Контроль состояния массива и параметров ведения горных работ

6.1 Получение информации о горных породах

Получение информации об изменениях состава и состояния мас­сива горных пород в различных технологических процессахихдобычи и переработки является одной из важнейших задач со­временного горного производства.

Система контроля и управления технологическим процессом включает многие этапы, среди которых исходным является фик­сация величины контролируемого переменного параметра.

В физике горных пород рассматриваются процессы получе­ния информации только о горных породах. Это осуществляется разнообразными датчиками, основанными на физических свой­ствах пород и закономерностях их изменения под воздействием внешних полей, механизмов, технологических процессов.

Иногда в породу закладывается определенный искусствен­ный элемент, на который воздействует порода и изменения ко­торого затем передаются регистрирующему прибору.

Информация от породы может поступать также через дат­чик к регистрирующему прибору непосредственно, при этом ин­форматором служит сама горная порода.

Сигнал, поступающий на регистрирующий прибор, может быть либо следствием естественных процессов в горной породе – измерения называют пассивными, либо ее ответом на воздействие внешнего измерительного поля – измерения называют активными.

Технологические методы контроля подразделяют на сле­дующие группы:

1 - методы контроля напряженного состояния, устойчивости и нарушенности массивов пород и горных выработок в процессе ведения горных работ;

2 - методы получения своевременной информации об опасных участках в массивах пород, способных нарушить режим работы предприятия или понизить качество полезного ископаемого (включениях крепких пород, сильно разрушенных зо­нах, плывунах, водонаполненных полостях и т. д.);

3 - методы прогноза опасных динамических явлений в массивах горных пород – внезапных выбросов угля и газа, горных уда­ров, обрушений и вывалов;

4 - методы определения и контроля качества полезных ископае­мых (содержания полезных компонентов, содержания вредных примесей, например золы и серы в углях, влажности, других ка­чественных характеристик, по которым существуют определен­ные требования);

5 - методы контроля эффективности различных технологических процессов – режимов работы породоразрушающих механизмов с целью согласования их со свойствами пород, направления дви­жения угольных комбайнов по пласту и др.

6.2 КОНТРОЛЬ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ, УСТОЙЧИВОСТИ И НАРУШЕННОСТИ МАССИВОВ И ВЫРАБОТОК

В результате наблюдений за напряженным состоянием пород устанавливают:

- величину напряжений в породах, окружающих выработку, в целиках и крепи;

- изменения напряжений во времени и пространстве;

- величину деформации выработок, целиков и крепи;

- степень нарушенности несущих конструкций и массивови ееизменения во времени.

Эти данные позволяют прогнозировать опасное состояниенаотдельных участках шахты или карьера и, следовательно, за­благовременно принять меры по предотвращению или локали­зации обрушений.

Наблюдения за откосами и бортами карьеров и отвалов осу­ществляют преимущественно маркшейдерской съемкой – ме­тодом реперов. Для этого по наиболее опасным направле­ниям и массиве пород забивают реперы, относительное сдвижение которых в плане и по высоте регулярно контролируют при помощи теодолита и нивелира. На основании измерений полу­чают информацию о скорости и направлении смещения отдель­ных участков массива и устанавливают необходимые профилак­тические мероприятия.

Метод реперов применим лишь при условии начавшейся де­формации массива. Часто же необходимо заранее определить степень его устойчивости, для чего используют различные физи­ческие методы.

Весьма существенным фактором, обусловливающим устой­чивость горных массивов, является степень их трещиноватости и нарушенности. Для количественной оценки этого параметра можно воспользоваться скоростью прохождения уп­ругих волн v, так как она зависит от трещиноватости пород. Как известно, отношение скоростей распространения упругих коле­баний в нарушенном массиве и монолите может служить ха­рактеристикой нарушенности массива A_i.

Оценить нарушенность массива можно также по от­ношению скоростей распространения продольных и поперечных волн V_p/V_s. Как известно, большие значения V_p/V_s соответствуют более нарушенным породам. Непосредственно с нарушенностью пород связан также коэффициент поглощения упругих колеба­ний Θ, характеризующий состояние массива.

Степень нарушенности массива и его напряженное состояние определяют также по измерениям его электрической про­водимости. Последняя, так же как и скорость распростране­ния упругих волн, зависит от напряженного состояния пород. Поэтому, заранее установив подобную закономерность для по­род определенного месторождения и введя поправки на влаж­ность и возможную нарушенность массива, можно непосред­ственно по величинам v или σ_э определить величину напряже­ний в бортах карьера.

В подземных условиях наиболее распространенный механи­ческий метод оценки напряжений – это метод разгрузки, основанный на способности элемента массива упруго восстанав­ливать первоначальную форму после его отделения от основ­ного нагруженного массива. Этот метод применяют в различ­ных вариантах, однимиз них является метод торцовых измере­ний (схема ВНИМИ).

В изучаемом массиве на требуемую глубину пробуривают скважину (рис. 6.1). Забой скважины выравнивают и на него наклеивают тензодатчикии— электрические, фотоупругие или муаровые. Затем буровой коронкой создают разгрузочную щель и получают керн, т. е. отделяют элемент с датчиками от осталь­ного массива. Очевидно, если этот элемент до отделения испытывал напряжения σ, действующие в массиве, то после отделе­ния он должен расшириться на величину относительной дефор­мации ε, регистрируемую тензодатчиком и зависящую от σ и уп­ругих свойств породы.

Таким образом, зная упругие свойства породы, можно вы­числить напряжения в породе.

Для того чтобы учесть как вертикальные, так и горизонталь­ные напряжения, на забой скважины наклеивают в строго ори­ентированном положении от двух до четырех датчиков.

Рис. 6.1. Схема измерения на­пряжений методом полной раз­грузки

в глубине горного массива:

1 — разгрузочная щель; 2 — керн; 3 — тензодатчики

Если два датчика расположены друг относительно друга под углом 90° и строго ориентированы по направлению главных нор­мальных напряжений, то, замерив по ним ε_x и ε_z, можно рас­считать напряжения:

нормальное вертикальное

; (6.1)

нормальное горизонтальное

; (6.2)

касательное максимальное

. (6.3)

Напряжения в массиве можно исследовать также замером деформации скважин при помощи деформометров.

Деформометры, применяемые для замера изменений диа­метра скважин, бывают механические, на базе тензодатчиков электрического сопротивления, индукционные, емкостные и др.

Деформометрами можно измерять не только изменение диа­метра скважин, но и величину отслоения кровли, изменения по­перечных размеров целиков, а также контролировать процесс пучения пород почвы или стенок подземных выработок. Для перечисленных целей удобны емкостные и индукционные дат­чики, так как они могут быть включены в схему радиопередат­чика. Это позволяет передавать информацию о состоянии кон­тролируемого участка на приемный пульт посредством радио­сигналов. Таким образом можно создать целую систему контроля за устойчивостью выработок горного предприятия.

Используются также методы, основанные на покрытии сте­нок выработок оптически активными материалами, муаровыми сетками и др.

Поляризационно-оптичeский метод основан на способности большинства прозрачных изотропных материалов (стекло, эпоксидная смола и т. д.) под воздействием напряжений приобретать свойства двойного лучепреломления. Величина двойного лучепреломления зависит от напряжений и может быть измерена оптическим методом.

Метод муаровых сеток основан на принципе механи­ческой интерференции, возникающей при наложении двух сеток одна на другую.

Использование закономерностей распространения упругих ко­лебаний. Существуют пассивный и активный методы исследова­ния упругих колебаний, применяемые с целью определения устойчивости и напряжений в массивах.

Пассивный метод основан на наблюдениях за естественными упругими импуль­сами, возникающими в массиве горных пород при изменении его напряженного состояния. Рост напряжений в породе сопровож­дается раскрытием в ней микротрещин, вызывающим эффект потрескивания массива (акустическая эмиссия).

Определив при помощи специального прибора — геофона ча­стоту возникновения звуковых импульсов, можно оценить напря­женное состояние массива. Так, выявлено, что в шахтах Криво­рожского бассейна 30-40 звуковых импульсов в минуту характеризуют возможность возникновения местных вывалов породы, а более 40 — неустойчивое состояние, предшествующее обрушению пород на изучаемом участке.

Сейсмоакустический метод широко применяется на шахтах Донбасса. В Карагандинском бассейне проф. Ю. А. Векслером испытан метод частотного анализа акустической эмиссии пласта после механического воздействия на забой, что дает дополни­тельную информацию о состоянии массива.

Активные акустические методы основаны на за­висимости скорости и коэффициента поглощения упругих волн как от напряженного состояния пород, так и от степени их трещиноватости.

Электрические и магнитные методы. Как изве­стно, с повышением давления электрическая проводимость по­род, замеренная по направлению действия давления, чаще всего возрастает. Одновременно она уменьшается с увеличением степени трещиноватости сухих пород. При одноосных напряже­ниях в целике наибольшая сеть трещин возникает в вертикаль­ном или близком к вертикальному направлении. Поэтому, за­мерив электрическую проводимость П_эв по высоте целика и электрическую проводимость П_эш по его ширине, можно уста­новить отношение П_эв / П_эш, которое характеризует степень устойчивости данного целика. Увеличение П_эв / П_эш во времени будет указывать на снижение устойчивости целика.

Явление увеличения электрического сопротивления сухих по­род с их растрескиванием использовано в разработанной в МГИ системе контроля нарушенности и заколообразования в кровле подземных горных выработок и очистных камер на рудниках цветной металлургии. Электроды-датчики разме­щают равномерно по контролируемой площади. Через опреде­ленные промежутки времени производят измерение электриче­ского сопротивления между каждой парой электродов по всей площади кровли камеры (рис. 6.2). По полученным данным строятся изообласти сопротивления. Увеличенные в определенных участках значения сопротивления, их рост со временем и перемещение дают информацию о наличии, развитии и перемещении зон, склонных к обрушению.

Изменение диэлектрической проницаемости мас­сивов пород с повышением давления также можно использовать для создания датчика напряженного состояния пород. Так, уста­новлено, что диэлектрическая проницаемость каменных углей Кузбасса при нагружении до 11 МПа возрастает для разных углей по-разному — от 1,15 до 6 раз.

Рис. 6.2. Схема электрометриче­ской системы обнаружения мест заколообразования:

а — общая схема измерений; 1 — элек­троды; 2 — провода; 3 — разъемы;

4 — переключатель; 5 — омметр; 6 — цифропечатающая машинка;

б — схема прохождения токов при измерении со­противления попарно между электро­дами;

в — построение по результатам измерений карты изоом площадикровли.

Заштрихован наиболее опасный по вывалу участок

Поскольку распространение и поглощение электромагнитных волн в породах зависят от их электрических свойств, а послед­ние с изменением давления изменяются, на этой основе можно осуществить радиоволновый метод контроля напряжений в по­родах.

Для бесконтактного измерения малых деформаций горных пород при проявлении горного давления в МГГА предложены оптические квантовые генераторы (лазеры).

Радиометрические методы. На зависимости погло­щения гамма-излучения от плотности пород основан радиомет­рический метод измерения напряжений. С увеличением давле­ния число гамма импульсов, прошедших поперек направления давления через некоторый объем горной породы, заметно уменьшается. Радиометрический метод используют для конт­роля за пучащими породами, так как пучение пород всегда со­провождается их разрыхлением и, следовательно, снижением плотности.

Интенсивность естественного гамма-излучения пород также зави­сит от их напряженного состояния. Так, радиоактивность плагиогранита под нагрузкой сначала уменьшается (до значений нагрузок 70-90% от разрушающих), затем (перед разруше­нием) резко возрастает.

Измерения радиоактивности пород в шахте также показали, что в зоне опорного давления (примерно 0,9-1,2 м от забоя) интенсивность гамма-излучения уменьшается примерно на 40 %.

6.3 ОБНАРУЖЕНИЕ ВКЛЮЧЕНИЙ И ОПАСНЫХ ЗОН В МАССИВЕ ПОРОД

Нарушение режима работы горного предприятия может про­изойти не только в связи с проявлением горного давления,нои при встрече добычных машин с неожиданными препятст­виями — крупными включениями крепких пород, карстами, за­полненными водой, сильно разрушенными зонами, плывунами и т. д. В связи с этим, необходимо осуществлять непрерывный контроль за строением и составом разрабатываемого массива пород перед забоем на расстояние 5-20 м.

Для технологической разведки (интроскопии) можно исполь­зовать практически все ранее описанные локальные методы изучения строения и состава массивов пород. Однако небольшая глубина разработки и объекты контроля обусловливают особен­ности применения этих методов в горном производстве.

Так, при геофизической разведке ультразвук не находит при­менения из-за малых баз возможного прозвучивания (до не­скольких метров). В то же время в горной практике на прин­ципе отражения упругих колебаний разработан ультразвуковой датчик, позволяющий обнаруживать твердые доломито-углистые включения в каменном угле впереди работающего роторного экскаватора и различные инородные геологические тела при подземной разработке (рис. 6.3).

Так как две породы могут иметь одинаковые значения одних параметров и различные значения других, выбор того или иного способа интроскопии в конкретном случае зависит от возмож­ности обнаружить границу контакта разных тел данным спо­собом.

а б

Рис. 6.3. Обнаружение инородного включения в массиве пород

методами отражения (а) и просвечивания (б):

1 – излучатель; 2 – приемник; 3 – осциллограф; 4 – включение; 5 – область "тени"

Акустическими методами можно обнаруживать кон­такты двух пород, если их удельные волновые сопротивления различны. Так, изменение скорости распространения упругих колебаний при замерзании влажных пород используется для определения мощности мерзлых слоев. Акустическим методом можно выявлять трещиноватые зоны в скальных породах, за­полненные льдом.

Метод электрометрии может быть использован для прогноза водоносных зон на угольных шахтах, так как удель­ное электрическое сопротивление увлажненной зоны значи­тельно меньше сопротивления вмещающей среды. Этот метод используется на шахтах Подмосковного угольного бассейна.

Изменения магнитной проницаемости руд с изме­нением температуры используются в методах обнаружения уча­стков массива с повышенной температурой.

С целью выявления тепловых аномалий проводят также геотермические наблюдения через опережающие шпуры. Интерпретация этих аномалий позволяет судить о том, что мо­жет встретиться на пути проведения выработки: подземные воды, скопление газов, рудные включения и т. д.

6.4 ПРОГНОЗ ОПАСНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЯ

В МАССИВАХ ГОРНЫХ ПОРОД

Прогноз областей потенциальной удароопасности. Так как причиной горных ударов служит комплекс различных факторов — физические свойства пород, повышенные напряжения, состояние массивов, — прогноз горных ударов тем более надежен, чем больше учтено факторов, обусловливающих удароопасность.

При одном и том же напряженном состоянии различные по­роды имеют разную склонность к проявлению горных ударов.

Прогноз областей потенциальной выбросоопасности. При выбросе угля и газа существенную роль играют кроме вышепере­численных характеристик пород также давление га­за, величина газоотдачи в угольных пластах и т. д.

По методике ИГД им. А. А. Скочинского выбросоопасность угольного пласта оценивается кре­постью, характеристика­ми нарушенности, неод­нородности, показателя­ми структуры пласта и т. д.

Исследования МГГА показали, что выбросоопасность уголь­ных пластов в значительной степени обусловлена крепостью, микротрещиноватостью и микрохрупкостью углей. Наряду с этим создаются методы непосредственного конт­роля за состоянием горных пород и фиксацией в массивах ха­рактерных признаков, предшествующих внезапному выбросу угля и газа.

Так, в Донбассе используется пассивный акустический ме­тод, фиксирующий шумность угольных пластов. При этом ус­тановлено, что критерием выбросоопасных зон можно считать более чем двукратное превышение интенсивности потрескива­ний над средним уровнем.

На базе исследований, проведенных Карагандинским поли­техническим институтом (Ю. А. Векслер), разработан сейсмо-акустический метод контроля выбросоопасности в комбайновых забоях подготовительных выработок. Этот метод заключается в регистрации и частотном анализе акустической эмиссии пласта после механического воздействия комбайна на забой.

Наступление выбросоопасного состояния характеризуется сдвигом частотного диапазона акустической эмиссии пласта в область более низких частот — ниже 100 Гц. Ус­тановлено также, что сама интенсивность потрескиваний не яв­ляется определяющим фактором для условий Карагандинского бассейна.

6.5 КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО

Кон­кретное содержание понятия «качество полезного ископаемого» от вида полезного ископаемого и технологии дальнейшей обработки и переработки. На каж­дой стадии последовательной цепочки горно-производственных операций существуют свои частные требования к качеству про­дукта, обусловленные особенностями последующей опера­ции.

Под качеством подразумевают либо в отдельности, либо в том или ином наборе или во всей совокупности такие поня­тия, как крупность, гранулометрический состав, прочность от­дельных кусков горной массы, способность не разрушаться и не образовывать пыли в условиях высоких температур, опре­деленное процентное содержание (не ниже) полезного компо­нента, определенное процентное содержание (не выше) для данного вида сырья вредных компонентов, определенная допус­тимая влажность и т. д.

Широким диапазоном качественных характеристик должны удовлетворять, например, строительные полезные ископаемые и ископаемые угли.

Параметры качества ископаемых углей. Качество углей как объекта технологического использования оценивается следую­щими параметрами:

теплота сгорания — количество теплоты, выделяемое при полном сгорании 1 кг угля, характеризует угли как энергети­ческое топливо;

зольность А^с — относительное массовое содержание несго­рающего остатка, образующегося из минеральных примесей в угле при полном его сгорании. В каменных и бурых углях зольность может достигать 45 %, в горючих сланцах — 50-80 %. Зола уменьшает теплоту сгорания, загрязняет поверхность нагрева и вследствие этого снижает интенсивность теплообмена, вызывает износ нагревательных устройств, за­грязняет атмосферу;

термохимическая стойкость — свойство углей сопротивляться химическому разложению при нагревании; термохимическая стойкость возрастает с увеличением степени углефикации углей;

спекаемость — свойство углей размягчаться при нагревании без допуска воздуха, переходить в пластическое состояние в ин­тервале температур 350-450 °С и образовывать твердый спек­шийся кусок. Спекаемость углей определяют при коксовании их в тигле в виде навески тонкоизмельченного порошка.

Тол­щина образовавшегося пластического слоя y (мм) служит по­казателем спекаемости. Дополнительно к этому полученный спекшийся образец подвергают раздавливанию. Величина тре­буемого для раздавливания усилия также характеризует сте­пень спекаемости угля;

коксуемость — свойство углей образовывать при нагревании кокс. Коксуемость определяют методом лабораторного коксо­вания углей в специальной установке с одновременной фикса­цией различных происходящих при этом эффектов — изменения объема угля, разности температур размягчения и затвердева­ния углей, изменения температуры по высоте загрузки и др.;

выход летучих веществ V^Г — количество выделяющихся га­зов при нагреве углей без доступа воздуха, выраженное объе­мом газов на единицу массы угля или относительным массо­вым количеством летучих веществ в процентах.

За основные показатели при промышленной классификации углей и антрацитов принимают:

- для каменных углей — выход летучих веществ V^Г и спекаемость, выраженную толщиной плас­тического слоя y или характеристикой нелетучего остатка;

- для бурых углей — содержание влаги в рабочем топлиие w^p;

- для антрацитов — выход летучих веществ и теплоту сгора­ния Q ^Г_б.

Антрациты характеризуют

объемным выходом летучих веществ менее 0,22 м³/кг (9 %) и теплотой сгорания Q ^Г_б около 35 МДж/кг.

Каменные угли подразделяют на десять технологиче­ских марок:

1- тощие (Т) — выход летучих веществ V^Г = 9-17 %; нелетучий остаток порошкооб­разный, слипшийся, слабоспекшийся;

2 - слабоспекающиеся (СС) — V^Г = 11-32 %, нелетучий остаток слабоспекшийся;

3 - отощенно-спекающиеся (ОС) — V^Г = 15-28 %; остаток спек­шийся;

4 - коксовые вторые (К2) — V^Г == 17-21 %, тол­щина пластического слоя y = 6-11 мм;

5 - коксовые (К) — V^Г = 24-33 %; y = 12-18 мм;

6 - коксовые жирные (КЖ) — V^Г == 18-33 %; y =19-25мм;

7 - жирные (Ж) — V^Г = 27-35 %; у =8-20мм;

8 - газовые жирные (ГК) — V^Г = 30-37 %; у = 6-15мм;

9 - газовые (Г) — V^Г = 35-43 %; у =6-15 мм;

10 - длнннопламенные (Д) — V^Г ≥ 37 %; нелетучий остаток по­рошкообразный слипшийся.

Бурые угли подразделяют па три технологические группы:

Б1—с влажностью w^p >40 %;

Б2 – с w^p = 30-40 %;

БЗ – с w^p < 30 %.

На долю каменных углей приходится 63,1 % общих запасов углей в стране.

По бассейнам угли характеризуются следующими показа­телями качества.

Угли Карагандинского бассейна относятся к маркам Ж, КЖ, К2, зольность их средняя и высокая (7—37 %), содержа­ние серы 0,5-2,5 %, выход летучих 23-24 %, толщина пласти­ческого слоя 8-30 мм.

Печорский бассейн имеет запасы жирных углей для коксо­вания. Длиннопламенные и газовые угли составляют 40 % об­щих запасов. Зольность углей 12-25 %. Коксовые угли отли­чаются низким содержанием серы (0,56 %) и фосфора (0,004-0,02 %) и высокой спекаемостью.

Угли Кизеловского бассейна - газовые (слабоспекающиеся и жирные), высокозольные, с высоким содержанием серы.

Угли Подмосковного угольного бассейна бурые, высокозоль­ные (25-30 %), с высоким содержанием серы (2-6 %), высо­кой влажности. Теплота сгорания 11,3 МДж/кг.

Бурые угли Канско-Ачинского бассейна являются хорошим энергетическим топливом и сырьем для газификации. Зольность углей 8-16 %, влажность 30-45 %, теплота сгорания 11,7-16 МДЖ/кг. Большая часть всего добытого угля (73 %) исполь­зуется для энергетических целей, остальная – для коксования.

Угли и антрациты Донецкого бассейна имеют зольность 14-16 %.

Параметры качества строительных материалов (щебня, гра­вия и песка) определяются соответствующими государствен­ными стандартами (например, ГОСТ 8267—82, ГОСТ 8268— 82, ГОСТ 10260—74), в которых регламентируется средний раз­мер частиц, гранулометрический состав, форма частиц, проч­ность, морозостойкость, содержание пылевидных, глинистых, сернистых, органических примесей.

Щебень, гравий, песок могут использоваться либо непосред­ственно для строительных целей, либо как заполнитель для бе­тона.

По размеру зерен, например, гравий и щебень должны соот­ветствовать одной из четырех групп: 5—10 мм; 10—20 мм; 20— 40 мм; 40—70 мм; по гранулометрическому составу — содержа­ние зерен крупнее верхнего и мельче нижнего размера должно быть не более 5 %. Государственными стандартами регламенти­руется содержание в массе зерен пластинчатой и игловатой формы не более 30 %.

По прочности, определяемой параметром дробимости, ще­бень подразделяется на ряд марок. Например, марка щебня 1200 соответствует дробимости щебня в сухом состоянии 6 %, а марка 200 — дробимости от 29 до 35 %.

По морозостойкости щебень подразделяется на семь групп в зависимости от количества циклов замораживания-оттаивания, которые выдерживает порода (15, 25, 50, 100, 150, 200, 300).

Допустимое содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне должно составлять не более 1-3 % в зависимости от его марки.

Таким образом, оценка качества полезного ископаемого предполагает определение либо характеристик строения породы, либо физических или химических параметров, либо состава и влажности.