей в деле контроля и прогноза геомеханического состояния массива. Для её решения в настоящее время широкое распространение получают такие технические средства наблюдения как скважинные видеозонды различной конструкции и назначения [1, 2]. Такие зонды состоят из видеокамеры с оптической системой, электронного блока, блока питания и датчика перемещения. При съёмке такие зонды перемещаются вдоль оси шпура, при этом происходит запись изображения в память прибора, затем данные переписываются в компьютер, где совмещаются с каротажными диаграммами и геологическим разрезом.
Существует несколько модификаций зондов, среди которых наиболее удобной для съёмки и информативной с точки зрения получаемых данных является модификация с конусным зеркалом [2]. Свет от светодиодов отражается от стенок шпура и попадает на смонтированное соосно зонду конусное зеркало, которое передаёт изображение на находящуюся за зеркалом камеру. В результате получается развёртка - изображение поверхности шпура с обзором 360°.
Существуют определённые методики геометрических измерений пространственных характеристик располагающихся в массиве систем трещин и учёта их влияния на устойчивость массива горных пород.
В данной статье рассматриваются конкретные задачи, решаемые с помощью таких видеозондов при анализе устойчивости массива и выборе параметров анкерного крепления на угольных шахтах Рурской области Германии и других объектах.
1. Задачи, решаемые с помощью скважинного видеозонда
Скважинный видеозонд может найти применение при решении различных задач в ряде областей горного дела, как при подземных работах, так и на поверхности. При подземной добыче в рудниках и угольных шахтах могут быть выделены следующие цели, достижение которых возможно с применением этого прибора:
- автоматизированное документирование состояния массива горных пород;
- определение параметров разделяющих поверхностей;
- литологическое расчленение массива;
- распознавание зон разуплотнения и полостей;
значения трещин
- контроль крепи;
- контроль заполнения заобделочного пространства;
- контроль результатов тампонирования горных пород;
- документирование результатов крепления массива за счёт повторных измерений до и после установки крепи;
- мониторинг устойчивости пород вокруг штреков.
2. Определение структуры разделяющих плоскостей в угольных шахтах
На рис. 1 представлена развёртка внутренней поверхности, полученная при съёмке видеозондом шпура, пробуренного в кровле выработки. Плос-кость трещины на развёрточном изображении в этом случае представляется в виде синусоподобной линии (результат пересечения цилиндра и плоскости трещины). Здесь чётко прослеживаются три трещины, одна из которых почти перпендикулярна шпу-ру (угол падения 10°), другая почти параллельна (угол падения
85°), плоскость третьей трещины идёт под наклоном к шпуру (угол падения 35°). В этом случае трещина №1 будет способствовать отделению пласта кровли, а трещина №3 будет способствовать вывалу породы. Сочетание трещины №3 с трещиной №2, обладающей наибольшим падением из трёх трещин, создаёт ситуацию, при которой наиболее вероятно образование вывала.
На рис. 2 представлена более сложная картина взаимодействия трещин, образовавшихся в различное время. Трещина №1, с падением около 55°, образовалась раньше и не привела к сдвижению породы вдоль своих плоскостей. Трещина №2, почти параллельная кровле выработки, имеет угол падения примерно 10°, образовалась позже и привела к сдвижению пород вдоль своей плос-
кости. Это сдвижение затронуло плоскость трещины №1 и вызвало искажение её синусоподобной линии.
Производя подобный анализ развёртки внутренней поверхности шпура и присутствующих на ней синусоподобных линий можно получить полный набор параметров (азимута, падения, раскрытия) всех трещин, пересекающих шпур. Таким образом, можно получить достаточно полную картину наличествующих в кровле выработки плоскостей разделения и сделать прогноз устойчивости массива. С помощью специально разработанного программного обеспечения "ABS-Com" трещины можно полуавтоматически задокументировать (три щелчка по развёртке в области трещины приводят к аппроксимации её синусоидой) и на основании зафиксированной сети трещин построить трёхмерную картину плоскостей разделения (рис. 3). Данное программное обеспечение также позволяет создавать банки данных по различным скважинам и сравнивать новые данные с полученными ранее.
3. Определение зон разуплотнения и пустот
С помощью видеозондов можно обнаруживать зоны разуплотнения в кровле и стенках выработок. При этом существует возможность устанавливать их
Рис. 3. Построенная по документированным трещинам в программе «ABS-Com» 3D модель распределения плоскостей разделения
параметры: падение, азимут и раскрытие. На рис. 4 представлен пример обнаруженной в кровле зоны разуплотнения. Её можно разделить на две подзоны: зону дробления породы и зону разрыхленной породы. Зону дробления ограничивают два борта, для каждого из которых получены параметры азимута и падения. Оба параметра могут быть представлены в виде обозначения, представленного на рис. 4. Здесь более длинная линия обозначает азимут - угол между линией и направлением на условный север. Более короткая линия указывает на угол падения, значение которого указано цифрой.
На рис. 5 представлена открытая поверхность раздела, образовавшаяся в результате отслоения обделки от пород кровли. Данное нарушение грозит неравномерным распределением нагрузки в породах кровли, что может привести к разрушению, как пород кровли, так и материала обделки. Подобные пустоты могут заполняться водой, что может привести к порче материала крепи.
Рис. 4. Пример развёртки с зоной разуплотнения
Крутая трещина в скважине на глубине 16 см
Линии аппроксимации поверхностей раздела и трещин
Открытая поверхность раздела на глубине 3-4 см, ширина раскрытия
9 мм
Рис. 5. Пример развёртки внутренней поверхности шпура с плоскостью раздела, ширина раскрытия 9 мм
Сеточный защитный каркас крепи
Рис. 6. Определение поверхностей раздела в породах вокруг восстающего
Применение автоматизированной съёмки стенок шпура в сочетании с компьютерной обработкой данных позволяет получить численные значения измеряемых параметров не только в случае горизонтальных выработок, но также и когда эти выработки ориентированы в пространстве под произвольным углом (рис. 6). На рис. 6 видна направляющая планка, по которой перемещается зонд до его погружения в шпур. На изображении также отчётливо видна защитная сетка. Железобетонная крепь в данном случае отсутствует.
4. Литологическое расчленение массива пород
С помощью скважинных видеозондов удобно производить литологическое расчленении массива горных пород, что также необходимо для оценки устойчивости. Полное и неискажённое изображение стенок шпура позволяет осуществить автоматизированную идентификацию и существенно облегчить работу интерпретатора. Подобная идентификация может осуществляться путём анализа цветовых кодов и структур, характерных для определённых типов пород.
Рис. 7. Сланец с чётко выраженной слоистостью
На рис. 7 и 8 представлены примеры породных массивов с чёткой различаемой структурой - в данном случае это сланец (рис. 7) и грубозернистый песчаник (рис. 8).
Пример литологического расчленения породного массива более сложной структуры представлен на рис. 9. Здесь отчётливо прослеживаются глинистые прослойки, чередующиеся с более прочными породами.
Литологическое расчленение важно осуществлять в связи с тем, что строение пород кровли может резко измениться по мере продвижения забоя.
На рис. 10 показана ситуация, которая достаточно часто встречается на практике. Съёмка по скважине BL1 показывает наличие трёх типов пород в кровле, однако такое строение не остаётся постоянным. Поэтому для полной оценки приходится бурить несколько скважин (BL2-BL4), что с наибольшей точностью характеризует геомеханическое строение массива пород вокруг выработок. Это в свою очередь позволит с наибольшей достоверностью оценить устойчивость пород.
Рис. 8. Трещиноватый грубозернис-тый песчаник
5. Контроль крепи и закрепного пространства
Особой технологической задачей является возведение качественной капитальной крепи. С этой целью обычно используется железобетонная крепь, которая при заливке бетона должна обладать монолитностью, отсутствием каверн и наличием хорошего плотного контакта крепи с вмещающими породами, что не всегда технологически достижимо. Особую значимость в этом случае имеет обнаружение этих нарушений и их ликвидация.
На рис. 11 представлен пример съёмки шпура, пробуренного в крепи и вмещающей породе. В результатах съёмки можно обнаружить характерные нарушения крепи - вырывы. На данном рисунке также можно обнаружить выходящую на поверхность шпура арматуру, которая закрыта со всех сторон материалом крепи. Данный факт говорит о хорошем качестве изготовления крепи на данном участке выработки. На рис. 12 показаны другие характерные нарушения -пустоты в закрепном пространстве, а также
Рис. 9. Пример литологического расчленения участка осадочных пород сложного строения
Ю [га]
Рис. 10. Пример результатов литологического расчленения пород кровли каменноугольной шахты
Рис. 11. Контроль материала забутовки
видна область дробления на контакте между материалом крепи и вмещающими породами. Пустоты в материале крепи требуют дополнительных технических решений, например, инъекции цементного материала.
Выводы
1. Показана возможность решения задач определения структуры разделяющих плоскостей, а также зон разуп-
1. Штефан Петерс. Скважинный видеозонд для оценки строения пород кровли при подземной добыче каменного угля // Горный информационно-аналитический бюллетень. №2, 2007. - С. 194-201.
Рис. 12. Контроль железобетонной крепи
лотнения и пустот в породах вокруг выработок, литологического рас-членения массива, контроля крепи и закрепного пространства с помощью скважинного видеозонда.
2. Результаты съёмки скважинным видеозондом используются при прогнозировании обрушений и разработке мероприятий по укреплению массива.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Вознесенский А.С., Набатова В.В., Петерс Ш. Скважинные видеозонды и их использование для задач геотехнологий// Горный информационно-аналитический бюллетень. №9, 2007. - С. 5-12. ШИН
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------
Вознесенский А.С. - доктор технических наук, профессор кафедры ФТКП, МГГУ,
Набатов В.В. - кандидат технических наук, доцент кафедры ФТКП, МГГУ,
Петерс Штефан - дипломированный геолог, руководитель подразделения инженерной геологии в горном деле отделения "Г еология и скважинная геофизика" фирмы "Немецкие горные технологии" (DMT), Эссен, Германия.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 2 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Л. Шкуратник.
170
