Патент на изобретение №2162149

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПОРОД ПРИ КРЕПЛЕНИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

(57) Реферат:

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.

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.

_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_ку 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

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 23.06.2003

Извещение опубликовано: 10.01.2005 БИ: 01/2005