УДК 550.8.08
Разработка методики экспресс-оценки состояния кровли подготовительных горных выработок закрепленных анкерной крепью с использованием георадиолокации
, , *, **
*- Филиал КузГТУ в г. Прокопьевске, Россия
** - Шахтоуправление «Талдинское –Западное» -Кузбасс»
Для обеспечения высокопроизводительной и безопасной работы современных горных предприятий необходимо иметь достоверную информацию о состоянии горных выработок. Прогноз состояния и поведения пород кровли выработок продолжает оставаться весьма актуальной задачей. Для оценки состояния кровли имеется несколько способов, такие как визуальный и измерительный контроль, ультразвуковой каротаж, и т. д.
Смещение пород в горные выработки приводит к раскрытию трещин. Наличие и развитие трещин приводит к разрушению приконтурного массива пород с вывалообразованием в лавах и выходом из строя подготовительных выработок. Установление закономерностей трещинообразования в приконтурном массиве пород необходимо для обоснования технических и технологических решений, обеспечивающих устойчивость горных выработок, безопасную и стабильную работу шахт [2].
Практика поддержания выемочных выработок на шахтах показывает, что часто фиксируются случаи, когда уже вне зоны влияния очистных работ в одном и том же штреке, при практически постоянном литологическом составе и мощности пород непосредственной кровли, смещения пород кровли и фактическое натяжение анкерной крепи в 2-10 раз отличаются от значений, рассчитанных по нормативным документам [1]. В зоне влияния очистных работ разница в расчетных и фактических смещениях и нагрузках на крепи, и охранные конструкции составляет от 2 до 4 раз.
В результате в довольно значительных зонах, протяженность которых составляет от 1-2 % и до нескольких десятков процентов от общей протяженности штреков, происходит разрушение анкерной сталеполимерной крепи, крепи усиления и охранных конструкций, а в отдельных случаях завалы выработок [2, 3, 4].
Визуальный контроль позволяет оценивать сам факт смещения, но не позволяет определить величину, размеры и глубину распространения трещины; скважины позволяют оценить кровлю только через определенные интервалы. В связи с этим не всегда возможно обнаружить участки выработки, склонные к трещинообразованию и обрушению.
Использование видеоэндоскопа решает данную проблему только частично – видя величину и размеры трещин в пределах данного шпура нет информации о направлении распространения трещин (см. рис. 1).
Рис. 1. Обследование шпура видеоэндоскопом
Метод геосканирования позволяет просветить поверхность кровли, бортов, почвы выработки на всем ее протяжении. Другим достоинством метода является его оперативность. На обследование 1000 м. выработки требуется не более двух часов замеров и шести часов обработки.
Георадарное обследование или георадиолокация - это методика неразрушающего обследования, заключающаяся в анализе импульсов, отраженных от границ сред с различными электрофизическими характеристиками (с различной диэлектрической проницаемостью - ε) [5].
Принцип действия георадара основан на излучении сверхширокополосных наносекундных импульсов, приеме сигналов, отраженных от границ раздела сред, стробоскопической обработке принятых сигналов и последующим измерением временных интервалов между отраженными импульсами.
Отражения вызываются наличием границ между веществами в грунте с разными электрическими свойствами. Такими границами являются границы пластов угля и различных пород, изменения влагонасыщенности пород, различные трещины и пустоты, различные искусственные объекты (трубы, кабели, элементы крепи и др.). Глубина проникновения радиоволн зависит от электрической проводимости и диэлектрической проницаемости грунтов на каждом отдельном участке.
Исследования по оценки состояния пород в кровле подземных выработок с помощью георадара ОКО-2 с антенным блоком АБ-400 проводились в подготовительных выработках Лавы 6710 шахты «Талдинская-Западная 1».
Непосредственная кровля пласта 67, на котором проводился мониторинг, представленная трещиноватыми разнозернистыми алевролитами мощностью от 1 до 6 м, с крепостью f=3 -5 и прочностью на сжатие σсж =30 -49 МПа, классифицируется как неустойчивая 3 типа. Обрушается при обнажении длиной более 5 метров. Обнажение за исполнительным органом комбайна длиной от 5 до 20 м сохраняют устойчивость 5 -30 минут.
Основная кровля пласта представлена трещиноватыми слабослоистыми разнозернистыми песчаниками с преимущественно глинистым цементом, средней крепости с f= 6 и σсж=63 МПа. Иногда основная кровля состоит из двух частей с десятиметровым слоем крупнозернистого алевролита в верхней части, с f=4 -5 и σсж =49 МПа. Мощность основной кровли изменяется в пределах от 13 до 23 метров.
Предлагается следующая методика проведения георадарного обследования кровли горных выработок:
1. На выкопировке с плана исследуемого участка выработки с учётом её размеров и геологии горного массива определяются количество и направления трасс перемещения георадара.
2. На месте производства работ непосредственно на блоке выполняются следующие подготовительные работы:
- выставляются вешки обозначающие начало и конец намеченных трасс;
- фиксируются координаты выставленных вешек;
-монтируется антенный блок, выполняются необходимые подключения датчика перемещения, излучателя, антенны и блока управления в одну цепь;
- выполняются аппаратные настройки.
3. Антенный блок АБ-400 крепится при помощи ручки-штанги и регулируется ее длина для удобства поддержания блока при проведении обследования кровли (см. рис. 2).
4. Предварительно устанавливаются следующие параметры:
- накопление сигнала – 16,
- усиление – 56,
- диэлектрическая проницаемость ε=6 (для алевролитов и аргиллитов).
5. Обследование проводят два человека под надзором специалиста службы ВТБ шахты.
6. Первый оператор перемещает антенный блок, второй оператор снимет показания и делает соответствующие пометки, используя блок управления и обработки (БУО).
7. При проведении сканирования антенный блок прижимается по возможности ближе к кровле выработки, но при этом, не соприкасаясь с поперечными подхватами анкерного крепления.
8. Оператор запускает запись сканирования клавишей F1 и перемещается вдоль выработки со скоростью 3 – 4 км/ч ведя антенный блок между рядами анкеров.
Рис. 2. Оператор георадарного комплекса «ОКО-2» в подземных выработках
9. При наличии кабелей, металлических труб или других металлоконструкций (отличных от подхватов - штрипс) ставится метка на профиле нажатием кнопки F1.
10. После прохода намеченного профиля запись останавливается клавишей F2.
Для удобства интерпретации данных при камеральных работах профили геосканирования проходились по 20 метров между пикетами, начиная от лавы.
На рис. 3. показана радарограмма с явно выраженным отслоением пачки пород совпадающее с результатами визуального осмотра. Визуально наблюдалась деформация податливых элементов шайб анкеров и выпучивание решетчатой затяжки.
Рис. 3. Радарограмма кровли с явно выраженным отслоением пачки пород на высоте около 0,7 – 1,0 м
Необходимо отметить, что георадарное обследование следует дополнять другими видами обследований на первоначальном этапе, так как возможно присутствие помех влияющих на интерпретацию показаний георадара. Кроме этого, использование георадара на обводненных (переувлажненных) участках не показывает картину глубже водоносного слоя. Однако выделение переувлажненных участков (не всегда определяемых визуально) можно отнести к достоинствам метода.
Таким образом, проведение георадарных обследований в качестве экспресс-оценки состояния кровли выработки повышает безопасность ведения горных работ, в части определения зон склонных к обрушению. Затраты на обследования несравнимы с затратами на ремонт техники и оборудования, не говоря уже о безопасности персонала.
Список литературы:
1.Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах» [Электронный ресурс] http://www. garant. ru/products/ipo/prime/doc/70497944. Гарант. Информационно правовой портал – Режим доступа свободный. – Загл. c экрана. – Яз. рус.
2., , Мартыненко устойчивости трещиноватых породных массивов в окрестности подземных горных выработок. - Новочеркасск.: ЮРГТУ. - 2007. - 300 с.
3., Беликов сопротивления анкерной крепи на смещения пород кровли с различным количеством слабых контактов в подготовительных выработках вне зоны влияния очистных работ. // Горный информационно-аналитический бюллетень. Сб. науч. тр./ МГГУ, 2008. №12 – С. 340-346.
4., Бурчаков горным давлением в подготовительных выработках глубоких шахт. - М.: Недра, 1984. – 304 с.
5.Введение в георадиолокацию. Учебное пособие, , Изд-во МГУ, 2005.
