Способ контроля механического состояния горного массива

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) I (51) 4 Е 21 С 39/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3726043/22-03 (22) 16.04.84 (46) 15.12.85. Бюл. № 46 (71) Московский геолого-разведочный институт им.Серго Орджоникидзе 1 (72) А.М,Тимченко и А.П.Логинский (53) 622.289 (088.8) (56) Техника контроля напряжений и деформаций в горных породах. Л.:

Наука, 1978, с.74-83.

Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок.

Л.: Наука, 1978, с.64-113. (54)(57)

КОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА, включающий измерение текущих параметров напряженного состояния горного массива посредством исходных датчиков, установленных в фиксированных точках контроля, и определение критических значений этих параметров, отличающийся тем, что, с целью повышения точности достоверности контроля за счет определения отклонения состояния масси. ва от равновесного, предварительно определяют исходное напряженное состояние не менее чем для двух дополнительных точек контроля, устанавливают в них дополнительные датчики, по измеренным с их помощью параметрам напряженного состояния определяют единичный интервал времени контроля, градиенты текущего параметра для каждой пары установленных исходных датчиков и по стабильности градиентов определяют момент нарушения равновесности горного масси« ва, после чего измеряют посредст-. е вом дополнительных датчиков скорость изменения текущих параметров напряженного состояния относительно исходного в единичный интервал- вре-. мени контроля и по ее величине

МФ определяют степень устойчивости гор.—, Миазм ного массива. фри

:Ж

Ь3

«Р

3Я

ll

Изобретение относится к горному делу и предназначено для контроля степени устойчивости массива горных пород в процессе горных работ.

Цель изобретения — повышение точности достоверности контроля за счет определения отклонения состояния, горного массива от равновесного.

Способ осуществляют следующим образом.

Выбирают участок контролируемого массива и по степени риска оценивают минимальный объем массива, обрушение которого будет технологически неприемлемо., Естественно, что размер этого объема (линейный) будет меняться в зависимости от близости очистного пространства, Таким образом, весь контролируемый массив разбивают на элементы контролирования, в каждый из которых устанавливается датчик для измерения напряженного состояния массива, например. датчик гидростатического давления. Идея контроля не нарушится, если будут измеряться другие параметры напряженного состояния с условием, что они характеризуют изменение внутренней энергии в контролируемой среде, приходящейся на одну степень механической свободы этой среды.

Определяют исходное напряженное состояние для двух дополнительных точек массива, Практически это можно сделать методом полной разгрузки, в тривиальном случае — в точках пересечения плоскостей симметрии — аналитическим расчетом. Важно иметь в виду, что требуется знание полного (абсолютного) напряженного состояния, т.е. в сравнении с полностью разгруженным состоянием, Необходимость выбора двух точек контроля обусловлена возможностью определения по. ним направления к очагу разрушения и дублированием показаний, что увеличивает надежность контроля, По результатам измерений либо расчета

1 определяют абсолютные значения гидростатического давления в этих точках массива, Устанавливают в пробуренные скважины исходные и дополнительные датчики гидростатического давления, Установка включает заливку их твердеющим раствором во всей скважине или в большей ее части и вывод подводя98202 2 щих проводов от устья скважин к местам, удобным для измерения, По результатам слежения за показаниями датчиков судят о твердении заделочного материала, когда показа-. ния стабилизируются, приступают непосредственно к контролю.

По показаниям исходных датчиков определяют исходное поле градиентов

1О гидростатического давления для каждой пары датчиков, В дальнейшем сле-. дят за стабильностью этого поля, являющейся характеристикой равновеснос-. ти, т.е. выделяют из всего массива

15 его неустойчивые элементы по расположению в массиве той пары датчиков, которая регистрирует нестабильность градиента.

Возможность определения равно2О весного состояния массива пород по стабильности градиентов гидростатического давления следует иэ следующих теоретических предпосылок.

Если ввести понятие энтропии

25 механического состояния(5) с энергией состояния (Е) в виде:

Е

30 где P(kj) — вероятность пребывания механической системы в состоянии ( то выражение для вероятности состояния (Р Д;), соответствующего равновесному состоянию, будет иметь вид

p(z,) =ехр(-g,- E, ), 4О гме О(и )Й коэффициенты Пагранжа учитывающие требование, максимума энтропии $ .

В то время вероятность механического состояния сложной системы, 45 состоящей, например, из двух подсистем, будет равна:

p(n .) =Р„(„) P (n. ) =

= ех Р(- (.„-р.,Е,,") ела(-К,-j B )

gp или для наиболее вероятного (равновесного) состояния: аа. р,) дЕ

=O =P <+(-1) -

55 Из этого следует, что состояние системы будет равновесным, когда параметры состояния Ю каждой из подсистем равны, По физическому

1198202

55 смыслу этот параметр характеризует количество степеней свободы, приходящихся на единицу внутренней энергии. Для того, чтобы состояние массива было, устойчивым, достаточно соблюдение следующих условий: состояние системы должно быть равновесным, система должна обладать минимумом потенциальной энергии.

Таким образом, контролируя ста- !О бильность параметра ф, можно контролировать первое условие устойчивости — равновесность. Зная физический смысл этого параметра, с его помощью возможен контроль. изменения !5 функции внутренней энергии системы

/Е(! ;)/ от параметра внешнего воздействия(;) ; появление отрицательной производной от функции Е

= Е(1,) характеризует появление 20 признаков нарушения структуры, т.е. трещинообразование, при отсутствии других внешних факторов. Причем величина этой производной пропорциональна степени отклонения текущв 25

ro состояния от равновесного. Тогда1 определенная величина этой производной может служить критерием разрушения системы. Таким образом, зная распределение параметров в систе4 З0 ме,можно: по стабильности градиента поля этого параметра контролировать равновесность состояния системы; при нарушении равновесности по показателю состояния в виде произ- З

35 водной внутренней энергии по параметру внешнего воздействия можно судить о степени устойчивости неравновесной системы.. Так как нарушение равновесности системы сопряжено с появлением дополнительных степеней свободы за счет трещинообразования, то в виде показателя состояния можно использовать производную параметра Р. по параметру интенсивности трещинообразования 1;

В связи с тем, что гидростатическое давление. является инвариантом тензора напряжений в точке контроля, то по стабильности поля гидростатического давления можно судить о равновесности горного массива. Для удобства же контроля показатель устойчивости надо свести к временной производной. Основным параметром внешнего воздействия, если деформацию считать характеристикой внутренней энергии, будут параметры трещинообразования. Тогда где t — текущее время, За. параметр трещинообразоваййя можно принять, например, величину угла развития эквивалентной трещины (y), разгрузочное действие которой в данной точке эквивалентно действию всех существующих реальных трещин. дР

Зависимость вида — г (у)была рассчиР тана численным методом плоской модели как регрессия относительного изменения гидростатического давления на угле развития единичной трещины. B результате она имеет следующий вид: г!,2243-ехР а, 35

P (ll )+ !06 со средним квадратическим отклонением !

О

Для замены текущей переменной Т 8 на время с- из соотношения — = 1, Ы кределяют единичный интервал времени контроля, который будет равен тому периоду, за который величина а,р

P изменится при изменении р на единицу. Тогда по приближению скорости изменения относительного гидростатического давления к единице ,можно контролировать процесс приближения деформируемого горного мас, сива к моменту разрушения.

Пример . Контролируют устойчивость системы подземных конструкций "целик-кровля" для условий

Джезказганского месторождения. Визуально оценивают структурную нарушенность массива в этой системе. В местах., приуроченных к местам видимых тектонических нарушенйй, выбирают точки диагностического контроля, куда устанавливают исходные датчики гидростатического контроля. Для этого пробуривают скважины, положение забоя которых соответствует точ1 ке контроля. Датчики в них фиксируют твердеющим раствором, жесткость которого в твердом состоянии соответствует жесткости массива. По результатам предварительных исследований принято считать, что поведение исходного массива отвечает упругой модели деформирования. Поэтому

1198202

Составитель И,Назаркина

Редактор Н.Киштулинец Техред M.Надь Корректор И.Муска

Заказ 7698/32 Тираж 481 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1130353 Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул, Проектная, 4 аналитически, исходя из конкретных граничных условий, рассчитывают . исходное гидростатическое давление для двух точек целика, расположенных в плоскости симметрии, и двух точек для потолочины в плоскостях пересечения соответствующей потолочины с гранью целика, т.е. для точек легко рассчитываемых аналити1 чески. В эти очки устанавливают дополнительные датчики гидростатического давления. В течение последующего времени по результатам исходных датчиков строят градиенты поля гидростатическаго давления и выбирают по изменчивости зтого показателя оптимальный интервал контроля. По данным дополнительных датчиков определяют в начальный период единичный интервал времени контро" ля. В дальнейшем по данным исходных датчиков контролируют равновесность, при ее потере по данным, дополнительных датчиков по принятому критерию контролируют устойчи1О вость текущего механического состояния.

Использование предлагаемого способа позволяет повысить надежность и достоверность контроля устойчивости

15 отрабатываемого горного массива, а также создать предпосылки для автоматизации общешахтного контроля за счет его унификации.