СПОСОБ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
METHOD FOR CONTROLLING STRESS-STRAIN STATE OF ROCK MASSIF

Изобретение относится к горному делу, предназначено для осуществления контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород, в том числе имеющего блочную структуру, и может быть использовано для оценки и прогноза устойчивости горных выработок при производстве добычных работ.
Известен способ определения напряженного состояния массива горных пород по авт. св. СССР №877003, кл. Е21С 39/00, опубл. 30.10.1981 г. в БИ №40, включающий бурение в массиве горных пород скважины, установку в ней измерительных приборов, измерение деформаций и оценку по ним НДС массива с фиксированием перехода горных пород из упругой в неупругую область деформаций, при этом скважину проходят под определенным углом (с учетом коэффициента Пуассона) к направлению главного напряжения, измеряют продольные деформации скважины и по знакам приращения деформаций судят о напряженном состоянии массива горных пород и о переходе от упругих деформаций к неупругим.
Недостатком данного способа является невозможность его применения в массиве горных пород блочной структуры при оценке напряженного состояния горных пород, окружающих отработанное пространство, так как отличие блочных структур от сплошных состоит в неоднородности распределения свойств и напряжений в блоках, а переход от упругого состояния к неупругому возникает при достижении предельных напряжений, сопровождающихся относительными смещениями блоков в направлении минимального напряжения. В таких средах коэффициент Пуассона, характеризующий сплошное тело, не применим.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ контроля напряженного состояния массива горных пород по авт. св. СССР №1745927, кл. Е21С 39/00, опубл. 07.07.1992 г. в БИ №25, взятый в качестве прототипа.
Данный способ включает бурение скважины на контролируемом участке массива горных пород с отбором керна, по анализу которого выделяют размеры и местоположение различных уровней естественных блоков по всей глубине скважины, установку в скважине измерительных приборов, проведение последующих наблюдений, по результатам которых вычисляют соотношение величин продольных и поперечных деформаций стенок скважины, а также соотношение величин поперечных деформаций стенок скважины и осевой деформации скважины, по их соотношениям определяют упругое состояние массива горных пород и регистрируют переход горных пород к неупругим деформациям, на основании чего контролируют напряженное состояние массива горных пород.
Недостатком данного способа является ограниченная область его применения, так как используемые соотношения продольной деформации стенок скважины и осевой деформации скважины к поперечной деформации стенок скважины справедливы только для случая равнокомпонентного изменения напряжений в плоскости, ортогональной к продольной оси скважины, при котором поперечная деформация стенок скважины не зависит от величины неравнокомпонентного изменения напряжений в массиве, что имеет место в зоне добычных работ. Величины и знак (растяжение или сжатие) поперечных деформаций стенок скважины зависят от ориентации местоположения измерительного датчика в поперечном сечении на контуре скважины. Кроме того, данный способ не позволяет осуществлять контроль устойчивости конструктивных элементов систем разработки массива горных пород (откосов карьера, целиков, потолочин и очистных камер) и возможное их разрушение при ведении горных работ в отработанном пространстве, что особенно важно с точки зрения своевременного принятия превентивных мер по обеспечению эффективной и безопасной отработки запасов.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности контроля НДС, в том числе устойчивости конструктивных элементов систем разработки массива горных пород, за счет повышения точности определения местоположения зон локализации деформаций (критических зон) в процессе постоянного мониторинга сдвижений массива горных пород и влияния на них добычных работ, который позволяет получать необходимую информацию для оперативной и достоверной оценки изменения НДС по всей длине контролируемого участка для своевременного принятия необходимых мер по обеспечению безопасности горных работ.
Поставленная задача решается тем, что в способе контроля НДС массива горных пород, при котором на контролируемом участке бурят скважину с отбором керна, по анализу которого определяют размеры, местоположение естественных блоков в массиве горных пород и границы между ними, устанавливают реперы вдоль продольной оси скважины в пределах естественных блоков, измеряют величины смещений между смежными реперами вдоль продольной оси скважины и вычисляют по ним величины деформаций массива горных пород, а по деформациям - параметры упругих или неупругих деформаций, по которым оценивают изменения НДС массива горных пород на контролируемом участке, согласно техническому решению скважину бурят из подземной горной выработки в направлении контура отрабатываемого пространства, проводят испытания отобранного керна для каждого типа горной породы по глубине скважины и определяют величину предельно допустимой упругой деформации данного типа горной породы. Места установки реперов выбирают в непосредственной близости к границам естественных блоков, а при отсутствии последних - через определенный интервал по глубине скважины. Дальний репер закрепляют вблизи контура отрабатываемого пространства. Дополнительно измеряют величины смещений каждого репера вдоль продольной оси скважины относительно кондуктора, которые используют при вычислении величин деформаций массива горных пород, жестко закрепленного на устье скважины, для чего каждый из реперов оснащен автономной гибкой связью, например струной из нержавеющей стали, один конец которой закреплен на репере, а другой конец выведен через установленный на кондукторе измерительный блок и соединен с натяжным устройством для создания постоянного натяжения гибкой связи с возможностью перемещения натяжного устройства вдоль нее. Параметры упругих или неупругих деформаций естественных блоков массива горных пород определяют путем сравнения полученных величин деформаций массива горных пород с предельно допустимой величиной упругой деформации данного типа горных пород. Далее фиксируют зоны их локализации и определяют параметры этих зон. Наступление активной стадии деформирования горной породы в зоне неупругих деформаций и ее продолжительность, вплоть до обрушения приконтурного массива в отработанное пространство, устанавливают по тем реперам, на которых регистрируют величины смещений относительно кондуктора с незатухающей скоростью. Величину предельно допустимых смещений реперов, при которой происходит обрушение приконтурного массива, определяют в момент обрыва гибкой связи любого из реперов и используют ее для прогноза дальнейших обрушений прилегающего к отработанному пространству массива горных пород при последующем контроле его НДС по сохранившимся в работоспособном состоянии реперам.
Такое техническое решение позволяет осуществлять постоянный контроль величин упругих или неупругих деформаций, наступление активной стадии деформирования массива горных пород вплоть до обрушения его в сторону отработанного пространства, при котором происходит обрыв гибкой связи у закрепленного натяжного устройства того репера, который установлен на участке обрушения массива горной породы, без повреждения остальных реперов, что позволяет оценить величину предельно допустимого неупругого смещения горной породы в момент обрушения приконтурного массива и использовать ее в дальнейшем для контроля устойчивости конструктивных элементов систем разработки массива горных пород (откосов карьера, целиков, потолочин и очистных камер) и возможное их разрушение при ведении горных работ в отработанном пространстве по оставшимся в работоспособном состоянии реперам. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет инструментально определять величину предельно допустимых значений (ПДЗ) смещений в момент обрушения дальнего репера, при котором происходит наступление активной стадии деформирования и обрушение массива горных пород. Такой подход является наиболее правильным, потому что ПДЗ невозможно оценить с необходимой точностью заранее, так как они зависят от конкретных горно-геологических, геомеханических (в том числе физико-механических свойств горных пород и природной нарушенности массива) и горно-технических (геометрических параметров, способов разработки запасов) условий конкретного месторождения.
Указанная совокупность признаков позволяет повысить эффективность контроля процессов деформирования естественных блоков в массиве горных пород в зоне влияния добычных работ за счет обеспечения в процессе развития горных работ постоянного контроля смещений реперов по всей глубине скважины, расположенной в зоне активного сдвижения массива горных пород. Кроме того, указанная совокупность признаков обеспечивает достоверную оценку параметров зон упругого или неупругого деформирования естественных блоков в массиве горных пород за счет повышения точности обнаружения зон локализации деформаций (критических зон) - в момент обрыва гибкой связи на любом из реперов и тем самым повышает точность определения их местоположения при оценке изменения НДС массива горных пород на контролируемом участке.
Сущность технического решения поясняется примером реализации способа контроля НДС массива горных пород и чертежом, на котором представлена схема реализации этого способа, продольный разрез по длине скважины на контролируемом участке с местами закрепления реперов вдоль продольной оси скважины в непосредственной близости к границам естественных блоков в массиве горных пород.
Способ контроля НДС массива горных пород осуществляют следующим образом.
До начала отработки участка месторождения из подземной горной выработки 1 бурят с отбором керна скважину 2 в направлении контура 3 отрабатываемого пространства. Производят анализ керна, по которому определяют размеры, местоположение естественных блоков в массиве горных пород и границы 4 естественных блоков. Производят съемку контура 3 скважины 2 с помощью скважинного эндоскопа (не показан) и уточняют местоположение естественных блоков по глубине скважины 2. В лабораторных условиях проводят испытания отобранного керна для каждого типа горной породы по глубине скважины 2 и определяют величину предельно допустимой упругой деформации данного типа горной породы. Затем производят установку реперов 5 в непосредственной близости к границам 4 в пределах естественных блоков, а при отсутствии последних - через заданный интервал, и дальнего репера 5 вблизи контура 3 отрабатываемого пространства. Каждый репер 5 оснащен автономной гибкой связью 6 (например, струной диаметром от 0,8 до 1,2 мм из нержавеющей стали) для передачи его смещений относительно кондуктора 7, жестко закрепленного на устье скважины 2. При этом один конец гибкой связи 6 жестко закреплен на репере 5, а другой конец выведен через измерительный блок 8, размещенный на кондукторе 7, и соединен с натяжным устройством 9, которое обеспечивает постоянное натяжение гибкой связи 6 с возможностью перемещения натяжного устройства 9 вдоль последней. Натяжные устройства 9 на концах гибких связей 6, например грузы весом от 8 до 10 кг, размещают в закрепленном на почве подземной горной выработки 1 защитном кожухе с отбойником (не показаны) для защиты от повреждений кондуктора 7 с измерительными блоками 8 при значительных смещениях реперов 5. Контроль параметров упругих или неупругих деформаций, по которым оценивают изменения НДС массива горных пород, осуществляют на протяжении всего процесса ведения добычных работ. Для этого производят режимные наблюдения за смещениями между реперами 5 и дополнительно за смещениями последних относительно кондуктора 7 в направлении контура 3 отрабатываемого пространства. Затем измеряют величины смещений между смежными реперами 5 вдоль продольной оси скважины 2 и дополнительно измеряют величины смещений каждого репера 5 вдоль продольной оси скважины 2 относительно кондуктора 7, которые используют при вычислении величин деформаций массива горных пород, жестко закрепленного на устье скважины 2. Параметры упругих или неупругих деформаций естественных блоков массива горных пород определяют путем сравнения полученных величин деформаций массива горных пород с предельно допустимой величиной упругой деформации данного типа горных пород. Далее фиксируют зоны их локализации, определяют параметры этих зон. Наступление активной стадии деформирования горной породы в зоне неупругих деформаций и ее продолжительность, вплоть до обрушения приконтурного массива в отработанное пространство, устанавливают по тем реперам 5, на которых регистрируют величины смещений относительно кондуктора 7 с незатухающей скоростью. Величину предельно допустимых смещений реперов 5, при которой происходит обрушение приконтурного массива, определяют в момент обрыва гибкой связи 6 любого из реперов 5 и используют ее для прогноза дальнейших обрушений прилегающего к отработанному пространству массива горных пород при последующем контроле его НДС по сохранившимся в работоспособном состоянии реперам 5. При этом неупругое деформирование контролируемых участков массива горных пород наступает в том случае, когда вычисленные деформации превышают ПДЗ. Наибольшие величины смещений массива горных пород, вызванные выемкой запасов, будут иметь место вблизи контуров 3 отрабатываемого пространства, например, у границ уступов карьера при его доработке, контуров подземных камер и предохранительных целиков, а также других подземных сооружений длительной эксплуатации, где в первую очередь возможно образование зон неупругих деформаций. В случае появления таких зон последующий мониторинг массива горных пород по реперам 5 позволяет зарегистрировать момент наступления активной стадии развития неупругого деформирования при смещениях дальнего репера 5 в сторону контура 3 отрабатываемого пространства с постоянной или нарастающей скоростью. Момент возможного обрушения прибортового массива фиксируют по обрыву гибкой связи 6 дальнего репера 5, установленного в зоне неупругих деформаций, а измеренные при этом величины смещений будут являться предельными при проведении дальнейшего мониторинга по оставшимся в работе реперам 5 для своевременного принятия мер по обеспечению безопасности горных работ.
Таким образом, предлагаемый способ контроля НДС массива горных пород в зоне ведения добычных работ позволяет получить инструментальным путем важные для контроля и прогнозирования количественные показатели процесса деформирования массива горных пород на контролируемом участке и конструктивных элементов горной разработки, обеспечивающие:
- выделение зон упругих или неупругих деформаций на контролируемом участке;
- наступление активной стадии деформирования приконтурного массива в случае смещения дальнего репера 5 относительно кондуктора 7 с постоянной или нарастающей скоростью в сторону отрабатываемого пространства;
- оценку предельно допустимых величин смещений любого из реперов 5, при которых происходит обрушение (потеря устойчивости) массива по техногенным или естественным нарушениям (трещинам) его сплошности.