МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ МАССИВА ПОРОД
ВОКРУГ ВЫРАБОТОК И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОРОД С КРЕПЬЮ.
Современные представления о характере и сути процессов, происходящих в массиве горных пород при проведении выработок заключаются в образовании вокруг выработок нескольких зон, в пределах которых породы находятся в качественно различном напряжённо - деформированном состоянии.
Первую зону, непосредственно примыкающую к контуру выработки, составляют ослабленные породы, характеризующиеся пониженными напряжениями. В пределах этой зоны породы деформируются в результате снятия начальных напряжений, при этом реализуются как упругие, так и неупругие деформации, а также разрушения, которые проявляются в виде интенсивного раскрытия трещин естественного или техногенного происхождения.
В настоящее время первую зону обычно называют зоной неупругих деформаций, понимая под неупругими деформациями любые деформации, а также разрушения. Параметры этой зоны определяются совокупным действием различных факторов, в частности, естественным напряжённым состоянием, формой и размерами выработок, способом проходки, характеристиками и временем установки крепи, воздействием процессов выветривания и пр.
|
|
Вторая зона представляет собой зону повышенных напряжений, а третьей зоной является область ненарушенного массива.
Именно зона неупругих деформаций, в первую очередь, определяет состояние выработки и потому является одним из основных объектов изучения в геомеханике.
Методы экспериментального определения параметров зоны
неупругих деформаций вокруг выработок.
Основными экспериментально определяемыми параметрами зон неупругих деформаций являются глубина распространения зоны от контура выработки в глубь массива и характеристика состояния пород в её пределах.
Для того чтобы судить о степени развития зоны неупругих деформаций в глубь массива, применяют методы осмотра стенок скважин или шпуров с помощью специальных оптических приборов типа РВП (рис. 8.1).
Фото, рис.2.4, стр.51 «Устойчивость горных выработок...» |
Рис. 8.1 Оптический прибор РВП - 456 для просмотра и документации стенок шпуров или скважин.
1 - зрительная труба; 2 - окуляр; 3 - осветитель.
С помощью приборов типа РВП или аналогичных им можно фиксировать на стенках скважин открытые трещины, измерять степень их раскрытия, определять местоположение трещин по отношению к устью шпура, а при использовании специальных приспособлений - фотографировать. Просмотр стенок скважины или шпура и фиксация трещин с помощью оптических приборов могут проводиться максимально до глубины 15-20 м. Необходимо отметить, что этот метод отличается трудоемкостью и, кроме того, результаты его сильно зависят от степени шероховатости стенок.
|
|
При необходимости проведения наблюдений на больших глубинах целесообразно применять скважинные телевизионные установки. Одна из них показана на рис. 8.2.
Фото, рис.32, стр.100 «Основы мех.г.п.» |
Рис. 8.2. Скважинная телевизионная установка.
1 - видеоконтрольное устройство; 2 - передающая камера.
Установка позволяет производить наблюдения в скважинах диаметром 100- 200 мм на любой глубине (ограничивается только длиной кабеля). Предусмотрена возможность в случае необходимости фотографировать изображения с экрана. Благодаря наличию вращающейся оптической системы передающая камера позволяет получать круговой обзор стенок скважин.
О развитии зоны неупругих деформаций можно также судить по выходу и степени раздробленности керна при бурении скважин из выработок. Однако здесь возможна погрешность определения протяженности зоны неупругих деформаций, так как на целостность керна влияют динамические нагрузки при бурении и напряжённое состояние массива пород.
Количественные характеристики зон различного напряженного состояния вокруг выработок и, что особенно важно, динамику их развития во времени получают с помощью инструментальных методов, которые, в свою очередь, можно подразделить на геометрические и физические.
К геометрическим относятся методы измерения абсолютных и относительных перемещений (деформаций) пород на контуре выработки и в глубине массива.
В глубине массива деформации и перемещения могут быть определены с помощью глубинных реперов (рис. 8.3 а), конструкции которых, а также методика измерений достаточно разработаны и широко применяются в различных горно-геологических условиях.
Рис. 8.3. Скважина с глубинными реперами, пробуренная с земной поверхности (а), типы глубинных реперов (б, в, г) и развитие во времени зоны неупругих деформаций вокруг полевого штрека (д), зафиксированное с помощью глубинных реперов.
а - наклонная скважина в массиве скальных пород с глубинными реперами, закрепленными путем цементирования; б — металлический глубинный репер, закрепленный путем цементирования; в - деревянный глубинный репер, закрепленный посредством расклинивания; г - металлические глубинные реперы, предназначенные для установки в слабых горных породах;
1 - скважина, 2 - глубинные реперы; 3 - проволока или тросики, связывающие глубинные реперы с земной поверхностью; 4 - кондуктор скважины; 5-основной кронштейн; 6 - блоки; 7 - дополнительный кронштейн; 8 - противовесы; 9 - стационарная нивелирная рейка; 10 - тело глубинного репера; 11 - резиновые прокладки; 12 - трубки для пропуска тросика от глубинных реперов.
Глубинные реперы размещают в скважинах, которые специально бурят из горных выработок. Обычно в каждой скважине устанавливают несколько глубинных реперов, связи которых с поверхностью могут быть гибкими (проволока) или жесткими (штоки). Собственно глубинные реперы представляют собой металлические патрубки соответствующей конструкции или деревянные цилиндры, посредством цементирования или расклинивания прочно закрепляемые в скважине. В слабых породах применяют реперы якорного типа, представляющие собой металлические цилиндры, наружная поверхность которых снабжена упругими элементами, внедряющимися в породу при натяжении проволоки или штанг.
В качестве примера на рис. 8.3 д приведена динамика развития во времени зоны неупругих деформаций вокруг подготовительной выработки на одном из угольных месторождений, построенная по результатам измерений деформаций в массиве с помощью станции глубинных реперов.
|
|
Относительные перемещения пород на контуре выработок могут определяться упрощенными способами измерения сближения (конвергенции) почвы и кровли или боковых стенок выработок с помощью парных реперов и специальных измерительных стоек, например СУИ-П конструкции ВНИМИ (рис. 8.4).
б Фото, рис.2.7, стр. 54 «Устойчивость горных выработок...» |
Рис. 8.4. Конструкция и установка парных реперов в горных выработках.
а - конструкция репера-марки; б - репер, зацементированный в породном массиве с установленной измерительной колонкой; в - измерительная колонка для наблюдений за сближением боковых пород;
1 - индикаторная головка; 2 - патрубок; 3 - упор для индикатора; 4 - репер; 5 - колонка.
Парные реперы удобно применять в условиях разработки крутопадающих и вертикальных пластов или рудных жил для измерения сближений боковых пород. Здесь парные реперы закрепляют в стенках очистных блоков, т.е. в висячем и лежачем боку рудного тела.
Разрушение пород с образованием трещин и дальнейшее их раскрытие фиксируют с помощью так называемых маячков — окрашенных участков пород, в пределах которых периодически измеряется видимое раскрытие трещин.
Однако наиболее полную и объемную картину формирования зон различного напряженного состояния пород в приконтурном массиве обеспечивают физические методы наблюдений, в основе которых лежат закономерности изменения тех или иных физических характеристик массива пород в результате проведения выработок. К их числу относятся радиометрические, электрические, сейсмоакустические и реометрические методы.
Применение радиометрических методов для определения параметров зон различного состояния вокруг выработок основано на изменении плотности массива в пределах приконтурной области. В свою очередь, изменение плотности пород фиксируется по изменению интенсивности рассеянного гамма-гамма-иалучения. Наибольшее применение эти методы находят при изучении состояния массивов осадочных и рыхлых пород, характеризующихся низкими значениями плотности.
|
|
В последнее время получают все большее развитие и применение электрометрические методы оценки напряженного состояния пород в массиве вокруг выработок. При этом методы развиваются в виде нескольких модификаций. Одна группа этих методов основана на эффекте изменения удельного электрического сопротивления пород при изменении их напряженно-деформированного состояния, другая - на изучении изменения параметров естественного геоэлектрического поля в массиве пород при изменении напряженного состояния. Следует, однако, заметить, что электрометрические методы пока еще находятся в стадии разработки и их широкому применению препятствует сильное влияние внешних факторов, например естественной влажности пород.
По сравнению с отмеченными, более широкое применение находят сейсмоакустические методы наблюдений за состоянием пород в приконтурной области массива, которые основаны на изменении параметров упругих колебаний, проходящих через приконтурный массив выработок, в зависимости от состояния последнего. Наиболее часто фиксируют изменение скоростей упругих колебаний, и в этом виде методы находят широкое применение с 60-х годов. Однако в последнее время анализу подвергают не только скорости упругих волн, но и амплитуды колебаний, а также исследуют изменение спектра их частот.
По характеру используемых источников сейсмоакустические методы подразделяются на активные и пассивные. Первые из них основываются на изучении параметров колебаний, искусственно возбуждаемых в исследуемом участке массива, вторые - на регистрации волн, естественно возникающих при разрушениях в приконтурной области массива.
Для целей оценки устойчивости выработок наибольшее применение из активных методов находят в настоящее время ультразвуковые методы по схемам проходящих волн и ультразвукового каротажа, а также сейсмические методы. Из пассивных — звукометрические методы, также называемые методами звуковой эмиссии.
Весьма надежные данные о состоянии массива пород в приконтурной области могут быть получены с помощью реометрического метода, основанного на изменении проницаемости массива пород в результате проведения выработок и образования зон неупругих деформаций. В пределах зоны неупругих деформаций по сравнению с нетронутым массивом проницаемость, как правило, многократно увеличивается.
Существо метода состоит в подаче в изучаемый участок породного массива газа или жидкости, подводимых через шпур (скважину), и в регистрации показателей скорости фильтрации подаваемого газа (жидкости) через рассматриваемый участок массива. Комплект реометрической установки показан на рис. 8.5.
Фото, рис. 38, стр. 114 «Основы мех. г. п.» |
Рис 8.5 Общий вид реометрической установки для определения степени нарушенности пород
1 - герметизирующее устройство, 2 - удлинитель, 3 - соединительные шланги, 4 - аккумулирующая емкость 5 - манометр, 6 - насос
Преимуществом этого метода является исключительная простота применяемого оборудования и надёжность получаемых результатов. В то же время необходимо помнить, что, строго говоря, этим методом определяется лишь часть зоны неупругих деформаций, а именно зона потери сплошности пород, т.е. разрушений.