Неупругих деформаций вокруг выработок

Физические процессы

Лекция 8.

2 часа.

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 как 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).

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.

Рис. 8.2. Скважинная телевизионная установка.

1 - видеоконтрольное устройство; 2 - передающая камера.

Установка позволяет производить наблюдения в скважинах диаметром 100- 200 мм на глубине до 80 м (ограничивается только длиной кабеля и мощностью усилителя). Предусмотрена возможность в случае необходимости фотографировать изображения с экрана.

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.

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

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.

которых снабжена упругими элементами, внедряющимися в породу при натяжении проволоки или штанг.

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).

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; для массивов скальных пород известны лишь единичные попытки их использования.

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. При этом в последние годы наряду с измерением электрического сопротивления пород предложено проводить измерения силы тока, что существенно повышает информативность метода и надежность фиксации зон различного состояния (в частности, раскрытых трещин) в приконтурном массиве.

Применяется и принципиально другой подход, основанный 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.

Не вдаваясь в подробности применения этих методов, отметим только, что к настоящему времени накоплен и обобщен значительный экспериментальный материал по данным наблюдений сейсмоакустическими методами в различных горно-геологических условиях.

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.

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.