СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ БЕТОННОЙ КРЕПИ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ Российский патент 2024 года по МПК G01B11/08 G01B11/30 G01N21/88 G01N21/954 G01N33/38 E21D5/04 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для оценки текущего состояния и остаточной работоспособности бетонной крепи шахтных стволов, эксплуатируемых в условиях ползучести вмещающих пород.

Известен способ комплексной оценки технического состояния шахтных стволов, включающий визуальное исследование крепи, комплекс инструментальных методов, отбор керна и определение прочности бетонной крепи, геофизическое изучение околоствольного массива, расчеты с последующим определением категории технического состояния крепи (Концепция комплексной оценки технического состояния шахтных стволов/А.Н. Машин//Горный информационно-аналитический бюллетень. -№10, 2023. - С. 31-42).

Недостатками данного способа является отсутствие оценки скорости конвергенции крепи и определения окружной деформации по результатам установления ее геометрических параметров методами лазерного сканирования. Также, способ не содержит данных о пороговых уровнях надежности для каждого технического состояния крепи шахтного ствола.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является способ мониторинга деформации бетонной крепи шахтных стволов с помощью лазерного сканирования, включающий визуальное обследование поверхности крепи с измерением размеров трещин, площади вывалов и коррозионных участков, лазерное сканирование поверхности бетонной крепи, вычисление окружной деформации крепи (Мониторинг деформации бетонной крепи шахтных стволов с помощью лазерного сканирования/В.В. Тарасов, В.Н. Аптуков//Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - №5, 2022. - С. 188-195.)

Недостатками данного способа является отсутствие определения категорий процесса развития деформации бетонной крепи в зависимости от величины ее окружной деформации, а также отсутствие прогнозной оценки разрушения крепи во времени в условиях ее длительной эксплуатации.

Технический результат данного изобретения заключается в получении комплексной объективной оценки текущего состояния бетонной крепи, а также прогнозной оценки состояния крепи в условиях ее длительной эксплуатации за счет повышения достоверности результатов исследования бетонной крепи посредством применения комплексных методов исследований.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена диаграмма измерений внутренних диаметров бетонной крепи по нескольким направлениям, на фиг. 2 - категории процесса развития деформации бетонной крепи, на фиг. 3-зависимость изменения диаметра бетонной крепи ствола во времени.

На чертежах обозначено: 1 - окружная деформация; 2 - трещины; 3 - зона коррозии; 4 - отслоения/заколы; 5 - вывалы; 6 - сквозные отверстия.

Бетонная крепь вертикальных стволов является одним из наиболее важных элементов шахтной конструкции, обеспечивая ее прочность и безопасность. Поэтому оценка текущей работоспособности конструкции крепи шахтных стволов, а также определение фактического запаса несущей способности крепи в условиях длительной эксплуатации является важной задачей для безопасной работы рудников, особенно в условиях ползучести вмещающих пород.

Предлагаемый способ комплексной оценки состояния бетонной крепи шахтных стволов осуществляется следующим образом.

Первоначально проводят визуальный осмотр внешней поверхности стенок бетонной крепи на всю глубину ствола. Результаты визуального осмотра заносят на схематическую развертку бетонной крепи, где отмечают характер повреждений: длину и величину раскрытия трещин, выявляют область коррозии материалов крепи, а также площадь отслоений и вывалов. После чего крепь ствола делят на отдельные интервалы с различной степенью деформации и разрушений. Определяют потенциально опасные участки крепи с наиболее критическими дефектами для дальнейшего детального обследования.

Далее на потенциально опасном участке крепи (таких участков может быть несколько на протяжении всей длины бетонной крепи шахтного ствола), выявленном в результате визуального осмотра, с помощью переносного лазерного сканера осуществляют 3D съемку крепи с обработкой данных и дальнейшей оценкой фактических параметров бетонной крепи, заключающейся в определении внутренних диаметров бетонной крепи по нескольким направлениям (например, через каждые 3 градуса) в горизонтальном сечении (Фиг. 1).

После проведения лазерного сканирования, получившиеся значения внутренних диаметров бетонной крепи на данном участке крепи сравнивают с начальными показателями диаметра крепи при ее строительстве (данные проектной/исполнительной документации), затем вычисляют окружную деформацию крепи ε_θ в на поверхности ствола по формуле:

где U_r - радиальное перемещение, м; R - радиус ствола, м; ΔD -относительное изменение диаметра ствола, м; D_o - начальное значение диаметра, м.

В результате длительных наблюдений, с учетом специфики временного развития разрушений бетонной крепи шахтных стволов, установлено, что значение величины окружной деформации бетонной крепи показывает уровень разрушения ее внешней и внутренней поверхности, которые не всегда могут быть определены визуальным осмотром. Определяется запас несущей способности крепи. По результатам выполненных исследований выполняется разбивка ствола на характерные интервалы по геометрическим параметрам и показателю запаса несущей способности крепи.

Поэтому процесс развития деформаций бетонной крепи делят на четыре категории (Фиг. 2):

• I категория - исправное состояние крепи. Относительное уменьшение диаметра крепи ствола не превышает 0,5%. При этом на поверхности крепи наблюдаются волосяные трещины с раскрытием до 5 мм и протяженностью не более 5 м, отмечаются следы коррозии бетона на глубину до 15-20 мм;

• II категория - работоспособное состояние крепи. Относительное уменьшение диаметра крепи ствола находится в диапазоне от 0,5% до 1%. Отмечается рост величины раскрытия трещин различной направленности от 5 до 20 мм, протяженностью от 5 до 10 м. Подобные трещины свидетельствуют о геомеханическом воздействии. Поверхность бетона выветрена на 20-50 мм и более, а на стыках бетонных заходок на значительном протяжении. Наблюдаются процессы пучения и выкрашивания бетона;

• III категория - частично работоспособное состояние крепи. Относительное уменьшение диаметра крепи ствола в пределах от 1% до 2%. Наблюдаются следующие повреждения: трещины (система трещин) с раскрытием более 20 мм, различной ориентации и величиной на одну заходку и более; образование заколов, одиночных вывалов площадью 1-5 м² (суммарная площадь всех нарушений не более 20 м²); коррозионная зона наблюдается на большей части крепи в зонах нарушений; расстрелы и проводники деформированы настолько, что требуется их частичная замена.

• IV категория - предаварийное состояние участка крепи. Относительное уменьшение диаметра крепи ствола более 2%. Зафиксированы отслоения и скалывания на значительной площади поверхности, превышающей 20-30 м²; где большая часть площади покрыта коррозией, происходит выпадение кусков бетонной крепи при скалывании или под действием собственного веса, фиксируются деформации расстрелов, связанные с нарушением допустимых зазоров; присутствует повышенный износ расстрелов и проводников; деформация крепи и армировки происходит активно, имеют место значительные притоки в ствол.

В случае относительного уменьшения диаметра бетонной крепи ствола более 2% (4 категория) требуется проведение срочных капитальных ремонтных работ на исследуемом участке крепи.

В случае относительного уменьшения диаметра бетонной крепи ствола менее 1,5% методами численного моделирования выполняют оценку роста разрушения бетонной крепи ствола во времени (в условиях ее длительной эксплуатации), т.е. вычисляют скорость конвергенции диаметра крепи. Для этого рассматриваются горизонтальные сечения потенциально опасного участка бетонной крепи в плоской постановке.

Пример. На фиг. 3 представлена временная зависимость конвергенции диаметра бетонной крепи на глубине 314 м при пересечении с породным массивом, сложенным карналлитом. Пунктирной линией показана линейная аппроксимация зависимости временной величины конвергенции, по которой можно определять изменение диаметра крепи на данном ярусе (отметке) в ближайшие годы:

ΔD=15+1,78 Т,

где ΔD - диаметр крепи, мм; Т- период времени, лет.

Таким образом, определено, что скорость конвергенции диаметра крепи в данном случае (на отметке 314 м) составляет около 1,8 мм/год. Наиболее существенные изменения диаметра бетонной крепи происходят в начальные 5-7 лет, затем скорость конвергенции уменьшается.

Вывод: на основании этих данных мы можем спрогнозировать, что окружная деформация крепи равная 1,5% будет достигнута к 59 годам эксплуатации крепи, а равная 2% - к 81,5 году эксплуатации. Это время и определяет в рассмотренном примере сроки проведения капитальных ремонтных работ на данном участке крепи.

Предложенный способ комплексной оценки состояния бетонной крепи шахтного ствола позволяет получить оценку как текущего, так и будущего состояния бетонной крепи в условиях ее длительной эксплуатации.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для оценки текущего состояния и остаточной работоспособности бетонной крепи шахтных стволов, эксплуатируемых в условиях ползучести вмещающих пород. Технический результат – возможность получения объективной оценки текущего состояния бетонной крепи, а также прогнозной оценки состояния в условиях ее длительной эксплуатации за счет повышения достоверности результатов, достигаемой посредством применения комплексных методов исследования бетонной крепи. Первоначально проводят визуальное обследование поверхности крепи с измерением размеров трещин, площади вывалов и коррозионных участков. Затем производят лазерное сканирование потенциально опасного участка бетонной крепи с целью определения конвергенции диаметра крепи и вычисления окружной деформации крепи. После чего определяют категорию текущего состояния потенциально опасного участка бетонной крепи в зависимости от величины окружной деформации. В случае относительного уменьшения диаметра крепи ствола более 2% на данном участке крепи проводят срочные ремонтные работы. При относительном уменьшении диаметра крепи ствола менее 1,5% методами численного моделирования вычисляют скорость конвергенции диаметра крепи для оценки роста разрушения крепи во времени, после чего делают заключение о сроках проведения ремонтных работ на данном участке крепи. 3 ил.

Способ комплексной оценки состояния бетонной крепи шахтных стволов, включающий визуальное обследование поверхности крепи с измерением размеров трещин, площади вывалов и коррозионных участков, лазерное сканирование потенциально опасного участка бетонной крепи с целью определения конвергенции диаметра бетонной крепи по нескольким направлениям, вычисление окружной деформации крепи, отличающийся тем, что определяют категорию текущего состояния потенциально опасного участка бетонной крепи в зависимости от величины окружной деформации, при этом в случае относительного уменьшения диаметра крепи ствола более 2% на данном участке крепи проводят срочные ремонтные работы, а при относительном уменьшении диаметра крепи ствола менее 1,5% методами численного моделирования вычисляют скорость конвергенции диаметра крепи для оценки роста разрушения крепи во времени, после чего делают заключение о сроках проведения ремонтных работ на данном участке крепи.