Способ определения деформационных нарушений горного массива над выработанным пространством

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для прогноза и контроля геомеханического состояния массива горных пород над выработанным пространством. В способе прогнозируют местоположение ожидаемого максимального прогиба слоев горных пород над выработанным пространством и величину этого прогиба по математическому выражению. Бурят в предполагаемую зону наибольшего деформирования пород горизонтальную скважину с одновременной установкой марок-реперов из магнитоактивного материала и обсаживают скважину гибкими трубами из немагнитоактивного материала. Производят измерения расстояний между марками-реперами и строят эпюры горизонтальных деформаций массива, измеряют прогиб обсадных труб, по величине которого определяют значения максимальных горизонтальных деформаций слоев горных пород. Сопоставляют значения деформаций, полученные инструментально и математически, и вычисляют среднее значение максимальных горизонтальных деформаций слоев горных пород и размер трещины. Определяют местоположение трещин, производят оценку устойчивости и водонепроницаемости горных пород над выработанным пространством и устанавливают высоту зоны сквозных трещин и корректируют параметры разработки. Изобретение направлено на повышение оперативности получения информации об изменении геомеханического состояния горного массива над выработанным пространством. 5 ил.

Изобретение относится к области горного дела и, в частности, к способам и устройствам оценки, прогноза и контроля геомеханического состояния массива горных пород над выработанным пространством при подземном, комбинированном или другом способе разработки месторождений полезных ископаемых.

Известны способы для получения информации о деформационных процессах, происходящих в толще пород, заключающиеся в инструментальных (измерениях) наблюдениях, производимых на комплексных наблюдательных станциях, выполненных в виде систем реперов, заложенных на земной поверхности и подземных выработках в одной вертикальной плоскости. Наблюдения производят на разные даты, определяя положения реперов как на земной поверхности, так и в горных выработках. По материалам наблюдений вычисляют вертикальные и горизонтальные деформации и строят их графики по всем профильным линиям наблюдательной станции [1, 2].

Недостатком указанных способов является их значительная трудоемкость, т.к. необходимо обеспечить закладку большого количества реперов на земной поверхности и в горных выработках, их сохранность в течение длительного времени для дальнейших наблюдений, присутствие людей при проведении непосредственных измерений, кроме того, репера невозможно заложить в дно водоема, образовавшегося над выработанным пространством, например в карьере. Следует также отметить, что полученная информация не дает полного представления о процессах, происходящих в породном массиве.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения сдвижений и деформаций массива горных пород, заключающийся в использовании для производства наблюдений глубинных реперов, закладываемых в вертикальные скважины, пробуренные с земной поверхности или из горных выработок. Наблюдения заключаются в систематическом измерении расстояний от отсчетного устройства до глубинных реперов в скважине, по средним значениям отсчетов вычисляют отметку каждого репера. По результатам измерений вычисляют сдвижения и деформации горных пород в толще и составляют графики смещений реперов в вертикальной плоскости [3].

Однако этот способ не применим в условиях разработки месторождений под водоносными горизонтами, затопленными выработками и т.п., поскольку существует опасность затопления рудника, т.к. вертикальные скважины могут явиться каналами поступления воды в рудник. Этот способ не дает также информации о развитии горизонтальных деформаций и образовании секущих трещин, характеризующих устойчивость и водонепроницаемость массива горных пород над выработанным пространством.

Целью изобретения является получение оперативной информации об изменении геомеханического состояния горного массива над выработанным пространством, на основании которой при необходимости принимают профилактические и защитные меры, а также корректируют параметры разработки.

Указанная цель достигается тем, что в условиях подземного, комбинированного или другого способа разработки полезных ископаемых, когда подземные горные работы ведутся под защитой предохранительного целика, устанавливают характер расслоения пород, определяют его устойчивость и водонепроницаемость путем производства измерений в наблюдательной скважине, пробуренной горизонтально в нижней части целика, и определения по формулам значений максимальных горизонтальных деформаций и размеров трещин.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны параметры разработки полезного ископаемого комбинированным (открыто-подземным) способом; на фиг.2 изображена схема деформирования подкарьерного слоя; на фиг.3 приведен пример определения местоположения скважины в плане по деформациям слоя, изображенным в виде изолиний; на фиг.4 показана наблюдательная станция в горизонтальной скважине, на фиг.5 - конструктивные элементы наблюдательной станции.

На чертежах показаны карьер 1, ожидаемые оседания подкарьерного слоя 2, подкарьерный слой 3, полезное ископаемое 4, зона сквозных трещин 5, выработанное пространство 6, трещины 7, зона максимальных деформаций пород 8, горизонтальная наблюдательная скважина 9, датчик 10, марка-репер 11, обсадная труба 12, соединительная муфта 13, горная выработка 14, измерительная система наблюдательной станции 15, целик 16.

Сущность изобретения заключается в следующем.

На основании геологических и технологических данных, полученных из технического проекта, прогнозируют местоположение ожидаемого максимального прогиба слоев горных пород над выработанным пространством по углу максимального оседания Θ, который образовывается со стороны падения слоев горизонтальной линией и линией, соединяющей середину выработки с точкой максимального оседания (фиг.1), и определяют величину этого прогиба по формуле:

где q₀ - коэффициент, характеризующий степень уменьшения оседаний с удалением от действующих горных работ, колеблется в пределах от 0,6 до 0,9 (чем породы прочнее, тем q₀ меньше);

m - мощность разрабатываемого слоя залежи; при управлении горным давлением способом закладки выработанного пространства учитывают и ее компрессионные свойства;

n₁ и n₂ - коэффициенты подработанности, определяемые из выражений n₁=0,8Д₁/М и n₂=0,8Д₂/M, где Д₁ и Д₂ – размеры добычной выработки соответственно в поперечном и продольном направлениях;

М - расстояние от горных выработок до рассматриваемого слоя.

Для наблюдений используют пробуренную в предполагаемую зону 8 максимальных деформаций пород целика 16 горизонтальную скважину (фиг.3), в которую закладывают несколько марок-реперов 11 из магнитоактивного материала (фиг.5). Пробуренную наблюдательную скважину 9 обсаживают гибкими трубами 12 из немагнитоактивного материала, которые при нарастании деформаций - плавно изгибаются согласно деформации целика 16. Установлено, что для проведения подобных наблюдений с высокой чувствительностью к микродеформациям в исследуемом предохранительном целике следует использовать для обсадки наблюдательной скважины пластичные полиэтиленовые или полихлорвиниловые трубы, с внешней стороны которых располагают марки-репера 11, в виде металлических обрезков труб. Местоположение этих марок определяют с помощью перемещаемого по скважине датчика 10, который пропускают по ставу труб, и по сигналам, поступающим на измерительную систему наблюдательной станции 15, фиксируют по две точки в одном направлении движения, соответствующие границам зон размыкания и замыкания контакта датчика 10 при нахождении его в зоне влияния марки-репера 11 (фиг.4). Расстояние до каждой из таких точек от условной точки в горной выработке, положение которой остается неизменным на протяжении всех наблюдений, измеряется с помощью мерной ленты измерительной системы наблюдательной станции 15. По данным измерений горизонтальных деформаций пород целика строят эпюры.

Для получения данных о пространственной ориентировке (или ориентировке в вертикальной плоскости) и интенсивности искривления пород целика 16 в процессе влияния на него горных работ производят измерения прогиба трубы 9. Для наблюдений используют ту же скважину. В общем виде искривление наблюдательной скважины в некотором ее интервале определяется радиусом кривизны в плоскости искривления и расположением в пространстве плоскости искривления. При искривлении наблюдательной скважины 9, заложенной в деформирующемся целике 16, определяют направление векторов смещения скважины; величину, местоположение зоны искривления скважины и абсолютное значение кривизны в плоскости искривления, которые характеризуют соответственно места возникновения максимальных горизонтальных деформаций горных пород 8 в предохранительном целике 16 и их величину, определяемую по формуле:

где ε_max - максимальная горизонтальная деформация на поверхности слоя;

L - длина изгибающейся части слоя.

Далее, сопоставляя значения ε_max, полученные инструментально и математически, вычисляют среднее значение ε_max (фиг.2) и определяют размер трещины из выражения:

где ε_кр - величина деформации растяжения, при которой происходит разрыв сплошности горных пород (колеблется от 0,003 до 0,008, чем породы пластичнее, тем ε_кр больше);

h - мощность изгибающегося слоя.

На основании полученных величин производят оценку геомеханического состояния массива горных пород над выработанным пространством, определяют изменение устойчивости и водонепроницаемости горных пород под влиянием на них горных работ и по условию устанавливают высоту М_кр зоны сквозных трещин 5, которые разбивают массив на крупные блоки, снижающие его устойчивость, и образуют систему сквозных водо- и газопроводящих каналов с малым гидро- и аэродинамическим сопротивлением, не оказывающим влияния на прохождение по каналам растворов и газов. И в зависимости от полученных результатов производят при необходимости корректировку параметров разработки полезного ископаемого.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Орлов Г.В., Иофис М.А. Сдвижение горных пород и земной поверхности под влиянием подземной разработки. М., МГИ, 1990.

2. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. Л., ВНИМИ, 1971.

3. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми сооружениями на угольных и сланцевых месторождениях. М., Недра, 1989, с.69-89 (прототип).

Формула изобретения

Способ определения деформационных нарушений горного массива над выработанным пространством, заключающийся в бурении скважин, установки в них марок-реперов из магнитоактивного материала, обсаживании трубами из немагнитоактивного материала, пропускании по ним измерительного прибора, производстве измерений и получении данных о сдвижениях и деформациях горных пород, отличающийся тем, что прогнозируют местоположение ожидаемого максимального прогиба слоев горных пород над выработанным пространством и величину этого прогиба по формуле

где q₀ - коэффициент, характеризующий степень уменьшения оседании с удалением от действующих горных работ, который колеблется в пределах от 0,6 до 0,9, чем породы прочнее, тем q₀ меньше;

m - мощность разрабатываемого слоя залежи;

n₁ и n₂ - коэффициенты подработанности, определяемые из выражений

n₁=0,8Д₁/М;

n₂=0,8Д₂/M,

где Д₁ и Д₂ - размеры добычной выработки соответственно в поперечном и продольном направлениях;

М - расстояние от горных выработок до рассматриваемого слоя,

далее бурят в предполагаемую зону наибольшего деформирования пород горизонтальную скважину с одновременной установкой марок-реперов, при обсаживании скважины используют гибкие трубы из немагнитоактивного материала, производят измерения расстояний между марками-реперами и строят эпюры горизонтальных деформаций массива, измеряют прогиб обсадных труб, по величине которого определяют значения максимальных горизонтальных деформаций слоев горных пород по формуле

где ε_max - максимальная горизонтальная деформация на поверхности слоя;

L - длина изгибающейся части слоя,

сопоставляют значения ε_max, полученные инструментально и математически, вычисляют среднее значение максимальных горизонтальных деформаций слоев горных пород ε_{max, ср} и вычисляют размер трещины из выражения

где ε_кр - величина деформации растяжения, при которой происходит разрыв сплошности горных пород, которая колеблется от 0,003 до 0,008, чем породы пластичнее, тем ε_кр больше;

h - мощность изгибающегося слоя,

определяют местоположение трещин, производят оценку устойчивости и водонепроницаемости горных пород над выработанным пространством и по формуле

устанавливают высоту зоны сквозных трещин М_кр и корректируют параметры разработки.

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