CC BY
38
© В.Е. Ануфриев, В.Н. Фелоринин, Г.С. Франкевич, Б.В. Власенко, В.П. Таииенко, В.М. Рычковский, 2003
YAK 622.274: 622.023.23.002.56
В.Е. Ануфриев, В.Н. Фелоринин, Г.С. Франкевич,
Б.В. Власенко, В.П. Таииенко, В.М. Рычковский
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНТРОЛЯ И АИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ПРИКОНТ"РНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Поиск путей решения проблемы контроля и диагностики состояния приконтурного массива диктуется потребностью получения надежных методов контроля, диагностики и прогноза параметров крепей выработок в различных горногеологических условиях в связи с широкомасштабным переходом от материалоемкого рамного крепления к анкерному. Эффективное решение проблемы освоения технологии анкерного крепления позволит данному виду стать основным средством крепления подготовительных выработок, монтажных и демонтажных камер, сопряжений, а в комбинации с торкретбетоном и анкерами глубокого заложения - капитальных горных выработок.
В отличие от рамной анкерная крепь не может эксплуатироваться без систематического контроля, диагностики и корректировки расчетных параметров крепи на их основе. Это обусловлено, главным образом, изменчивостью свойств вмещающих пород и поля напряжений в пределах выемочного поля шахты.
Надежность анкерной крепи на начальном этапе эксплуатации выработки во многом определяется точностью прогноза длины анкеров, плотности и схемы их установки. Однако только методы расчета не могут гарантировать безопасность работ, которая может быть обеспечена системой оперативного контроля состояния заан-керованного приконтурного массива горных выработок.
В тоже время информация, получаемая с помощью измерительной системы оперативного контроля и выборочных измерений,
является исходным материалом для создания баз данных, обобщения, классификации, разработки и уточнения методов расчета, инструкций, паспортов крепления.
В настоящее время в России не существует комплексной системы сбора, накопления и обработки информации с целью разработки методов расчета, инструкций, удовлетворяющих многообразию условий применения. Основная причина заключается в отсутствии приборного и аппаратного оснащения исследователей, специалистов, занимающихся этой проблемой. По этой же причине не разработаны надежные критерии оценки работоспособности крепи, геомеханического состояния при-контурного массива.
На актуальность создания такой системы указывает пример передовых угледобывающих стран. Так, к примеру, в США в 80-х годах для разработки методов расчета анкерных крепей в различных условиях их применения в автоматизированном режиме записывалась информация с 1200 замерных станций. В результате была создана база и компьютерные программы расчета паспортов крепления.
На примере некоторых видов контроля геомеханического состояния приконтурного массива и анкерной крепи просматриваются перспективы реализации приборного оснащения подземной части мониторинга.
Строение и структура пород приконтурного массива
Строение и структура пород приконтурного массива изучается по данным геологоразведочного бурения с забором керна по редкой сети скважин и геофизиче-
скими методами каротажа скважин. Наиболее распространенным является геофизический метод, однако он не дает детальной информации о наличии и распределении по глубине поверхностей ослабления (зеркала скольжения, межслоевые контакты, зоны дробления, трещины), мощности прослоев. Несмотря на то, что такая детальная информация так неободима для диагностики, прогноза и контроля состояния при-контурного массива, она до настоящего времени, за редким исключением, недоступна для технологических служб шахт России, исследователей вследствие нетех-нологичности ее сбора и обработки в условиях ограниченного количества высокомеханизированных средств бурения и отсутствия приборного оснащения.
В развитых угледобывающих странах (США, Австралия, Англия, ЮАР, Германия) оперативную информацию о строении и структуре пород в процессе проведения выработки и на различных этапах ее поддержания получают визуальным зондированием стенок скважины с помощью гибких оптиковолоконных эндоскопов с памятью видеоизображений.
В России для этих целей в единичных случаях используется жесткий эндоскоп типа РВП-451 (разработчик ВНИМИ), который состоит из жестких цилиндрических сегментов, окуляра и перископа. При стыковке, расстыковке труб оптика подвергается запыле-нию от рудничной атмосферы и делается менее прозрачной. Отсутствуют промывка стенок скважины и память видеоизображения.
Вследствие этих недостатков эндоскоп РВП-451 не нашел применения. В то же время имеющиеся технология и наработки в институтах СО РАН позволяют в кратчайшие сроки организовать выпуск телеэндоскопов во взрыво
- искробезопасном исполнении с теми же функциями, что и оптиковолоконные эндоскопы. Телеэндоскоп в несколько раз дешевле оптико - волоконного.
Необходимость в таких приборах обусловлена тем, что в выборе параметров упрочнения контура выработок анкерами определяющими факторами являются строе-
ние и структура слоистой толщи пород. Можно привести примеры, когда отсутствие такой информации приводило к аварийным ситуациям.
Такая информация необходима также для изучения дезинтеграции приконтурного массива выработок на различных этапах их поддержания в зависимости от длины анкеров, длины закрепляющей втулки из смолы или минеральной композиции, расстояния между анкера -ми, литологического состава слоистой кровли выработок, ее сечения, способа охраны выработок с целью разработки параметров анкерной крепи в различных условиях и по различному назначению.
Прочность пород
Прочность пород является одним из основных исходных аргументов при расчетах параметров крепей (включая анкерные) выработок различного назначения при подземной угледобыче. Информацию о прочности пород получают путем забора керна при бурении скважин и последующего их испытания на механическую прочность. При анкерном креплении по причине изменчивости механической прочности вмещающих пород и их состава, структуры необходимо иметь оперативную информацию о прочности пород. Традиционный способ забора керна с последующим его исследованием в лаборатории нетехнологичен вследствие того, что для этого необходимо содержать в забое специальное буровое оборудование. С другой стороны, механические свойства керна отличаются от свойств пород в массиве из-за различия по влажности, влияния масштабного и др. факторов. Первые попытки измерения прочности пород при бескерновом бурении были реализованы в приборах ПГМ1 и ПГМ2 (разработчик КузНИУИ) [1]. Прочность пород на одноосное сжатие оценивалась по результатам силового взаимодействия пуансона со стенками скважины, а именно - по многофакторной модели, в которой аргументами являлись глубина внедрения, площадь сечения пуансона и максимальное усилие вдавливания.
Приборы не нашли широкого применения из-за нетехнологич-
ности их использования. Во-первых, для их применения требовалась скважина диаметром 100 мм. Для бурения скважин такого диаметра требуется содержание в забое специального бурового станка. Кроме того, конструкция прибора из-за жесткости ограничивала глубину исследования высотой выработки. Другой недостаток приборов состоит в том, что регистрация показаний двух параметров производилась визуально с низкой точностью. Причем давление в поршневой полости пуансона регистрировалось по манометру, подключенному к гидросистеме, а перемещение - по величине выхода штока, взаимодействующего с конической головкой поршня из жесткого кожуха в устье скважины. Одновременная визуальная регистрация двух параметров при таком конструктивном решении невозможна.
КТИ ПМ СО РАН совместно с институтами Кузниишахтострой, ИУУ СО РАН разработан прибор «Гибкий механический зонд» (Пи-нометр) для измерения прочности пород при бескерновом бурении (рис. 1). В отличие от зарубежного аналога (США) пинометр измеряет прочность в скважинах диаметром 44-46 мм вместо 100 мм. Это обстоятельство обусловливает технологичность его применения, т.к. для бескернового бурения скважин такого диаметра могут применяться коронки, штанги, буровые машины, используемые в
технологии анкерования. Процесс измерения также технологичен, т.к. измерительной системой управляет микропроцессор блока управления.
Принцип измерения основан на измерении удельной работы, которую совершает пуансон при внедрении в стенку скважины.
К примеру, прочность породы на сжатие определяется как
^ = / (А),
п
Е А
где А = К г=1 1 - удельная работа,
V
отнесенная к объему лунки в породе; А = 5 • р 1 •АН; к - эмпирический коэффициент; V - объем лунки в породе, которую образует пуансон при внедрении в стенку скважины; Б - площадь поршня пуансона; АН - единичное перемещение пуансона; р. - осред-
ненное значение избыточного давления поршневой полости пуансона на интервале его единичного перемещения.
Под прочностью породы [2] понимают ее способность сопротивляться силовым воздействиям не разрушаясь. Удельная работа, совершаемая пуансоном при внедрении в стенку скважины, отражает относительную способность сопротивляться силовому воздействию и может использоваться как самостоятельная характеристика
Рис 2. Графики нагружения поршня пуансона избыточным давлением жидкости при его внедрении в стенки искусственной скважины: а) удельная работа Ауд =2463 кгс/см2, кубиковая прочность бетона на одноосное сжатие Осж=300 кгс/см2; б) удельная работа Ауд=1704 кгс/см2, кубиковая прочность бетона на одноосное сжатие осж =200 кгс/см2
700 600 500 400 300 200 100 0
1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97
для сравнительной оценки такой сопротивляемости различных ли-тотипов по разрезу скважины. Удельная работа имеет такую же размерность, как и напряжение. Графики (рис. 2) иллюстрируют процесс нагружения поршня пуансона избыточным давлением жидкости при его внедрении в стенки искусственной скважины.
Расслоение кровли
Расслоение кровли над выработкой как результат происходящих деформационных процессов под влиянием действующих напряжений является важной информацией при контроле и диагностике состояния приконтурного массива горных выработок, упрочненного анкерами.
В настоящее время на шахтах ОАО «УК «Кузбассуголь» для контроля расслоений используют двухреперные замерные станции. На шахтах ОАО «Кузнецкуголь» -четырехреперные. Один из реперов является опорным и устанавливается у дна скважины на глубине 4,5-6 м в зависимости от ширины выработки, другой - на горизонте анкерования, промежуточные - выше и ниже него. Реперы присоединены струнами к индикаторам с цветными полосками (для визуального контроля). Ширина полосок выбирается исходя из 0,62% уровня расслоения на интервале между опорным репером и репером на горизонте анкерова-ния (хвостовик анкера минус 300 мм к устью скважины). Точность контроля на таких станциях не превышает 1 мм.
Для уточнения классификации пород по расслоению и скоростям, обоснования критериев безопасного уровня расслоения пород в различных условиях необходима более высокая плотность расстановки реперов. Конструктивное исполнение ограничивает возможность более плотной их установки. В отдельных случаях измерение расслоения с точностью 1 мм недостаточно для его оценки. При контроле прочных кровель подработанная толща может не расширяться в течение длительного вре-
мени (5-6 мес.). При этом может наблюдаться сжатие слоистой жесткой кровли подобно сжатию пакета брусков между двумя точками приложения сжимающих нагрузок. При этом наблюдается сжатие, растяжение контролируемых интервалов.
Однако измерение расслоения с точностью до 1 мм не может служить надежной оценкой сжатия (расслоения) подработанной кровли.
В Англии и других странах для контроля расслоений (деформаций) пород кровли (боков) используют акустическую экстензомет-рию. Фирма R.M.T. (Англия) поставляет прибор, контролирующий координаты магнитных реперов, установленных в 7-метровой скважине с плотностью до 3,3 шт./м. Точность измерения деформаций составляет 0,01 мм. Такая система обеспечивает детальную оценку расслоений кровли и ее скоростей.
В автоматизированных системах подземной части мониторинга в США, Австралии для контроля расслоений используются также резисторные станции, устанавливаемые в устье скважины, на которых резисторы соединены струнами с реперами, установленными на различной глубине в скважине. Недостаток таких станций в низкой плотности расстановки реперов. Альтернативой такому способу измерения деформаций могут стать оптические способы измерения деформаций, которые обеспечивают высокую плотность установки реперов и высокую точность измерения. Система может работать в составе автоматизированного мониторинга или на принципе периодического съема показаний датчиков посредством переносной измерительно-регистрирующей аппаратуры.
Таким образом, проблема эффективного контроля расслоений (деформаций) приконтурного мас-
сива, обоснования критериев безопасности может быть решена различными способами и с различной точностью в зависимости от задач. Для широкого применения в качестве контроля могут использоваться глубинные реперы типа РГ2, РГ3, РГ5, РГ7 (разработчики ОАО «Кузниишахтострой», ИУУ СО РАН).
В инструкции [3] расчет анкерной крепи ведется по смещениям, а контроль - по расслоениям. Назрела необходимость вести расчет по тому параметру, который контролируется. Контролировать смещения в течение всего срока поддержания выработки нетехнологично по следующим причинам. Часть выработок оборудована конвейерами. В других выработках сохранение контурных реперов в почве и боках затруднено из-за производства транспортно-доста-вочных операций и отжима бортов. Поэтому контроль по расслоениям более технологичен. Соответственно и расчет должен вестись по расслоениям. Для этого необходима инвентаризация и классификация пород кровель угольных пластов по расслоениям, что позволит обосновать надежные нормы безопасного расслоения кровель, контролируемого глубинными реперами, более обоснованно выбирать параметры анкерной крепи.
Контроль нагрузок на анкеры
Контроль нагрузок на анкеры необходим для получения данных о
распределении нагрузки по длине анкера на опорные элементы крепи, для выбора материала, сечения анкера, обоснования плотности анкерования, способа закрепления и длины закрепляющей втулки.
Наибольшее развитие на шахтах Кузбасса приобретают контактные классы анкеров, закрепляемых отвержденными материалами (смола, минеральная композиция). В зависимости от длины закрепления (закрепляющей втулки) и плотности установки анкеров часть нагрузки переносится с опорных элементов (гайка, шайба, подхват) на грузонесущий стержень анкера. Увеличение длины закрепляющей втулки снижает интенсивность дезинтеграции [4] массива вследствие формирования вокруг втулки конуса с меньшей дезинтеграцией за счет роста сопротивления сдвиговым деформациям и увеличения радиуса поверхности конуса менее разрушенной породы вокруг анкера в направлении к дну скважины. При этом большая часть нагрузки может переноситься с опорных элементов анкера на грузонесущий стержень. Поэтому контроль нагрузки на анкер необходимо вести путем измерения деформаций непосредственно по длине грузоне-сущего стержня. Для контроля нагрузки фирма ^М.Т. (Англия) использует тензометрию с распределением тензодатчиков по длине стержня анкера (до 4-5 шт./м). Для этого выпускают специальные контрольные анкеры, которые в США используют в автоматизированных системах мониторинга. Техни-ческих и технологических труд-ностей для выпуска контрольных анкеров не существует. Использо-вание упругих шайб различных конструкций, устанавливаемых под гайку на хвостовике анкера, позволяет оценить только часть нагрузки, которая формиру-
ется на хвостовике анкера, его опорных элементах и не дает знания о распределении нагрузок по длине анкера, что необходимо не только разработчикам конструкций Анке-ров и закрепляющих составов, но и для полноценного мониторинга, в частности, для обоснования схем анкерования. Работа сил горного давления по формированию наг-рузки на анкер является одним из частных критериев оценки работо-способности анкерной крепи.
Контроль остаточного поля напряжений приконтурного массива
Для обоснования методов расчета параметров анкерной крепи, целиков, пространственно планировочных решений разработчикам паспортов анкерного крепления сложных участков необходимо знание несущей способности краевой зоны угольного пласта, целика, величины и ориентации компонент действующих напряжений в приконтурном массиве горных выработок по нескольким сечениям, для определения границ пластических зон вокруг выработки. Для этих целей целесообразно использование тензометрических оптико-поляризационных датчиков. Оптико-поляризационный тензодатчик предназначен для измерения сверхмалых величин статических и динамических деформаций (сжатие, растяжение), напряжений.
Принцип действия такого датчика основан на эффекте фотоупругости. Чувствительным элементом датчика служит кварцевая пластина, в которой под действием приложенных механических напряжений возникает наведенная оптическая анизотропия.
Величина наведенной оптической анизотропии (А) связана с действием механических напряжений соотношением вида
А = v(ctx - сту),
где V постоянный коэффициент; стх, сту - компоненты напряжений в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Измерения напряжений осуществляются посредством встроенного миниатюрного датчика, состоящего из светодиода, поляроида, фазовой пластинки, чувствительного элемента, фотодиода. Такие датчики размещаются по нескольким сечениям в трубе, которая замоноличивается в скважине цементным раствором. В каждом сечении разъемной трубы устанавливается по три датчика для восприятия нагрузки по трем направлениям.
Разработанное специальное нагрузочное устройство обеспечивает тарирование датчиков и возможность корректировки и адаптации методов расчета напряжений по измеренным деформациям контура оболочки трубы. Возможности институтов СО РАН позволяют освоить выпуск приборов контроля напряжений и деформаций в массивах горных пород, приборов для исследования строения и структуры пород.
Таким образом к настоящему времени обозначились следующие направления в приборном и методическом оснащении геомеханиче-ского мониторинга на шахтах России:
- создание экспресс методов исследования строения, структуры и прочности пород прикон-турного массива;
- создание методов исследования деформации и напряжений приконтурного массива выработок различного назначения на базе использования оптических и оптико - поляризационных датчиков.
KOPOTKO ОБ ABTOPAX -------------------------------------------------------------------------------------------
Ануфриев Виктор Евгеньевич - кандидат технических наук. Институт угля и углехимии Сибирского отделения, Федоринин Виктор Hикoлаевич - кандидат технических наук, зам. директора КТИ ПМ СО РА^ г. Hoвocибиpcк. Франкевич Генадий Степанович - доктор технических наук, директор ОАО Кузниишахтострой.
Власенко Борис Васильевич - доктор технических наук, зав. лаб. ИУУ СО РА^
Тациенко Виктор Прокопьевич - кандидат технических наук, начальник управления перспективного развития ОАО “Компания “Кузбассуголь”.
Рычковский Владимир Михайлович- кандидат технических наук, зам. нач. Кузнецкого Управления Госгортехнадзора РФ.
Рис. 1. Гибкий механический зонд (ГМЗ) для измерения прочности пород в скважинах: 1 - измерительная головка; 2 -электрический кабель; 3 -электронный блок управления; 4 - источник питания; 5 -насос ручной; 6 - гидрораспределитель; 7, 8, 9, 10 - рукава напорные
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
Содержание:
Автор:
Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:
Полное время правки: Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
АНУФРИЕВ
G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB4_03 C:YUsersYТаняYAppDataYRoammgYMicшsoftYШаблоныYNormaLdotm УДК 622
Ильичева Альбина Петровна
28.03.2003 15:14:00 14
07.11.2008 23:14:00 Таня
33 мин.
07.11.2008 23:55:00 5
2 871 (прибл.)
16 371 (прибл.)
