УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РАССЛОЕНИЯ ПРИКОНТУРНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Предложение относится к горному делу, а именно к системам диагностики и контроля состояния приконтурного массива и анкерной крепи подготовительных выработок.

Известно устройство для определения деформаций горных пород, содержащее полый корпус, штангу и распорно-фиксирующий механизм. Распорно-фиксирующий механизм выполнен в виде червячного полуколеса, установленного с возможностью разворота посредством червяка [1].

Недостаток устройства состоит в отсутствии сигнальных индикаторов, контролирующих опасные расслоения пород приконтурного массива.

Известно также устройство для проведения наблюдений за сдвижением горных пород с помощью глубинных реперов, содержащее металлические стойки, соединяющую их ось с блоками, через которые перекинуты проволоки, каждая из которых закреплена одним концом на глубинном репере, а другим соединена с грузом, а также отсчетную шкалу. При этом ось выполнена составной из дуг, соединенных торцами друг с другом, образующих кольцо, на котором радиально расположены блоки, и в местах соединений установлено на дополнительные стойки. Данное устройство характиризуется повышенной надежностью наблюдений при увеличении количества реперов [2].

Недостатком устройства является его сложность и громоздкость. Кроме того, отсутствует информация об общей конвергенции контура выработки и нагрузках на крепь.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является [3] индикатор смещения пластов, состоящий из гибкой длинной подвески, пружинного репера для крепления подвески в скважине (шпуре), образованной в пласте, направляющей, через которую проходит подвеска. Причем направляющая фиксируется в шпуре и индикаторного элемента, помещенного на подвеске с возможностью относительного перемещения направляющей относительно индикатора. Смещение направляющей относительно индикатора указывает на расслоение пород в интервале от репера, соединенного с индикатором, до точки скрепления направляющей со стенками скважины. Индикатор имеет форму цилиндра и снабжен на поверхности цветными полосками. Направляющая имеет форму трубчатого рукава. Пружинный репер содержит несколько кольцевых витков в осевой плоскости шпура. К одному из витков пружины присоединена гибкая подвеска, представляющая собой проволоку.

Недостаток устройства контроля расслоения кровли состоит в отсутствие информации о расслоении кровли на интервале между опорным репером у дна скважины до горизонта анкерования (головка анкера у дна скважины минус 300 мм в сторону устья скважины), а также от горизонта анкерования до устья скважины. Отсутствие такой информации не позволяет обосновать рациональный выбор длины анкера и длину закрепляющей втулки (интервал закрепления смолой или минеральной композицией), выявить распределение максимумов расслоения по глубине от поверхности контура выработки.

Ненадежна также работа пружинных реперов из витков в плоскости оси шпура с упругими усами. Контакт усов со стенками шпура ниже кольцевых витков репера, к которым крепится подвеска. По этой причине кольца пружины прижимаются при натяжении подвески к одной из стенок шпура.

Вследствие этого при использовании нескольких реперов гибкие подвески от вышерасположенных реперов могут быть прижаты к стенке шпура и индикаторы могут потерять возможность относительного перемещения.

Целью предлагаемого изобретения является повышение информативности и надежности контроля расслоения приконтурного массива горных выработок.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве контроля расслоения приконтурного массива горных выработок, включающем гибкую подвеску, закрепленную на опорном репере у дна скважины в горном массиве, устье которой закреплено направляющей, торец которой выступает в выработку и через которую проходит гибкая подвеска, свободный конец которой закреплен на опорном индикаторе с цветными полосками на внешней поверхности, опорный индикатор охвачен концентрично контрольным индикатором, размещенным одним концом в направляющей и соединенным посредством гибкой подвески с контрольным репером, установленным на горизонте анкерования, причем внешняя поверхность контрольного индикатора снабжена цветными полосками и линейной разметкой, которой снабжен и опорный индикатор, индикаторы выполнены и установлены с возможностью относительного перемещения и отсчета перемещений контрольного индикатора относительно опорного и направляющей. Цветные полоски индикаторов выполнены из световозвращающего материала. Для контроля расслоения по глубине максимумов расслоения в промежутках между опорным и контрольным реперами и направляющей в скважине установлены промежуточные реперы, которые соединены гибкими подвесками с промежуточными индикаторами, зафиксированными на подвесках с возможностью считывания относительного их перемещения. Реперы состоят из кольцевой пружины, навитой соосно с осью скважины, концы которой отогнуты в осевой плоскости под острым углом к стенкам скважины и оперты на них. Репер может быть выполнен в виде втулки с упругими усами, к перекрестию которых прикреплен конец гибкой подвески индикатора.

Введение контрольного индикатора с репером, закрепленного на уровне горизонта анкерования (конец головки анкера минус 300 мм к устью скважины), необходимо для раздельного контроля расслоения пород кровли выработки в интервале от контура выработки до горизонта анкерования и в интервале от опорного репера до горизонта анкерования. Длина контактного анкера, закрепляемого смолой или минеральной композицией, расчетным путем выбирается такой, чтобы не была превышена норма расслоения на интервале от горизонта анкерования до опорного репера у дна скважины. За норму расслоения принимается однопроцентная величина расслоения. Эта величина контролируется шириной цветной полоски опорного индикатора. Так, для интервала между реперами 2500 мм ширина зеленой (синей) полоски в соответствие с этой нормой составляет 25 мм. Расслоение затухает по мере удаления от контура выработки. Поэтому скорость и величина расслоения контрольного репера выше, чем опорного, который размещен выше у дна скважины.

Вследствие этого в процессе расслоения кровли контрольный индикатор, связанный с контрольным репером гибкой подвеской, перемещается относительно опорного вниз и по мере увеличения расслоения постепенно перекрывает зеленую (синюю) полоску, ширина которой соответствует норме расслоения.

Полное перекрытие зеленой полоски опорного индикатора контрольным, который представляет собой отрезок трубы, является сигналом к тому, что дальнейшее опускание контрольного индикатора свидетельствует о том, что величина расслоения превышает норму безопасного, необходима диагностика геомеханического состояния, необходимо внимание к скорости расслоения, нагрузке на анкеры и непрерывный контроль. Отсутствие затухания при перемещении контрольного индикатора, перекрывающего следующую полоску, свидетельствует о необходимости перекрепления или подкреплении контролируемого участка выработки.

Относительное перемещение торца направляющей по контрольному индикатору контролирует величину расслоения кровли на интервале от контура выработки до контрольного репера на горизонте анкерования.

Таким образом, введениe контрольного репера и индикатора позволяeт разделить визуальный контроль расслоения кровли на два интервала и повысить надежность контроля на самом ответственном интервале расслоения на горизонте анкерования и выше до опорного репера.

Для привлечения внимания к месту размещения индикаторов для визуального контроля расслоения рабочими и надзором цветные полоски индикаторов выполнены из световозращающего материала. При освещении лампой "свет шахтера" цветные полоски отражают и рассеивают свет, и наблюдается свечение, что привлекает внимание.

Для оценки распределения максимумов расслоений по глубине от контура выработки, на интервалах от контура выработки до контрольного и выше установлены промежуточные распоры, соединенные с гибкими подвесками с промежуточными индикаторами в виде грузиков. Промежуточные индикаторы закреплены на подвесках с возможностью относительного перемещения напротив разметок контрольного и опорного индикаторов и снабжены также разметкой. Этот контроль необходим для уточнения параметров анкерного крепления (длина анкеров, длина закрепляющей втулки, плотность установки анкеров).

Для того чтобы исключить возможность зажима нижерасположенными реперами гибких подвесок реперы выполняются в виде втулки из отрезка трубы или из кольцевой пружины, установленными соосно с отверстием скважины. В таком случае гибкие подвески вышерасположенных реперов проходят через осевое отверстие peперa. Для фиксации соосности реперов со скважиной и прочностью закрепления их пружинный репер в виде втулки из отрезка трубы крепится двумя парами упругих усов. Каждая пара расположена в осевой плоскости скважины под острым углом к стенкам скважины и оперта о них. Причем осевые плоскости расположения пар усов перпендикулярны друг к другу. В пружинном репере пара усов образована отогнутыми концами пружины. Вторую пару могут составить плечи коромысла, вставленного внутрь кольцевой пружины. Плечи коромысла перегнуты через витки кольцевой пружины. Коромысло по форме представляет собой полукольцо или кольцо, наружный диаметр которого несколько больше внутреннего диаметра витков соосной пружины. Концы коромысла входят в отверстие соосной кольцевой пружины и перегнуты через кольца витков. Причем перегибы размещены между витками соосной пружины. Такая конструкция имеет надежное четырехточечное скрепление со стенками скважины и не зажимает гибкие подвески вышерасположенных индикаторов, т.к. подвески проходят через внутреннюю полость соосной пружины. Коромысло может быть выполнено в виде замкнутого кольца, ось которого перпендикулярна продольной оси скважины. При отсутствии коромысла опора на стенки скважины осуществляется на два уса. Поэтому в таком случае диаметр соосной пружины выбирается несколько большим половины диаметра скважины, тогда гибкие подвески вышерасположенных реперов при отклонении пружины к стенке скважины не будут отклонены от центра скважины.

В случае выполнения репера в виде втулки упругие усы оперты о стенки скважины также в четырех точках. Пересечение упругих усов размещено на оси втулки. На пересечении усов закреплен конец гибкой подвески индикатора. В качестве гибкой подвески использован нержавеющий канат диаметром 0.6 мм.

Выполнение реперов предлагаемых конструкций гарантирует невозможность зажимов гибких подвесок в отличие от реперов прототипов, независимо от их количества.

Анализ источников информации позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое устройство удовлетворяет признакам "новизна" и "достижимости технического результата".

Сущность предложения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема размещения в контрольной скважине устройства контроля расслоения приконтурного массива горных выработок.

На фиг.2 - схема размещения индикаторов в устье скважины.

На фиг.3 - осевой разрез пружинного репера с коромыслом в виде полукольцa.

На фиг.4 - разрез А-А фиг.3.

На фиг.5 - вид Б фиг.3.

На фиг.6 - вариант пружинного репера с коромыслом в виде кольца.

На фиг.7 - разрез фиг.6.

На фиг.8 - вариант репера в виде втулки с упругими усами.

На фиг.9 - вид А фиг.8.

Устройство контроля расслоения приконтурного массива горных выработок размещается в скважине 7 (фиг.1,2) и у ее устья, пробуренной в кровле выработки 2, контур которой закреплен контактными анкерами 3 с использованием закрепляющей втулки 4 из смолы или минеральной композиции. Устройство контроля расслоения приконтурного массива горных выработок (УКРПМГВ) состоит из опорного репера 5, соединенного гибкой подвеской 6 с опорным индикатором 7, контрольного репера 8, соединенного гибкой подвеской с контрольным индикатором 9, промежуточных реперов 10, соединенных гибкими подвесками с индикаторами-грузиками 11. Устье скважины закреплено направляющей 72, через которую проходят гибкие подвески и в которой размещены на подвесках концы индикаторов (см. фиг.1, 2). Торец направляющей 12 выступает из устья скважины на 50-70 мм. Направляющая 12 выполняет функцию обсадной трубки и контурного репера. Направляющая 12 представляет собой отрезок полиэтиленовой трубы, которая на внешней поверхности имеет упругие усы (не показано) в нескольких (5-8) точках, которые фиксируют положение направляющей в устье скважины.

На поверхности контрольного и опорного индикатора наклеены цветные полоски 13, 14, 15; 13-я полоска зеленая (синяя), 14-я - белая (желтая), 15-я - красная. Полоски для привлечения внимания выполнены из световозвращающего материала. Все индикаторы 7, 9, 11 для отсчета относительного перемещения снабжены миллиметровой разметкой 16.

Опорный индикатор представляет собой стальную трубку с полиэтиленовыми пробками 77 на торцах. Через осевое отверстие в пробках пропущена гибкая подвеска 6 (нержавеющий хромоникелевый канат диаметром 0,6 мм). Индикатор 7 зафиксирован на конце каната 6 обжимной втулкой 18, один конец которой зафиксирован в пробке 17. Контрольный индикатор 9 в виде отрезка трубы охватывает конец трубки опорного индикатора 7. Гибкая подвеска опорного индикатора 7 проходит через отверстие в пробке 19 контрольного индикатора. Пробки 17, 19 необходимы для фиксирования положения индикаторов 7, 9 и гибкой подвески 6. Подвеска 6 контрольного индикатора 9 проходит в направляющей трубке 20, и на конце фиксирует положение индикатора 9 обжимом трубки 20. Трубка 20 прикреплена к внутренней стенкe индикатора 9 с помощью клея или пайки. Также, как и опорный, контрольный индикатор на внешней поверхности имеет цветные полоски 13, 14, 15 из световозвращающего материала и миллиметровую разметку 16.

Миллиметровую разметку имеют и промежуточные индикаторы 11. Их конструкция аналогична конструкции опорного индикатора 7.

Реперы могут изготавливаться двух вариантов.

Пружинный репер состоит из витой кольцевой пружины 21 (фиг. 3, 4, 5, 6, 7), соосной с осью скважины, с отогнутыми в осевой плоскости под острым углом к стенкам скважины и опертыми на них концами. В перпендикулярной осевой плоскости расположено коромысло 22 с седлом, плечи которого размещены между витками пружины 27 и перегнуты через них под острым углом к стенкам скважины и оперты на них. Седло коромысла выполнено в виде части кольца (фиг.4, 5) или замкнутого кольца (фиг.6, 7), внешний диаметр которого несколько (≈5 мм) больше внутреннего диаметра колец пружины 21. Увеличенный диаметр седла необходим для фиксации положения коромысла в заданной осевой плоскости. Для этих же целей необходимо размещение перегиба плеч коромысла между витками пружины 21. Плечи коромысла 22 в перегнутом виде легко размещаются между витками 21 путем их относительного вращения вокруг оси пружины 21. К седлу коромысла 22 крепится гибкая подвеска (канатик) 6. Закрепление подвески 6 осуществляется посредством обжимной втулки 23. При отсутствии коромысла гибкая подвеска крепится к кольцам соосной пружины.

Другой вариант репера представляет собой цилиндрическую втулку 24 с отверстиями, в которые в двух осевых перпендикулярных плоскостях вставлены коромысла 25, 26 с отогнутыми концами. Концы отогнуты под острым углом к стенкам скважины и оперты на них (фиг.1). К перекрестию коромысел присоединена гибкая подвеска 6. Подвеска 6 закреплена на перекрестии коромысел 25, 26 посредством обжимной втулки 23.

В обоих вариантах реперы имеют четырехточечную опору на стенки скважины. Гибкие подвески вышерасположенных реперов проходят внутри соосного со скважиной корпуса репера (кольцевая пружина 27 или втулка 24). Вследствие этого исключается возможность зажима или отклонения подвески 6 более чем на 1^o от центра скважины. При отсутствии коромысла соосная пружина имеет двухточечную опору и для предотвращения отклонения гибких подвесок вышерасположенных реперов от центра скважины диаметр соосной пружины выбран большим половины диаметра скважины.

Устройство поставляется заказчику в собранном виде без фиксации индикаторов на подвесках. Концы подвесок намотаны на катушки.

Монтаж устройства осуществляется в следующей последовательности.

После бурения скважины 7 в кровле горной выработки 2 в устье скважины вставляется направляющая обсадная труба 72 с выступом торца в выработку на 50-70 мм. Через нее посредством досылочной штанги к дну скважины досылается опорный репер 5. При этом закрепленный на ней канат с небольшим натягом сматывается с катушки. Катушки и канатики 6 промаркированы. Аналогичным образом устанавливаются промежуточный репер 10, контрольный 8 и вновь промежуточный репер 10. Число промежуточных реперов может быть различным. Контрольный репер устанавливается на горизонте анкерования 26 (горизонт MN). Горизонт анкерования выбирается на уровне головки (конца) анкера у дна шпура минус 300 мм.

Интервал 300 мм выбран из условия обеспечения равновесия анкера закрепляющей втулкой 4 (смола или минеральная композиция), исходя из его сдвиговой и контактной прочности, обеспечивающей подвеску неустойчивой части массива к устойчивой. Интенсивное расслоение дезинтеграция пород кровли до горизонта 26 допустимо. Выше недопустимо. Поэтому интервал расслоения выше горизонта MN и ниже контролируется отдельно.

После монтажа реперов 5, 10, 8, 10 (фиг.1, 2) на подвесках 6 фиксируется контрольный индикатор 9 на уровне начала миллиметровой разметки 16 напротив торца направляющей трубы 12. Затем на канате 6 фиксируется опорный индикатор 7 на уровне начала его миллиметровой разметки напротив торца индикатора 9. Фиксация индикатора 7 осуществляется обжимом пассатижами втулки 18, индикатора 9 - обжимом концевой части трубки 20. После этого фиксируются промежуточные индикаторы 11 аналогично фиксации опорного репера. Индикаторы 11 фиксируются на таком уровне, чтобы их разметки совпадали с разметками контрольного индикатора 9.

Работает устройство следующим образом.

Монтаж устройства в скважине 1 осуществляют непосредственно у проходческого забоя выработки 2. В результате подработки массива происходит перераспределение первоначального поля напряжений. Под действием напряжений и деформационных процессов в окрестности выработки 2 формируется некоторый контур 27 неустойчивой части массива, который сшивается и подвешивается к устойчивой посредством анкеров 3, скрепленных с массивом в шпурах закрепляющей втулкой 4 из смолы или минеральной композиции.

Дезинтеграция приконтурного массива в виде расслоений слоистой толщи, кососекущих и нормальносекущих трещин убывает от контура выработок. По мере дезинтеграции массива нижний промежуточный репер 10 и направляющая обсадная труба 12 смещаются в выработку интенсивнее, чем реперы 8, 10 и 5. Поэтому труба 12 будет перекрывать разметку 16 и цветную полоску 13 контрольного индикатора 9, а индикатор 11 с разметкой 16 будет опускаться относительно разметки контрольного и опорного индикаторов. По относительному смещению (Ц) разметок индикаторов к соответствующему расстоянию (h_i) между реперами в процентах оценивают интенсивность расслоения. За норму принимают 1% уровень расслоения. Если на интервале h₃ уровень расслоения в течение длительного времени (более 3 месяцев) ниже 1%, то длину анкеров можно уменьшить. Такие же наблюдения ведут на интервалах глубины h₂, h₁. Сравнение относительных расслоений на различных интервалах (при данной и большей плотности реперов) позволяет определить максимумы распределения расслоений по глубине скважины, их интенсивность и обосновать выбор длины анкеров, длину закрепляющей втулки, плотность анкерования, скорректировать метод расчета параметров анкерной крепи. Введение контрольного репера и индикатора позволяет разделить контроль расслоения выше и ниже горизонта анкерования. Наибольшую опасность представляют случаи, когда интенсивность расслоения больше нормы наблюдается на интервале (h₁+h₂). В таком случае контрольный индикатор 9 перекроет зеленую (синюю) полоску 13 опорного индикатора 7 и с незатухающей скоростью будет приближаться к красной полоске 15. В таком случае породы могут обрушиться вместе с анкерами 3. При этом интенсивность расслоений на интервале h₃ может быть в пределах нормы, т.к. на интервале h₃ могут залегать прочные пачки породы. По этой причине необходим раздельный контроль расслоений на интервалах (h₁+h₂) и (h₃+h₁) и (h₁), (h₂), (h₃), (h₄), что достигается введением контрольного репера 8 и контрольного индикатора 9. Причем, благодаря световозвращающему материалу, цветные полоски хорошо видны проходчику и удобен визуальный контроль расслоений и момент приближения к опасному состоянию, когда требуется дополнительное крепление.

Введение цветных полосок и разметок на контрольном индикаторе удобно для визуального контроля и оценки уровня расслоений кровли ниже горизонта анкерования. Индикаторы 7, 9, 11 обладают массой и поэтому гибкие канаты подвески 6 имеют прямолинейную форму и точно передают информацию о расслоениях в слоях кровли, в которых закреплены реперы, к которым присоединены канаты 6. Конструкция реперов 5, 8, 10 обеспечивает надежное четырехточечное опирание на стенки скважины и пропуск гибких подвесок по центру скважины без отклонений (< 1^o) и зажима. Четырехточечное закрепление надежнее двухточечного, т. к. стенки скважин склонны к окислению и осыпанию под влиянием действующих напряжений.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет достичь цели, а именно достичь увеличения информативности и надежности контроля расслоения, за счет разделения контроля выше и ниже горизонта aнкеровaния введением контрольного и промежуточных реперов и индикаторов и введения более надежных реперов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А.с. 538227, M. кл. G 01 С 15/04, опубл. 1976 г.

2. A.c. 859815, M. кл., G 01 C 15/04, опубл. 1981 г.

3. Пат. Англии 2253707, М.кл. G 01 B 5/30, E 21 D 21/02 (протопит).