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

скважине обычно закладывают несколько реперов. Смещения опре­ деляются относительно глубинного репера, который заложен вне зоны влияния горной выработки [9, 23 и др.].

Д е ф о р м а ц и и у г о л ь н о г о п л а с т а (рудной залежи) по нормали к контактам в точках, различно расположенных относи­ тельно очистной выработки, измеряются в подготовительных выра­ ботках или специально проходимых для этого выработках по пласту впереди очистного забоя.

В кровле и почве выработки закладываются реперы на линии, нормальной к пласту. Для измерения деформаций угольного пласта могут быть применены телескопические стойки СУ—2 и СУИ—2, специальная рулетка, реостатные датчики РД—1 и РД—2, импуль­ сные датчики ИД—2. В качестве измерительной станции для рео­ статных датчиков служит станция СРД—3, а для импульсных дат­ чиков — станция СИД. Реостатные и импульсные датчики и изме­ рительные станции к ним могут быть применимы в шахтах, опасных по газу и пыли. С их помощью можно производить дистанционные измерения [1, 9 и др.].

С м е щ е н и я т о ч е к м а с с и в а у г л я (руды) в зависимости от расположения их относительно границ очистной выработки из­ меряются с помощью глубинных реперов, заложенных в скважинах, пробуренных в плоскости угольного пласта из забоя очистной вы­ работки. При применении глубинных реперов с жетскими штоками измерение смещений осуществляется с помощью индикаторов часо­ вого типа, установленных на специальной стойке типа ИСБ—1, ко­ торая крепится в почве пласта, а при применении глубинных репе­ ров с проволочной связью — деформации измеряются реостатны­ ми или импульсными датчиками [9, 54 и др.].

. С м е щ е н и я п о р о д к р о в л и очистных выработок опреде­ ляются с помощью глубинных реперов различных типов. Скважины для глубинных реперов бурят в нормальном к поверхности кровли направлении. Бурение скважин и закладка в них глубинных репе­ ров должны производиться из специально пройденной впереди очистного забоя узкой опережающей выработки, что обуславливает­ ся необходимостью избежать значительных прогибов слоев кровли очистной выработки до начала исходной серии наблюдений. Распо­ ложение реперов по глубине скважин устанавливается с учетом ре­

пород кровли в высоких очистных камерах при камерных системах разработки. Для этих условий ВНИМИ разработал ряд методов [46, 50]. Одним из эффективных методов наблюдений за деформи­ рованием пород кровли следует считать наблюдения с помощью глубинных реперов, заложенных в пробуренные скважины из горной

131

камер, могут производиться [44] с помощью гидростатического и геометрического нивелирования, реостатных датчиков и индикатор­ ных устройств (рис. 17).

На основе результатов наблюдений с помощью глубинных репе­ ров можно лишь в отдельных случаях (при достаточной изученности слоистости пород кровли) приближенно судить о местах и величи­ нах расслоений пород кровли.

Для надежного определения мест и ширины трещин расслоения обычно применяется метод [45], сущность которого заключается в том, что стенки пробуренной в кровле камеры скважины (диаметр последней не менее 40 мм) покрывают тонким слоем цементного раствора путем набрызга или промазывания. Цементное покрытие толщиной около 1 мм после твердения служит надежным индика­ тором трещин расслоения, появляющихся при деформировании по­ род кровли в процессе их обнажения. Местоположение и ширина раскрытия трещин, образовавшихся при расслоении пород, опре­ деляются с помощью оптического прибора РВП—456 (или РВП—451), которым можно осматривать скважину на глубину до 6—7,5 м. При применении двух комплектов прибора глубина осмотра может быть увеличена вдвое. Для удобства осмотра вос­ стающих скважин прибор имеет специальную окулярную насадку.

С помощью данного прибора представляется возможным опре­ делять ширину трещин с точностью до 0,1 мм. Этот метод также широко используется при изучении процесса разрушения междукамерных целиков.

Перспективным для изучения расслоений пород кровли является применение ультразвукового каротажа скважин с помощью разра­ ботанной ВНИМИ аппаратуры [7], а также прибора ПКТ—65 кон­ струкции КНИУИ [15 и др.].

В отдельных случаях для изучения расслоений пород кровли могут быть использованы разнообразные конструкции скважинных щупов.

И з м е р е н и е о с е в ы х д е ф о р м а ц и й м е ж д у к а м е р н ы х ц е л и к о в осуществляется с помощью телескопических стоек, рео­ статных или импульсных датчиков, индикаторных устройств с при­ менением струнных тензометров для больших баз [9, 44, 41]. Обо­ рудование наблюдательных станций для этих измерений заклю­ чается в закладке пар реперов на стенках целиков или в почве и кровле камер в непосредственной близости у целиков. Пары ре­ перов располагаются на линии, параллельной продольной оси це­ ликов. На каждой паре реперов устанавливаются измерительные устройства (телескопические стойки и др.). Погрешность измерения осевого сжатия целиков не должна превышать 1 мм. Для оценки полной осевой деформации целиков из выработки, расположенной в 10— 15 м выше или ниже тела полезного ископаемого, бурят

133

скважину в проектном сечений целика, закладывают в ней глубин­ ные реперы и производят исходную серию наблюдений до начала отработки камер (рис. 18). По мере отработки камер измеряют де­ формацию целика в течение всего периода отработки камер данного участка [46]. Регистрирующее устройство обеспечивает определе­ ние смещений глубинных реперов со средней квадратической ошиб­ кой ±0,1 мм.

Деформации целиков в поперечном сечении (по отношению про­ дольной оси целиков) измеряются с помощью глубинных реперов со штангами или скважинных струнных продольных деформометров ДС—1 и УСД [59].

Для изучения процесса разрушения целиков применяются смот­ ровые скважины с оптическим прибором РВП, а также акустический (звукометрический), ультразвуковой и др. методы. Особое внима­ ние должно уделяться проведению периодического осмотра цели­ ков и кровли камер с целью выявления их видимых нарушений. Для оценки последних может быть, например, применен тахеометр проекционный базисный (ТПБ), разработанный на базе инструмен­ та МИД [74] (рис. 19). Дальномерное устройство ТПБ позволяет осуществлять съемку недоступных мест на расстоянии от 5 до 100 л при относительной ошибке определения расстояния 1/100— 1/200. При малых расстояниях (до 20—30 м) может быть применен пор­ тативный угломер УДС со спиральным дальномером, либо другие тахеометры: Д — 1 м, ДВГ, БРТ—006 [66], тахеометр БРТ—006 изготовляется в ГДР).

По результатам проведения съемок этими тахеометрами можно устанавливать предельные размеры обнажений пород кровли камер при системах с открытым очистным пространством без присутствия в нем людей (система подэтажных штреков или ортов; вариант камерно-столбовой системы разработки с доставкой руды силой взрыва).

Процесс сдвижения и обрушения боковых пород и земной по­ верхности изучается посредством постановки инструментальных наблюдений в подземных выработках, на земной поверхности и с помощью глубинных реперов, заложенных в скважинах, пробурен­ ных с поверхности или из подземных выработок. Эти наблюдения проводятся в соответствии с действующими инструкциями (см. гл. X).

В последние годы получили развитие методы дистанционных наблюдений за сдвижением земной поверхности в гористой мест­ ности за сдвижением глубинных реперов над опасными участками где возможны внезапные обрушения, а также широко внедрен ме­ тод наземной стереофотограмметрической съемки зон обрушения горных пород [46, 65 и др.].

Поскольку метод глубинных реперов в настоящее время широко применяется при исследовании сдвижений и деформаций горных по­ род в массиве — повышение полноты информации, получаемой на основе этого метода наблюдений, является первостепенной задачей.

134

§ 16. Методы и аппаратура для исследований быстрых (динамических) процессов напряжения, деформирования, перемещения и разрушения породных массивов

Во многих горногеомеханических процессах, например, при взрывных работах, внезапных выбросах угля и газа, горных уда­ рах, обвалах, обрушениях и т. п. изменение напряженного состояния массива как и его деформации, смещения и разрушения происходят скачкообразно за очень короткое время: от секунд до малых долей секунд, и даже миллисекунд. Для изучения механизма развития и протекания этих процессов необходимо записать изменения интере­ сующей величины (напряжения, смещения и других параметров) именно за те малые отрезки времени, в течение которых они про­ являются.

Известно, что в результате кратковременного импульсного при­ ложения силы в массиве распространяются волны сжатия и растя­ жения, которые, накладываясь на действующие статические напря­ жения (методика и аппаратура для определения статических на­ пряжений описаны в § 14 данной главы), могут привести к образо­ ванию сколов, трещин, вывалов и т. п.

Параметры колебательного процесса в различных точках по­ родного массива зависят от интенсивности и длительности возму­ щающего импульса, расстояния до него, физико-механических свойств горных пород, слоистости и трещиноватости массива, наличия пу­ стот (выработок, карстов, расслоений и т. п.).

Кроме того, из-за слоистого строения массива, когда акусти­ ческие сопротивления слоев в пачке могут значительно отличаться друг от друга, а также из-за наличия в массиве пустот, распро­ страняющиеся в массиве волны будут претерпевать многократные отражения и преломления, а следовательно будет иметь место ин­ терференция и дифракция этих волн. Иначе говоря, динамические напряжения на равноудаленных от места приложения импульса участках массива могут быть существенно разными по величине.

Учитывая это, рассчитывать или предсказать с достаточной точ­ ностью положение участков массива, где напряжения могут ока­ заться выше допустимых обычно бывает чрезвычайно сложно, а иногда и просто невозможно. Поэтому для определения опасных участков массива необходимо устанавливать достаточно большое количество датчиков на различном расстоянии от места приложе­ ния импульса и вести регистрацию вызываемых импульсом воз­ мущений на многоканальную регистрирующую аппаратуру.

При размещении датчиков необходимо стремиться к тому, чтобы часть из них попала в зону, где ожидаются нарушения массива.

Обрабатывая полученные результаты, можно установить как величины динамических напряжений, которые приводят к нару­ шению равновесного механического состояния массива, так и зону, в которой эти нарушения возможны.

136

На основе результатов измерений параметров колебаний в от­ дельных точках горного массива (амплитуды, частоты и сдвига фаз) могут быть определены значения скоростей, ускорений и дина­ мических напряжений, как в этих точках, так и в отдельных участ­ ках массива. Кроме того, при горных ударах можно определить величину высвобождающейся упругой сейсмической энергии.

Проведение экспериментальных исследований динамических про­ цессов основывается на применении измерительных средств с реги­ страцией результатов на записывающих устройствах (осциллогра­

основном применяются тензометрический и сейсмический методы. При тензометрическом методе с помощью тензометрических пре­ образователей, устанавливаемых в интересующих точках массива горных пород, производится непосредственное измерение относитель­ ных деформаций по заданным направлениям [48, 87, 19]. По изме­ ренным относительным деформациям и известным упругим харак­ теристикам горных пород вычисляются величины динамических на­

пряжений.

При сейсмическом методе регистрируются смещение, скорость или ускорение элементов массива. По измеренным параметрам колебаний и значениям упругих характеристик пород рассчитывают­ ся по формулам теории упругости относительные деформации и на­ пряжения, а также величина упругой энергии горного удара [81].

Регистрирующую и измерительную аппаратуру, в зависимости от частоты протекающих процессов, можно разделить на две группы:

1. Аппаратура для регистрации процессов, протекающих с ча­ стотой не более 10 гц. Регистрация процессов возможна механи­ ческими (электромеханическими) средствами, а датчиковая аппа­ ратура, за редким исключением, может быть использована та же,

стотой больше 10 гц. Для регистрации процессов необходимы элек­ тронные или электромеханические приборы и высокочастотные дат­ чики.

При измерениях динамических процессов с частотой выше 10 гц кроме четырех основных элементов (рабочего датчика, регистри­ рующего устройства, усилителя и коммуникации связи между ними), измерительная станция включает и вспомогательные устройства: датчик и усилитель синхронизации, а также отметчик времени.

В высокочастотных датчиках, для преобразования механиче­ ской величины в электрическую, наибольшее распространение полу­ чили проволочные и полупроводниковые тензопреобразователи, пьезоэлектрические, индуктивные и емкостные преобразователи

137

[17, 29, 42, 87]. Учитывая, что время проведения экспериментов при исследовании динамических процессов невелико, требования к временнбй стабильности датчиков могут быть несколько снижены, тем более, если в процессе их эксплуатации будет предусмотрена возможность повторной тарировки. Особое внимание при разра­ ботке (выборе) высокочастотных датчиков следует уделять соб­ ственной частоте датчиков, степени их демпфирования и согласо­ ванию характеристик датчика с нагрузкой кабеля.

При установке датчиков на исследуемом участке массива (осо­ бенно это относится к сейсмоприемникам, виброметрам или акселе­ рометрам) необходимо следить за тем, чтобы упругие колебания массива передавались на датчики без существенных искажений.

При плохом контакте датчика с массивом или при непрочном закреплении датчика результаты измерений могут резко отличаться от действительных значений измеряемых параметров.

Рекомендуется, если датчики малогабаритные, наклеивать их на плоские зачищенные участки массива быстротвердеющими компа­ ундами (например, эпоксидной смолой с полиэтиленполиамином), причем толщина слоя компаунда (клея) должна быть небольшой (0,1—0,5 мм). Если датчики имеют большой вес, то, кроме клея, который в данном случае обеспечивает акустический контакт, ре­ комендуется дополнительно укреплять их механически.

Тип, количество датчиков, их расположение и ориентировка по отношению к источнику возбуждения колебаний выбираются исходя из конкретных целей проведения исследований, горногеоло­ гических условий и имеющейся усилительно-регистрирующей ап­ паратуры.

Регистрирующая аппаратура, предназначенная для регистра­ ции высокочастотных процессов должна иметь: высокую скорость развертки (регистрации) процесса; возможность включения раз­ вертки от синхронизирующего электрического импульса; отметчик времени; устройство, позволяющее регулировать скорость развертки.

При регистрации высокочастотных процессов на светолучевых осциллографах, скорость протяжки бумаги (пленки) выбирается исходя из условий качественной обработки осциллограмм.

В связи с тем, что запас бумаги в кассете ограничен (10—25 м) время непрерывной регистрации таким осциллографом может ис­ числяться всего несколькими секундами. Отсюда ясно, что включе­ ние протяжки осциллографа должно, производиться непосредствен­ но перед началом процесса. Для этой цели обычно используют синхронизирующий импульс.

При регистрации явлений, связанных с прохождением упругих волн, синхронизирующий импульс может быть получен от датчика аналогичного рабочему, но расположенного ближе, чем основной, к источнику ударной волны.

138

При взрывных работах синхронизирующим импульсом, включаю­ щим протяжку осциллографа, обычно является импульс тока под­ рывающего детонатор заряда. В случаях, когда предсказать на­ чало процесса с достаточной точностью невозможно, а синхрони­ зирующий импульс отсутствует или нечетко выражен (регистрация обрушения кровли, выбросов, горных ударов); включение протяж­ ки может быть произведено от начала самого процесса. В этом случае в усилительной аппаратуре должно быть предусмотрено специальное устройство, которое должно выдавать импульс на вклю­ чение регистрирующей аппаратуры при появлении сигнала на входе усилителя. Начало процесса при такой системе включения протяжки записано, разумеется, не будет.

Выбор усилительно-регистрирующей аппаратуры для натурного исследования динамических процессов должен быть тщательно обо­ снован и согласован как с методикой проведения всего экспери­ мента, так и с эксплуатационными характеристиками аппаратуры. Как к датчикам, так и к усилительно-регистрирующей аппаратуре, предназначенной для измерения параметров этих процессов предъ­ являются требования надежности работы при сильной запылен­ ности и высокой влажности окружающей среды, помехоустойчи­ вости к резким колебаниям напряжения питания и т. п., а в условиях опасных по газу и пыли — также требования взрывобезопасности.

Проявления динамических нагрузок связаны, как правило, с возможностью хрупкого разрушения элементов массива: возникно­

139