CC BY
17
УДК 622.831.32: 550.834.05
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-216-223
РАЗРАБОТКА КОМПРЕССИОННО-ВАКУУМНЫХ УДАРНЫХ МАШИН
ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ
ПРИ ПРОГНОЗИРОВАНИИ ОПАСНЫХ ГОРНО-ДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
Даниил Владимирович Степанов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, аспирант, инженер, тел. (383)205-30-30, доп. 153, (952)903-83-77, e-mail: danila-st@mail.ru
Неля Сахибовна Бондарук
ООО «Сибнииуглеобогащение», 653000, Россия, Кемеровская область, г. Прокопьевск, ул. Горная, 1, начальник отдела правового обеспечения, тел. (384)661-47-02, e-mail: pravo@uy.nsk.su
Представлена возможность применения подземной сейсморазведки для прогнозирования и предотвращения горных ударов в выработках с помощью специально разработанных для угольных шахт автономных компрессионно-вакуумных ударных машин как альтернатива методу прогнозирования по выходу буровой мелочи из пробуриваемых шпуров. Проведен ряд исследований работоспособности сейсмоисточника на базе ударных машин КВУМ.
Ключевые слова: подземная сейсморазведка, прогноз, горные удары, компрессионно-ваккуумная машина, разработка, упругие волны, источник.
DEVELOPMENT OF COMPRESSION-VACUUM IMPACT MACHINES FOR THE PREDICTION OF HAZARDOUS ROCK-DYNAMICS EVENTS IN UNDERGROUND MINING AREA
Daniil V. Stepanov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D. Student, Engineer, phone: (383)205-30-30, extension 153, (952)903-83-77, e-mail: danila-st@mail.ru
Nelya S. Bondaruk
OOO «Sibniiugleobogaschenie», 1, Gornaya St., Prokopievsk, 653000, Russia, Head of Regulatory Affairs Department, phone: (384)661-47-02, e-mail: pravo@uy.nsk.su
The possibility of underground seismic usage for predicting and preventing rock bursts in the mining areas by specially developed compression-vacuum impact machines is presented. The machines are employed as an alternative to the method of predicting the output of drill cuttings from drilled holes. A number of studies on the efficiency of a seismic source have been carried out based on compression-vacuum impact machines employment.
Key words: underground seismic survey, prediction, rock burst, compression-vacuum machine, development, elastic waves, source.
Проблема повышения безопасности и эффективности подземной разработки месторождений полезных ископаемых занимает важное место в дальнейшем развитии горнодобывающей промышленности. Неизбежное, при подземных работах, горное давление, особенно в условиях глубоких горизонтов, развитого фронта очистных работ, высокой тектонической напряженности массива пород
и сложности его геологической структуры приводит к опасным последствиям: горные удары, внезапные выбросы угля и газа, геологические нарушения и т. д.
Прогнозирование горных ударов и внезапных выбросов на подземных горнодобывающих предприятиях не позволяет в полной мере исключать и предотвращать внезапное их проявление и, как следствие, обеспечивать безопасность при ведении горных работ. Прогноз удароопасности и выбросоопасности в настоящее время производится по выходу буровой мелочи из пробуриваемых шпуров, на расстоянии вокруг проводимой выработки не более 5 м (по длине шпура), периодичность прогноза удароопасности каждые 75 м, выбрососпасно-сти каждые 5-7 м подвигания. На рис. 1 представлена схема проведения прогноза удароопасности в горной выработке методом выхода буровой мелочи из пробуриваемых шпуров.
Данная методика ограничивает «видимость» и представление о сплошности и однородности массива, а также выявления газодинамических явлений.
Рис. 1. Примерная схема проведения прогноза удароопасности в горной выработке методом выхода буровой мелочи из пробуриваемых шпуров
Для эффективного управления горным давлением необходимо применение методов и средств оценки и контроля геомеханического состояния массива горных пород, заблаговременно и в полной мере учитывающих особенности геодинамики и условий отработки месторождений в конкретных районах. Надежность прогноза горных ударов во многом зависит от достоверности и оперативности выявления в разрабатываемом массиве горных пород удароопасных зон. Точный учет геомеханического состояния массива горных пород позволяет научно обосновать комплекс мероприятий по предотвращению опасных проявлений горного давления при планировании и ведении горных работ. Решении
данных проблем оказывает прогнозирование горно-динамических явлений подземной сейсморазведкой, которая используется для изучения изучения физико-механических и прочностных свойств пород. Прежде, чем обрушиться, породы кровли должны сначала отслоиться от вышележащего породного массива. Следовательно, вероятность обрушения пород кровли определяется наличием и местонахождением поверхностей потенциального и фактического расслоения пород. Принцип действия состоит в следующем: в объеме горных пород генерируемые волны попадают на границы слоев с различными упругими свойствами, изменяют направление, углы лучей и амплитуду, образуются новые волны. На пути следования волн размещаются пункты приема, где при помощи сейсмо-приемников принимаются колебания частиц и преобразуются в электрический сигнал. Из полученных сейсмограмм извлекается геолого-геофизическая информация и обрабатывается в специализированных программах. Следовательно, возможно отследить места, где есть необходимость для принятия комплекса мероприятий по предотвращению горно-динамических явлений.
Преимущество данного метода исследования в том, что он охватывает наиболее широкий диапазон исследования вокруг проводимой выработки, в пределах 200 м и более, а не 5-7 м как при методе выхода буровой мелочи, а это значит, что его целесообразнее применять на подземных горных предприятиях. Таким образом, своевременное обнаружение деформаций горного массива поможет заранее выявить где нужно предпринимать меры, не дожидаясь катастрофы. Создание же дополнительной внутренней службы подземной сейсморазведки для проведения прогноза удароопасности дает возможность самостоятельно, без привлечения сторонних организаций осуществлять этот вид деятельности, а относительная простота и дешевизна не потребует особых затрат.
Основным недостатком сейсморазведки с небольшими глубинами это формирование упругих волн с помощью малых ударов ручными инструментами. При этом возбуждение данных волн основано на человеческой силе и производится ударами кувалды о металлическую подложку в массив, направление удара возможно сформировать только в вертикальном вниз направлении. Получение ударов с одинаковой силой и энергией также является весьма затруднительным и как следствие неточная фиксация волн и обработка данных.
В условиях подземной разработки месторождений полезных ископаемых для проведения сейсморазведочных работ характерны стесненные условия, характеризующиеся ограниченным пространством, наличием препятствий для передвижения, сложным рельефом земной поверхности. Также характерна повышенная влажность, которая влияет на применяемое оборудование, которое, по данной причине, должно быть защищено от агрессивных свойств среды. Электрооборудование должно иметь степень влагозащищенности по классу защиты IP не ниже пятой.
Оборудование для подземной сейсморазведки должно быть компактным. Масса отдельных составляющих комплекса не должна превышать 30 кг и иметь возможность удобной ручной транспортировки при движении по горным выработкам. Поэтому исполнение технических средств должно быть модульным. Вре-
менные затраты на подготовительные работы должны быть также сведены к минимуму (4-6 мин), поскольку в условиях подземной разработки транспортировка сейморазведочного комплекса осуществляется в разобранном состоянии.
В горных выработках одним из ключевых требований к сейсмоисточнику является возможность его автономной работы. Зачастую, подключение к сети электропитания в шахтах и рудниках не всегда возможно. Автономность работы осуществляется за счет использования дополнительного оборудования. В качестве источника электроэнергии в подземных условиях могут применяться съемные аккумуляторные батареи различной емкости.
При проведении подземной сейсморазведки большое значение приобретает повторный удар. Здесь последний крайне нежелателен, поскольку ведет к искажению сейсмограмм, снижению их качества и, как следствие, стагнации результатов, проводимых сейсмоисследований.
В настоящее время в лаборатории бурения и технологических импульсных машин ИГД СО РАН продолжается разработка автономных невзрывных мобильных сейсмоисточников на базе компрессионно-вакуумных ударных машин (КВУМ) для ведения подземной сейсморазведки.
С одной стороны, конструкция ударной машины должна обеспечивать наибольшую энергию ударного воздействия для увеличения глубины проникновения упругих продольных волн в исследуемый массив геосреды. С другой стороны, очень важным является предотвращение повторного удара, т. е. осуществление «подхвата» ударника при отскоке, что неизбежно связано с подачей рабочей среды (технического вакуума) в верхнюю камеру за некоторое время до события (удара) и, как следствие, его предударное торможение. В следствие, возникают противоречащие друг другу задачи, которые выполнялись путем экспериментального определения наиболее рациональных параметров элементов конструкции, обеспечивающих реализацию «компромиссного» решения.
Экспериментальные лабораторные исследования позволили обосновать и определить основные параметры КВУМ-1, относящиеся к автоматизированной системе рабочего цикла, которые представлены в табл. 1.
Таблица 1
Основные параметры КВУМ-1
Поз. Параметр Значение
1 Масса груза-переключателя, кг 0,3
2 Коэффициент упругости пружины, Н/м 125
3 Длина фрикционной втулки, мм 85
4 Длина гибкого элемента 2/3 Ьр*
* Ьрг - длина рабочего хода.
С использованием данной компрессионно-вакуумной ударной машины в качестве источника продольных волн динамического возбуждения, технические характеристики которой представлены в табл. 2, проведены эксперимен-
тальные исследования на Восточном участке Таштагольского месторождения на горизонте -350 м от земной поверхности, по результатам которых установлено влияние виброударного воздействия на зарождение, подготовку и проявление геодинамических явлений: в виде толчков с энергетическим классом от 2 до 2,4, изменения удельного электросопротивления от 1 до 31 Омм, дисперсии амплитуды электромагнитных сигналов на частотах 1 и 13 кГц с усреднением амплитуды 10 мс. В данных исследованиях ударная машина показала возможность ее использования в подземных условиях.
Таблица 2
Технические характеристики сейсмоисточника
№ Технические характеристики Показатели
1 Энергия ударного воздействия, Дж 1 200
2 Масса ударного бойка, кг 40
4 Частота ударных воздействий, Гц 0,16-0,5
Поскольку конечной целью разработки сейсмоисточника является генерация в грунте сейсмического импульса, причем в целях увеличения разрешающей способности по возможности более короткого и без повторных ударов, связанных с эффектом «отскока», была также проведена серия экспериментов с регистрацией сигнала на малом 40 см) расстоянии от точки приложения сейсмического импульса. Опыты проводились на городском асфальте, так как на нем хорошо проявляются эффекты «отскока» и отсутствуют отражения, возможные в случае использования бетонной плиты конечных размеров. Использовались серийные сейсмодатчики и АЦП с компьютером.
Испытания позволили получить следующие результаты. В случае одиночного удара по стальной плите (рис. 2) заметен эффект «отскока» с повторным ударом примерно через 0,1 секунды. На осциллограммах режима автоматической работы ударного сейсмоисточника в многоударном режиме (рис. 3) видно, что эффект повторного удара вследствие «подхвата» исчезает. Не наблюдается он и при использовании демпфера (рис. 4).
Рис. 2. Режим Рис. 3. Многоударный Рис. 4. Режим
«с отскоком» режим с «подхватом» «без отскока»
бойка после удара
Работа КВУМ-1 в подземных условиях подтвердила ее эффективность, надежность и целесообразность применения в качестве невзрывного источника упругих волн. Однако испытания выявили некоторые технические недостатки.
г)
Рис. 5. Компрессионно-вакуумная ударная машина КВУМ:
а) схема КВУМ-1 в исходном положении; б) то же при движении ударника вверх; в) то же в верхнем положении ударника; г) общий вид КВУМ-1; 1 - корпус; 2 -ударник; 3 - нижняя камера, соединенная через канал 7 с атмосферой; 4 - верхняя камера, постоянно соединенная с вакуум-компрессором 5, и периодически через канал 14 с атмосферой; 6 - рабочий инструмент с подложкой; 8 - иннерционно-фрикционный клапан; 9 - золотник; 10 - пружина; 11 - втулка-седло; 12 - гибкий элемент (в виде тросиков); 13 - гравитационный переключатель
Для повышения энергетических параметров КВУМ-1, ее надежности, предотвращения отскока ударника были проведены дополнительные лабораторные исследования, которые заключались в экспериментальном уточнении параметров элементов инерционно-фрикционного клапана. В результате проведенных исследований установлено, что преждевременная подача рабочей среды (технического вакуума) в верхнюю камеру снижает энергию единичного ударного воздействия, притормаживает ударник перед наступлением события (удара). Кроме того, немаловажное значение имеет форма и масса грузопереключателя 13. С одной стороны, он должен обеспечивать максимальный рабочий ход ударника, т.е. иметь наименьшую высоту Ь, при этом свободно перемещаться в верхней камере корпуса, т. е. его диаметр должен исключать возможность заклинивания переключателя 13 в корпусе 1. С другой стороны, масса переключателя 13 не может превышать усилия пружины 10 в исходном положении КВУМ-1, так как это приведет к перекрытию канала 14 и, как следствие, к дестабилизации рабочего цикла. При этом его иннерционная масса при падении должна быть достаточна для перекрытия канала 14 фрикционной втулкой-седлом 11, а, значит, и для обеспечения обратного хода ударника. При реализации проекта на Таштагольском месторождении длина гибкого элемента (£ )
КВУМ-1 для получения наибольшей энергии единичного ударного воздействия составляла 0,8 £ (длина рабочего хода ударника), поскольку повторный удар
(отскок) не имел негативного последствия на достижение основной цели работы: создание слабых динамических воздействий в шахтном поле.
Принципиальная схема КВУМ-1 запатентована (Пат. на ПМ РФ № 163465, опубл. 20.07.16, бюл. № 20)
По результатам проведенных испытаний внесены изменения в конструкцию компрессионно-вакуумной ударной машины, скорректированы дальнейшие действия по применению и разработке компрессионно-вакуумных ударных машин. Разработан сейсмоисточник, обеспечивающий более широкий диапазон энергетического ударно-циклического воздействия на породный массив 0,5-1,2 кДж. В настоящее время работы в этом направлении продолжаются.
Работа выполнена в рамках проекта ФНИ, № гос. регистрации АААА-А17-117122090003-2.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ивашин В. В., Иванников Н. А., Узбеков К. Х. К вопросу создания переносных импульсных невзрывных сейсмоисточников с индукционно-динамическим приводом // Известия научного центра Российской академии наук. - 2013. - № 4-1, Т. 15. - С. 75-81.
2. Белобородов В. Н., Ткачук А. К. Анализ эффективности конструктивных решений уплотнений ударных машин с полимерными корпусами, позволяющих снизить трение и утечки воздуха // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2014. - № 1, Т. 2. - С. 54-61.
3. Перспективы создания длинноходовых автономных ударных механизмов двойного действия для строительства, ЖКХ, сейсморазведки и горного дела / В. Н. Белобородов, А. А. Репин, А. К. Ткачук, В .Н. Карпов // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014. Х Междунар. науч.
конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 4. -С.241-246.
4. Разработка и исследование автономного мобильного компрессионно-вакуумного ударного источника продольных волн для сейсморазведки / А. А. Репин, А. А. Ткачук,
B. Н. Карпов, В. Н. Белобородов, А. Г. Ярославцев, А. А. Жикин // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2016. - № 1. - С. 144-151.
5. Рекомендации по безопасному ведению горных работ на склонных к динамическим явлениям угольных пластах : приказ Ростехнадзора от 08/21/2017 № 327.
6. Санфиров И. А., Ярославцев А. Г. Опыт применения сейсморазведки ОПГ для решения инженерно-геологических задач // Геофизика. - 2004. - № 3. - С. 27—30.
7. Методические указания по созданию систем контроля состояния горного массива и прогноза горных ударов как элементов многофункциональной системы безопасности угольных шахт / Д. В. Яковлев, Т. И. Лазаревич, А. Н. Поляков, А. С. Харкевич. - СПб. : ОАО «ВНИМИ», 2012. - 83 с.
8. Ивашин В. В., Иванников Н. А., Узбеков К. Х. К вопросу создания переносных импульсных невзрывных сейсмоисточников с индукционно-динамическим приводом // Известия научного центра Российской академии наук. - 2013. - № 4-1, Т. 15. - С. 75-81.
9. Опыт применения сейсморазведки ОПГ для решения инженерно-геологических задач // Геофизика. - 2004. - № 3. - С. 27-30.
10. Белобородов В. Н., Ткачук А. К. Некоторые способы борьбы с отскоком в ударных импульсных источниках при малоглубинной сейсморазведке. - Новосибирск : ИГД СО РАН, 2012. - Т. 2. - С. 70-73.
11. Ткачук А. К., Степанов Д. В. Разработка автономного невзрывного сейсмоисточни-ка для проведения подземной сейсморазведки// Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2016. - № 3, Т. 2. - С. 198-201.
12. Ткачук А. К., Карпов В. Н. Особенности и перспективы развития компрессионно-вакуумных машин ударного действия // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 4. -
C.37-42.
13. Чирков А. В. Сравнительная характеристика источников упругих волн в малоглубинной сейсморазведке. - Пермь : Горный институт УрО РАН, 2010.
14. Влияние энергетических параметров погружного пневмоударника на технико-экономические показатели бурения скважин с одновременной обсадкой / В. В. Тимонин, С. Е. Алексеев, В. Н. Карпов, Е. М. Черниенков // ФТПРПИ. - 2018. - № 1. - С. 61-70.
15. Совершенствование технологии проходки скважин в грунте методом продавлива-ния / Б. Б. Данилов, А. С. Кондратенко, Б. Н. Смоляницкий, А. С. Смоленцев // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2017. - № 3. - С. 57-64.
© Д. В. Степанов, Н. С. Бондарук, 2018
