РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРАМЕТРОВ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ КРУТЫХ ПЛАСТОВ
2.1. Методы и средства исследований проявления
горного давления
Исследования проявлений горного давления при подземной разработке пластов угля являются необходимым условием для принятия обоснованных решений по способам и средствам крепления горных выработок и управления кровлей. Научными учреждениями разработано большое количество методики приборов и аппаратуры для исследований, которые изложены в "Методических указаниях по исследованию горного давления на угольных и сланцевых шахтах" и справочниках [28, 133].
Из всего многообразия методик и аппаратуры, лишь некоторая их часть используется в шахтных экспериментах.
Ниже излагаются наиболее простые методики, которые хорошо апробированы автором при проведении шахтных экспериментов и позволяют получить требуемую информацию о напряженном состоянии горного массива и его свойствах.
Состав, структура и прочностные свойства вмещающих пород на экспериментальных участках изучаются по шахтной документации и уточнялись по исследованию керна, при бурении скважин в кровлю и почву пласта. Длина скважин принималась, равной 2-3 и 5-6 мощностям вынимаемого пласта. По керну уточняются состав и структура горных пород кровли и почвы пласта, а прочностные характеристики определяются экспресс методом с помощью полевого пробника БУ-39. В каждой литологической разности испытанию на прочность подвергаются не менее 3 образцов. При этом определяются предел прочности породы на растяжение в плоскости нормальной к напластованию и совпадающей с напластованием. Контактные поверхности оценивались по морфологическому составу, а сцепление по слоевым контактам определяются пробником БУ-39. Прочность пород в массиве определяется с учетом коэффициента структурного ослабления, согласно методике ВНИМИ.
На БУ - 39 (рис. 2.1) испытаниям подвергаются образцы размерами 30-50 мм произвольной формы, которые раскалываются при помощи шариковых инденторов в приборе. Хотя он относится к грубым методам измерений, за счет его простоты и мобильности логично выполнить большой объем испытаний горных пород и путем математической обработки результатов определить достаточные обоснованные значения показателей прочности на одноосное сжатие и растяжение.
Для экспресс определения механических свойств угля непосредственно в шахте существует методика ИГД им. А.А.Скочинского. Физическая основа метода заключается в оценке величины внедрения в угольный массив стального конуса, под действием пружинного механизма. Для этого используется прочностномер П-1, специально разработанный для данной методики. Прибор позволяет динамически внедрять в массив пуансон с постоянным усилием, равным 65-70 кгс. Пуансон выполнен в виде конуса со следующими параметрами: длина 100 мм, диаметр у основания 10 мм, радиус закругления на конце 2 мм. Пружина обеспечивает энергию удара 1,4 кгс?м. Для выполнения
замеров в месте измерений производится зачистка угля на глубину 5-10 см один от другого. Среднеарифметическое значение из пяти замеров принимается за прочность угля в месте измерений. При многопачечном строении пласта замеры выполняются по всем пачкам мощностью не менее 0,05 м. При обработке результатов измерений за показатель прочности принимается величина q: q=100-h,
где (h - глубина внедрения конуса, мм.)
Рис.2.1. Полевой пробник БУ - 39:
1 - несущая рама;
2 - направляющие штанги;
3 - механический деформометр;
4 - образец породы (угля);
5 - индикатор часового типа
Средняя приведенная прочность пластов, имеющих сложное строение, определяется как средневзвешенная величина прочности пачек, составляющих пласт, по формуле:
(2.1)
где qпл- приведенная прочность пласта;
q1, q2,..., qnmn- показатели прочности пачек;
m1, m2,...,mn- мощность пачек.
В результате комплексного изучения прочностных свойств углей в лабораторных и шахтных условиях при помощи прочностномера П-1 получены корреляционные зависимости для определения основных прочностных характеристик[95].
1. Предел прочности углей при растяжении.
?р= 0,006(q1-40), МПа.
2. Предел прочности на одноосное сжатие, МПа,
?сж=0,07(q2-20).
3. Предел прочности при сдвиге, МПа,
?р= 0,008q.
4. Коэффициент крепости проф. М.М.Протодьяконова
(2.2)
Рекомендуется при массовых замерах контролировать результаты измерений на полевых пробниках с применением методов более точных, например, на установке УНТС (установка трехосного неравнокомпонентного сжатия) конструкции ДонФТИ НАН Украины [19,21], позволяющей подвергать испытаниям породы любой прочности и моделировать условия их нагружения равная до глубины 3000 м.
Горно-техническая обстановка на экспериментальных участках, изучается по маркшейдерской и технологической документации с уточнением ее непосредственными наблюдениями в шахте. По технической документации исследуются условия и месторасположение выработок в пространстве и времени, способ охраны выработки и его параметры, определяются области повышенного горного давления в зонах геологических нарушений, а также дополнительные факторы, влияющие на устойчивость выработок, например, время и способ проходки, обводненность, поведение кровли очистного забоя (тип кровли и шаг ее обрушения) и т.д.
При обследовании выработок изучается характер и сокращение площади сечения, зарисовками и фотосъемкой фиксируются наиболее типичные виды деформаций выработок, оцениваются условия работы крепи (поддерживающей и ограждающей). При обследовании арочной крепи повышенное внимание обращается на работу элементов крепи в замках с определением типа их деформации и положения относительно друг друга. В ограждающей крепи оценивается состояние их краевых частей, образование систем трещин, их раскрытие с последующими отслоениями и вывалами угля. Одновременно с этим, визуально и зондированием контрольных шпуров составными штангами (закры