Обоснование параметров способа контроля состояния горной выработки и методика его реализации

Аннотация: В работе обозначена актуальность вопроса контроля состояния выработки, проведен анализ литературных источников, на основании которого была установлена необходимость разработки нового способа контроля состояния выработки, предложен способ дающий возможность определения пространственного перемещения замерных точек, обоснованы параметры приборов, рассчитана возможная погрешность измерений, проведены стендовые и шахтные испытания способа. Введение. Устойчивость подземных горных выработок определяется рядом влияющих факторов, таких как, горно-геологические и горнотехнические условия, режимы ведения и параметры горных работ, а также постоянным развитием горных работ и непрерывным перемещением их фронта в пространстве. Поэтому изучение геомеханических процессов без ривлечения методов натурных наблюдений и измерений невозможно [1]. Несмотря на трудоемкость и организационную сложность натурных измерений, эти методы позволяют точно и однозначно выявить основные определяющие факторы изучаемых геомеханических процессов, их механизмы, правильно поставить задачи для аналитических исследований и моделирования. Область нерешенных задач. Известно, что деформирование контура выработки происходит не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости. Существующие способы контроля состояния горной выработки не позволяют отследить динамику процесса перемещения контура выработки в пространстве, что снижает информативность полученных данных о смещении горных пород, может привести к искаженному восприятию происходящего физического процесса, и неверной трактовке полученных результатов. Целью исследований является разработка способа контроля состояния горной выработки и методики его использования для обеспечения возможности определения пространственного перемещения замерных точек, назначенных на контуре выработки, во времени, при повышении достоверности и информативности контроля с сокращением затрачиваемого времени на измерения, проверка его работоспособности в лабораторных и шахтных условиях. Основная часть. Пояснение сущности способа. В любой горной выработке, на всех этапах ее эксплуатации существуют как минимум две однозначно определяемые линии: это продольная ось, задающая направление выработки и вертикаль которую можно определить при помощи отвеса. Если вести измерения используя эти линии, то положение и перемещение замерных точек в пространстве будет однозначно определено. Однако использование продольной оси выработки как бызы нецелесообразно, так как центр выработки, как правило, загроможд?н оборудованием. Предлагается использовать в качестве базовой линию эквидистантную продольной оси выработки. Пусть ОX (рис. 1) линия эквидистантная продольной оси выработки, ZО – вертикаль, О – точка их пересечения, назначим ее реперной точкой, таким образом контролируя три параметра (длину отрезка АО, угол между ХО и ОА и угол между вертикалью ZО и отрезком ОА) можно однозначно определить пространственное положение замерной точки А.

Рисунок 1 – Схема к выбору контролируемых величин

С учетом изложенного предлагается следующая реализация способа (рис. 2). В горной выработке 1, приконтурный массив которой подвержен внешним воздействиям (например, надработка, подработка, влияние очистных работи т. д.), в зависимости от решаемых задач контроля выбирают контролируемый участок длиной L. В качестве измерительных элементов отсчета смещений по характерным точкам на рамах крепи (например замки) назначают замерные точки на контуре выработки. В качестве базового элемента используют реперные точки, расположенные на основной линии 3, эквидистантной к продольной оси выработки. Для этого, в местах поперечных сечений выработки, ограничивающих контролируемый участок 4, а также в промежуточных 5 между этими сечениями с определенным шагом ln устанавливают в бок выработки, металлические штыри. В современных условиях ведения горных работ, весь контур выработки подвержен смещениям от действия горного давления. Однако проанализировав факторы, влияющие на эти смещения, можно определить участки контура выработки которые наименее смещаются, именно на этих участках контура выработки необходимо устанавливать металлические штыри. После чего их соединяют эластичной нитью, закрепляемой на каждом штыре так, чтобы она создавала основную линию, эквидистантную к продольной оси выработки. От контрольной точки, находящейся вне зоны смещений, с известной глубиной Н путем прокладки нивелирной хода устанавливают высотные отметки реперных точек 4, а высотные отметки ?h в остальных реперных точках 5 с помощью водяного уровня. После чего осуществляют замеры смещений в заданных поперечных сечениях путем измерения длины условного отрезка 7 между реперной точкой базового элемента и каждой назначенной замерной точкой на контуре выработки, с помощью, например, телескопического измерительного средства, лазерной рулетки на негазовых шахтах и т. д. Одновременно 5 измеряют углы 9, образованные условным отрезком и вертикалью 8 в заданных поперечных сечениях, а также углы образованные условным отрезком и основной линией с помощью угломеров. Результаты этих измерений являются значением смещений в начальном состоянии.

Рисунок 2 – Схема реализации способа
где 1 – подготовительная выработка, 2 – ее продольная ось, 3 – базовый элемент, 4 – опорные реперы, 5 – промежуточные реперы, 6 – изогипса проходящая через контрольную точку, 7 – условный отрезок, 8 – вертикаль, 9 – угол между условным отрезком и вертикалью, L – длина замерного участка, I, II, III, n – сечения выработки в 6 которых фиксируются перемещения замерных точек, H – глубина контрольной точки, ln – расстояние между промежуточными реперами, h – высотные отметки опорных и промежуточных реперов относительно известной высотной отметки 6.

Проверка точности метода при стендовых испытаниях. Стендовые испытания проводились в лаборатории ДонНТУ на стенде равнорадиусной крепи. Полученные данные о положении замерных точек с помощью предлагаемого способа сравнивались с данными полученными с помощью метода фотофиксации и графоаналитического метода. Предлагаемый метод был реализован по описанной выше методике. Использованный метод фотофиксации заключался в следующем: равнорадиусная крепь была сфотографирована с расположенным в ее сечении объектом с известными геометрическими размерами. После чего, снимки загрузили в графический редактор CorelDRW, масштаб фотографий был приведен к масштабу сетки графического редактора с помощью описанного выше объекта. Далее использовалась функция определения координат (Х;Y) для построения профиля выработки. Графоаналитический метод заключался в следующем: по известным параметрам этой крепи была построена геометрическая модель. После чего с использованием известных геометрических зависимостей были определены координаты. Ход испытаний. На контуре рамы было назначено несколько замерных точек, количество замеров в каждой из которых было равно 5. После чего вычислялось среднеарифметическое значение для каждой серии замеров. Приемочные испытания способа. Целью приемочных испытаний способа контроля состояния выработки было определение отклонений от известной методики ВНИМИ в шахтных условиях. 20 Испытания были проведены в 3 восточном конвейерном штреке пл. m3 гор. 915 м на шахте «Щегловская Глубокая» в период с сентября 2010 г. по март 2011 г. на участке длиной 50 м (замерные станции были установлены с 91 по 95 пикет на каждом пикете). На рамах с оборудованными согласно предлагаемому способу замерными станциями, также были установлены контурные станции по известной методике [2], которые представляли собой марки нанесенные на раму крепи, одна марка на верхняке крепи по центру выработки и по одной на ножках рамы крепи на высоте 1,5 м от почвы.
Для установки марки на раме крепи с помощью ножовки запиливалась канавка шириной 1 мм, затем в канавку укладывался отрезок стальной проволоки, после чего кромки канавки вальцевались. Методика замеров на этих станциях заключается в следующем: к реперу в кровле выработки подвешивался отвес, а между боковыми реперами натягивалась резиновая нить. Затем по отвесу измерялось расстояние А от кровельного репера до почвы, и В от кровельного репера до резиновой нити, а также по натянутой резинке измерялась ширина выработки С, и расстояние D от бокового репера, расположенного со стороны противоположной очистному забою до отвеса. Проводился ряд контрольных замеров, из которых было установлено, что отклонение результатов замеров по известному и предлагаемому способу не превышали 5 %. После чего измерения проводились по предлагаемому способу. Выводы по приемочным испытаниям способа контроля состояния горной выработки: предложенный способ контроля состояния выработки обеспечивает снижение времени затрачиваемого на измерения по сравнению с известной методикой, значительно повышает информативность контроля состояния горных выработок, т. к. позволяет получить больше замерных точек, обеспечивает возможность определения пространственного перемещения замерных точек во времени. При этом применим при загроможд?нности рабочего пространства выработки (например породопогрузочной машиной, оборудованием облаживающим лаву и т. д.) когда применение известной методики [2] невозможно. Хронометражные наблюдения за процессом измерения с применением предлагаемого способа и известного [2] показали, что при ведении замеров 2 человека для обработки 5 замерных станций по методике вними затрачивается 2 ч, а по предлагаемой методике 1 час. при этом количество замерных точек по предлагаемомуспособe больше в 3 раз. это с учетом записывания результатов. Выводы по работе. Таким образом, разработанный способ контроля состояния горной выработки, а также методика его использования позволяет обеспечить возможность определения пространственного перемещения замерных точек во времени, назначенных на контуре выработки. Проведенное обоснование параметров приборов для реализации способа позволяет выбрать для каждой практической задачи необходимую точность. Стендовые испытания показали, что погрешности подчиняются нормальному закону распределения и, следовательно, максимальное отклонение встречается минимальное число раз. Что позволяет применять приборы меньшей точностью (а соответственно и ценой) без особой потери точности данных о перемещениях замерных точек. Количество назначенных на контуре выработки замерных точек не ограничивается в предлагаемом способе, что дает возможность варьирования их количеством взависимости от решаемой задачи, а также возможность применения способа при загромажденности рабочего пространства выработки, а это в свою очередь позволяет повысить достоверность и информативность контроля. Применения данного способа в шахтных условиях позволило значительно сократить время затрачиваемое на измерения.

Перечень ссылок

1. Турчанинов Н.А. Основы механики горных пород [Текст] / Турчанинов Н.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. // . – Л.: Недра, 1989. – 488 с.
2. Методические указания по исследованию горного давления на угольных и сланцевых шахтах/ ВНИМИ. – Л., 1973–102 с.
3. Аветисов Э. С, Ковалевский Е. И., Хватова А. В. Руководство по детской офтальмологии. – М.: Медицина, 1987. – 496 с.
4. СНиП 23–05–95. Естественное и искусственное освещение [Текст]. – Введ. 1995–08–02.
5. Зайдель А.Н. Погрешности измерений физических величин. – Л.: Наука, 1985.