Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОГНОЗА ЗАКОЛОВ И ВЫВАЛООБРАЗОВАНИЙ В ПРЕДЕЛАХ НЕЗАКРЕПЛЕННОГО КРЕПЬЮ УЧАСТКА ПРОВОДИМОЙ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ (ВАРИАНТЫ)

Технические решения относятся к горной промышленности и строительству, а именно к прогнозу динамических проявлений в массиве горных пород при изменении его напряженно-деформированного состояния, и могут найти применение в горной геофизике, газодинамике, геомеханике при контроле и прогнозировании в массивах горных пород динамических проявлений в виде заколов и вывалообразований.

Известен способ защиты от травмирования горнорабочих, задействованных на проведении подготовительных горных выработок в массивах трещиноватых горных пород путем возведения временной крепи, включающий подвешивание на верхняках крепи, например, длинных металлических стержней в виде металлических труб, которые по мере подвигания забоя горной выработки передвигают вперед вплотную к забою и на них укладывают верхняки рам крепления и настил из обрезков плах или затяжек (В.М. Макаров, Г.М. Котов, В.А. Зубань. Применение временных крепей в забоях подготовительных выработок шахт Кузбасса // Вопросы безопасности в угольных шахтах. Труды ВостНИИ, т. IX. Изд-во «Недра», М.: - 1969, - с.244-253, рис.4).

Недостатком способа является его высокая трудоемкость и значительные затраты времени на сборку и разборку такой временной крепи перед передвижением ее вперед после очередного подвигания забоя, включающие время на подвешивание упомянутых длинных стержней, разборку перекрытия и его повторную сборку после передвижки стержней, что затрудняет использование способа на практике.

Известен способ контроля нарушений сплошности массива горных пород по авт.св. СССР №1101552, кл. E21C 39/00, опубл. 07.07.84 г., БИ №25, включающий регистрацию сигналов электромагнитного излучения (ЭМИ) по длине выработки и измерение их длительности, определение средней длительности импульсов, возникающих при перераспределении горного давления, которую принимают за эталонную, выделение импульсов длительностью, более чем на порядок превышающей эталонную, и по их появлению судят о возникновении расслоения.

Недостатком этого способа является то, что не регистрируют амплитуды сигналов ЭМИ, а это снижает достоверность получаемой информации.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ прогноза разрушения горных пород, реализованный с помощью устройства для его осуществления по патенту РФ №2137920, класс E21C 39/00, G01N 29/04, опубл. в БИ №26, 1999 г.

Способ включает регистрацию на интервале времени измерения сигналов ЭМИ и измерение их амплитуд, по которым определяют начало разрушения исследуемого участка массива, при этом интервал времени измерения разделяют на две неравные части, производя на каждой из них измерение величин амплитуд импульсов сигналов ЭМИ через равные промежутки времени, до нагружения исследуемого участка массива определяют интенсивность измерения сигнала помехи, измеряя амплитуды импульсов сигналов ЭМИ на большей части интервала времени измерения, а начало момента разрушения определяют по мере нагружения исследуемого участка массива по выполнению установленного соотношения.

Недостатком данного способа является то, что место измерений в каждой конкретной горной выработке и их количество выбирают случайно, что влияет на достоверность измерений. Кроме того, величины отсчетов по упомянутому устройству зависят от ориентации этого устройства в момент измерения. Неправильная ориентация устройства отрицательно влияет на точность измерений и, как следствие, на их достоверность.

Техническая задача: повышение достоверности прогнозирования заколов и вывалообразований за счет повышения точности измерений путем единого порядка выбора точек измерений, фиксации количества отсчетов и правильной ориентации выбранного устройства.

Поставленная задача по первому варианту реализации решается тем, что в способе прогноза заколов и вывалообразований в пределах незакрепленного крепью участка проводимой подготовительной горной выработки, включающем регистрацию в пределах исследуемого участка на интервале времени измерения сигналов ЭМИ и измерение величин амплитуд их импульсов с помощью устройства для прогноза разрушения горных пород по патенту РФ №2137920, опубл. 20.09.1999 г., которые фиксируют на равных интервалах времени и по которым определяют начало разрушения незакрепленного крепью участка упомянутой горной выработки, согласно техническому решению до регистрации сигналов ЭМИ в пределах незакрепленного крепью участка, представляющего собой призабойную зону проводимой подготовительной горной выработки, формируют замерную станцию для проведения измерений величин амплитуд импульсов сигналов ЭМИ на расстоянии 3÷5 м от забоя упомянутой выработки в плоскости ее поперечного сечения, для чего используют закрепленный в породе ее кровли отвес с фиксатором на высоте 1,5 м от почвы выработки, размещая их по вертикальной оси этой плоскости, после чего размещают указанное устройство перед упомянутым фиксатором, ориентируя его горизонтально длинной стороной перпендикулярно к боковым стенкам этой выработки, и на отрезке времени продолжительностью, например, 1 минута измеряют величины амплитуд импульсов сигналов ЭМИ, делая, например, по три отсчета в первую, вторую и третью минуты измерений, выбирая каждый раз из них максимальные величины N_1max, N_2max, N_3max. Дополнительно проводят также измерения величин амплитуд импульсов сигналов ЭМИ на высоте 1,5 м от почвы выработки вдоль контура призабойной зоны упомянутой выработки с шагом, например, 1,5÷2 м: вдоль левой боковой стенки, вдоль плоскости забоя и вдоль правой боковой стенки, делая каждый раз по три отсчета и выбирая затем из них максимальные величины N _{л max}, N _{з max}, N _{п max}. После этого из полученных шести максимальных величин выбирают наибольшую N_max, которую сравнивают с критической величиной амплитуды импульсов сигналов ЭМИ по горизонту шахты, определенной предварительно службой прогноза и профилактики горных ударов шахты как средняя по всем общешахтным замерным станциям для этого горизонта шахты. Если N_max>N_кр, то состояние рассматриваемой призабойной зоны оценивают как опасное по заколам и вывалообразованию. В этом случае проводят оборку нависших заколов и кусков породы кровли, боковых стенок и забоя рассматриваемой призабойной зоны, используя инструмент, приспособленный для такой оборки, а по окончании оборки повторяют перечисленные операции до тех пор, пока не будет получено N_max≤N_кр.

Физика процесса разрушения горной породы включает формирование микротрещин и трещин, сопровождающихся движением электрических зарядов на берегах трещин. Движение зарядов сопровождается ЭМИ. Чем выше рост механических напряжений, тем выше интенсивность ЭМИ.

Указанная совокупность признаков позволяет повысить достоверность прогнозирования заколов и вывалообразований за счет повышения точности измерений путем единого порядка выбора точек измерений и фиксации количества отсчетов при использовании упомянутого устройства для прогноза разрушения горных пород по патенту РФ №2137920 в роли индикатора амплитуд импульсов сигналов ЭМИ деформируемого массива горных пород и с его помощью установить момент формирования заколов и вывалообразований как за счет возрастания интенсивности сигналов ЭМИ, так и за счет световой и звуковой сигнализации упомянутого устройства.

Размещение указанного устройства перед фиксатором при измерениях исключает влияние на точность измерения расстояния от упомянутого устройства как до кровли и почвы, так и до боковых стенок выработки, в том числе в процессе повторных измерений. Отклонение его положения от горизонтального и перпендикулярного боковым стенкам также влияет на точность измерений и, как следствие, на достоверность измерений.

Выбор из трех отсчетов наибольшего резко снижает вероятность пропуска повышенного отсчета, что в этих измерениях является основным и также способствует решению технической задачи.

Формирование замерной станции для проведения измерений включает выбор конкретного поперечного сечения указанной выработки в пределах участка измерений. На практике длина призабойной зоны обычно составляет 3÷5 м согласно проекту проводимой подготовительной горной выработки.

Формирование замерной станции упорядочивает процесс измерений ЭМИ в горной выработке как за счет размещения упомянутого устройства относительно контура забоя и боковых стенок рассматриваемой горной выработки, так и за счет количества замеров. Кроме того, поскольку контур боковых стенок и забоя горной выработки не может быть строго одинаковым на различных участках измерения, а упомянутое устройство фиксирует при каждом измерении ЭМИ с достаточно ограниченного участка контура забоя и боковых стенок выработки, то повторные измерения при разной ориентации измерительного устройства могут сильно различаться, что снижает точность измерений. Дополнительные замеры по контуру боковых стенок незакрепленного крепью участка обеспечивают более равномерное распределение выбранных точек измерений по контуру этого участка. Соответственно, сводится к минимуму случайный пропуск высоконапряженных зон контура указанного участка. Все это направлено на повышение точности и, как следствие, достоверности измерений, т.е. на решение поставленной технической задачи.

При дополнительных измерениях по контуру участка принято по три измерения длительностью по 1 минуте. При снятии замеров необходимо: прибор включить, взять отсчет по табло прибора, отключить прибор, затем повторно включить, взять второй отсчет и снова отключить и т.д. Поскольку при включенном приборе непрерывно сменяются цифры, то оператору трудно решить какое число, появившееся на экране, взять в качестве отсчета, поэтому следует некоторое время подождать, когда величины чисел на табло стабилизируются. Рекомендуется одновременно проводить по три отсчета и из них выбирать максимальную величину. Взятие во время снятия отсчетов трех чисел увеличивает общее число измерений, но обеспечивает повышение достоверности прогноза, что способствует решению технической задачи. Выбор из трех отсчетов наибольшего - максимального резко снижает вероятность пропустить повышенный отсчет, что в этих экспериментах является основным и также способствует решению технической задачи.

Целесообразно при этом упомянутые величины амплитуд импульсов сигналов ЭМИ в призабойной зоне указанной горной выработки измерять в начале рабочей смены и в течение ее перед каждой технологической операцией, связанной с пребыванием рабочих в этой призабойной зоне до возведения в ней крепи или окончания ее ремонта, что позволяет своевременно в течение рабочей смены получать информацию о формировании заколов и вывалообразований, чтобы исключить травмирование рабочих от случайного падения кусков породы во время выполнения работ по ремонту крепи на этом участке или по возведению новой крепи, что способствует решению поставленной задачи.

Целесообразно отсчеты по упомянутому устройству производить с выдержкой времени длительностью 1 минута для стабилизации его показаний.

По второму варианту реализации решение поставленной задачи достигается тем, что в способе прогноза заколов и вывалообразований в пределах незакрепленного крепью участка проводимой подготовительной горной выработки, включающем регистрацию в пределах исследуемого участка на интервале времени измерения сигналов ЭМИ и измерение величин амплитуд их импульсов с помощью устройства для прогноза разрушения горных пород по патенту РФ №2137920, опубл. 20.09.1999 г., которые фиксируют на равных интервалах времени и по которым определяют начало разрушения незакрепленного крепью участка упомянутой горной выработки, согласно техническому решению до регистрации сигналов ЭМИ в пределах незакрепленного крепью участка, удаленного от призабойной зоны проводимой подготовительной горной выработки, формируют замерную станцию для проведения измерений величин амплитуд импульсов сигналов ЭМИ в упомянутом незакрепленном крепью участке проводимой подготовительной горной выработки в плоскости ее поперечного сечения в средней части этого участка. Для этого используют закрепленный в породе ее кровли отвес с фиксатором на высоте 1,5 м от почвы выработки, размещая их по вертикальной оси этой плоскости. После этого размещают указанное устройство перед упомянутым фиксатором, ориентируя его горизонтально длинной стороной перпендикулярно к боковым стенкам этой выработки, и на отрезке времени продолжительностью, например, 1 минута измеряют величины амплитуд импульсов сигналов ЭМИ, делая, например, по три отсчета в первую, вторую и третью минуты измерений, выбирая каждый раз из них максимальные величины , , . Дополнительно проводят также измерения величин амплитуд импульсов сигналов ЭМИ на высоте 1,5 м от почвы выработки вдоль левой и правой боковых стенок рассматриваемого участка упомянутой горной выработки с шагом, например, 1,5÷2 м: вдоль левой боковой стенки и вдоль правой боковой стенки, делая каждый раз по три отсчета и выбирая затем из них максимальные величины и . После этого из полученных пяти максимальных величин выбирают наибольшую , которую сравнивают с критической величиной N_кр амплитуды импульсов сигналов ЭМИ по горизонту шахты, определенной предварительно службой прогноза и профилактики горных ударов шахты как средняя по всем общешахтным замерным станциям для этого горизонта шахты. Если , то состояние рассматриваемого незакрепленного участка оценивают как опасное по заколам и вывалообразованию. В этом случае проводят оборку нависших заколов и кусков породы кровли и боковых стенок рассматриваемого участка, используя инструмент, приспособленный для такой оборки, а по окончании оборки повторяют перечисленные операции до тех пор, пока не будет получено .

Указанная совокупность признаков позволяет повысить достоверность прогнозирования заколов и вывалообразований за счет повышения точности измерений путем единого порядка выбора точек измерений и фиксации их количества при использовании упомянутого устройства для прогноза разрушения горных пород по патенту РФ №2137920 в роли индикатора амплитуд импульсов сигналов ЭМИ деформируемого массива горных пород и с его помощью установить момент формирования опасных заколов и вывалообразований как за счет возрастания интенсивности сигналов ЭМИ упомянутого устройства, так и за счет обеспечения звуковой и световой сигнализации этого устройства.

Размещение указанного устройства перед фиксатором при измерениях исключает влияние на точность измерений расстояния от упомянутого устройства как до кровли и почвы, так и до боковых стенок выработки, в том числе в процессе повторных измерений. Отклонения его положения от горизонтального и перпендикулярного боковым стенкам также влияет на точность измерений и, как следствие, на достоверность измерений.

Формирование замерной станции упорядочивает процесс измерений ЭМИ в горной выработке как за счет размещения упомянутого устройства относительно контура боковых стенок рассматриваемой горной выработки, так и за счет количества замеров. Кроме того, поскольку контур боковых стенок горной выработки не может быть строго одинаковым на различных участках измерения, а упомянутое устройство фиксирует при каждом измерении ЭМИ с достаточно ограниченного участка контура боковых стенок выработки, то повторные измерения при разной ориентации измерительного устройства могут сильно различаться, что снижает точность измерений. Дополнительные замеры по контуру боковых стенок незакрепленного крепью участка обеспечивают более равномерное распределение выбранных точек измерений по контуру этого участка. Соответственно, сводится к минимуму случайный пропуск высоконапряженных зон контура указанного участка. Все это направлено на повышение точности и, как следствие, достоверности измерений, т.е. на решение поставленной технической задачи.

При дополнительных измерениях по контуру участка принято по три измерения длительностью по 1 минуте. При снятии замеров необходимо: прибор включить, взять отсчет по табло прибора, отключить прибор, затем повторно включить, взять второй отсчет и снова отключить и т.д. Поскольку при включенном приборе непрерывно сменяются цифры, то трудно оператору решить какое число, появившееся на экране, взять в качестве отсчета, поэтому следует некоторое время подождать, когда величины чисел на табло стабилизируются. Рекомендуется одновременно проводить по три отсчета и из них выбирать максимальную величину. Взятие во время снятия отсчетов трех чисел увеличивает общее число измерений, но обеспечивает повышение достоверности прогноза, что способствует решению технической задачи. Выбор из трех отсчетов наибольшей - максимальной величины резко снижает вероятность пропустить повышенный отсчет, что в этих экспериментах является основным и также способствует решению технической задачи.

Целесообразно при этом упомянутые величины амплитуд импульсов сигналов ЭМИ в пределах ее незакрепленного крепью указанного участка измерять в начале рабочей смены и в течение ее перед каждой технологической операцией, связанной с пребыванием рабочих в пределах этого участка до возведения в нем крепи или окончания ее ремонта, что позволяет своевременно в течение рабочей смены получать информацию о формировании заколов и вывалообразований, чтобы исключить травмирование рабочих от случайного падения кусков породы во время выполнения работ по ремонту крепи на этом участке или по возведению новой крепи в течение всей смены.

Целесообразно отсчеты по упомянутому устройству производить с выдержкой времени длительностью 1 минута для стабилизации его показаний.

Сущность предлагаемых вариантов способа прогноза заколов и вывалообразований в пределах незакрепленного крепью участка проводимой подготовительной горной выработки поясняется примерами их реализации и чертежами фиг.1,2. На фиг.1 приведен продольный вертикальный разрез Б-Б выработки на фиг.2. На фиг.2 - справа разрез A₁-А₁ (участок «а») и слева разрез А-А (участок «в») на фиг.1 (повернуто на 180° справа налево).

Способ по первому варианту реализуют следующим образом.

Незакрепленный крепью участок представляет собой призабойную зону проводимой подготовительной горной выработки (далее - выработка), участок «а». На расстоянии 3÷5 м от забоя формируют замерную станцию для регистрации сигналов ЭМИ в плоскости поперечного сечения указанной выработки. Эта плоскость представлена разрезом A₁-А₁ на фиг.1, который приведен на фиг.2 справа. В этой плоскости размещают отвес 1, закрепленный с помощью репера 2 в породах кровли (фиг.2), с фиксатором 3 (фиг.1), выполненным в виде металлического или пластмассового шарика с осевым отверстием, через которое пропущен шнур отвеса 1. Фиксатор 3 устанавливают на высоте 1,5 м от почвы выработки, и он служит для фиксации положения устройства 4 для прогноза разрушения горных пород по патенту РФ №2137920 (далее - устройство 4). На фиг.1 отмечены заколы 5 в пределах забоя, кровли и боковых стенок выработки.

На фиг.1 в данном частном случае приведена деревянная крепь в форме трапеции, состоящая из стоек 6, верхняков 7 и затяжек 8. По контуру выработки штриховкой 9 (фиг.1 и 2) отмечены боковые породы, в которых проведена рассматриваемая выработка.

Оператор при проведении измерений амплитуд импульсов сигналов ЭМИ держит устройство 4 в руках на уровне фиксатора 3. Наличие фиксатора 3 позволяет размещать устройство 4 в момент измерения в предварительно фиксированной точке (в том числе при повторных измерениях).

Затем устройством 4 выполняют с периодом 1 минута 3 замера, в каждом по 3 отсчета. Из них отбирают по одной наибольшей величине N_1max, N_2max, N_3max. Дополнительно выполняют измерения на высоте 1,5 м от почвы выработки по контуру призабойной зоны с шагом 1,5÷2 м. На практике - это по одному замеру по каждой из трех сторон призабойной зоны, при этом каждый раз делают по 3 отсчета, из которых отбирают по одной наибольшей величине N _{л max}, N _{з max}, N _{п max}. Рекомендуемая длительность каждого замера 1 минута. Все отсчеты при измерениях необходимо заносить в журнал измерений. Всего на замерной станции призабойной зоны будет получено 6 величин. Их них выбирают наибольшую величину N_max, которую сравнивают с критической величиной N_кр амплитуды импульсов сигналов ЭМИ по горизонту шахты, определенной предварительно службой прогноза и профилактики горных ударов шахты как средняя по всем общешахтным замерным станциям для рассматриваемого горизонта шахты. Если N_max>N_кр, то состояние рассматриваемой призабойной зоны оценивают как опасное по заколам и вывалообразованию. В этом случае проводят оборку нависших заколов и кусков породы кровли, боковых стенок и забоя рассматриваемой призабойной зоны, используя инструмент, приспособленный для такой оборки. По окончании оборки повторяют перечисленные операции до тех пор, пока не будет получено N_max≤N_кр. На практике приведенное соотношение обычно выполняют после первой оборки, если эта операция выполнялась тщательно.

Способ по второму варианту реализуют следующим образом.

Незакрепленный крепью участок «в» проводимой подготовительной горной выработки - это участок, удаленный от призабойной зоны на расстояние «б», где крепь отсутствует по различным причинам (разрушена высоким горным давлением, разрушена во время взрывных работ в забое рассматриваемой выработки, выбита при передвижении транспортных и других машин и механизмов), либо в пределах этого участка предполагают начать рассечку для проведения новой горной выработки (в этом случае крепь убирают).

В средней части этого незакрепленного крепью участка «в» (фиг.1) проводимой подготовительной горной выработки в плоскости поперечного сечения этой выработки формируют замерную станцию для измерения амплитуд импульсов сигналов ЭМИ. Для этого в кровле выработки закрепляют репер 2 с отвесом 1 и фиксатором 3 (фиг.1, 2), размещая его на высоте 1,5 м от почвы выработки. Перед фиксатором 3 размещается оператор с устройством 4, при этом устройство 4 размещают горизонтально, длинной стороной перпендикулярно боковым стенкам выработки в пределах участка «в».

Измерения на замерной станции на участке «в» выполняют следующим образом. На отрезке времени продолжительностью 1 минута измеряют величины амплитуд импульсов в сигнале ЭМИ, выполняя по три отсчета величин амплитуд импульсов в сигналах ЭМИ в первую, вторую и третью минуты измерений, выбирая каждый раз из них максимальные величины , , . Все отсчеты при измерениях необходимо заносить в журнал измерений. Дополнительно проводят также измерения величин амплитуд импульсов в сигнале ЭМИ на высоте 1,5 м от почвы выработки вдоль левой и правой боковых стенок рассматриваемого участка упомянутой горной выработки с шагом, например, 1,5÷2 м: вдоль левой боковой стенки и вдоль правой боковой стенки, делая каждый раз по три отсчета и выбирая затем из них максимальные величины и . После этого из полученных пяти максимальных величин выбирают наибольшую , которую сравнивают с критической величиной N_кр амплитуды импульсов сигнала ЭМИ по горизонту шахты, определенной предварительно службой прогноза и профилактики горных ударов шахты как средняя по всем общешахтным замерным станциям для этого горизонта шахты. Если , то состояние рассматриваемого незакрепленного участка «в» оценивают как опасное по заколам и вывалообразованию. В этом случае выполняют оборку нависших заколов и кусков породы кровли и боковых стенок рассматриваемого участка «в», используя инструмент, приспособленный для такой оборки, а по окончании оборки повторяют перечисленные операции до тех пор, пока не будет получено .

Целесообразно на замерной станции участка «в» измерения ЭМИ выполнять в начале рабочей смены и в течение ее перед каждой технологической операцией, связанной с пребыванием рабочих в пределах незакрепленного указанного участка, где предполагаются работы по возведению крепи или ее ремонту.

Целесообразно также отсчеты по упомянутому устройству выполнять с выдержкой времени длительностью 1 минута для стабилизации его показаний.

Таким образом, изложенные варианты способов позволяют контролировать возможность заколов и вывалообразований, что обеспечивает выполнение поставленной технической задачи по повышению достоверности прогнозирования заколов и вывалообразований за счет повышения точности измерений путем единого порядка выбора точек измерений, фиксации их количества и правильной ориентации устройства 4.