» » Выявление зонального разрушения массива натурными методами

Выявление зонального разрушения массива натурными методами

07.08.2016

Определение состояния массива визуальными и маркшейдерскими методами

Исследование напряженности горных пород основываются на определении абсолютных значений напряжений и ограничивается качественной оценкой их уровня и изменения во времени. Для натурных исследований напряженного состояния массива применяются три основных вида методов. Первые базируются на измерении деформаций и, при необходимости, расчете по ним напряжений по формулам теории упругости. Это методы визуальные, маркшейдерские, разгрузки, компенсационной нагрузки, измерения деформаций скважин и глубинных реперов. Вторые основываются на измерении деформаций в устанавливаемых на объекте приборах и определении по ним напряжений с помощью расчетов или на основании тарировки. Это методы разности давлений и упругих включений. Третьи определяют ряд физических характеристик массива горных пород геофизическими методами и расчетом по ним напряжений с помощью различных корреляционных зависимостей. Это акустический, ультразвуковой, радиометрический, электрометрический и геомагнитный методы. Место выполнения исследования, используемые методы и объем опытов, замеров и собранных данных представлено в табл. 2.2.
Методы визуального наблюдения использовались при изучении участков разрушений на контуре выработок, которые предопределялись напряжениями, действующими в массиве пород. Это позволило по данным наблюдений в выработках, примыкающим к очистным камерам приближенно оценить величины и направления действия главных напряжений, а также изменчивость поля напряжений в пределах изучаемого участка очистных работ. Данными методами были решены следующие задачи: оценена структура развивающихся деформаций в массиве горных пород, ориентировочно определены величины и направление действия главных напряжений, проведено качественное сравнение степени напряженности на разных глубинах проведения выработок.
Выявление зонального разрушения массива натурными методами

Визуальную оценку напряжений, которые действовали в примыкающих к очистным камерам подготовительно-нарезных выработок, выполняли в условиях отработки запасов руд на горизонтах 665, 690 и 715 м шахты «Эксплуатационная» ЧАО «ЗЖРК», горизонтах 1008 и 1050 м шахты «Им. Ленина» ПАО «КЖРК», горизонтах 507 и 522 м шахты «Смолинская» ГП «ВостГОК» следующим образом. Первоначально проводили визуальные обследования всех доступных выработок, примыкающих к очистным камерам, с целью выявления закономерностей формирования областей интенсивного разрушения руд и пород. Обследованию подлежали закрепленные с помощью анкеров, набрызг-бетона и комбинированных крепей, а также незакрепленные горизонтальные подготовительные и нарезные выработки. Отмеченные места разрушений наносили на планы горных работ, а сами выработки фотографировали для более детального анализа. Затем данные классифицировали с учетом интенсивности разрушений и положения участков разрушений относительно контура выработок.
Анализ состояния 20 буровых ортов на горизонтах 665, 690 и 715 м шахты «Эксплуатационная» позволил установить, что после завершения очистных работ в камерах основными видами проявления разрушений являются растрескивание и обрушение руды с креплением в кровле и боках выработок. На горизонте 690 м по длине буровых ортов проявление происходит на расстоянии 4-16 м от камер в сторону пород висячего бока, а на горизонте 715 м - на расстоянии 18-44 м. В ортах горизонта 665 м негативные проявления происходили на расстоянии до 20 м от камер в сторону пород лежачего бока (рис. 2.1).
Так, например, были зафиксированы обрушившиеся с анкеров куски руды в левом боку бурового орта 10c горизонта 690 м со стороны висячего бока в 15-18 м от очистной камеры 1/10с. Обрушение закрепленного рудного массива развивается со стороны камеры. Размеры отслоившихся кусков руды достигали 1 м. У левого бока орта, а также по кровле, наблюдаются незначительные трещины размерами 0,005-0,01 м. Расстояние между трещинами составляло 0,5-1,5 м. Все анкера деформированы. Крепление буровых ортов на всем их протяжении не производили в связи с тем, что срок службы этих выработок составляет менее 18 месяцев, за исключением мест с повышенной трещиноватостью, где и устанавливались анкера (рис. 2.3, а, д).
Для кровли нарезных выработок горизонта 715 м максимальная глубина области разрушения достигала 1,7 м. В этих местах выработок интенсивно проявлялось отслоение кусков руды вплоть до формирования свода естественного равновесия. Co стороны правого бока выработок величина области разрушения достигала 1,35 м и проявлялась в виде призм сползания. На всех трех подэтажах 665, 690 и 715 м величина области разрушения U от расстояния до очистных камер L изменялась по степенным зависимостям (рис. 2.1).
Выявление зонального разрушения массива натурными методами

Для кровли буровых выработок горизонта 665 м, пройденных со стороны лежачего бока, разрушение массива пород описывалось зависимостью, м
U = -0,0001L2 - 0,0036L + 1,48, при R2 = 0,98,

где R2 - корреляция значений по методу наименьших квадратов.
Для кровли буровых выработок горизонта 690 м, пройденных с висячего бока, м
U = -0,0005L3 +0,01L2 - 0,05L + 1,71, при R2 = 0,95.

Для кровли буровых выработок горизонта 715 м, пройденных с висячего бока, м
U = -0,0001L3 + 0,003L2 - 0,023L + 1,46, при = 0,91.

На шахте «Им. Ленина» состояние массива исследовали по примыкающим к камерам этажных и подэтажных подготовительных выработкам. Глубина заложения штреков и ортов составляла H = 900-1200 м, средняя прочность пород висячего бока 170 МПа и лежачего бока залежей 80 МПа. Из рис. 2.2 видно, что при прочности пород более 140-160 МПа разрушение контура выработки практически отсутствуют. В связи с этим была получена зависимость глубины разрушения контура выработки при изменении прочности пород σсж, глубины заложения выработки H и удаленности от очистной камеры L.
Полученная зависимость имеет вид, м
U = 1,9 - σсж 0,137е -0,0013%, при R2 = 0,88.

Подобные исследования выполнялись и на шахте «Смолинская», где были обследованы 10 буровых штреков в 5 добычных блоках: №№ 554-3, 504-6, 554-2с, 504-3,4, 554-1. Для массива руды, вмещающего очистные камеры, результирующая эмпирическая зависимость величин разрушения массива в боках камер по простиранию залежи, имеют вид, м
U = 0,0003Lк3 - 0,06Lк2 + 3,65Lк - 39,14, при R2 = 0,99.

Методы маркшейдерских измерений закономерностей деформирования и разрушения массива пород, возникающие в результате проведения горных выработок, проводились на 7 подэтажных и этажных горизонтах шахты «Эксплуатационная» и включали измерения относительной конвергенции контуров обрушений пород в очистных камерах после завершения добычных работ. При выполнении замеров величин разрушений использовалось геометрическое нивелирование и маркшейдерские инструменты - тахометр и лазерная рулетка. Нивелирные хода прокладывались от реперов, расположенных в нарезных выработках, которые примыкали к очистным камерам. В результате обследования 17 камер было установлено, что после окончания ведения очистных работ основными видами проявления горного давления являются растрескивание и обрушение руды, породы и массива закладки в висячем и лежачем боках и наклонном днище камер (см. рис. 2.1 и 2.3, б, е). Детальный анализ проектных и фактических размеров очистных камер, отработанных на горизонтах 740 и 840 м, данные по которым представлены в табл. 2.3, позволили выявить линейные зависимости, описывающей максимальные величины разрушений U при изменении глубины заложения камер Нк.
Выявление зонального разрушения массива натурными методами

Для массива, окружающего первичные очистные камеры, эмпирические зависимости величины разрушения в висячем боку камер, имеет вид, м
U = 0,07Нк - 45, при R2 = 0,99;

- величина разрушений в лежачем боку камер
U = 0,0175Нк - 11,03, при R2 = 0,99;

- величина разрушений в днище камер
U = 0,0125Hk - 4,83, при R2 = 0,99.

Исследование состояния массива механическими методами

Метод разгрузки основан на использовании характеристик упругого восстановления формы элемента породы при искусственном отделении его от массива. Для определения напряжений на поверхности горных выработок использовался метод частичной разгрузки, который в отличие от основного метода разгрузки не обладает низкой надежностью определения напряжений, от которых в значительной степени зависит обоснованность принятых значений модуля упругости и коэффициента Пуассона. Порядок выполнения работ состоял в том, что на площадке поверхности выработки исследовали поведения массива по состоянию эксплуатационных скважин, пробуренных в нормальном направлении к площадке (рис. 2.3, б, ж). В результате бурения скважин изменялось напряженное состояние массива руды в непосредственной близости от скважин и при измерении деформации горных пород, представлялась возможность приближенно определить значения действовавших напряжений до бурения скважин из буровых подэтажных выработок на горизонтах 740 и 840 м ЧАО «ЗЖРК». Анализ результатов состояния эксплуатационных скважин по 9 очистным камерам (6 шт. на горизонте 740 м и 3 шт. - на 840 м) показал, что на расстоянии 10 м от каждого взрываемого веера возникают относительные деформации массива в пределах 0,1-0,3 мм/м, на расстоянии 60 м - менее 0,01 мм/м. Вокруг зон интенсивного влияния взрыва область расслоения массива достигала 0,3-1,5 м от контура, а общее влияние очистных работ проявлялось на 15-20 м. Зависимость, описывающая глубину влияния очистных камер на состояние вмещающего массива, имеет вид, м
U = 0,0175Нк - 11,03, при R2 = 0,97.

Метод компенсационной нагрузки основан на восстановлении упругой деформации частично разгруженного массива при повторном его нагружении с помощью различных устройств. Существенными недостатками метода, которые ограничили его применение в работе, является большая трудоемкость и невозможность применения в глубине массива. Кроме того, он не может использоваться, когда при образовании щели возникают и неупругие деформации. Метод разности давлений основан на создании внутри массива горных пород специальным гидравлическим баллоном, помещенным в скважине, принудительного давления определенной величины, которое принимается за начальное. Метод разности давлений в работе не использовался из-за трудоемкости и дороговизны оборудования. Метод упругих включений основан на установке в исследуемом объекте (породе, крепи) фотоупругих датчиков с помощью специального клея и оценке напряжений в нем путем изучения напряженного состояния самого датчика. Данный метод не нашел своего применения в работе по причине его недостатков, оказывающих влияние на технические возможности исследований.
Выявление зонального разрушения массива натурными методами

Метод деформации скважин используется для оценки напряженного состояния горных пород основан на изменении диаметра скважин при загрузке и разгрузке участка исследуемого массива горных пород при его подработке, сопоставляемых с аналогичными радиальными деформациями и длиной скважин. Применение метода было ограничено высокими затратами, связанными с бурением значительного количества исследовательских скважин.
Разновидностью метода деформации скважин является метод каротажа скважин. Этот метод позволяет устанавливать не только раскрытие трещин, но и места нарушения целостности пород по длине скважин. Для изучения процесса разрушения обследованию и периодическому осмотру подлежат конструктивные элементы блока (целики, кровли, обнажения камер). Для оценки относительных напряжений, действующих в массиве пород, выбуривали параллельно-сближенные скважины в породах лежачего бока блока 150-159 залежи «8 П» в этаже 1050-975 м шахты «Им. Ленина» ПАО «КЖРК», где метод деформации скважин использовался без применения деформометров (рис. 2.3, г, з). Контроль состояния пород лежачего бока в очистной камере производился путем каротажа параллельных скважин. Оперативный контроль исключил ошибочное разбуривание и обрушение пород при взрывании приконтурных эксплуатационных скважинах. Параллельные сближенные скважины были пробурены из бурового подэтажного штрека 154 MO горизонта 1040 м, буровых ортов 160 MO горизонтов 1008 и 975 м. Расслоения и обрушения пород лежачего бока, в которых были пробурены каротажные скважины на расстоянии 5 -8 м от обнажения, не наблюдались.
Выявление зонального разрушения массива натурными методами

Полученная зависимость глубины разрушения контура лежачего бока в очистной камере имеет вид, м
U = (-0,0067σсж + 1) / (0,9Нк)-1 при R2 = 0,93.

Расположение глубинных реперов производилось по длине скважин, которые устанавливали совместно с детальным изучением геологического строения горных пород. Относительные смещения массива пород на разных расстояниях от выработок измеряли с помощью глубинных реперов, оборудованных проволочной связью с точками замера. В одной скважине закладывали по несколько реперов. Смещения определялись относительно глубинных реперов, которые закладывали вне зоны влияния горной выработки относительно репера в выработке. Метод был использован на ЧАО «ЗЖРК» для контроля смещения вмещающих пород месторождения, а также массива руды в интервале горизонтов 480-640 м с помощью 8 глубинных реперов. Анализ измерений и данных по станциям глубинных реперов показал, что на глубинах 300-600 м и более закладка предотвращает полное сдвижение вмещающих пород, особенно висячего бока. Установлено, что конвергенция смежных камер до закладки в период твердения смесей составляет 0,3-0,4 м, которая слагается главным образом из расслоения приконтурного массива, а конвергенция до полного твердения смесей превысила 1 м. Прочность закладки от 2 до 6 МПа и потенциальных напряжений в массиве 8,8-21,8 МПа исключают возможность восприятия массивом закладки развивающегося горного давления, м
- для пород висячего бока залежи U = 1, 111е-0,1453L, при R2 = 0,96;
- для пород лежачего бока залежи U = 8,53e-0,062L, при R2 = 0,94.
С помощью группы геофизических методов исследования может быть зарегистрирован рост акустических сигналов, обусловленных формированием самоорганизующихся структур зонального капсулирования выработок. Анализ преимуществ и недостатков акустического, ультразвукового, радиометрического, электрометрического и геомагнитного методов показал невозможность их применения в научной работе по причине технической недоступности и ограниченной возможности. Даже при прогнозируемых положительных результатах исследований с помощью данных методов отсутствует физическая возможность доступа к их специализированному оборудованию.
Выявление зонального разрушения массива натурными методами

Натурные исследования поведения массива горных пород вокруг выработок позволили определить устойчивое отношение глубины разрушения массива от габаритных размеров выработок, которые находились в интервале 0,05-1,24 диаметра выработки. Форма этих областей для подготовительных и очистных выработок стремилась к эллипсоидной - максимально устойчивой форме горной выработки. Установлено, что изменение величии деформации массива по контуру очистных камер при увеличении глубины реализуется по степенным зависимостям, а в примыкающих к ним подготовительных выработках - по экспоненциальным. Возможность инструментальной регистрации и визуального наблюдения явления зонального капсулирования горных выработок открывается при проникновении в область массива измерительными скважинами, например, при разрушении на контуре скважины появились трещины зонального разрушения. Однако, инструментальные методы не позволяют зарегистрировать скачок тангенциальных и радиальных напряжений, обусловленный формированием зонального капсулирования выработок. При этом на исследуемых глубинах 507-1050 м средние значения напряжений оставались в доверительном интервале разброса экспериментальных значений. Если в результате перераспределения напряжений максимальные их значения достигали или превышали величину γН, то были локализованы в некоторых областях массива и не вызывали внимания для проведения дальнейших исследований.