Способ моделирования подземной разработки пластовых месторождений, стенд и эквивалентный материал для его осуществления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (дН 4 E 21 С 39/00

Xgp:TF.; Ql

@ а ; -., /

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2i) 4063556/22-03 (22) 03.03.86 (46) 23.03.88. Бюл. Р 11 (7 1) Университет дружбы народов им, Патриса Лумумбы и Институт проблем комплексного освоения недр

АН СССР (72) Б.И. Машковцев, И.Л. Машковцев и Г.А. Балыхин . (53) 622.023(088,8) (56) Машковцев И.Л. Проявления горного давления при выемке мощных пологих пластов. M. ЦНИИуголь, 1979, с. 16-18.

Авторское свидетельство СССР

N - 394678, кл. Е 21 С 39/10, 1971.

1(узнецов Р.Н. и др. Моделирование проявлений горного давления. — Л.:

Недра, с. 61-64.

А-А (54) СПОСОБ Г1ОДЕЛИРОВАН1И ПОДЗЕМНОЙ

РАЗРАБОТКИ ПЛАСТОВЫХ ГЖСТОРОЖДЕН1П1, СТЕНД И ЭКВИВАЛЕЕ1ТНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕН11Я (57) Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для определения напряженно-деформированного состояния горных пород и пара1 метров технологии добычи. Цель изобретения — повышение точности и достоверности модели. Ее изготавливают путем послойной укладки эквивалентного материала (ЗМ). Затем производят его уплотнение и сушку, По мере укладки и сушки очередного слоя ЭГ1 тарируют датчик напряжения (ДН). Затем производят отработку модели и од- Ж

1 новременпо регистрируют результаты измерений ДН 4 и регистрирующей апС:

1382953 паратурой (PA). Как при тарировке, так и при обработке модели ДН 4 и PA перемещают относительно друг друга по всей длине модели и одновременно автоматически регистрируют результаты измерений. После этого слои ЭМ извлекают раздельно, добавляют 1-20 воды, перемешивают до достижения однородной массы и используют повторно. Выполнен ДН 4 в виде двух параллельных пластин из прозрачного материала. Длина пластин равна длине слоев ЭМ и установлены они вертикально на расстоянии друг от друга, равном ширине слоев ЭМ. В качестве PA испольауют поляризационноИзобретение относится к горной промышленности и предназначено для моделирования подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых на стендах из эквивалентных материалов для определения напряженно-деформированного состояния горных пород и параметров технологии добычи.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности моде( с лиров ания.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый стенд при неподвижной установке датчика; на фиг. 2— то же, при подвижной установке датчика; на фиг. 3 — разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 4 — разрез Б-Б на фиг. 2.

Способ заключается в следующем.

Горный массив, состоящий из различных пород: пласта полезного ископаемого (например, угольного), не-. посредственной кровли (алгиллита), основной кровли (песчаника), заменяют эквивалентными по свойствам материалами, которые укладывают в стенд 1 слоями 2. Предварительно в почву пласта 3 устанавливают датчик 4 напряжений, представляющий собой две параллельные прозрачные пластины.

Затем осуществляют отработку модели.

Для получения данных о напряженнодеформированном состоянии вдоль всей модели или в любой заданной точке оптическую систему 5-8, элементы которой расположены по обе стороны от ДН 4 на направляющих 12, закрепленных на жестком основании 10. Элементы системы 5-8 перемещаются по- средством червячной передачи. В состав ЭМ входят следующие компоненты при их соотношении, мас. : песок 590; соль 80-5; вода — остальное. Изменяя процентное содержание компонентов ЭМ и производя испытания образцов, добиваются того, чтобы расхождение фактических физико-механических свойств с расчетными не превышало 10 .. 3 с. и 2 з ° п. ф-лы, 4 ил. источник 5 света и анализатор 6, размещенные с одной стороны датчика напряжений, поляризатор 7 и фотоэлектронный умножитель 8,„ размещенные с другой стороны, синхронно перемещают вдоль датчика 4 напряжений, или, наоборот, перемещают модель вместе с датчиком относительно поляризационно-оптической системы 5-8, установ1О ленной неподвижно, и регистрируют записывающей аппаратурой 9.

Стенд для осуществления способа выполнен следующим образом.

На жестком основании 10 установлен

15 датчик 4 напряжений, выполненный из двух параллельных пластин из прозрачного материала, расположенных на расстоянии, равном ширине слоев 2

„эквивалентного материала. Пластины

2О установлены вертикально, а их длина составляет длину слоев эквивалентного материала (т.е. равна длине модели). При необходимости пластины по длине могут быть составлены из нескольких частей. Поверх пластин уложены, например, металлическая лента

11,. а затем слои эквивалентного материала. С одной стороны датчика напряжений (или жесткого основания 10) о расположены источник 5 света, в качестве которого применяют, например, лазер, и анализатор 6, с другой стороны — поляризатор 7, и фотоэлектронный умножитель 8. Поляризационно1382953 оптическую систему 5-8 и датчик 4 напряжений выполняют подвижными от— носительно друг друга.

Луч света от источника 5, проходя анализатор 6, датчик 4 напряжений и поляризатор 7, попадает в фотоэлектронный умножитель 8. Регистрация показаний производится автоматически непосредственно с фотоэлектронноro умножителя, например, печатающим устройством, ленточным перфоратором, микрокомпьютерной системой и т.п.

При неподвижной установке датчика напряжений (т.е. жесткого основания и всего стенда в целом) жесткое основание 10 (фиг. 1-3) имеет ширину больше, чем слои эквивалентного материала. На выступающих частях ос20 нования установлены направляющие 12, по которым могут синхронно перемещаться каретка 13 с лазером 5 и анализатором 6 и каретка 14 с поляризатором 7 и фотоэлектронным умножителем 8., Перемещение кареток 13 и 14 может быть осуществлено, например,,посредством червяка 15 связанного через шестеренчатую передачу с валом реверсивного электродвигателя 16 °

В случае установки поляризационнооптической системы 5-8 стационарно жесткое основание 10 (фиг. 2 и 4) снабжается катками 17 с возможностью его перемещения с датчиком 4 напряжений (т ° е. всего стенда) по направ- 35 ляющим 18 относительно луча света.

Эквивалентный материал содержит

\ песок, соль и воду с диапазонами изменения в зависимости от крепости пород, мас. ; песок 5-90, соль 80-5, 40 вода — остальное.

Изготовление состава и подбор процентного содержания компонентов эквивалентного материала осуществляют следующим образом. 45

В сухом виде перемешивают песок и соль в различных пропорциях, добавляют 1-20 воды и вновь перемешивают до достижения нормальной консистенции смеси. Полученный материал укладывают в формы и сушат, получая таким образом образцы для испытания его физико-механических свойств. По . результатам испытаний строятся диаграммы Гиббса-Розебома. 55

Пример совместной работы способа, стенда и эквивалентного материала для осуществления способа.

По данным физико-механических свойств угля и пород в натуре определяют в соответствии с теорией подобия расчетные физико-механические свойства эквивалентного материала. Первоначально процентный состав материала, эквивалентного, например, углю, аргиллиту, песчанику и так далее, находят по построенным диаграммам

Гиббса-Розебома. Затем из полученных материалов изготавливают образцы, на которых определяют физико-механи-. ческие свойства конкретной горной породы (в модели). Изменяя процентное содержание компонентов материала и производя испытания образцов, добиваются того, чтобы расхождение фактических физико-механических свойств с расчетными не превышало 10, что является достаточным для обеспечения достоверности моделирования, Установленное данным способом процентное содержание компонентов для различных пород и углей в дальнейшем используется для изготовления модели по стратиграфической колонке моделируемой толщин, конкретного пластового месторождения.

П р и и е р 1. Содержание компонентов для аргиллитов, мас. :

Песок 84,4

Соль 13,8

Вода 1,8

П р н и е р 2. Содержание компонентов для песчаников, мас. :

Песок . 78,6

Соль 17,4

Вода 4,0

Пример 3. Содержание компонентов для угля, мас.%:

Песок 86,2

Соль 12,0

Вода 1,8

В результате проведенных испытаний образцов установлено, что предложенный состав позволяет моделировать с высокой точностью и достоверностью различные горные породы в широком диапазоне от крепких пород (содержание соли до 80 мас. ) до слабых и сыпучих пород (содержание песка до 90 мас.%). В зависимости от требуемой;консистенции смеси и содержания соли общее количество воды составляет 1-20 от массы смеси.

Слои материала, эквивалентные разным горным породам, укладывают в модель по стратиграфической колонке

1382953 6 мо елируемого пластового месторожде ия. Для укладки материала по бока модели возводят временную опалубку на 3-4 слоя материала. Уложив и разровняв слой материала, производяГ его уплотнение и сушку путем подачи теплого воздуха к поверхности слоя. Тарировку датчика .4 напряжений пр изводят после укладки и сушки оч редного слоя модели. Для этого сн чала регистрируют значение интенси ности прошедшего через ненагруже ный датчик напряжений света пут перемещения поляризационно-оптиче кой системы (или датчика напряже ий) вдоль всей, модели с помощью за исывающей аппаратуры 9. Затем укл ывают слой эквивалентного материал известной сухой массы, сушат его и новь регистрируют показания датчика 4 напряжений. Тарировку производят до окончания укладки слоев в стенд.

При необходимости, т.е. для модели ования заданной глубины разработки производят поэтапную пригрузку эк ивалентного материала известными в ичинами, также перемещая поляриза ионно-оптическую систему и датчик

30 на яжений относительно друг друга и егистрируя результаты измерений.

Та им образом, по окончании укладки сл ев эквивалентного материала и их пр грузки получают тарировочный графи с зависимости изменения интенсив- 35 ности света от пригрузки на датчик наПряжений.

После этого приступают к отработке модели, для чего производят последовательную выемку пласта 3 по выбранной методике моделирования с учетом масштабов времени. Вынув оЧередную часть пласта, пройзводят регистрацию показаний датчика напряжений описанным способом. Во время отработки пласта 3 происходит перераспределение напряжений в модели, что вызывает изменение интенсивности света, попадающего в фотоэлектронный умножитель 8. Это регистрируется запйсывающей аппаратурой 9. Значения полученных величин нормальных напряжений в модели определяют путем сопоставления данных измерений с тариро- 5 вочным графиком. Таким образом определяется опорное давление (впереди очистного забоя) и давление обру-шенных пород в выработанном пространстве на почву пласта.

После того, как модель отработана (т.е., пласт или группа пластов полностью вынуты), приступают к разборке модели. Для этого слои материала„ эквивалентного одной и той же горной породе, извлекают отдельно от других слоев и помещают в отдельную емкость. При повторной подготовке модели B извлеченный материал добавляют 1-20% воды, перемешивают материал до достижения однородной массы и используют его повторно при укладке слоев в новый стенд.

Формула изобретения

1. Способ моделирования подземной разработки пластовых месторождений, включающий изготовление модели путем послойной укладки эквивалентного материала, тарировку датчика напряжений, отработку модели, регистрацию результатов измерений датчиком напряжений и регистрирующей аппаратурой и извлечение слоев эквивалентного материала после отработки модели. а т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и достоверности моделирования, тарировку датчика напряжений вецут по мере укладки и сушки очередного слоя эквивалентного материала, при этом как и при отработке модели, датчик напряжений и регистрирующую аппаратуру перемещают относительно друг друга по всей длине модели и одновременно автоматически регистрируют результаты измерений, после чего слои эквивалентного материала извлекают раздельно, добавляют 1-20% воды, перемешивают до достижения однородной массы и используют повторно.

2. Стенд для моделирования подземной разработки пластовых месторождений, включающий жесткое основание, модель, выполненную из слоев эквивалентного материала, датчик напряжений и регистрируюшую аппаратуру, причем датчик напряжений установлен на жестком основании под моделью, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что датчик напряжений выполнен из прозрачного материала в виде двух параллельных пластин длиной, равной длине слоев эквивалентного материала, установленных вертикально на рассто1382953 янин друг от друга, равном ширине слоев эквивалентного материала, а в качестве регистрирующей аппаратуры применена поляризационно-оптическая система, элементы которой расположены по обеим сторонам от датчика напряжений.

3. Стенд по и. 2, о т л и ч а юшийся тем, что на жестком основании с обеих сторон от датчика напряжений укреплены направляющие, на которых размещены элементы поляризационно-оптической системы с возможностью перемещения, например, посредством червячной передачи.

4 ° Стенд по и. 2, о т л и ч а— ю шийся тем, что элементы по5. Эквивалентный материал для моделирования подземной разработки пластовых месторождений, включающий песок, воду и вяжущее, о т л и— ч а ю шийся тем, что в качестве вяжущего используют соль при следующем соотношении компонентов, мас.t.:

Песок

Соль

Вода

5-90

80-5

Остальное ляризационно-оптической системы уста.— новлены неподвижно с обеих сторон от датчика напряжений, а жесткое основание выполнено подвижным на опорных

5 катках.

1382953

fS 1!

7 в

Составитель И. Фомичева

Техред А. Кравчук Корректор Л. Пилипенко

Редактор И. Николайчук

Заказ 1270/27 Тираж 459

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

)производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4