книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

напряжений пород кровли очистных камер). Метод частичной раз­ грузки при решении этих задач целесообразно применять в соче­ тании с методом полной разгрузки в опорных пунктах.

Метод компенсационной нагрузки.

Метод основан на восстановлении упругой деформации частично разгруженного массива при повторном его нагружении давильным устройством [85].

Определение напряжений производится следующим образом. В пробуренных в стенке выработки коротких шпурах закрепляются реперы, на которых устанавливаются тензометры для измерения де­ формаций и беруются исходные отсчеты. Затем образуется щель, которая частично разгружает от напряжений некоторую область пород, в том числе и участок с тензометрами. В щели устанавли­ ваются гидродомкраты, давление в которых повышается до тех пор, пока отсчеты по тензометрам не станут равными исходным. Вели­ чина удельного давления, соответствующая этому моменту, счи­ тается равной действующему напряжению в массиве в направлении, нормальном к плоскости щели.

Этот метод позволяет оценивать напряженное состояние в мас­ сиве вблизи контура сечения выработки.

Существенными недостатками его являются большая трудоем­ кость и невозможность применения в глубине массива. Кроме того, он является принципиально неверным в том случае, когда при обра­ зовании щели возникают и неупругие деформации. В этом случае, как правило, величина удельного давления, создаваемая гидродом­ кратами, обеспечивающая погашение возникшей неупругой дефор­ мации, будет значительно превышать начальное напряженное состоя­ ние массива [34].

Измерительная аппаратура включает:

1)давильные цилиндры или гидроподушки;

2)ручные насосы;

3)соединительные металлические трубки;

4)тензометры (струнные, индикаторы часового типа и др.).

Метод разности давлений.

Метод основан на создании внутри массива горных пород спе­

циальным гидравлическим датчиком, помещенным в скважине, при­ нудительного давления определенной величины. Это давление прини­ мается за начальное. При изменении напряженного состояния мас­ сива в месте установки датчика изменяется давление жидкости в нем, которое регистрируется манометром. Разность между изме­ ренным начальным давлением и будет характеризовать степень из­ менения напряжений в исследуемом участке массива [68, 91 и др.].

Метод разности давлений позволяет по измеренным величинам судить об изменении напряженного состояния исследуемого мас­ сива как во времени, так и в пространстве, но не дает абсолютных

120

значений величин напряжений и не определяет направлений глав­ ных напряжений. *

Методика выполнения измерений заключается в проходке сква­ жины, в которую вставляется гидравлический датчик. Последний соединяется с гидронасосом и отсчетным приспособлением. Гидро­ насосом создается определенное первоначальное давление, которое передается на окружающий массив. Изменение давления внутри массива будет передаваться на гидравлический датчик и давление в датчике будет изменяться, что. будет фиксироваться отсчетным прибором. Это изменение давления будет характеризовать относи­ тельное изменение во времени напряженного состояния.

Вкомплект аппаратуры для метода разности давлений входят:

1)гидравлические датчики;

2)гидронасос;

3)соединительные трубки и шланги;

4)отсчетное приспособление (манометр).

Наибольшее распространение получил гидравлический датчик конструкции ИГД им. А. А. Скочинского [59].

Метод упругих динамометров.

В последнее время для длительных исследований изменения на­ пряжений во времени находят применение различные упругие ди­ намометры, в том числе из оптически активных материалов, устанав­ ливаемые в скважинах с помощью цементирующего состава [105, 98, 70, 86].

Применяются, в частности, динамометры в форме сплошного диска или диска с центральным отверстием. Они могут изготовлять­ ся из органического стекла, отвержденных эпоксидных смол и дру­ гих материалов.

В первых работах по применению фотоупругих динамометров [105, 98] приращения главных напряжений в массиве горных по­ род находились путем тарировки и сравнения картины полос в ра­ бочем и эталонном приборах. Тарировка, производимая на блоках породы с установленными в них динамометрами, отличается боль­ шой трудоемкостью и сложностью из-за необходимости создания в блоке двухосного напряженного состояния, соответствующего изме­ ряемому.

Сравнение картины полос в рабочем образце прибора с эталоном позволяет лишь с некоторым приближением судить о величине при­ ращения напряжений, так как не всегда известны направления глав­ ных напряжений.

* Измерения, выполненные этим методом, будут наиболее соответ­ ствовать действительности при гидростатическом распределении напря­ жений.

121

В работах [70, 78] даны аналитические зависимости, связываю­ щие разность хода поляризованного света в фотоупругом тензометре в форме диска с центральным отверстием с величиной приращения разности главных напряжений в породе. Изменение напряжений в породе создает поле напряжений, которое исследуется в поляризо­ ванном свете с помощью полярископа одностороннего действия.

Этот метод используется ИГД МЧМ СССР, ИГД СО АН СССР

и другими институтами [26, 21].

При дыполнени исследований с помощью фотоупругих динамо­ метров (датчиков) применяется следующее оборудование и аппа­ ратура:

1)буровой станок колонкового бурения (ГП—1 и др.);

2)фотоупругие датчики;

3)устройство для подачи песчано-цементного раствора к месту установки датчика (к забою скважины);

4)досылочное устройство для установки датчика;

5)шахтный полярископ одностороннего действия.

Песчано-цементный раствор к забою скважины подается в трубке и выдавливается с помощью поршня. Установка датчика производит­ ся специальной трубкой.

Глубина установки фотоупругих датчиков определяется решае­ мыми вопросами и зависит от возможностей применяемого поляри­ скопа.

Существующие в настоящее время полярископы позволяют про­ изводить измерения показаний фотоупругих датчиков, установленных на глубине до 3—5 и более м.

Поскольку в одной скважине может быть установлен только один фотоупругий прибор, то для получения эпюры изменения на­ пряжений в массиве не только во времени, но и по глубине необхо­ димо пробурить несколько скважин разной глубины.

Известны также некоторые другие конструкции упругих дина­ мометров [34, 24].

Метод измерения деформаций стенок буровых скважин.

Исследование изменений напряжений в массиве горных пород во времени данным методом сводится к измерению деформаций стенок буровой скважины и ее поперечного сечения. Переход от измерен­ ных изменений диаметра скважины к, изменениям напряжений осу­ ществляется по формулам теории упругости или теорий ползучести для различных видов напряженного состояния горных пород, либо посредством лабораторной тарировки. При аналитическом опреде­ лении приращений напряжений требуется знать упругие характе­ ристики в случае упругой горной породы, а для ползучей — реоло­ гическую ее характеристику [см. гл. II].

Для измерения деформаций применяются скважинные попереч­ ные деформометры, измеряющие деформации диаметров скважины.

122

Существует большое количество разнообразных деформометров оте­ чественных и зарубежных конструкций. Деформометры бывают одно- и многокомпонентные, а по принципу действия — струнные, тензометрические (с использованием проволочных датчиков сопротив­ ления) , индуктивные и другие.

Из всего многообразия деформометров наибольшее применение получили:

струнные одно- и двухкомпонентные деформометры ВНИМИ, однокомпонентные деформометры НИГРИ, однокомпонентные де­ формометры МакНИИ, однокомпонентный деформометр фирмы «Майгак», тензометрический трехкомпонентный деформометр ВНИМИ, трехкомпонентный деформометр Грисвольда, однокомпо­ нентный деформометр горного департамента США и ряд других [34, 58, 59).

Исследования с применением метода измерения деформаций буровых скважин проводятся, как правило, в течение длительного времени. Поэтому при выборе типа деформометра необходимо учи­ тывать в первую очередь стабильность показаний деформометра во времени. С этой точки зрения наиболее приемлемыми являются струнные и индуктивные деформометры.

В качестве отсчетной аппаратуры в зависимости от применяемых деформометров могут быть применены станции струнного метода конструкции ВНИМИ — ССМ—2, СБ—6; стрелочный генераторчастотомер М7 НИГРИ; ИС—5 Гидропроекта и другие; тензомет­ рические станции ВНИМИ СБ—8, ИИД—2 ИГД СО АН СССР,

ВСТ—4 Уральского политехнического института им. С. М. Кирова и другие серийно выпускаемые тензометрические станции [26, 34, 58, 59 и др.).

Геофизические методы.

Геофизические методы базируются на использовании ряда зави­ симостей физических параметров массива горных пород (скорость распространения упругих волн, удельное электрическое сопротив­ ление и др.) от действующих в нем напряжений или изменения их во времени. [30, 34, 18, 76 и др.).

В практике изучения напряженного состояния горных пород в массиве применяются следующие геофизические методы: акустиче­ ский (звукометрический); ультразвуковой; электрометрический; ра­ диометрический и др.

Акустический метод (иногда его называют звукометрическим или микросейсмическим) основан на использовании способности боль­ шинства горных пород генерировать упругие звуковые импульсы микроразрушений при изменении напряженного состояния массива [62, 64, 5, 43, 14, 10 и др.). Основным критерием при этом методе

123

проявлений горного давления (горные удары, внезапные выбросы угля и газа) изучают также частотный спектр импульсов и их ам­ плитуду.

Упругие звуковые импульсы, возникающие в массиве горных пород, регистрируются с помощью акустической (звукометрической)

аппаратуры.

В комплект акустической аппаратуры входят геофоны (датчики) различных конструкций (пьезоэлектрические, электродинамические), предназначенные для приема звуковых импульсов, электронные усилители мощности принятых геофонами сигналов и индикаторные устройства (головные телефоны, магнитофоны, осциллографы и др.), служащие для регистрации принятых звуковых импульсов; источ­ ники питания и соединительные кабели.

Для акустических наблюдений применяется аппаратура двух ти­ пов: стационарная и переносная. Стационарная аппаратура пред­ назначена для длительных наблюдений при неизменном положении геофонов, установленных в скважинах. С помощью этой аппарату­ ры можно автоматически записывать звуковые импульсы одновре­ менно от нескольких геофонов (при многоканальной аппаратуре) или поочередно. Параллельно с автоматической записью произво­ дится регистрация импульсов на слух с помощью головных теле­ фонов с целью выделения и учета звуковых импульсов, появление которых не связано с микроразрушениями горных пород (всякого рода производственные шумы). Переносная аппаратура приме­ няется для периодических наблюдений с регистрацией импульсов на слух с помощью головных телефонов. Она, как правило, имеет автономные источники питания.

В настоящее время применяется акустическая аппаратура, раз­ работанная НИГРИ. Геофизическим институтом АН СССР, ИГД АН Каз. ССР, ВНИМИ, Унипромедь, КузПИ и др. [41, 30, 39 и др.].

Акустический метод широко используется при исследованиях устойчивости междукамерных целиков, потолочин и обнажений бо­ ковых пород при подземной разработке рудных месторождений [62, 43], а также с целью прогнозирования горных ударов, внезап­ ных выбросов угля и газа и разработки мероприятий по предотвра­ щению их [5, 14, 30].

Широкому применению акустического метода исследований для решения конкретных горнотехнических задач на том или ином предприятии должно предшествовать проведение лабораторных и экспериментальных работ в натурных условиях в том числе:

лабораторное изучение шумности горных пород при постоянной и изменяющейся нагрузке;

установление периодичности и продолжительности акустических наблюдений в шахтных условиях, наиболее целесообразного раз­ мещения пунктов наблюдений, а также критической шумности или

124

ее изменения во времени. Для решения этих вопросов акустические наблюдения следует сначала поставить на двух-трех наиболее ха­ рактерных участках месторождения.

Обычный метод акустических наблюдений позволяет изучать характер изменения напряженного состояния горных пород во вре­ мени. Однако с его помощью не представляется возможным оцени­ вать качественно и тем более, количественно характеристику напря­ женного состояния на момент проведения наблюдений.

На основе проведенных ВНИМИ в 1965 году лабораторных опы­ тов по изучению изменения шумности горных пород при постоянной нагрузке (опыты проводились на образцах горных пород Миргалимсайского и Алтын-Топканского месторождений, постоянная нагрузка на образец задавалась специальной установкой длительных испы­ таний— УДИ— 1) было установлено, что при нагрузке на образец, составляющей примерно 70—80% от разрушающей, наибольшее число звуковых импульсов появляется в момент задания нагрузки на образец, а через 2—5 часов, считая с момента нагружения, по­ явление импульсов прекращается [80].

Результаты акустических наблюдений в междукамерных цели­ ках Миргалимсайского месторождения комбината «Ачполиметалл» также показали, что в условиях большого и неизменяющегося во времени давления на целики (это устанавливалось по данным опре­ деления напряжений методом разгрузки) частота появления звуко­ вых импульсов была незначительной.

Поэтому низкий уровень шумности может указывать лишь на то, что напряжения в массиве горных пород существенно не изме­ няются и не достигают предела длительной прочности материала.

Учитывая ограниченность информации, получаемой на основе применения акустического метода по обычной схеме (постановка длительных наблюдений за изменением частоты появления звуковых импульсов) во ВНИМИ разработаны два новых варианта акусти­ ческого метода, которые позволяют оценивать качественную харак­ теристику напряженного состояния горных пород в массиве на мо­ мент производства акустических наблюдений.

Акустические наблюдения по первому варианту, разработанно­ му в отделе горных ударов ВНИМИ, заключаются в регистрации количества звуковых импульсов, возникающих в забое скважины в процессе ее бурения в угольном пласте (применяется бескерновое бурение). При этом геофон, воспринимающий звуковые импульсы, помещается в угольном массиве сблизи поверхности обнажения. При таком расположении геофона им могут быть зарегистрированы только сильные звуковые импульсы типа стреляний, вызываемые разрушением угля в районе забоя скважины. Слабые импульсы из-за поглощения их трещиноватым массивом, резкого убывания интенсивности импульсов с увеличением расстояния между забоем

26

скважины и звукоприемником и наличия высокого уровня шума, создаваемого работой бурового станка, не улавливаются геофоном.

Вкачестве критерия для качественной оценки напряженного состояния угольного целика при этом варианте акустического метода принимается среднее количество звуковых импульсов в минуту на одном метре скважины (шумность, нормированная по глубине) [76]. Применение этого варианта акустического метода в комплексе

сдругими методами оказалось эффективным для прогнозирова­ ния степени удароопасности участков угольных пластов [56].

Данный вариант совершенно неприменим для крепких и весьма крепких горных пород, т. к. бурение скважины в этих породах не сопровождается генерированием сильных звуковых импульсов типа стреляний в забое.

Всвязи с этим ВНИМИ разработан другой вариант акусти­ ческого метода использования напряженного состояния массива, сложенного крепкими и весьма крепкими породами [50]. Сущность этого варианта заключается в искусственном создании высокой концентрации напряжений в районе забоя скважины за счет при­ дания забою специальной формы и в использовании става буровых штанг для передачи к звукоприемнику (геофону) возникающий в районе забоя скважины звуковых импульсов микроразрушений (при таком способе передачи звуковых импульсов не происходит сущест­ венного уменьшения их интенсивности). При этом варианте в мас­ сиве горных пород бурится колонковая скважина с применением кольцевой мелкоалмазной коронки. После образования кольцевой щели буровой станок останавливается, буровой снаряд прижима­ ется к забою, а геофон — к ставу буровых штанг. Регистрация ко­ личества возникающих в районе забоя скважины звуковых импуль­

сов, определение их интенсивности и установление периода времени, в течение которого появление импульсов прекращается или шум­ ность становится минимальной и существенно не изменяющейся во времени, производится с помощью акустической аппаратуры на слух или с записью на магнитофон. Аналогичные наблюдения про­ водятся и в других точках массива по мере увеличения глубины сква­ жины.

Возобновление бурения скважины при акустических наблюдениях в каждой новой точке массива горных пород производится лишь после полного прекращения появления звуковых импульсов или при достижении неизменяющейся во времени шумности. Оптимальное увеличение длины скважины при этих наблюдениях устанавливается экспериментально. Наблюдения следует начинать сразу же после остановки бурового станка.

Данный вариант акустического метода может быть использован и для приближенной количественной оценки напряженного состоя­ ния массива при условии проводимого совместно с ним опреде­

126

ления напряженного состояния массива методом разгрузки. Пер­ спективно также применение этого варианта акустических наблю­ дений при бурении шпуров. В данном случае сразу же после окон­ чания бурения шпура в него помещают геофон и начинают наблю­ дения.

Ультразвуковой (импульсный сейсмический) метод основывается на зависимости скорости распространеия упругих волн в массиве горных пород от действующих в нем напряжений [64, 5 и др.].

С увеличением сжимающих напряжений скорость упругих волн, прошедших через исследуемый массив, возрастает. Зависимость между скоростью распространения волн в горных породах и напря­ жением в них устанавливается в лабораторных условиях на образ­ цах породы, взятых из изучаемого массива или в шахтных усло­ виях — с применением давильных устройств.

Наиболее эффективным способом тарировки в шахтных условиях следует считать применение метода разгрузки для определения на­ пряжений в массиве, в котором измеряется скорость упругих волн. Методика исследований ультразвуковым методом заключается в бурении на определенном расстоянии друг от друга двух параллель­ ных скважин на необходимую глубину, в одной из которых устанав­ ливается излучатель, в другой — приемник. На этой базе опреде­ ляются скорости прохождения ультразвукового импульса, а по ним судят об уровне напряженного состояния. Количество и направление буровых скважин определяется характером решаемых задач.

Аппаратура, применяющаяся в настоящее время для этого ме­ тода, состоит из импульсных ультразвуковых приборов — сейсмо­ скопов типа СП—55, УСД—2М, ИПА.

В основу электрометрического метода положена зависимость удельного электрического сопротивления и электропроводности не­ которых горных пород от действующих в них напряжений [30, 53, 38 и др.].

Техника исследований с помощью этого метода сводится к буре­ нию скважины, в которую помещаются электроды (каротажный снаряд). Измерение удельного электрического сопротивления произ­ водится специальными приборами (например, электронно-стрелоч­ ный компенсатор ЭСК—1, ИКС—2).

Проведенные опытные работы в СССР и за рубежом по приме­ нению электрометрического метода показывают, что он может быть в отдельных случаях использован для изучения изменения напря­ женного состояния массива горных пород. Однако он нуждается в выполнении широких экспериментальных исследований по оценке области его применения и дальнейшему совершенствованию мето­ дики и технических средств метода.

127

§15. Методы и аппаратура для натурного исследования статических состояний и реологических (медленных) процессов деформирования и разрушения массивов

горных пород

Изучение в натурных условиях закономерностей процессов де­ формирования и разрушения массивов горных пород, возникающих в результате проведения горных выработок, является одной из наи­ более важных задач механики горных пород. На основе результа­ тов этих исследований представляется возможным решать вопросы поддержания подземных выработок: управления кровлей и приме­ нения механизированных крепей и агрегатов; раскрытия сущности горных ударов, внезапных выбросов угля и газа и разработки мер борьбы с ними; последовательности разработки пластов угля или рудных залежей; установления рациональных размеров камер и целиков при камерных системах разработки; определения условий обеспечения планомерного самообрушения пород налегающей тол­ щи при разработке мощных рудных залежей системами с обруше­ нием и др.

Процессы деформирования и разрушения массивов горных пород изучаются посредством проведения инструментальных и визуаль­ ных наблюдений. *

Сообразуясь с решаемыми задачами, эти наблюдения (непрерыв­ ные, периодические, длительные, кратковременные, частотные) мо­ гут включать измерения [1, 2, 9, 92 и др.]:

1)относительных смещений (сближений) кровли и почвы, а так­ же боков подготовительной или капитальной выработки;

2)относительных смещений элементов массива пород на разном удалении от подготовительной или капитальной выработки;

3)деформаций угольного пласта или рудной залежи в точках, различно расположенных относительно очистной выработки;

4)смещений точек массива угля (руды) в зависимости от рас­ положения их относительно границ очистной выработки;

5)смещений и расслоений пород кровли очистных выработок;

6)осевых и поперечных деформаций междукамерных и других целиков;

7)поверхностей обрушения кровли очистных выработок и раз­ рушения целиков;

8)смещений и обрушений толщи боковых пород и земной по­ верхности.

При проведении этих наблюдений применяются следующие мето­ ды и аппаратура.

*В соответствии с объектами исследований (гл. VI—XI) обеспечи­ вается необходимая полнота и точность результатов.

129