Изучение деформации и сдвижения горных пород и угля

19.05.2018
Изучение закономерностей сдвижения и деформации массива горных пород, возникающих в результате проведения горных выработок, является одной из наиболее важных задач механики горных пород. На основе этих исследований представляется возможным решать вопросы поддержания подземных выработок и охраны сооружений на земной поверхности, управления кровлей и применения механизированных крепей и агрегатов, раскрытия сущности явления горных ударов, внезапных выбросов угля и газа и разработки мер борьбы с ними, последовательности разработки пластов угля и схем их подготовки. Изучение законов сдвижения и деформации горных пород должно базироваться на инструментальных данных о поведении горных пород и земной поверхности.

На первой стадии наших исследований наблюдения велись главным образом за сдвижением земной поверхности и за поведением боковых пород в рабочем пространстве лав, в нарезных, подготовительных и капитальных выработках.

Специфика исследования горных ударов, а также управления труднообрушаемыми кровлями в Кизеловском бассейне выявила крайнюю необходимость измерений сдвижения горных пород и угля в толще массива, в недоступных для непосредственных наблюдений местах (в закладке, в выработанном пространстве, в местах, опасных по горным ударам). В связи с этим возник вопрос о разработке новых методов и аппаратуры. Наиболее существенные из таких разработок можно объединить в две группы:

1) дистанционная и автоматическая регистрация смещений и деформаций с помощью датчиков реостатного и импульсного типов;

2) измерения смещений и деформаций в массиве горных пород и угля с помощью глубинных реперов.

Наблюдения за поведением горных пород и угля в массиве по своим задачам подразделяются на несколько видов:

1. Измерение сдвижения горных пород в промежуточной толще через скважины, пробуренные с земной поверхности.

2. Измерение сдвижения отдельных слоев кровли через восстающие скважины, пробуренные из горных выработок.

3. Измерение сдвижений угля в толще с помощью закладки глубинных реперов в скважинах, пробуриваемых в угольный пласт из горных выработок.

4. Измерение деформаций горных пород в зонах опорного давления и разгрузки с помощью глубинных реперов, закладываемых за пределами влияния выработки, из которой ведутся наблюдения.

Последний метод дает возможность выявить истинные деформации массива горных пород в процессе выемки соседних (защитных) пластов, установить размеры зоны опорного давления и разгрузки, определить точки с максимальной опорной нагрузкой и с наибольшей разгрузкой. В отдельных случаях по известным упругим характеристикам пород и по измеренным деформациям представляется возможным подсчитать нагрузки в зоне опорного давления. В последние годы вместо проволоки для выводов от глубинных реперов стали применять жесткие штоки, что дало возможность повысить точность наблюдений. Практическая точность измерений с помощью глубинных реперов стала приближаться к точности, которую могут обеспечить приборы, применяемые для измерения деформаций у устья скважины (например, струнные датчики, индикаторы часового типа).

На рис. 1 показано использование глубинных реперов для измерения деформаций в зонах опорного давления и разгрузки.

Метод глубинных реперов в последние 10—15 лет широко применяется в исследованиях ВНИМИ и других организаций. Он объективно оценивает поведение и состояние горных пород и угля в массиве.

Помимо измерения перемещений и деформаций пород вдоль скважины, часто возникает необходимость измерять деформации поперек скважины. В этих случаях в качестве глубинных реперов используются двух-, трех- и четырехкомпонентные деформометры.

Выше речь шла о методах и приборах, позволяющих измерять деформации и смещения в глубине массива горных пород и угля. Вместе с тем широко применялись и обычные методы, обеспечивающие измерение деформаций и смещений пород и угля на стенках горных выработок. Они были нужны как для изучения проявления горного давления в самих этих выработках, так и для изучения влияния отработки соседних угольных пластов. В последнем случае, конечно, должно учитываться, что в зонах опорного давления и разгрузки получаются не «истинные» деформации массива горных пород, а деформации, на величине которых сказывается влияние самой выработки, где заложены пункты наблюдений. На стенках выработок или в специальных нишах закладываются обычно «пары» и «кресты» реперов с базой измерения 0,5—1,5 м. Измерения ведутся микрометренными стойками конструкции Д. В. Родкевича или стойками СУИ-2, на которых для расширения диапазона измерений сверлятся фиксирующие отверстия через 10 мм на участках 15—20 см.

В случаях, когда необходимы измерения на больших базах, используется специальная рулетка ВНИМИ. С помощью ее можно производить измерения с точностью 0,2—0,3 мм на базе до 5 м.