Способ определения устойчивости пород при креплении горных выработок

 

Изобретение относится к горной промышленности. Технический результат изобретения - повышение точности определения устойчивости горных пород в условиях недостатка данных о свойствах массива, например, на новых месторождениях и рудных полях. Для этого способ включает разгрузку выработки на опытном участке, определение начальной скорости приращения остаточных деформаций пород закрепной зоны и оценку устойчивости пород в зависимости от величины этой скорости. При этом предварительно производят по крайней мере в двух незакрепленных забоях парные определения величин средней начальной скорости V_k смещения контура выработки, пропорциональной начальной скорости приращения остаточных деформаций пород закрепной зоны, и времени t_y ее устойчивого стояния. Затем для этих забоев определяют константы а и b эмпирической зависимости и среднюю начальную скорость V_к смещения контура выработки на опытном участке. По приведенной эмпирической зависимости и полученным в незакрепленных забоях константам а и b этой зависимости вычисляют время t_y устойчивого стояния выработки на опытном участке. Устойчивость пород на нем оценивают путем сравнения t_y с эталонными значениями времени устойчивого стояния выработки для конкретных классов устойчивости пород. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для определения устойчивости пород при креплении горных выработок, преимущественно в условиях недостатка информации о свойствах массива, например, на новых месторождениях и рудных полях.

Известен способ контроля устойчивости бортов карьеров (Muller L. The Rock Slide in the Vaiont Valley // Rock Mechanics & Engeneerig Geology, 1964, 2, p. 148-212), включающий измерение деформаций пород, определение начальных скоростей приращения деформаций при разгрузке выработки и оценку устойчивости пород по их величине.

Недостатком известного способа является невозможность его применения в условиях подземных горных выработок из-за существенного различия в характере развития сдвижения пород в бортах карьеров, где реализуются смещения блоков пород по поверхностям скольжения в отличие от горных выработок, где неупругие смещения пород вблизи контура выработки ведут к разуплотнению их, разрушению и вывалообразованию. На новых месторождениях, при недостатке данных о свойствах массива, мало информации о величинах скоростей приращения деформаций пород, соответствующих различным классам их устойчивости, что отрицательно сказывается на точности определения устойчивости пород при реализации известного способа.

Известен способ определения устойчивости пород (Bieniawsky Z.T. Case studies: prediction of rock mass behavior by the geomechanics classification // Second Australia - New Zealand conference on geomechanics, 1975, p. 36-41), включающий измерение на опытном участке связанных с устойчивость породы параметров: прочности породы, выхода керна, водопритока, расстояния между трещинами, их раскрытия и элементов залегания, определение эмпирическим путем времени t_у устойчивого стояния выработки и оценку устойчивости пород путем сравнения его с эталонными значениями времени устойчивости стояния для конкретных классов устойчивости горных пород.

Недостатком известного способа является неконкретный характер эмпирической связи измеряемых на опытном участке параметров с устойчивостью пород при определении рейтинговой числовой оценки, по которой определяют время t_у устойчивого стояния выработки на опытном участке. Это приводит к субъективности оценки отдельных параметров, суммированию ошибок измерения по шести параметрам и отрицательно влияет на точность определения устойчивости пород.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ определения устойчивости закрепленной горной выработки (а. с. СССР N 1089259, E 21 C 39/00, опубл. в БИ N 16, 1984), включающий разгрузку выработки на опытном участке, определение начальной скорости приращения остаточных деформаций пород закрепной зоны и оценку устойчивости пород по ее величине.

Недостатком известного способа является недостаточная точность определения устойчивости пород: выделяются только две категории устойчивости (устойчивые и неустойчивые), в то время как в мировой и отечественной практике принято пять категорий устойчивости пород (Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах.- М.: Недра, 1989, с. 75). Кроме того, известное техническое решение предполагает измерение начальной скорости приращения остаточных деформаций пород на локальных участках массива, взаимодействующих с распорной балкой, что технически более сложно, чем измерение начальной скорости смещения контура выработки. А так как напряжения и деформации неравномерно распределены по периметру сечения выработки, то в процессе измерения не учитывается влияние особенностей напряженно-деформированного состояния (НДС) массива, прочности и нарушенности пород на их устойчивости. Все это снижает точность определения устойчивости пород.

Практика эксплуатации подземных месторождений в период их разведки и освоения показывает, что зачастую аварийные ситуации в горных выработках и разрушения крепи связаны с недостаточной точностью оценки устойчивости пород.

Техническая задача: повышение точности определения устойчивости горных пород при креплении горных выработок в условиях недостатка данных о свойствах массива, например, на новых месторождениях и рудных полях за счет использования эмпирической зависимости времени t_у устойчивого стояния выработки от средней начальной скорости V_к смещения ее контура, константы a и b которой характеризуют интенсивность деформаций разгрузки массива, отражают влияние особенностей НДС массива, прочности и структурной нарушенности пород на их устойчивость для более детального определения устойчивости пород на опытном участке в диапазоне пяти классов устойчивости пород.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения устойчивости пород при креплении горных выработок, включающем разгрузку выработки на опытном участке, определение начальной скорости приращения остаточных деформаций пород закрепной зоны и оценку устойчивости пород в зависимости от величины этой скорости, согласно изобретению, предварительно производят, по крайней мере, в двух незакрепленных забоях парные определения величин средней начальной скорости V_к смещения контура выработки, пропорциональной начальной скорости приращения остаточных деформаций пород закрепленной зоны, и затем времени t_у ее устойчивого стояния. После этого для этих забоев определяют константы a и b эмпирической зависимости t_у = a/(V_к - b), где t_у - время устойчивого стояния выработки, с; a - константа, м; V_к - средняя начальная скорость смещения контура выработки, м/с; b - константа, м/с.

Затем определяют среднюю начальную скорость V_к смещения контура выработки на опытном участке, после чего по указанной эмпирической зависимости и полученным в незакрепленных забоях константам a и b этой зависимости вычисляют время t_у устойчивости стояния выработки на опытном участке и оценивают устойчивость пород на нем путем сравнения t_у с эталонными значениями времени устойчивого стояния выработки для конкретных классов устойчивости пород.

При этом достигается повышение точности определения устойчивости пород при креплении горных выработок в условиях недостатка данных о свойствах массива за счет определения констант a и b эмпирической зависимости времени _у устойчивого стояния выработки от средней начальной скорости V_к смещения ее контура, которые интегрально характеризуют интенсивность деформаций разгрузки массива и косвенно отражают влияние особенностей НДС массива, прочности и структурной нарушенности пород на время устойчивого стояния выработки, которое, в конечном итоге, определяет устойчивость пород как классификационный признак. Это позволяет производить оценку устойчивости пород на опытном участке в диапазоне пяти классов устойчивости пород.

Целесообразно в весьма неустойчивых породах начальные скорости V_к смещения контура выработки измерять по реперам, установленным на груди забоя.

В этих условиях очень мало время t_у устойчивого стояния выработок, как правило менее часа, и поэтому невозможно за этот период провести измерения скоростей смещения контура выработки, оценить устойчивость пород и произвести крепление. Достаточно информативной в этих условиях является скорость смещения контура выработки на груди забоя закрепленной выработки, близкая по величине к средней начальной скорости V_к смещения контура незакрепленной выработки. В этом направлении происходит и первичное обрушение в весьма неустойчивых породах. Следовательно, в весьма неустойчивых породах можно с достаточной точностью измерять по реперам, установленным на груди забоя, и начальную скорость V_к смещения контура выработки, и время t_у устойчивого стояния выработки для определения констант a и b указанной эмпирической зависимости, что существенно упрощает реализацию способа в этих условиях.

Сущность технического решения иллюстрируется примером определения устойчивости пород при креплении горных выработок, чертежами и таблицей, где: на фиг. 1 показано поперечное сечение горной выработки; на фиг. 2 - продольный разрез через выработку; на фиг. 3 - пример аппроксимации эмпирической зависимости времени t_у устойчивости стояния выработки в незакрепленном забое от средней начальной скорости V_к смещения ее контура по данным 18 предварительных замеров на месторождении "ВТ"; на фиг. 4 - пример определения устойчивости пород на конкретном опытном участке месторождения "ВТ" по указанной эмпирической зависимости, представленной в логарифмических координатах; в табл. - классификация пород месторождения "ВТ" по устойчивости.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

На месторождении, где предполагается определять устойчивость пород при проведении и креплении горных выработок, выбирают, по крайней мере, два незакрепленных забоя для проведения предварительных измерений. Наиболее подходят тупиковые выработки в заведомо неустойчивых породах, где есть возможность непосредственно измерить время t_у устойчивости их стояния (от момента образования до первичного обрушения). В массиве пород 1 на контуре 2 выработки 3 закладывают реперы 4 и измеряют начальные скорости V₁ - V₄ смещения контура 2 выработки 3 (фиг. 1, 2). Затем определяют расчетным путем их среднюю величину - среднюю начальную скорость V_к смещения контура 2 выработки 3. Разгрузку массива пород 1 осуществляют образованием выработки 3, что при геомеханических наблюдениях является одной из основных схем возмущения НДС массива, используемых для инструментальных измерений приращений деформаций на больших базах (Курленя М.В., Попов С.Н. Современные способы диагностики напряженного состояния горных пород путем его возмущения // Механика горных пород и механизированные крепи. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1985, с. 56-62). Затем там же измеряют время t_у устойчивого стояния выработки, фиксируя на расстоянии момент первичного обрушения пород, после чего для незакрепленных забоев определяют константы a и b указанной эмпирической зависимости (фиг. 3). В связи с гиперболическим характером этой зависимости достаточно двух незакрепленных забоев для проведения предварительных измерений и вычисления констант a и b.

Для определения устойчивости выработки на опытном участке используют известную эмпирическую зависимость t_у = a/V_к - b), константы a и b которой были определены. На опытном участке определяют среднюю начальную скорость V_к смещения контура выработки на основании измерения начальных скоростей V₁ - V₄ смещения контура 2 выработки 3 на опытном участке (фиг. 1, 2), если он не закреплен, или на основании измерения начальных скоростей V₆, V₇, если установлена крепь 5. Затем вычисляют по указанной эмпирической зависимости и полученным в незакрепленных забоях константам a и b этой зависимости время t_у устойчивого стояния выработки и оценивают устойчивость пород путем сравнения t_у с эталонными значениями величин времени t_у1, t_у2, t_у3, t_у4 (фиг. 4) устойчивого стояния выработок, соответствующими границам конкретных классов устойчивости пород (I-V), которые определены в работах Бенявски З.Т., Агошкова М.И., Булычева Н.С. и др.

Изменение на опытном участке величин таких параметров, как уходка l, м, высота h, м и полупролет B, м сечения выработки по сравнению с предварительными измерениями, требует внесения расчетным путем соответствующих поправок в эталонные значения времени t_у устойчивого стояния выработки.

В весьма неустойчивых породах, обрушающихся сразу после проведения выработки, не всегда возможна организация измерения начальных скоростей V₁-V₄ смещения контура 2 (фиг. 1, 2) для определения их средней величины V_к, но достаточно велика, даже в полностью закрепленной выработке при l = 0, начальная скорость V₅ смещения контура 2 на груди 6 забоя (фиг. 2). Это позволяет использовать непосредственно измеренную величину ₅ для оценки устойчивости пород вышеописанным способом.

В качестве примера рассмотрено определение устойчивости пород при креплении горных выработок разведочно-эксплуатационной шахты месторождения "ВТ" Целинного ГХК при эмпирической зависимости (фиг. 3) вида t_у = 0,24/(V_к - 2,5 · 10^-7).

Как это видно на фиг. 4, в логарифмических координатных осях она близка к линейной зависимости. Границы классов устойчивости пород для выработки с высотой h = 4,1 м и пролетом B = 2,2 м (сечением в проходке 14,12 м²), соответствующие эталонным значениям величин времени t_у1, t_у2, t_у3, t_у4 (фиг. 4) устойчивого стояния выработок, приведены в таблице.

Измеренная на опытном участке в выработке средняя начальная скорость смещения контура выработки V_к* = 7,1 · 10^-5 м/с (фиг. 4) соответствует по эмпирической зависимости t_у* = 3,3 · 10³ с (55 мин), что по таблице позволяет отнести породу к классу весьма неустойчивых пород (V). Фактическое обрушение пород произошло через 58,5 мин. Аналогично проводят определения устойчивости пород при креплении горных выработок и для других классов устойчивости пород.

Из примера видно, что использование предлагаемого изобретения позволяет достигнуть достаточно высокую точность определения устойчивости пород и классифицировать их по пяти категориям устойчивости пород в условиях недостаточности данных о свойствах массива, а именно на новых месторождениях и рудных полях.

Формула изобретения

1. Способ определения устойчивости пород при креплении горных выработок, включающий разгрузку выработки на опытном участке, определение начальной скорости приращения остаточных деформаций пород закрепной зоны и оценку устойчивости пород в зависимости от величины этой зоны, отличающийся тем, что предварительно производят по крайней мере в двух незакрепленных забоях парные определения величин средней начальной скорости V_к смещения контура выработки, пропорциональной начальной скорости приращения остаточных деформаций пород закрепной зоны, и затем времени t_у ее устойчивого стояния, после чего для этих забоев определяют константы a и b эмпирической зависимости t_у = a/(V_к - b), где t_у - время устойчивого стояния выработки, с;
a - константа, м;
V_к - средняя начальная скорость смещения контура выработки, м/с;
b - константа, м/с;
затем определяют среднюю начальную скорость V_к смещения контура выработки на опытном участке, после чего по указанной эмпирической зависимости и полученным в незакрепленных забоях константам a и b этой зависимости вычисляют время t_у устойчивого стояния выработки на опытном участке и оценивают устойчивость пород на нем путем сравнения t_у с эталонными значениями времени устойчивого стояния выработки для конкретных классов устойчивости пород.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в весьма неустойчивых породах начальные скорости смещения контура выработки измеряют по реперам, установленным на груди забоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5