Уголь является основой энергетической независимости Украины. Кроме угля Украина обладает значительными запасами черных металлов, строительных и дугих подземных ископаемых. В связи с отработкой месторождений, залегающих на глубине 100-300 метров, отработкой запасов на малых и средних глубина горных работ неуклонно увеличивается. Вместе с тем с увеличением глубины разработки под действием повышенного горного давления опасные газодинамические явления (горные удары, выбросы угля и газа, уменьшение устойчивости горных выработок). Эти вредные явления повышают опасность подземных работ.
Для предотвращения опасных геомеханических ситуаций необходимо научится предсказывать напряженное состояние массива. Наиболее надежным является измерение компонент-напряжений в массиве горных пород на месте разработки месторождения.
Существует много методов измерения напряжений (кинематический[ 7 ], метод брейк-аута[ 6 ], гидроразрыва[ 1 ], метод возмущения, параллельных скважин, метод разности давлений и др.). Множество этих методов свидетельствует о том, что каждый из них имеет определенные недостатки и преимущества и ни один из существующих методов не гарантирует высокую надежность определения напряжений с допустимым уровнем погрешности. Международным стандартным методом определения напряжений является метод разгрузки.[ 4 ] Главным недостатком существующих методов разгрузки является высокая погрешность компонент-напряжений из-за того, что используется весьма небольшая база измерений деформаций разгрузки, величина которой не превышает нескольких десятков миллиметров. В данной работе планируется повысить точность измерений деформаций разгрузки, за счет увеличения базы измерения. При этом разрабатывается методика, которая не требует дорогостоящего оборудования.
ВведениеНа очень большом участке земного шара верхние слои земной коры испытывают повышенные горизонтальные напряжения, которые обусловлены прошлыми и современными подвижками тектонических плит.[ 3 ] На рисунке 1 [ 2 ] показан пример карты распределения величины горизонтальных напряжений в пределах Европы.
Рисунок 1 - пример карты распределения величины горизонтальных напряжений в пределах Европы.[ 2 ]
Видно, что в целом имеется тренд сжимающих напряжений с юго-востока на северо-запад. В результате действия этих напряжений при разработке подземных месторождений возникают негативные проявления горного давления, которые особенно интенсивны на тех участках, где горизонтальные значения компонент-напряжений имеют аномальные значения. В данной работе разработано устройство и методика измерения деформаций разгрузки с помощью которых восстанавливают напряженное состояние массива горных пород. Метод разгрузки является стандартным методом определения компонент-напряжений в нетронутом массиве. Недостаток существующих методов заключается в том, что измерения осуществляют на глубине скважины или шпура(длина шпура), который надо пробурить за зону влияния горной выработки из которой бурится измерительный шпур. Дистанционное наклеивание тензодатчиков и снятие обуривания торца забоя приводит к тому, что возникают погрешности измерений и эти погрешности увеличиваются из-за того, что база измерений весьмамаленькая (диаметр шпура составляет не более 30-50 милиметров).
Основные результатыВ данной работе усовершенствован метод разгрузки для измерения компонент-напряжений.[ 5 ] Главная идея модифицированного метода заключается в том, что измерение деформаций разгрузки осуществляется на большой базе, длинна которой составляет порядка метр и более и осуществляется на плоскости очистного или подготовительного забоя. На забое подготовительной выработки устанавливаются два репера, между которыми закрепляется специальное транспортируемое маркшейдерское устройство для более точной регистрации деформаций, затем исполнительным органом комбайна осуществляют заходку на метр-полтора образуя полость. В результате деформирования такой полости осуществляется разгрузка оставшегося объема пород в подготовительном забое и этот участок разуплотняется в сторону полости.
Целью данной методики является регистрация деформаций разгрузки.
Анимация 1 – Схема работы устройства. Анимация выполнена в программе gif-animation, включает в себя 4 кадра с задержкой 1 секунда.
Рисунок 2 – Сконструированное маркшейдерское устройство.
Для реализации этой методики сконструировано специальное маркшейдерское устройство, показанное на рисунке 3, которое состоит из телескопической раздвижной трубки, состоящей из внешней (1) и внутренней (2) стойки. Эти стойки связаны между собой микрометром(3), который имеет подвижный щуп, дающий возможность перемещаться вдоль телескопической трубки. Микрометр закрепляют одним концом на стойке (1) и с помощью микрометрического винта имеется возможность имитировать деформации сжатия-раздвижения этой стойки. Измерительная стойка закрепляется между реперами, которые укрепляются в углубления. Один конец стойки прикрепляется к реперу(4), установленному в плоскости подготовительного очистного забоя, а второй конец стойки жестко прикрепляется к рычагу(6). Рычаг (6) жестко прикрепляется ко второму реперу, который установлен в плоскости подготовительного очистного забоя. За счет упругих деформаций рычага и стойки происходит отклонение незакрепленной части рычага на небольшой угол, это отклонение измеряется с помощью лазерного указателя (7), который закреплен на подвижной головке (8). С помощью этой головки и микрометрических винтов выстанавляется положение указателя так, чтобы пятно луча от него падало на экран, расположенный на определенном расстоянии. Расстояние принимается порядка нескольких (3-5) метров. Благодаря этому расстоянию происходит геометрическое усиление перемещения самого рычага за счет чего достигается высокая точность измерения деформаций растяжения измерительной стойки.
На рисунке 3 показан снимок перемещения светового зайчика от лазерного указателя при его торировке в стендовых условиях.
Рисунок 3 - снимок перемещения светового зайчика.
Например, для измерения деформаций разгрузки на плоскости очистного забоя, измеритель устанавливается на плоскости очистного забоя (как показано на рисунке 5), а к участку на котором установлен измеритель деформации подходит очистной комбайн, который шнеком формирует заходку на 0,8 метров. При приближении этого комбайна к установке измерителя возникают деформации растяжения в плоскости очистного забоя на котором установлена пара реперов. Данный измеритель как раз и фиксирует это растяжение.
После того, как измеряли деформации, используется специальная методика для восстановления напряжений, которая реализуется с помощью метода определения конечных элементов в трехмерной постановке.
Рисунок 4 - положение измерителя на забое
Разработанное устройство и методика измерения компонент-напряжений в нетронутом массиве имеют большое значение для повышения надежности прогноза негативных проявлений повышенного горного давления и снижение опасности работ в подземных условиях.
Важное замечаниеНа данный момент моя магистерская работа не является окончательно написанной, потому что требуется окончательная проверка в реальных условиях, проще говоря - спуск в шахту и непосредственные измерения.
Литература: