I етодические рекомендации по проведению натурных наблюдений в стволах , сооружаемых в сложных горно - геологических условиях

Белгород 1985

юшисткрство чгоюй металлургии сот

Управление горного производства

Всесоюзный научно-иоследовательский, конотругегороко-тезшшюгвче^ шЗ и проектно-изыскательский институт по осушению ызоторовдешй полезных ископаемых, специальным горным работам,рудничной геологии в маркшейдерскому деду В И О Г В Ы

УТШЭДАЮ; Директор института И.Ф.Океании 7 мая 1986 года

МЕТОДИЧЕСКИЕ ШОМВДДЦИИ DO ПРОВДИЛИ) НАТУРНЫХ ВАВДДВШЙ В ОТВОДАХ, СООРУЖАЕМЫХ В слезных rOFHO-ГЕОЛОГИЧЕСКЙХ У слоних

Белгород 1935

На замерной станция размещение датчиков производится 3-мя- 4-мя группами, располагаемыми через равные интервалы по периметру дрели, датчики деформаций в кодой группе размещаются во всех слоях крепи (в бетоне и па тюбингах) примерло в одном радиальном сечении (рио. 2.1), чтобы уменьшить разброс показаний от неравномерности нагру-

Рио. S.I, Й*шж*внн хууцц датчиков по периметру креп ствола:

I - датчики для яиревин деформаций бетонной части крепи; 2 и 2'- дат «лид дан —ренин деформаций (напряжений) внешних и внутренних пяажгмнх вожжи; 3 - динамометрический баллон; 4 - детин ттниувтури; 8 - усадочный цилиндр; в - клеммный ипок вводного кабеля

10

кенжя крепи. Как видно иб рис. 2.1 и 2.2 в бетоне датчики деформаций ориентируются в тангенциальном радиальном и вертикальном на -

i к

Рио. 2.3. Расположение деформометроы в бетоне для од. ределения величин и направления главных деформаций в сечении крепи

II

правлениях. В случае ожидаемого неравномерного распределения нагрузки по периметру крепи для оценки величины касательных напряжений в бетоне устанавливаются дополнительные датчики деформаций,которые ориентируются в одной плоокооти о тангенциальным и радиальным датчиками под углом 45° к ним, рио. 2.3.

По изморенным деформациям S_Qt £_R    определяются    ве

личины главных нормальных и касательный напряжений в сечении крепи (ом. равд. 3).

1*с. 2.4. Размещение усадочного цилиндра в бетонной части крепи:

I - тюбинговая крепь; 2 - бетон; 3 - деформометр; 4 - резиновая оболочка; б - метажличеокая труба; 6 - резиновый под -дон; 7 - металличеокий штырь

В отводах, проходимых способом замораживания, немаловажное значение имеет температурные деформации бетона. При ограничении сво -бод ы перемещений это о войство бетона влечет за собой появление в нем температурных напряжений, которые необходимо учитывать. Для итого в бетонной части комбинированной крепи необходимо уотанав и-вать усадочный цилиндр, который представляет собой образец бетона, защищенный стальной трубой от окружающего массива бетона, но овя -ванный с ним по площади одного ив тщрцов, рис. 2.4. Датчик, заключенный в усадочный цилиндр, фиксирует вое его деформации от изменения температуры и влажности.

Как показывает опыт натурных наблюдений в стволах, одним из наиболее важных факторов, влияющих на формирование нагрузок на крепь, является температура замороженных околоотвольных пород. Поэтому в аамерннх станциях необходимо предусмотреть 2-3 температурных дат -чика в породном массиве и столько же в бетонной части крепи. Струнные термометры в порода размещаются в шпурах, пробуренных на глубину 20-50 см от породного контура (ом. рас. 2.1).

2.2. Основные технические характеристики нрнменяешх приборов и аппаратуры

Для получения надежных экспериментальных данных в замерных станциях применяются серийно выпускаемые датчики деформаций и темпе -ратур, апробированные при многолетних наблюдениях. Таковыми в настоящее время являютоя датчики, выпускаемые Киевским одецналдзиро-» ванным предприятием Спецэкоргоавтоматика,ПЛДС-40 (преобразователь линейных деформаций отрунный) и ПТС-60 (преобразователь температур струнный). Принцип их действия основан на зависимости собственной частоты свободных колебаний струнного резонатора от его натяжения. Резонатор приводится в колебательное движение о помощью возбудителя колебаний, представляющего собой электромагнитное устройство.Оно является обратимым, т.е. используется как для подачи импульса, так и для приема затухающих свободных колебаний (сигналы запроса и ответа передаются по одной н той же линии). Изменение базового рас -стояния в результате деформации крепи приводят к изменению усилия натяжения струнного резонатора и изменению собственной частоты его колебаний, которая измеряется вторичным регистрирующим прибором.По изменению частоты судят об измеряемой деформации. Зависимость между измеряемой деформацией и выходным сигналом для каждого датчика индивидуальна и определяется градуировочной хараятержотжжой вида

у * Ах* ♦ fix* С,

13

где у винчение измеряемой деформации в относительных едини -цах, определяемое отношением абсолютной деформации к базе датчика; а* - значение информативного параметра выходного сигнала (частоты) преобразователя (показание вторичного прибора), Та; А,&>С - пос -тояинне коэффициенты, определяемые по результатам тарировки датчика на ваводе-изготовитвле.

Основные технические характеристики преобразователей ПЛДС

Пределы измерения деформаций, х 1СГ®.........0,5-2,0

датчики преицуцеотвенно сжатия..........0,5-2,0

датчики преимущественно растяжения........2, Q-0,5

Градуировочная характеристика . .     Индивидуальная

Предел допускаемой основной погрешности,

приведенный к диапазону измерений, %, не более. ...    ±2

Вариация выходного .сигнала, приведенная к дйа -

назову измерений, ?, не более............ I

Перепад частот при измерении деформации от нижнего до,верхнего пределов измерений (девиация    .

частота), ГцТ* ................. 1000*200

Исполнение преобразователя по отношению к ра- водозащищенный,

сочим оредам и окружавдей орехе. . ....... герметичный

Допускаемое внешнее давление окружающей ороды.МПа . •    3

Исполнение преобразователя по устойчивости к

механическому воздействию окружающей среды.....Обыкновенное

Параметры импульсов вапрооа (возбуждения):

напряжение, В ................. 150 ± 15

длительность, мко . .............. 0,5-1

подярнооть . ♦ * . . ............. Любая

Длина выводных проводов (кабеля), и, не менее ...    0,5

Средний орок службы, лет............. 10

Длила (бее учета кабеля), ом........... 51,2

Маооа, кг ........ ............ 2,0

По аналогичному принципу работают датчики температур ГГГС-вО,ди-алавон измерения которых находится в пределах от минус 20 до плюс

ео°с.

Снятие показаний датчиков ШЩ0-40, ПТС-60 производится дистен -цвонно о помощью контродьво-ивмерительных приборов типа ЦС-5Я,ЧСД,

"Огруаа-10", гаю-1.

Шюгоолойяая комбинированная крепь возводится по совмещенной схеме. Сначала монтируются несколько колец внешней тюбинговой по -лонны, благодаря чему создается заходка для навески тюбингов ту-

14

трепней колоши, ряо. 2.5, Црн этом кольца внешней тюбинге -вой колонны выполнял функцию проке алой кроне я воспринимаю? ватРУ' еду, величину которой аеобхадаю измерить, сродно производить за * «юры струнными датчиками «о позволяют взрывные работа, В зим ок(~ чае рекомендуется применять методику измерения деформаций до зам® ним базам съемными индикаторшод приборами, разработанную ip®c[4J-

Суть методики заключается в том, что в одета в ребра квотноета тюбингов запрессовываются маяки-стержни.расстояние моду которыми (база) периодически, по мере нагружении тюбинга, измеряется опеки -альнти индикаторными приборами о точностью до 0,01 мм, рио.й.8. Разность показаний между измерениями составляет абсолютную дефор -нацию тюбинга б L .В качестве маяков попользуй оя цилиндрические ролики от подшипников диаыетрои 4 мм в дпноК 40 ым(ом,у*о.2.5_| увел А).

Отверстия под маяки сверлятся пневиодрелью по шаблону. Диметр

15

УЖ 624.131! 622.272.63

В настоящих рекомендациях галогена методика натурных на-владений в отводах, сооружаемых в сложных горно-геалогических условиях в закрепленных комбинированной    многоолойной

крепью. Приведен перечень необходимой измерительной аппаратура и датчиков.Покаеавн метода обработки и анализа результатов натурных наблюдений.

Методические рекомендации раоочитанн на инканерно-технических и научных работников, заяиивирпюя натурсшмн ваблю -деннгаш я екопернмввтадьннми исследованиями в подземных сооружениях.

работа ооотавлева довт.техп.наук Д.М.Казикаевым, инженером О.П.Борисовым, канд.техн.наув 0. В. Сергеевым, утверадена секцией ЕГО "Ошцияяьгое горные работа, геомехаяика и марк-веЗдерокое дело* 5 июля 1983 г.

© Всесоюзный Мучко-исследоаательсний, «лгатруггорсво-тм,,. _

■ проект яо-иэыекатбпъсий и нет гг ут по осушению HOCTCFOH..IOIIK» кскола«ыых,Спеа*кльПым горным работам,рунни'1'infl гао-югин и м,    '    '"¹

скому any (ВИОГЕМ), 1888.    ¹

ОБЩЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Современный этап развития горнорудной промышленности характеризуется усложнением горно-геологических условий добыто полезных с>* копаемых. В настоящее время эксплуатируется Белозерское, ооваива-етоя Яковлевское железорудные месторождения, горно-гваяогичвокие условия вокрытия которых не имеют аналогов в отечественной горной практике, на Яковлевском месторождении КМА рудное тело залегает под шестисотметровой осадочной толщей, цредотавленной главным об -разом малопрочными и малосвязными породами, в которых содержится восемь водоносных горизонтов о напором до б, I МПа. Одной из самых сложных вадач, связанных с освоением таких месторождений, является сооружение шахтных стволов.

Эксплуатационно-технические показатели ствола характеризуются состоянием его крепи. Стоимость крепи составляет до 60# стоимости сооружения ствола [ I ] . Цри Ескрытин меотороадений оо сложными го~ рно-геолргическими уоловияш требуемая вноокая несущая способность крепи достигается применением комбинированных многослойных кон от -рукций. Например, стволы Яковдевокого рудника НМЛ, в зависимости от величины ожидаемого горного давления, закреплены двухслойной (тю -бинтовая колонна и слой бетона) и трехслойной (внутренняя и внеш -няя тюбинговая колонны и междуколонвый бетон) крепью. Цри этом особое влечение приобретает создание рациональных конструкций крепи,в которых наиболее полно и эффективно используются свойства всех конструктивных элементов и материалов и обе опочивает оя их совместная работа.

Строительная механика подземных сооружений, офорюцювадааяся как новое научное направление, рассматривает крепи горных выработок во взаимодействии их о окружающим массивом горных пород. Цри этом огромное значение имеют натурные экспериментальные наблюдения, которые позволяют совершенствовать технологию крепления ж цреддожить новые типы крепи. За последние годы в СССР в за рубежом все большее внимание обращают на вопросы еяшершюитажшст шослвадованжй вено -средотвенно в подземных сооружениях.

В нашей отраве натурные наблюдения в шахтных отводах в основном выполнял институт ШДО [3] • Наблюдении проводиуись в Донецком, Львовеко-Волынском и Карагандинском боссе, шах в раалгдых условиях сооружения стволов от относительно простых до сложных 0 применением способа замораживания пород. В основу натурных яооладовшА ВШИВ был положен метод прямых измерений нагрузок на крепь динамометры -ческими баллонами. На основании натурных наблюдений бшх уставов -

3

лены основные положения механизма взаимодействия крепи стволов с массивом породы, а также разработаны Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханнки [7 ], в которых наиболее полно оовещены современные достижения в данной области и даны научно обоснованные методические рекомендации по поста -новке и проведению шахтных экспериментальных исследований в области горного давления.

Натурные наблюдения проводилиоь также институтами ЛГИ, МГИ, ЛГИ с использованием других методик и иных технических средств с ори -ентировкой на косвенный метод оценки величины давления по измеренным деформациям элементов крепи.

Наиболее перспективным является комплексный метод проведения натурных наблюдений, который включает измерения величин смещений горных пород в забое ствола в период их обнажения взрывом до установки постоянной крепи; контактного давления на крепь и деформаций всех олоев кропн; температуры крепи л околоотволышх пород.

В настоящих Методичеоких рекомендациях обобщен опыт организации и проведения инотрумептавьных измерений в шахтных стволах,сооружаемых в сложных гидрогеологических уоловиях о широким применением взрывных работ в вабое и интенсивным ведением других технологических операций, что накладывает определенный отпечаток на методику и технику натурных исследований. Последовательность изложения разделов отражает последовательность проведения натурных наблюдений в стволе па участке сооружения ааиернол станции.

В работе использованы материалы а результаты исследований, выполненных в отделе геомеханнки института ВИОГЕМ с 1970 по 1984 гг.

Авторы о благодарностью примут критические замечания и предложения по существу работы,

I. НАЕВДВНИЯ ЗА СДШХШИЯШ 0К0Л0СГВ0ШЫХ ПОРОД В ПРОЦЕССЕ ПРОХОДКИ

В отечественной н зарубежной горной практике накоплен некоторый опыт по набпщяию ей смещениями пород при проходке стволов [5,6]. Однако в настоящее время нет единой католики и технических средств проведения подобных исследований, они индивидуальны л определяются по ставленники ваднчдж, технологией сооружения ствола и отражают, как правило, измерения гшщошгй породных стенок в забоя при ручной выемке замороженной породы. В этих уоловиях наблюдения можно вести практически непрерывно от момента обнажения порода до установки постоянной крепи.

4

Применение взрывной отбойки заморогенной породы существенно осложняет проведение указанных измерений,так как на определенное время взорванная породная масса ограничивает доступ к стенкам,что яс-клхяает ьозмохнооть установки реперов и наблвдений в период наиболее активного процесса смещений.

Разработанная методика позволяет охватить наблюдениями процеос смещения породных стенок от момента разрушения пород взрывом до сооружения постоянной крепи, не нарушая при этом технологические операции по бурению, погрузке породы и креплению.

Цри разрушении пород взрывом наибольший интерес представляет величина конвергенции породных стенок отвела непосредственно после взрывной отбойки породы, характеризуемая в этот период, в основном, упругими смещениями схолоствольного массива пород.

I.I. Измерение величины конвергенции стенок ствола, вызванной разрушением пород взрывом

Закладка реперов для измерения величины конвергенция ооуществ -дяется в период обуривания забоя. Для этого на линии сопрянення стенки с забоем бурятся шесть шпуров диаметром 40 т глубиной I и под углом 45° к стенке ствола, в них забиваются круглые металлические штыри соответствующей длины и диаметра, рис. 1.1.

Затем производится измерение расстояния манду реперами Н , а также по хордам между ближайшими по окружности реперами. Второй цшш измерений Н производится после взрыва а уборки породы по море обнажения реперов. По разностям величин Н ~ Н¹ определяются ве личины конвергенции отенок ствола по интереоуэдим направлениям.

В табл. 1.1 приведены примеры результатов наблвдений за величиной конвергенции отенок отвода Л 2 Яковлево кого рудника на глубине 362 м в замороженных глинах.

Таблица I.I

Номера баз Величина базы измерений, мм Ьвлжчииа кон--вертевши, ш до выемки породы Н после внешни породы Н 1-4 8850 8815 35 2-5 8722 8685 37 3-6 7875 7835 40

Наблюдения за конвергенцией стенок цри разрушении ворох взрывом необходимо производить во всех типах вскрывает* ствол ом пород.

6

1*2. Наблюдения эа смещениями породных стенок отвода в процессе проходки

Намерение радикальных смещений породных стенок является след: щим этапом наблюдений и производится, начиная о уборки взорванной породы, по базам между реперами в породной стенке отвода н отвваа-ми, закрепленными на тюбингах последнего кольца ажходки крепи, рио. 1.2, Закрепление отвесов на чугунных тюбингах производится о помощью магнитов, что позволяет легко и быстро устанавливать и снимать их. В качестве реперов применяются пики от отбойных молотков. Уотановка реперов производится по мере обнажения станов отвода па высоту не менее I м от тюбинговой крепи. Сразу же после закрепления реперов и отвесов необходимо промерить начальную базу d жесткой линейкой с миллиметровыми делениями. На линейке закреплен уровень, который ограничивает возможность иипцицдуяльннх ошибок в оценке положения линейки.

ш			1	ml т
&	м ____ мят

\f\nep

Рис. 1.2. Схема измерения смещений породных отенок ж вабоя отвода

Последующие измерения производятся в вависимоотж от интенсивности смещений черве 1-3 ч вплоть до перекрытия участка наблюдений тюбинговой крепью. После навески тюбингов измерение смещений оте -иок с помощью отвесов становится невоэмоалым и может быть продол -жено о помощью специального приспособления, предотавлящвго с обей металлический стержень, который пропускается черев тампонажное отверстие тюбинга до контакта с породной стенкой. Стержень прижима -ется к породе специальной пружиной с некоторым усилием,чтобы пред-

?

отвратить изменение места контакта о породной стенкой от вибраций тюоинговой колонна, вызываемых работой лневыопогрузчнка при уборке породи иди монтаже тюбинговых колец. При смещении пород происходит движение стержня относительно тюбинговой колонны и отсчетного устройства, сакрепленного на ней.

В табл. 1*2 приведена результаты измерений величин радиальных смещений породных отеяох отвода А 2 Яковдавского рудника на глубине 363 ы в замороженных глинах.

Таблица 1.2

Номер репера	Величина базы	d , ш	Величина оме-щений, мм
	начальная, 20 ч 24 Л а 78	конечная,2 ч 25.10.78
I	840	836	6
2	901	896	6
3	889	882	7
4	943	930	13
5	871	865	6
6	677	670	7

1.3. Наблюдения за смещением пород в вабое отвода

Вертикальные смещения пород еабоя ствола определяются методом нивелирования. Наиболее удобным временем проведения наблюдений является период перед бетонированием затюбкнгового пространства. в это время производится засыпка поддонов для бетонирования взорванной породой, по мере которой центр отвода освобождается от порода. На этом месте производится бурение 2-3 шцуров глубиной I м и устанавливаются реперы. Опорной базой для нивелирования служит тюбяв -говое кольцо предыдущей заходкн, к которому подвешивается металлическая рулетка или ройка.Пооле установки реперов и закрепления рулет нивелиром снимаются начальные показания (см. рно. 1.2). При этом фиксируются величину а и в • В дальнойшем показания снимают оя по мере обнажения реперов, например, после завершения бетонирования ж вачиотна забоя от порода. Последние показания снимаются после обурнваняя забоя перед заряжением шпуров. В результате смещения пород забоя происходит уменьшение общей величины базы а+ -f 6 .В момент взрыва происходит разрушение реперов. Для дальнейших наблюдений устанавливаются ноше.

Абсолютная величина емзщятя забоя определяется по формуле

А •    6J—    (о!4* €^rJ_f мм.

В табл. 1.3 показаны результаты наблюдений 8а смещением пород забоя отвода % 2 Яковлевокого рудника на глубине 363 м в глинах.

Таблица 1.3

Номер Величина базы, мм Величина верти- репера начальная а+6 конечная a'+g' каяьного смвще- 19 ч, 1.12.78 8 ч, 2.12.78 ння забоя Л ,де I 1903 1891 12 2 1813 1797 16

Как видно из табл. 1.3, продолжительность абадений составила 13 ч. За его время выполнялись сведущие операции проходческого цикла: доведение диаметра ствола в проходке до проектных размеров; уборка порода под тхх&шговое кольцо; монтаж тюбингового кольца;укладка бетона.

Таким образом, предлагаемая методика позволяет наиболее полно иоследовать сдвижение пород призабойной воны в условиях интенсив -кого ведения операций проходческого цикла.

Полную величину радиального смещения породной стенки в интервале времени от выемки пород взрывом до установки крепи определяют суммированием величин конвергенции и радиальных смещений, намеренных от отвеса. Полученные в результате натурных наблюдений величины смещений породных стенок и забоя отвода используются при расчете величин прогиба вамораживавдих колонок, в расчетах напряженно-деформированного состояния ледопородного цилиндра, при выборе высоты находки крепления я т.д.

2. СООРУЖЕНИЕ ЗАМЕРШХ СТАНЦИЙ В СТВОЛЕ И ПРОШЕНИЕ ЫАБВДЕНИЙ

2.1. Размещение датчиков в крепи ствола

Цря наблюдениях 8а напряженно-деформированным состоянием многослойных комбинированных конструкций крепи необходимо подучать информацию о деформациях каждого на слоев с тем, чтобы выяснить механизм их взаимодействия в процесае деформирования.

Такие исследования осуществляются на специальных аашрзшх станциях, сооружаемых в крепи на тех участках ствола, которые представляют наибольший интерес с точки зрения характера и иелгдаш на -грукенил.