СПОСОБ ОЦЕНКИ СТРУКТУРНО НАРУШЕННЫХ И УДАРООПАСНЫХ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2015 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке твердых полезных ископаемых подземным способом, в частности для решения различных геомеханических задач, в частности для обеспечения устойчивости обнажений горных выработок при подземной разработке рудных месторождений, сокращении затрат на возведение крепи и продление срока ее службы.

Известен способ оценки предельного напряженного состояния горных пород и устройство для его осуществления. Сущность его заключается в следующем: осуществляют бурение скважины из горной выработки в зоне опорного давления, проводят измерения радиальных и осевых смещений пород и интерпретацию замеров. Скважину бурят в зоне опорного давления относительно элементов залегания пласта, измеряют радиальные и осевые смещения пород. В качестве характеристик напряженного состояния выбирают первый инвариант тензора деформаций и второй инвариант девиатор деформаций, после чего строят график зависимости первого инварианта тензора деформаций от времени и по точке перехода первого инварианта через максимум определяют момент времени наступления предельно о состояния горных пород, а соответствующее ему значение относительной энергетической прочности материала рассчитывают по известной формуле. Устройство для измерения деформаций горных пород снабжено передвижным репером, дополнительным преобразователем для измерения смещений пород вдоль оси скважины, сердечник которого связан с торцом передвижного репера через подвижную головку устройства и направляющим устройством относительно оси скважин, при этом передвижной репер размещен на оси скважины за корпусом устройства, а дополнительный преобразователь встроен в торце устройства, причем передвижной репер и направляющее устройство образуют базу устройства при определении деформации пород вдоль оси скважины [Патент RU 2106493 С1, М. Кл. Е21С 39/00 от 26.09.1995 г.].

Однако внедрение данного способа сдерживается из-за наличия громоздкого математического аппарата, специального оборудования и сложной интерпретации результатов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ выявления сейсмически опасного горного массива, включающий керновое бурение скважин, извлечение керна и оценку характера разрушения кернов скальных пород. Способ применяется для определения удароопасности участков горного массива в горных выработках. При определении степени удароопасности горных пород учитывается лишь количество выпукло-вогнутых дисков толщиной 1-2 см в метровом интервале скважины и не учитываются вообще интервалы, где керн разрушен до щебня или дресвы. Интервалы, где керн был полностью разрушен на щебень, дресву или песок при бурении, характеризуются наибольшей напряженностью [см. «Указания по безопасному ведению горных работ при строительстве и эксплуатации шахт на месторождениях Североуральского бокситового бассейна, подверженных горным ударам», Ленинград, ВНИМИ, 1988, с. 62-64 (прототип)].

Недостатком данного способа являются большие трудозатраты для его реализации и данный способ представляет собой лишь качественную, а не количественную оценку напряженно-деформированного состояния горных выработок.

Целью изобретения является повышение эффективности и безопасности ведения горных работ при освоении месторождений твердых полезных ископаемых путем оценки структурно нарушенных и удароопасных массивов горных пород, прогноза развития деформационных процессов и своевременного принятия эффективных мероприятий по обеспечению устойчивости горных выработок.

Указанная цель достигается использованием гипсово-скважинной схемы оценки структурно нарушенных и удароопасных массивов горных пород для определения направления действия главных нормальных напряжений и установления механизма разрушения горных выработок.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 показана типовая схема расположения гипсово-скважинной станции; на Фиг. 2 приведена схема деформирования горной выработки; на Фиг. 3 показана схема расположения наблюдательной станции в горной выработке, два ряда отбуренных скважин; на Фиг. 4 показана схема расположения наблюдательной станции в горной выработке, три ряда отбуренных скважин.

На Фиг. 1 показаны нанесенный по контуру сечения выработки гипсовый слой - 1, в гипсовом слое закреплены съемные маячки - 2, пробурены наблюдательные скважины - 3 и нанесена координатная сетка - 4.

Способ оценки структурно нарушенных и удароопасных массивов горных пород реализуется следующим образом.

При подземной разработке структурно нарушенных и удароопасных массивов горных пород выбирают характерную горную выработку для наблюдений. В ней оборудуют гипсово-скважинную станцию для наблюдений (фиг. 1). По контуру сечения выработки наносят гипсовый слой - 1 (фиг. 1) шириной 20-50 см, толщина слоя 0,5-3 см. Слой наносят на борта выработки, кровлю и на почву выработки. В гипсовом слое закрепляют съемные маячки - 2, выступающие на 2-5 см от основания, по координатной сетке - 4 (фиг. 1). Одновременно с нанесением гипсового слоя - 1 на расстоянии 1-2 метра от него пробуривают скважины - 3 по контуру сечения выработки в радиальных направлениях глубиной, необходимой для определения зоны влияния выработки (фиг. 1).

При следующих замерах, для определения конвергенции выработки, первоначально измеряют размеры сечения гипсового слоя - 1 относительно установленных съемных маячков - 2, расположенных в гипсовом слое. Определяют смещение съемных маячков - 2, относительно друг друга и по пробуренным наблюдательным скважинам - 3 производят картирование массива с помощью оборудования натурно отображающего положения скважины в пространстве.

Гипсовый слой - 1 при малейших деформациях начинает разрушаться после деформирования выработки и, как следствие, перераспределения напряжений в массиве, в той же последовательности производят следующий цикл наблюдений (фиг. 2).

По перемещению съемных маячков - 2 составляют схему смещения и деформирования выработки. По характеру деформирования выработки и разрушения гипсового слоя - 1 определяют направление действия главных максимальных нормальных напряжений σ₁ в массиве горных пород на данном участке. Также исследуются наблюдательные скважины - 3 и устанавливаются зоны повреждения пород (ЗПП) и сдвиговый характер массива.

По характеру деформирования выработки определяют направление действия главных нормальных напряжений σ₁ в массиве горных пород. По пробуренным наблюдательным скважинам - 3, например с помощью рулетки или другого специального оборудования, определяют расположение трещин в массиве, добиваясь тем самым картирования - натурного отображения скважины в пространстве.

После определения действий главных напряжений σ₁ наблюдательные скважины - 3 допускается бурить только в направлении, перпендикулярном действию главных напряжений.

Для более детального изучения перераспределения напряжений в массиве горных пород одновременно с нанесением гипсового слоя - 1 на контур сечения выработки пробуривают несколько рядов скважин (фиг 3, 4), по вышеизложенной методике производят первоначальный цикл наблюдений (фиг. 3 [а, б]; фиг. 4 [а, б]), через определенный промежуток времени выполняют следующий цикл наблюдений, определяя направление действия главных напряжений, механизм деформирования горной выработки и состояние массива горных пород. Определение глубины зоны разрушения дает возможность определять необходимые параметры крепления выработок - тип, длину и несущую способность анкеров.

Данный способ позволяет повысить безопасность и эффективность ведения горных работ путем оценки состояния структурно нарушенных и удароопасных массивов горных пород по наблюдениям за гипсовым слоем, нанесенным на контур сечения выработки, и по отображению скважин, отбуренных в радиальных направлениях.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при оценке структурно нарушенных и удароопасных массивов горных пород и прогноза развития деформационных процессов. Способ включает оборудование гипсово-скважинной наблюдательной станции в подземной горной выработке. По контуру сечения выработки наносят гипсовый слой шириной 20-50 см, толщиной 0,5-3 см, слой наносят на борта выработки, кровлю и на почву выработки. В гипсовом слое закрепляют съемные маячки по определенной сетке. Одновременно с нанесением гипсового слоя на расстоянии 1-2 м от него пробуривают скважины по контуру сечения выработки в радиальных направлениях глубиной, необходимой для определения зоны влияния выработки. По характеру деформирования выработки определяют направление действия главных нормальных напряжений σ₁ в массиве горных пород. По пробуренным наблюдательным скважинам определяют расположение трещин в массиве, добиваясь тем самым картирования - натурного отображения скважины в пространстве. По съемным маякам в гипсовом слое определяют конвергенцию горной выработки, а по результатам картирования скважин определяют направление действия главных напряжений и глубину распространения зоны повреждения пород, устанавливая тем самым механизм деформирования выработки и массива горных пород. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ оценки структурно нарушенных и удароопасных массивов горных пород, включающий оборудование гипсово-скважинной наблюдательной станции в подземной горной выработке, отличающийся тем, что по контуру сечения выработки наносят гипсовый слой шириной 20-50 см, толщина слоя 0,5-3 см, слой наносят на борта выработки, кровлю и на почву выработки в гипсовом слое закрепляют съемные маячки, выступающие на 2-5 см от основания, по определенной сетке, одновременно с нанесением гипсового слоя на расстоянии 1-2 м от него пробуривают скважины по контуру сечения выработки в радиальных направлениях глубиной, необходимой для определения зоны влияния выработки, по характеру деформирования выработки определяют направление действия главных нормальных напряжений σ₁ в массиве горных пород, по пробуренным наблюдательным скважинам с помощью рулетки или другого специального устройства определяют расположение трещин в массиве, добиваясь тем самым картирования - натурного отображения скважины в пространстве, по съемным маякам в гипсовом слое определяют конвергенцию горной выработки, а по результатам картирования скважин определяют направление действия главных напряжений и глубину распространения зоны повреждения пород, устанавливая тем самым механизм деформирования выработки и массива горных пород.

2. Способ оценки структурно нарушенных и удароопасных массивов горных пород по п.1, отличающийся тем, что одновременно с нанесением гипсового слоя на контур сечения выработки пробуривают несколько рядов скважин по вышеизложенной методике, производят первоначальный цикл наблюдений, через определенный промежуток времени выполняют следующий цикл наблюдений, определяя направление действия главных напряжений, механизм деформирования горной выработки и состояние массива горных пород.