СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ПОРОДНЫХ СТЕНОК ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ
METHOD FOR INTEGRITY CONTROL OF ROCK WALLS DURING CONSTRUCTION OF MINE SHAFTS

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при строительстве вертикальных шахтных стволов калийных рудников.
Известен способ определения неоднородностей упругих и фильтрационных свойств горных пород, заключающийся в том, что выбуренные из горного массива цилиндрические образцы керна просвечивают ультразвуковыми волнами, затем определяют скорости упругих продольных волн в высушенных образцах, сравнивают результаты измерения скоростей и делают вывод о возможных нарушениях в естественном залегании массива пород (Пат. 2515332 Российская Федерация, МПК G01N 15/08, заявл. 18.09.2012, опубл. 10.05.2014, Бюл. №13).
Недостатком данного способа является то, что исследование проводят на образцах керна, которые в полной мере не могут отобразить состояние и характеристики горных пород в условиях естественного залегания, а в некоторых случаях даже могут дать ошибочную картину, так как образцы испытываются в отрыве от взаимодействия с массивом и при их отборе происходит непредсказуемое изменение свойств горной породы, при этом отбор образцов выполняется точечно, что не дает возможности получить непрерывную информацию по всему периметру ствола, и, соответственно, существует высокая вероятность пропуска трещин и других опасных явлений.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ контроля шероховатости поверхности шахтных стволов в соляных породах, заключающийся в том, что в нескольких местах контролируемой поверхности определяют среднюю глубину впадин и значение электрической емкости воздушного зазора, затем определяют зависимость этих величин, после чего рассчитывают шероховатость стенки шахтного ствола (Пат. 2612755 Российская Федерация, МПК G01N 27/22, заявл. 23.10.2015, опубл. 13.03.2017, Бюл. №8).
Недостатком предложенного способа является то, что способ не определяет наличие трещин в горном массиве, а также не учитывает прочностные свойства соляных пород.
Техническим результатом изобретения является повышение безопасности при строительстве шахтных стволов соляных рудников за счет определения степени трещиноватости и прочности породных стенок ствола в местах предполагаемой установки деревянных кейлькранцев методами неразрушающего контроля.
Известно, что проникновение через трещины в соляных породах даже небольших объемов маломинерализованной воды, вследствие хорошей их растворимости, может привести к катастрофическим последствиям. Так, например, наличие природной трещиноватости в покровной каменной соли привело к возникновению аварийных водопритоков через тюбинговую крепь в зоне заложения деревянного кейлькранца в стволе №1 Первого Березниковского калийного рудника. Схожие причины, а именно наличие микротрещин в соляной породной стенке на глубину до 3-6 см, привело к размыву соляных пород вокруг пикотажного уплотнения кейлькранцев и аварийному затоплению ствола №3 Третьего Березниковского рудника. Кроме того, достаточно высока вероятность возникновения трещин в породной стенке на участках ослабления ее прочностных параметров в период монтажных работ по установке опорного кольца и пробивки деревянного уплотнения вследствие воздействия высокого давления от набора деревянных клиньев.
Исходя из вышеизложенного, наличие в породной стенке природных трещин и участков ухудшения прочностных свойств в местах сооружения деревянных кейлькранцев, могут привести к аварийным ситуациям и затоплению ствола. Поэтому, боковая поверхность породной стенки в районе пикотажного уплотнения должна быть достаточно прочной и не иметь природных трещин.
Способ осуществляется следующим образом.
После проходки ствола в необводненных породах каменной соли для определения оптимального места заложения кейлькранцев выполняют площадное исследование всей поверхности породной стенки ствола (по всему периметру) методами неразрушающего контроля: определяют наличие трещин в породе и прочностные характеристики каменной соли.
Прочностные характеристики каменной соли определяют с помощью ультразвукового или механического метода.
Принцип определения прочности каменной соли ультразвуковым методом основан на наличии функциональной связи между скоростью распространения ультразвуковых колебаний и прочностью породы. Прочность породы определяют экспериментально по установленным градуировочным зависимостям "скорости распространения ультразвука - прочность породы V=f(R)" или "время распространения ультразвука t - прочность породы t=f(R)". Степень точности метода зависит от тщательности построения тарировочного графика.
Тарировочный график строится по данным прозвучивания и прочностных испытаний контрольных кубиков, приготовленных из соли того же состава, что и в предполагаемом месте закладки деревянного кейлькранца.
В случае отсутствия результатов прочностных испытаний, прочность породы оценивается на качественном уровне, особое внимание уделяется изменчивости показаний ультразвукового измерителя скорости по периметру ствола. Значительные (более трех сигма) отклонения указывают на соответствующие изменения и прочностных свойств.
При использовании механического метода, в зависимости от применяемых приборов, косвенными характеристиками прочности являются:
- значение отскока бойка от поверхности породы (или прижатого к ней ударника);
- параметр ударного импульса (энергия удара);
- размеры отпечатка на породе (диаметр, глубина) или соотношение диаметров отпечатков на породе и стандартном образце при ударе индентора или вдавливании индентора в поверхность породы.
К приборам механического принципа действия относятся: эталонный молоток Кашкарова, молоток Шмидта, молоток Физделя, пистолет ЦНИИСКа, молоток Польди и др. Эти приборы дают возможность определить прочность породы по величине внедрения бойка в поверхностный слой конструкций или по величине отскока бойка от поверхности породы при нанесении калиброванного удара (пистолет ЦНИИСКа).
Наличие трещин определяют люминесцентным способом либо ультразвуковым методом.
Люминисцентный способ заключается в нанесении пенетранта на поверхность породной стенки ствола, при этом капиллярные силы втягивают пенетрант в любую открытую трещину, после чего салфетками с нанесенным ни них очистителем удаляют с поверхности излишек пенетранта, а затем на поверхность наносят проявитель, который вытягивает пенетрант на поверхность из любой поверхностной трещины или поры. Далее осматривают поверхность с помощью ультрафиолетового светильника, который показывает трещины, если таковые имеются, в виде люминесцентных линий или пятен.
При применении ультразвукового метода выполняется профилирование (наблюдения с некоторым шагом по периметру ствола). Наличие трещин устанавливается по уменьшению скорости упругих волн (или увеличению времени прохождения импульсов) относительно среднего значения по профилю. Глубина обнаруженной трещины устанавливается по изменению времени прохождения импульсов при условии, что плоскость трещинообразования перпендикулярна линии прозвучивания. Глубина трещины определяется из соотношений:
где h - глубина трещины;
V - скорость распространения ультразвука на участке без трещин, мк/с;
a
e
t, t - время прохождения ультразвука на участке без трещины и с трещиной, с;
а - база измерения для обоих участков, см.
Далее по полученным данным инструментальных замеров определяют наиболее подходящий интервал (интервал с минимальным количеством, глубиной и раскрытием трещин) поверхности шахтного ствола, сложенного соляными породами для установки опорного кольца кейлькранца.
Перед установкой опорного кольца кейлькранца, производят шлифовку (сглаживание) стенок шахтного ствола, сложенного соляными породами, при помощи специальной шлиф-машинки в районе пикотажного уплотнения.
Затем, на всей отшлифованной (гладкой) поверхности породной стенки проводят второй цикл инструментальных замеров для определения прочностных свойств соляных пород и наличия в них микротрещин.
В случае обнаружения микротрещин и слабых пород проводят повторную обработку (шлифовку) стенок шахтного ствола. После чего производят пробивку пикотажных клиньев деревянного кейлькранца.
Данный способ позволяет с помощью комплексного инструментального контроля провести площадное исследование породных стенок шахтного ствола, достоверно определить, как наличие трещин в соляном массиве, так и прочностные свойства пород в местах предполагаемой установки деревянных кейлькранцев.