Способ определения напряженного состояния массива горных пород

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к способам определения напряженного состояния массива горных пород. При проходке горных выработок бурят, заряжают и взрывают проходческие шпуры. Способ включает бурение шпура, определение начального и конечного диаметра шпура. Причем конечный диаметр шпура и максимальный размер куска породы в шпуре определяют после взрыва взрывчатого вещества. Величину напряженного состояния горного массива определяют из выражения:

,

где σ_сж – предел прочности породы на сжатие, Па; D – скорость детонации взрывчатого вещества, м/с; ρ_в – плотность заряжания, кг/м³; d_з – первоначальный диаметр шпура, равный заряду ВВ, м; с – скорость продольной волны в породе, м/с; d_к – максимальный размер куска породы в шпуре после взрыва; µ - коэффициент трения между отдельностями в массиве; ϑ - коэффициент Пуассона горной породы; D_c – конечный диаметр шпура, м; Ф – показатель трещиноватости; d_e – размер отдельности в массиве, м; п = 3,14. Техническим результатом способа является оперативное определение напряженного состояния горного массива в процессе проходки горных выработок в различных по прочности горных породах и при различной величине горного давления.

 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к способам определения напряженного состояния массива горных пород, и может использоваться для составления рекомендаций по безопасному ведению горных работ.

Известен способ определения напряженного состояния горных пород по патенту РФ №2398964 (Опубликовано: 10.09.2010), который включает задание требуемой детальности исследования массива, установку датчиков в скважинах, пробуренных от поверхности обнажения вглубь массива, регистрацию электромагнитных и сейсмоакустических сигналов, излучаемых естественными источниками в массиве горных пород и определение параметров этих сигналов. При этом выбирают шаг измерения в соответствии с требуемой детальностью; задают ширину скользящего пространственного окна, охватывающего несколько последовательно расположенных точек измерения, для множества пар значений параметров регистрируемых сигналов, соответствующих одним и тем же точкам внутри пространственного окна; определяют коэффициент корреляции и ставят его значение в соответствии средней точке пространственного окна и в случае положительного значения коэффициента корреляции напряженное состояние массива горных пород в этой точке относят к допредельной стадии, а в случае отрицательного - к запредельной стадии деформирования. Ширину пространственного окна выбирают из условия статистической значимости коэффициента корреляции.

Известен способ определения напряжений в горном массиве при динамическом разрушении открытых поверхностей горных выработок, включающий определение прочности горной породы на сжатие определение величины напряжения в массиве по формуле:

P = 0,7σ_сж, (1)

где σ_сж – предел прочности породы на сжатие, МПа.

(См. «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам: федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности». Сер. 06 – М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2014 – Вып. 7. – 80 с.)

Однако предложенный способ можно применить только в удароопасных массивах горных пород, где происходят динамические проявления горного давления.

Наиболее близким техническим решением является способ определения напряженного состояния массива, который включает определение прочности горной породы на сжатие , бурение шпура, определение начального и конечного диаметра скважины, и определение величины напряжения в массиве горных пород по формуле

, (2)

где d₂ – конечный диаметр скважины, мм,

d₁ – начальный диаметр скважины, мм.

(См. «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам: федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности». Сер. 06 – М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2014 – Вып. 7. – 80 с.)

Однако деформации стенок скважины могут происходить как в удароопасных горных массивах, так и в породах с малой прочностью. В прочных горных породах, где σ_сж = 100 МПа, на небольших глубинах менее 300 м в породах с малой прочностью деформация стенок скважин не происходит. В этом случае d₁ = d₂ и по формуле (2) определение величины напряжения в массиве горных пород дает абсолютно не верный результат:

P = 2,85 σ_сж.

Задачей изобретения является расширение арсенала способов определения напряженного состояния массива горных пород.

Техническим результатом предлагаемого способа является определение напряженного состояния массива горных пород при взрыве цилиндрического заряда взрывчатого вещества (далее ВВ) в любых горно-геологических и горнотехнических условиях.

Результат достигается тем, что в способе определения напряженного состояния массива горных пород «Р», включающим бурение шпура и расчет величины напряжения в массиве из соотношения в зависимости от прочности горной породы на сжатие, первоначального диаметра шпура сразу после бурения и конечного диаметра шпура, внесены следующие новые признаки:

шпур заряжают, взрывают взрывчатое вещество, после взрыва определяют конечный диаметр шпура и максимальный размер куска породы в шпуре, далее с учетом детонационных характеристик взрывчатого вещества, физико-технических свойств и трещиноватости горного массива, определяют величину напряженного состояния горного массива из выражения:

, (3)

где: σ_сж – предел прочности породы на сжатие, Па;

D – скорость детонации ВВ, м/с;

ρ_в – плотность заряжания, кг/м³;

d_з – первоначальный диаметр шпура, равный заряду ВВ, м;

с – скорость продольной волны в породе, м/с;

d_к – максимальный размер куска породы в шпуре после взрыва, м;

µ - коэффициент трения между отдельностями в массиве;

ϑ - коэффициент Пуассона горной породы;

D_c –конечный диаметр шпура, м;

Ф – показатель трещиноватости;

d_e – размер отдельности в массиве, м;

π = 3,14.

Предложенный способ в отличие от известного позволяет определять напряженное состояние горного массива в различных по прочности горных породах и при различной величине горного давления.

Данный способ осуществляют следующим образом. Физико-механические свойства: предел прочности породы на сжатие (σ_сж), скорость продольной волны в породе (с), коэффициент Пуассона горной породы (ϑ), определяют по известным методам лабораторных испытаний на одноосное сжатие и прозвучивание образцов горной породы. Размер отдельности d_e, определяют линейным методом по обнаженному забою выработки.

Значения величин: показатель трещиноватости (Ф), коэффициент трения между отдельностями в массиве (µ) взаимосвязаны с размером естественной отдельности d_e, их определяют из таблицы 1. (Тюпин В.Н., “Взрывные и геомеханические процессы в трещиноватых напряженных горных массивах”, - Белгород: ИД ”Белгород”, НИУ БелГУ, 2017 г.).

Таблица 1 для определения показателя трещиноватости и коэффициента трения между отдельностями по размеру отдельности в массиве

Детонационные характеристики ВВ: скорость детонации D, плотность заряжания ρ_в и диаметр заряда ВВ d₃ определяют, используя справочную литературу (Тюпин В.Н., “Взрывные и геомеханические процессы в трещиноватых напряженных горных массивах”, - Белгород: ИД ”Белгород”, НИУ БелГУ, 2017 г.).

Далее бурят шпур или группу шпуров, например, при проходке горной выработки, заряжают зарядами ВВ и взрывают с учетом детонационных характеристик ВВ.

Конечный диаметр шпура D_с, максимальный размер куска d_к в конечном диаметре шпура определяют линейным методом по обнаженному забою выработки после взрыва.

Численные значение параметров подставляют в формулу (3) и получают величину напряженного состояния горного массива.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

Для определения напряженного состояния горного массива на руднике №8 ПАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение», при проходке горно-капитальных выработок на X горизонте в гранитном массиве проведены исследования. После проходческого буровзрывного цикла в забое выработки отбирают образцы горных пород и определяют физико-механические свойства: σ_сж = 144*10⁶ Па, c = 4,54*10³ м/с, ϑ = 0,23. По забою штрека, линейным методом определяют размер естественной отдельности d_e = 0,4 м; по которому из таблицы 1 определяют µ = 0,45, Ф = 8. Первоначальный диаметр шпура d_з = 0,04 м. Конечный диаметр шпура после взрыва определен как среднее значение по пяти шпурам D_c = 0,1 м, по ним же определен средний максимальный размер куска породы в конечном диаметре шпура, в данном случае гранита, d_к = 0,035 м. Тип применяемого ВВ – патронированный аммонит 6ЖВ диаметром 32 мм со скоростью детонации D = 4,2*10³ м/с, плотностью заряжания ρ_в = 0,7*10³ кг/м³. Расчетом по формуле (3), определено значение величины напряженного состояния горного массива P = 32,7 МПа.

Сравнение полученного по предложенному способу значения P с данными ИГД СО РАН, проведенными на указанном месторождении методом параллельных скважин, подтверждает достоверность значения величины напряженного состояния горного массива, полученного по формуле (3). Метод параллельных скважин дает P = 18,2 – 54,0 МПа, в среднем 35,8 МПа (Тюпин В.Н., “Взрывные и геомеханические процессы в трещиноватых напряженных горных массивах”, - Белгород: ИД ”Белгород”, НИУ БелГУ, 2017 г.), что соответствует значению, полученному заявленным способом определения напряженного состояния горного массива при использовании энергии взрыва.

Пример 2.

Для определения напряженного состояния горного массива на шахте им. Губкина при проходке горизонтальных горных выработок на участке Панельного откаточного орта №1 гор. – 250 м в массиве гематит-магнетитовых кварцитов проведены исследования. После проходческого буровзрывного цикла в забое выработки отбирают образцы горных пород и определяют физико-механические свойства: σ_сж = 152*10⁶, c = 4,2*10³ м/с, ϑ = 0,23. По забою штрека, линейным методом определяют размер естественной отдельности d_e = 0,5 м, по которому из таблицы определяют µ = 0,45, Ф = 8. Первоначальный диаметр шпура d_з = 0,04 м. Конечный диаметр шпура после взрыва определен по измеренным шпурам, получено среднее значение D_c = 0,1 м. По ним же определен средний максимальный размер куска кварцита d_к = 0,02 м. Тип применяемого ВВ – патронированный аммонит 6ЖВ диаметром 42 мм с скоростью детонации D = 4,2*10³ м/с, плотностью заряжания ρ_в = 0,7*10³ кг/м³. Расчетом по формуле (3), определено значение величины напряженного состояния горного массива P = 78 МПа.

Сравнение полученного по предложенному способу значения P с данными ОАО «ВИОГЕМ», проведенными на ш. им. Губкина геомеханическим методом разгрузки на больших базах путем измерения величины конвергенции/сближения стенок выработки, говорят о достоверности приведенной формулы (3). Метод разгрузки на больших базах дает P = 54,51 – 100,03 МПа, в среднем 77,27 МПа, что соответствует значению, полученному заявленным способом определения напряженного состояния горного массива при использовании энергии взрыва.

Приведенные примеры подтверждают достижение технического результата - определение напряженного состояния массива горных пород при взрыве цилиндрического заряда взрывчатого вещества по предлагаемому способу позволяет использовать его в различных по прочности горных породах и при различной величине горного давления.

Способ определения напряженного состояния массива горных пород, включающий бурение шпура, определение начального и конечного диаметра шпура, определение прочности горной породы на сжатие, отличающийся тем, что шпур заряжают, взрывают взрывчатое вещество, измеряют после взрыва конечный диаметр шпура и максимальный размер куска породы в шпуре, определяют величину напряженного состояния горного массива из выражения:

,

где σ_сж – предел прочности породы на сжатие, Па;

D – скорость детонации взрывчатого вещества, м/с;

ρ_в– плотность заряжания, кг/м³;

d_з – первоначальный диаметр шпура, равный заряду ВВ, м;

с – скорость продольной волны в породе, м/с;

d_к – максимальный размер куска породы в шпуре после взрыва;

µ - коэффициент трения между отдельностями в массиве;

ϑ - коэффициент Пуассона горной породы;

D_c – конечный диаметр шпура, м;

Ф – показатель трещиноватости;

d_e – размер отдельности в массиве, м;

п = 3,14.