книги / Основы механики горных пород

микроразрушениях. Комплект аппаратуры для шахтных изме­ рений показан на рис. 36. Звуковые импульсы, воспринимаемые геофоном, могут непосредственно прослушиваться наблюдате­ лем либо регистрироваться на ленте самописца. Возможна вы­ сокочастотная проводная либо беспроводная дистанционная передача и автоматическая регистрация поступающих им­ пульсов.

Число импульсов, регистрируемых в единицу времени, соот­ ветствует числу единичных микроразрушеиий в массиве пород вблизи места нахождения геофона. Длительность единичного звукового импульса во всех породах невелика: от 0,01 до 0,1 с. Звуковые импульсы большей продолжительности могут наблю­ даться лишь на конечной стадии разрушения пород за счет слияния следующих один за другим коротких звуков. Измене­ ние числа импульсов служит показателем относительного из­ менения уровня напряженности породного массива. Этот пока­ затель, существенно различный для разных горно-геологиче­ ских условий, используют как критерий степени опасности обрушений и динамических проявлений горного давления в со­ ответствующих частях массива, в пределах которых проводят наблюдения и осуществляют сейсмоакустический контроль.

§ 27. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СМЕЩЕНИИ И НАПРЯЖЕНИИ

ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

При ведении взрывных работ на статическое поле на­ пряжений накладываются кратковременно действующие знако­ переменные неравномерные динамические поля. Для измерения количественных параметров этих полей применяют вибрографы или сейсмоприемники. Ряд сейсмоприемников, установленных на различном удалении от места взрыва, позволяет получить характеристику поля динамических напряжений, а именно па­ раметры скорости распространения в массиве упругой волны напряжений, максимальные скорости и амплитуды смещения точек массива, затухание упругой волны по мере удаления от места взрыва. По параметрам скорости распространения волны и максимальных смещений точек вычисляют максимальные де­ формации сжатия и растяжения, а от них переходят к значе­ ниям максимальных динамических сжимающих и растягиваю­ щих напряжений.

Наряду с использованием сейсмоприемников возможен пря­ мой метод измерения динамических упругих деформаций и оп­ ределения по ним напряжений. Он основан на применении спе­ циальных керновых тензометрических датчиков. На участках наблюдений отбирают породные штуфы и выбуривают из них керны диаметром 40 мм. Отрезок керна длиной 5—10 см рас­ пиливают вдоль образующей на три части (рис. 37,6). На

значения сжимающих и растягивающих динамических напря­ жений, создаваемых при взрывных работах.

Известны также попытки для измерения динамических на­ пряжений применить метод лазерной интерферометрии, осно­ ванной на изменении коэффициента преломления жидкостной или газовой среды под влиянием механических полей. Метод обладает высокой чувствительностью в широком частотном и амплитудном диапазонах динамических напряжений, но тре­ бует специальной дорогостоящей аппаратуры [42].

§ 28. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЗОНЫ НАРУШЕННЫХ ПОРОД

Обычно вблизи контура подготовительных и очистных выработок формируется некоторая зона, в пределах которой в породах получают развитие смещения с частичным разрывом первоначальной сплошности и монолитности. Эта зона, именуе­

мая	зоной	нарушенных пород, более подробно описывается
в гл.	9. Ее	основные характеристики — протяженность в глубь

массива от контура выработки и степень нарушенности (или

ослабления) пород — существенно важны в	решении	конкрет­
ных практических задач механики горных	пород,	поскольку

с ними непосредственно связаны выбор оптимального типа крепи, расчет ее параметров и другие технические предложения по обеспечению устойчивости и безопасной эксплуатации вы­ работок.

Для определения параметров зоны нарушенных пород при­ меняют различные способы: реометрический, ультразвуковой, сейсмометрический, электрометрический, радиометрический и др. [59, 146].

Наибольшую простоту имеют определения протяженности зоны нарушенных пород от контура выработки в глубь массива. Эти определения проводят обычно с помощью реометрического метода [59]. Метод основан на измерении проницаемости пород. В пределах зоны нарушенных пород по сравнению с нетрону­ тым массивом проницаемость, как правило, многократно увели­ чивается. Существо метода состоит в подаче в изучаемый уча­ сток породного массива газа или жидкости, подводимых через шпур (скважину), и в регистрации показателей фильтрации по­ даваемого газа (жидкости) через рассматриваемый участок массива. Комплект реометрической установки показан на рис. 38.

Также достаточно прост ультразвуковой способ. В пределах зоны нарушенных пород скорости упругих волн уменьшаются. Степень этого уменьшения характеризует степень нарушенно­ сти пород. Еще значительнее понижаются расчетные модули уп­ ругости, но для их определения помимо данных о скоростях

в)	измерение давления на крепь со стороны	вмещающих
пород и реакции крепи.		сдвижения
Методы и приборы для измерения параметров

толщи пород вокруг выработок и деформаций их контура только что были рассмотрены в § 25.

Деформации в элементах крепи измеряют несколькими ме­ тодами, практически не отличающимися от методов измерения деформаций строительных конструкций. К их числу прежде всего относятся электротеизометрический метод и метод фотоупругих покрытий [144]. Тензодатчики сопротивления или фотоупругие покрытия приклеивают или наносят непосредственно на элементы крепи, напряжения в которых стремятся определить. Дополнительные трудности при измерениях этими методами в шахтных условиях состоят в необходимости специальных мер по обеспечению надежности работы датчиков и аппаратуры в условиях повышенной влажности и загрязнения.

Принципиальные основы измерения деформаций с помощью тензодатчиков сопротивления и фотоупругих покрытий излага­ лись выше, поэтому рассмотрим лишь некоторые примеры при­

менения этих методов	для изучения работы крепи выработок.
В частности, с	помощью тензодатчиков сопротивления

удобно измерять деформации, оценивать усилия и изучать осо­ бенности работы анкерной крепи в различных горно-геологиче­ ских условиях. С этой целью на поверхность анкеров наклеи­ вают тензометры и с помощью обычной тензометрической ап­ паратуры измеряют деформации анкера после его установки в шахте. На рис. 39 представлена одна из применяемых кон­ струкций тензометрических штанг, разработанная в Горном ин­ ституте Кольского филиала АН СССР.

Использование фотоупругих покрытий открывает возможно­ сти фиксировать характер изменения деформаций непрерывно по всей поверхности исследуемых конструкций, вследствие чего этот метод находит применение при исследовании работы раз­ личных конструкций крепей и, в частности, механизированных крепей выемочных агрегатов [61]. На рис. 40 в качестве примера показаны расположение фотоупругих датчиков в крепи агре­ гата А-3 и результаты определения давления на крепь со сто­ роны вмещающих пород в условиях Подмосковного угольного бассейна.

Широко применяют также методы непосредственного изме­ рения нагрузок на крепи различных типов. С этой целью ис­ пользуют динамометры разнообразных конструкций — механи­ ческие, гидравлические (мессдозы), электрические с различ­ ными типами датчиков.

Чаще всего в условиях шахт применяют механические стоеч­ ные динамометры. Одна из конструкций такого динамометра приведена на рис. 41. Он представляет собой упругую мем-

Рис. 41. Конструкция механи ческого стоечного динамометр* (тип 45Д-135).

I	— колпачок;. 2 — пружина рыча-
га; 3 — верхняя		опора;	4 — рычаг;
5	— нижняя опора; 6 —		регулиро­
вочный винт;		7 — мембрана; 8 —
	пружина;	9 — обечайка.

7 6 0135 3

Измерения нагрузок динамометрами в силу разных причин сопряжены со значительными погрешностями. Одним из источ­ ников таковых может служить различная жесткость элементов крепи и динамометров. С целью исключения влияния этого фак­ тора разработаны многочисленные конструкции динамометри­ ческих стоек, которые полностью сохраняют характеристики стандартной крепи. Принципы действия чувствительных элемен­ тов таких стоек аналогичны принципам действия динамометров с той лишь разницей, что фиксируются при этом деформации самих стоек.

Дальнейшим развитием техники измерения нагрузок на крепи горных выработок явилось создание динамометрических секций крепей, позволившее устанавливать распределение на­ грузок на значительных площадях контакта элементов крепей с поверхностью стенок, кровли и почвы выработок.

Особенно большие возможности для изучения процессов взаимодействия пород и крепи, в том числе при различной их деформационной способности, дает конструкция динамометри­ ческой крепи, позволяющая изменять деформационные харак­ теристики в широких пределах [30].

Динамометрическая крепь регулируемой податливости (рис. 42) пред­ ставляет собой прочный жесткий остов (например, нз железобетонных или чугунных тюбингов), окруженный поясом металлических баллонов, запол­ ненных битумом и располагаемых по всему контуру выработки на участке измерений. Баллоны оборудованы динамометрами для измерения давления битума и имеют специальные клапаны для выпуска битума и снижения дав­ ления. При полностью закрытых клапанах крепь работает практически как жесткая система и позволяет определять максимально возможную в данных условиях нагрузку. При открытых клапанах битум медленно вытекает нз баллонов, баллоны деформируются, крепь сокращается в диаметре, при этом ее сопротивление давлениювмещающих пород падает. В любой момент, при достижении заданной податливости, истечение битума может быть пре­ кращено, и крепь вновь начнет работать как жесткая конструкция.

Рис. 42. Элемент динамометрической крепи регулируемой податливости для шахтных стволов.

/ — баллоны для регулирования податливости; 2 — динамометр; 3 — тюбинг; 4 — клапан податливости.

§ 30. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ МАССИВА И ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ

В связи с непрерывным ухудшением горно-геологиче­ ских условий добычи полезных ископаемых в последние годы особенно возросла необходимость перехода от дискретных (во времени) измерений напряженно-деформированного состояния в массиве пород и горных выработках к постановке длительных наблюдений с целью получения непрерывной информации о про­ цессах деформирования и разрушения.

Указанные цели могут быть достигнуты лишь при создании автоматизированных систем контроля напряженно-деформиро­ ванного состояния, основные принципы эксплуатации которых

внастоящее время наиболее разработаны для решения задач прогнозирования таких опасных проявлений горного давления, как горных ударов, внезапных обрушений пород в очистных ка­ мерах, разрушения поддерживающих целиков и т. д. [80]. При этом в качестве датчиков, размещаемых по определенной сетке

вмассиве пород, очистных выработках и целиках, используются емкостные или индуктивные деформометры, или датчики пере­ мещений, геофоны, а также сейсмические и ультразвуковые датчики.

Вчастности, одна из первых информационно-вычислитель­ ных систем оперативного контроля и прогнозирования горного

давления с 1973 г. находится в опытно-промышленной эксплуа­ тации на руднике Каула-Котсельваара (ГОК «Печенганикель») [164]. Система выполняет следующие функции: сбор оператив­ ной информации о напряженно-деформированном состоянии горного массива и ее регистрацию, передачу в вычислительный центр результатов измерения параметров горного давления, об­ работку на ЭВМ полученных данных и передачу на рудник ре­

зультатов оценки и прогнозирования состояния горных вырабо­ ток, а также рекомендуемых мероприятий по обеспечению без­ опасной эксплуатации выработок на разных стадиях их дефор­ мируемости. Регистрируемым параметром в данной системе яв­ ляется частота переменного тока, которая представляет собой некоторую функцию преобразования значений смещений пород в выработках или целиках или давления на крепь.

Эффективность данной информационно-вычислительной си­ стемы наглядно может быть проиллюстрирована примером на­ блюдении за состоянием вертикального ствола (ГОК «Печенгаиикель») при сдвижении пород в пределах охранного целика вследствие отработки междукамерных целиков. Анализ резуль­ татов непрерывных измерений сдвижений пород на расстоянии 20—40 м от контура ствола по специальным реперным стан­ циям, оборудованным на различных горизонтах, позволил обна­ ружить зоны интенсивного трещинообразования и своевременно приостановить эксплуатацию ствола. В дальнейшем в связи с за­ туханием этого процесса было решено возобновить эксплуата­ цию грузового отделения ствола при систематическом оператив­ ном контроле состояния охранного целика.

В США на рудниках «Star» и «Lucky Friday» с 1973 г. при­ меняется сейсмоакустическая система, контролирующая степень напряженности массива кварцитов по сигналам геофонов, уста­ новленных в горных выработках [172]. На этом же принципе организована служба прогнозирования опасных ситуаций, свя­ занных с возможностью газодинамических явлений в угле или обрушением вмещающих пород на шахтах Донбасса. К 1978 г. система охватывала 40 шахт, осуществляя контроль состояния в 180 очистных выработках [47].

Широкое использование измерительно-вычислительных ком­ плексов при сейсмоакустическом контроле напряженности угольного массива предусматривается в ПНР на шахтах Ниж­ несилезского бассейна. Разработаны основные положения цен­ трализованной системы сбора и преобразования информации, которая на первом этапе объединяет семь шахтных центров по борьбе с горными ударами и Главный институт горного дела в г. Катовице. В шахтных центрах, на конечных станциях си­ стемы вводится микросейсмическая и сейсмоакустическая ин­

формация, а	также осовные горно-геологические данные.
В центральном	органе информации все данные подвергаются

обработке и на этом основании выполняется прогноз ударной ситуации, т. е. определяются время возможного удара, его эпи­ центр и энергия [176].

Автоматизированные системы непрерывного контроля и прог­ ноза состояния и поведения массивов горных пород, опасных по динамическим проявлениям горного давления, в основу которых положены сейсмологические наблюдения, созданы и эксплуати­

руются на ряде угольных и рудных месторождений страны — в Кизеловском и Ткибули-Шаорском угольных бассейнах, на североуральских бокситовых рудниках и Таштагольском желе­ зорудном месторождении. В настоящее время аналогичная'си­ стема разработана и прошла промышленные испытания на од­

ном	из хибинских апатитовых месторождений (ПО «Апа­
тит»)	[44].

Система создана с целью контроля за состоянием и поведением массива горных пород на глубоких горизонтах апатитовых рудников и предназна­ чена для автоматического сбора, преобразования, анализа и отображения информации о сейсмической активности массива, возбуждаемой динамиче­ скими проявлениями горного давления. С учетом цели, а также специфики условий работы системы комплекс технических средств включает в себя сейсмометрические каналы, состоящие из аппаратуры сбора информации и средств передачи ее в вычислительный центр; аппаратуру приема и анало­ говой обработки информации; средства вычислительной техники (комплекс ИВК-3), обеспечивающие накопление и обработку информации; устройства отображения входной и выходной информации; средства контроля системы.

При этом функционирование комплекса технических средств заключа­ ется в приеме сейсмических колебаний, преобразовании их в электрические сигналы достаточного уровня и мощности и передачи их в вычислительный центр. Аппаратура приема и аналоговой обработки сигналов обеспечивает частотную фильтрацию принимаемой информации, восстановление сейсми­ ческого фона по каждому каналу регистрации и выделение полезных сигна­ лов, в результате чего осуществляется формирование запросов на ввод в ЭВМ. Информация вводится через модули аналого-цифрового преобразо­ вания и коммутации и после обработки накапливается в буфере исходных данных на магнитном диске. Одновременно осуществляется управление ка­ налами аппаратурного выделения полезных сигналов, накапливаемая в бу­ фере информация анализируется, результаты обработки образуют базу дан­ ных на магнитной ленте и выводятся в виде протокола наблюдений на устройстве широкой печати. Кроме того, на планшетный построитель выво­ дится карта сейсмоактивиости зоны наблюдения с отметками зафиксирован­

ных сейсмособытий.

Комплекс технических средств размещается в сейсмопунктах, охваты­ вающих контролируемую зону, и в вычислительном центре. Сейсмопункты оборудованы в технологических нишах и камерах откаточных горизонтов. Выбор расположения сейсмопунктов на контролируемой зоне осуществлен из условий заданной точности регистрации источников сейсмовозмущений, в дан­ ном случае в точках, удаленных друг от друга не более чем на 500 м.

Вычислительный центр располагается на расстоянии 2,5 км от наиболее удаленного сейсмопункта и связан с пунктами кабельными линиями, по ко­ торым осуществляются передача информации, а также электропитание обо­ рудования сейсмопунктов и дистанционный контроль оборудования.

На каждом сейсмопункте установлен трехкомпонентный комплект се­ рийных маятниковых сейсмоприемников СМ-ЗКВ с встроенными усилите­

лями, питание которых	осуществляется по кабельной		линии напряжением
24 В постоянного тока. На рис. 43 показан		общий вид	регистрирующей	ап­
паратуры и схема гор.	4-252 м Кировского	рудника (ПО «Апатит») с		эпи­

центрами динамических проявлений горного давления, полученная на гра­ фопостроителе в автоматическом режиме работы системы.

Наряду с указанными системами получили распространение также системы долговременных наблюдений за состоянием и, в частности, за устойчивостью горных пород в обнажениях путем высокоточных деформационных и наклономерных измере­

н о