CC BY
39
УДК 622.283
А.А. Жуков
РАЗРАБОТКА И АДАПТАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ДИАГНОСТИКИ БЕТОННОЙ КРЕПИ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ
Рассмотрены недостатки существующих приемов обследования бетонной крепи шахтных стволов калийных рудников. Отмечено, что предусмотренные систематические проверки заключаются только в визуальном обследовании состояния крепи. С целью выбора оптимального комплекса методов неразрушающего контроля выполнено физическое моделирование. Построена модель сегмента бетонной крепи размерами 3х3,5х1 м, с соблюдением технологии изготовления реальной бетонной крепи. Выполнено моделирование различных вариантов строения закрепного пространства (полость, полость заполненная водой, заполненная рассолом, изменение толщины и целостности бетона). Проведен комплекс геофизических работ, включающий в себя георадиолокацию с двумя типами антенн 900 и 400 МГц, сейсморазведку с применением продольных и поперечных волн, электроразведку с применением контактных и бесконтактных установок, а также ультразвуковые исследования. Анализ данных наблюдений позволил установить, что для решения поставленных задач наиболее приемлемыми являются георадиолокация с применением экранированного антенного блока с центральной частотой 400 МГц, а также ультразвуковая томография прибором А1040 MIRA. Для двух перечисленных методов выполнено моделирование основных негативных факторов, характерных для вертикальных стволов калийных шахт. Оценено влияние на результаты применения геофизических методов соляной корки, локального увлажнения крепи, наличия металлических конструкций, неровностей поверхности, вызванных химической коррозией. Ключевые слова: геофизические методы, физическое моделирование, георадиолокация, ультразвуковая томография, калийный рудник, шахтных ствол, бетонная крепь.
Предусмотренная едиными правилами безопасности [1] систематическая проверка состояния крепления и армирования стволов путем их визуального осмотра не позволяет в достаточной мере оценивать состояние крепи. Такая проверка эффективна только в отношении достаточно крупных поверхностных нарушений. По этой причине актуальными проблема-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 8. С. 245-254. © 2016. А.А. Жуков.
ми остаются оценка внутреннего состояния бетонной крепи, а также выявление полостей в закрепном пространстве. Для решения этих задач наиболее рациональным является применение геофизических методов. В настоящее время накоплен достаточно большой российский и зарубежный опыт по обследованию состояния бетонных конструкций. Но несмотря на это, достоверность получаемых результатов именно в условиях калийных рудников остается достаточно низкой. Так, при обследовании ствола № 5 Соликамского калийного рудоуправления № 2 (далее СКРУ-2) было выделено 14 аномальных участков, а бурением были подтверждены только 4 [2].
Шахтный ствол калийного предприятия это уникальное технологическое сооружение, как с точки зрения конструкции, так и условий эксплуатации [3, 4, 5, 6]. Многочисленные расстрелы и направляющие сильно затрудняют проведение геофизических работ. А эксплуатационные факторы, такие как химическая коррозия бетона, соляная «шуба» (корка соли на бетоне толщиной до 10—15 см), а также увлажнение за счет конденсата, протечек шламопроводов значительно усложняют процесс интерпретации полученных данных.
С целью повышения достоверности и интерпретационной надежности результатов было принято решение о проведении физического моделирования и последующей оценки влияния особенностей строения и состояния шахтных стволов на результаты применения геофизических методов.
Главным критерием при создании любой физической модели является подобие основных свойств созданной модели свойствам реального объекта. В нашем случае можно выделить два основных аспекта:
1. подобие внутреннего строения модели и свойств искомых объектов (подобие структуры и материалов, наличие полостей с различным заполнением);
2. подобие внешних факторов, оказывающих влияние не только на получаемые результаты, но и на методику проведения работ (соляная корка на бетоне, армировка ствола, внешние металлические конструкции).
За основу модели была принята двухслойная среда, состоящая из калийной толщи и самой бетонной крепи. Для имитации калийной толщи выбраны солеотходы, получаемые после обогащения сильвинитовой руды. Бетонная часть модели выполнена из бетона той же марки, которая используется при строительстве стволов на Верхнекамском месторождении солей
Рис. 1. Общий вид модели до заливки бетона
(далее ВКМС). Мощность соляной толщи изменяется от 40 до 10 см, мощность бетона от 40 до 80 см. С целью имитации различных вариантов строения в модель были заложены пластиковые канистры с подводящими трубками для возможности заполнения водой или рассолом (имитация пустот), арматурные стержни, полиэтиленовая пленка (имитация тонкой трещины), деревянные бруски, теннисные мячи (как полости небольшого размера). Размеры модели были подобраны таким образом, чтобы заложенные в нее объекты находились друг от друга на расстоянии, соизмеримом с глубиной их залегания, для уменьшения взаимного влияния. Размеры конструкции составили 3,5x3x0,8 м (ДхШхВ).
Согласно строительным нормам бетон набирает полную прочность в течение 28 суток после заливки. До начала основных работ прошло около 45 суток. Работы включали в себя георадиолокацию с антенными блоками 400 и 900 МГц, сейсморазведку с применением продольных и поперечных волн, электроразведку с контактными и бесконтактными установками, акустику и ультразвуковую томографию.
На первом этапе работ применимость каждого из перечисленных методов определялась в идеальных условиях (на сухой, ровной, чистой поверхности бетона). Анализ данных наблюдений позволил установить, что для решения поставленных задач наиболее приемлемыми являются георадиолокация с применением экранированного антенного блока с центральной частотой 400 МГц, а также ультразвуковая томография прибором А1040 MIRA. Указанные методы позволяют уверенно решать следующие задачи:
• оценивать мощность бетонной крепи;
• выявлять участки трещиноватости бетона;
• выявлять неоднородности в теле бетонной крепи (например полости в бетоне с оценкой их размеров и заполнителя);
• выявлять полости в закрепном пространстве (в соли), оценивать их размеры и вид заполнителя.
На втором этапе моделирования выполнена оценка степени влияния негативных факторов, характерных именно для условий стволов калийных рудников:
1) Влияние соляной «шубы» на данные геофизических методов. Выполнение работ методом ультразвуковой томографии при наличии соляной корки невозможно, так как она препятствует проникновению низкочастотных ультразвуковых волн [7]. Георадиолокация через соляную «шубу» также не дает положительного результата. На рис. 2 показано сравнение рада-рограмм по одному из сечений модели, на котором видно, что наличие соляной «шубы» делает радарограмму нечитаемой;
2) незначительное увлажнение поверхности не оказывает никакого влияния ни на результаты ультразвуковой томографии, ни на георадиолокацию;
бетон
Условные обозначения: | 1 | - пластиковая канистра и ее ноыер
Рис. 2. Георадиолокация через соляную «шубу»: а) схема модели, б) съемка по чистой поверхности, в) съемка через слой соли около 1,5 см
3) при выполнении работ методом георадиолокации в стволах, работы выполняются с крыш движущихся подъемных сосудов. Поверхность бетона часто бывает подвержена значительной химической коррозии. В результате совокупности этих факторов антенный блок не всегда оказывается плотно прижат к поверхности наблюдений. Для оценки влияния прижима была выполнена съемка по профилю, когда антенный блок находился на расстоянии 2 см от поверхности бетона. Результаты позволили установить одно крайне важное условие при выполнении полевых работ: антенный блок на протяжении всего профиля должен быть плотно прижат к поверхности наблюдений. Как только антенный блок «отрывается» от поверхности, запись становится не интерпретируемой (рис. 3);
4) для оценки влияния армировки ствола на поверхности модели были разложены металлические объекты, имитирующие те, которые есть в стволах. Съемка ультразвуковым томографом непосредственной близости от металлических конструкций показала, что даже объекты, расположенные на бетоне, не оказывают никакого влияния на результаты. Съемка методом
Рис. 3. Сравнение радарограмм: а) схема модели, б) съемка с прижатой к поверхности модели антенной, в) антенна на расстоянии 2 см от поверхности бетона
георадиолокации показала, что металл, расположенный вдоль или вкрест профиля, при постоянном прижиме антенного блока к поверхности, значительного влияния на данные наблюдений не оказывает. Кроме прижима, вероятно, значимую руль будет играть качество экрана антенного блока.
С целью апробации рассмотренных приемов в реальных условиях были проведены опытные работы в стволе № 3 рудника СКРУ-3. Работы выполнены по серии профилей в зумпфовой части ствола. Для проведения работ был применен георадар SIR-3000 с экранированным антенным блоком 400 МГц. Перед выполнением работ, зумпфовая часть была, насколько это возможно, очищена от соляной корки. Полностью удалить соляную корку получилось не на всей площади, местами она оставалась в виде локальных натеков. Практически вся поверхность бетона была увлажнена. В среднем мощность бетона на участке опробования по проекту должна была составлять 50 см. Фактически же, в ряде мест целостность бетона была нарушена и уменьшалась до 10—20 см. Нарушения целостности позволили оценить точность определения мощности бетона, выполняемой по георадарным и томографическим данным.
По данным георадиолокации, на большей части радарограмм отчетливо отмечается граница бетон-соль, что указывает на высокую эффективность рассматриваемого метода. В ряде случаев отмечены неоднородности в толще бетона (вероятнее всего крупная галька).
Особый интерес с практической точки зрения представляют неоднородности на границе бетон-соль. Всего было выделено несколько таких участков. На рис. 4 представлена радарограмма, на которой выделены сразу два таких участка. Оба выделяются по изменению волновой картины как высокоамплитудные области дифракции. С большой степенью вероятности можно утверждать, что выявленные области связаны с полостями на границе «бетон-соль». Однако, определить размеры неоднородностей затруднительно вследствие того, что регистрация осуществлялась «по времени».
Для проведения работ методом ультразвуковой томографии был применен прибор A1040 MIRA производства фирмы ООО «Акустические контрольные системы». Работы в площадном варианте на большей части крепи невозможны из-за значительной химической коррозии поверхности бетона и невозможности полностью убрать соляную корку. Поэтому исследования проведены по отдельным профильным линиям для построения
Рис. 4. Радарограмма по стенке зумпфа
акустических разрезов. Кроме этого, в отдельных точках выполнены одиночные зондирования (В-сканы).
По результатам опробования акустического томографа в условиях действующего ствола соляного рудника можно сделать следующие выводы:
• даже после очистки поверхности бетона от соляной корки очень сложно найти место для качественного прижима прибора к поверхности, как результат — применять томограф возможно лишь точечно в режиме В-скана и изредка — в площадном режиме для получения разрезов вдоль линий;
• точность определения мощности бетона по данным ультразвуковой томографии выше, чем по данным георадиолокации, поскольку томограф автоматически определяет скорость распространения волн в среде [7];
Поэтому основной режим работы, рекомендуемый для акустического томографа в условиях шахтных стволов — точечное определение мощности бетона в пределах георадарных профилей, для привязки данных георадиолокации по глубине.
Комплексный анализ данных, представленный на рис. 5, указывает на высокую информативность использованных методов. Необходимо отметить более высокую разрешающую способность акустического томографа по сравнению с георадаром с антенной 400 МГц — на акустическом разрезе отмечается множество отражений от заполнителя (щебня и гальки).
В результате физического моделирования и опытно-промышленных испытаний разработана технология диагностики бетонной крепи шахтных стволов, включающая в себя два геофизических метода:
• георадиолокация с антенной 400 МГц;
• ультразвуковая томография прибором А1040 MIRA.
Георадиолокация позволяет выявлять полости в бетонной
крепи и закрепном пространстве, производить оценку изменения мощности бетонной крепи. Ультразвуковые исследования позволяют детально изучать строение бетонной крепи (выявление трещин, других внутренних дефектов), а также точно определять мощность бетона.
Предлагается использовать георадиолокационный метод в профильном варианте, как наиболее оперативный для первоначальной оценки относительно больших участков крепи. На участках с аномальным строением возможно выполнять детализацию с применением площадной георадарной съемки и акустической томографии. Такой подход позволит максимально эффективно использовать очень небольшой лимит времени, выделяемый рудником на выполнение работ в стволе.
В случаях, когда акустическую томографию невозможно применить в площадном режиме из-за плохого качества поверхности бетона, необходимо применять ее хотя бы в режиме одиночных зондирований для качественной привязки по глубине данных георадиолокации.
Важными условиями для получения качественных полевых данных является очистка бетонной крепи от соляной «шубы» и плотный контакт антенного блока с поверхностью крепи на протяжении всего процесса съемки.
Рис. 5. Результат комплексного анализа данных георадилокации и акустической томографии
Рассматриваемая технология позволяет с достаточной оперативностью и качеством оценивать состояние бетонной крепи и закрепного пространства шахтных стволов калийных рудников. Это, в свою очередь, при своевременном применении, ведет к повышению эксплуатационной надежности стволов и рудников в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых: федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности. — М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2015. — 276 с.
2. Жуков А. А., Пригара А. М, Тарасов В. В. и др. Диагностика бетонной крепи шахтных стволов калийных рудников // Горный журнал. — 2014. - № 4. - С. 85-87.
3. Ольховиков Ю. П. Крепь капитальных выработок калийных и соляных месторождений. — М.: Недра, 1984. — 238 с.
4. Рекомендации по обеспечению эксплуатационной устойчивости крепи шахтных стволов рудника БКПРУ-4 и рудника СКРУ-2: отчет о НИР; рук. Ю. П. Ольховиков. — Пермь: ОАО «Галургия», 2012. — 123 с.
5. Детальное обследование участков бетонной крепи выше яруса № 65 и ниже яруса № 73 ствола № 5 рудника СКРУ-2 ОАО Уралка-лий. Выполнить предварительный прогноз дальнейшей безопасной эксплуатации ствола: отчет о НИР; рук. В. В. Тарасов. - Пермь: ОАО «Галургия», 2012. — 50 с.
6. Заключение о состоянии бетонной крепи зумпфовой части ствола № 5 рудника СКРУ-2 ОАО «Сильвинит»; рук. А. Д. Ярушин. — Пермь: ОАО «Галургия», 2009. — 21 с.
7. A1040MIRA: рук. по эксплуатации. — М.: ООО «АКС», 2013. [¡223
КОРОТКО ОБ АВТОРE
Жуков Александр Анатольевич — заведующий лабораторией геофизики, ОАО Уральский научно-исследовательский и проектный институт галургии (ОАО «Галургия»), e-mail Zhukov.Aleksandr@gallurgy.ru.
UDC 622.283
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 8, pp. 245-254. A.A. Zhukov
DEVELOPMENT AND ADAPTATION OF THE PROCESS FOR DIAGNOSTICS OF MINE SHAFT CONCRETE LINING IN POTASH MINES
Defects of the current methods on inspecting mine shaft concrete lining in potash mines have been considered. It is noted that provided regular surveys only consist of the visual inspection of the lining condition. Such an approach does not allow to estimate internal defects of the concrete and condition of the lining area. Geophysical methods are the most rational solution for these tasks, however at present there are no recommendations to carry out such
works. Physical modelling has been performed to select an optimal suite of methods of nondestructive testing. A model of the concrete lining segment in size of 3x3.5x1 m has been built, subject to the production technique of the real concrete lining (concrete brand, its capacity and design features of the real concrete lining). Modelling of different structural options of the lining area has been performed (cavity, water-filled cavity, brine-filled cavity, change of concrete thickness and integrity). A complex of geophysical works has been carried out including ground penetrating radar with two antenna types 900 and 400 MHz, seismic survey with application of compressional and shear waves, electric exploration with application of contact and non-contact units, as well as ultrasound surveys. The observed data analysis has allowed to establish that ground penetrating radar using screened antenna unit with central frequency 400 MHz, as well as ultrasound tomography with A1040 MIRA device are the most acceptable for the specified tasks solution. For the two mentioned methods modelling of the main negative factors has been fulfilled which are typical for vertical shafts of the potash mines. Appraisal of the impact of salt roast, local lining humidification, metal structures, surface roughness, caused by chemical corrosion, on the results of geophysical methods use has been received. Survey process has been developed. Recommendations on the works in conditions of the mine shafts have been given. Test survey in the operating shaft has been performed.
Key words: geophysical methods, physical modelling, ground penetrating radar, ultrasound tomography, potash mine, mine shaft, concrete lining.
AUTHOR
Zhukov A.A., Chief of Research Geophysical Laboratory,
Open Joint Stock Company Ural Research and Development Institute of Halurgy (Galurgia OJSC), 614000, Perm, Russia, e-mail: Zhukov.Aleksandr@gallurgy.ru.
REFERENCES
1. Pravila bezopasnosti pri vedenii gornykh rabot i pererabotke tverdykh poleznykh isko-paemykh: federal'nye normy i pravila v oblasti promyshlennoy bezopasnosti (Safety rules by mining operations performance and solid minerals processing: federal norms and regulations in the sphere of industrial safety), Moscow, ZAO NTTs PB, 2015, 276 p.
2. Zhukov A. A., Prigara A. M., Tarasov V. V. Gornyy zhurnal. 2014, no 4, pp. 85—87.
3. Ol'khovikov Yu. P. Krep'kapital'nykh vyrabotokkaliynykh isolyanykh mestorozhdeniy (The lining workings of a major potash and salt deposits), Moscow, Nedra, 1984, 238 p.
4. Rekomendatsii po obespecheniyu ekspluatatsionnoy ustoychivosti krepi shakhtnykh stvolov rudnika BKPRU-4 i rudnika SKRU-2: otchet o NIR; ruk. Yu. P. Ol'khovikov (Recommendations on operating stability assurance of the mine shaft lining of Berezniki potash plant and mine 4 and Solikamsk potash mine 2, report on research work), Perm, OAO «Galurgiya», 2012, 123 p.
5. Detal'noe obsledovanie uchastkov betonnoy krepi vyshe yarusa no 65 i nizhe yaru-sa no 73 stvola no 5 rudnika SKRU-2 OAO Uralkaliy. Vypolnit' predvaritel'nyy prognoz dal'neyshey bezopasnoy ekspluatatsii stvola: otchet o NIR; ruk. V. V. Tarasov (Detail inspection of the concrete lining sections above the stage no 65 and under the stage no 73 of the shaft no 5 of Solikamsk potash mine 2 of Uralkali OJSC. To perform a preliminary forecast for further safe operation of the shaft: report on research work), Perm, OAO «Galurgiya», 2012, 50 p.
6. Zaklyuchenie o sostoyanii betonnoy krepi zumpfovoy chasti stvola № 5rudnika SKRU-2OAO«Sil'vinit»; ruk. A. D. Yarushin (Zakl'uchenie o sostoyanii betonnoi krepi zumpfovoi chaste stvola № 5 rudnika SKRU-2 OAO Silvinit), Perm, OAO «Galurgiya», 2009, 21 p.
7. A1040 MIRA: rukovodstvo po ekspluatatsii (A1040 MIRA: user manual), Moscow, OOO «AKS», 2013.
