Методы исследования механических процессов в горном массиве

 

 

Исследование напряженно-деформированного состояния массива горных пород, его изменения в результате ведения горных работ, как привило, осуществляется в следующей последовательности.

После постановки задачи (например, изучить влияние способа охраны на устойчивость откаточного штрека) исследователь в натурных (шахтных) условиях изучает состояние данного вопроса. То есть, сначала по технической документации отбирает откаточные штреки с различными способами охраны, но с примерно одинаковыми другими условиями (величина и форма поперечного сечения, способ проведения и крепления выработок, прочность вмещающих пород, характеристика крепи, глубина расположения и т.д.). Обследует состояние отобранных выработок в шахтных условиях и уточняет их перечень. На основании изучения технической документации и обследования выработок, разрабатывает рабочую гипотезу и программу проведения исследований. В нее включаются натурные, а при необходимости исследовать влияние какого-нибудь фактора на изучаемую величину, проведение которого в натурных условиях требует больших затрат в течение длительного времени, и лабораторные исследования.

Проводит натурные, лабораторные и аналитические исследования. В результате обработки полученных результатов устанавливает искомые зависимости, определяет область их применения.

Так как критерием истины является практика, то для проверки полученных зависимостей планирует и проводит шахтный эксперимент.

Может быть и другой порядок исследования какого-то вопроса или явления, но в любом случае практика и теория неразрывны и дополняют друг друга.

Классификация методов исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород представлена на рисунке 15.1.

Рассмотрим сущность различных методов.

 

Натурные методы

 

В натурных (шахтных) условиях с помощью различных приборов определяются величины сдвижения горных пород, напряжений в горном массиве и нагрузок на крепи и другие естественные и искусственные сооружения.

К натурным относятся также визуальный и косвенный методы.

Сущность визуального метода заключается в том, что исследователь в натурных условиях изучает состояние горных выработок, поведение пород кровли в очистном забое и т.д. без применения специальной измерительной аппаратуры. Он делает зарисовки, отмечает характерные деформации крепи и вмещающих пород, определяя их величину с помощью простой рулетки. На эскизах фиксируются наиболее характерные моменты изучаемого явления. Восприятие этого явления и фиксация его зависят от опыта исследователя, условий проведения наблюдений и т.д. Поэтому они носят субъективный характер. Более объективную картину дает фотографирование изучаемого явления – метод фотофиксации. На фотографиях фиксируется полная картина, включая различные мелкие детали, на которые исследователь в шахте не обратил внимание.

Изучение и сопоставление фотографий, сделанных в различные периоды поддержания горной выработки, позволяют судить о динамике деформаций крепи во времени. Фотографирование позволяет документировать изучаемый процесс.

Метод фотофиксации дает качественную оценку смещений на контуре выработки. Попытки применения этого метода для получения количественной оценки смещений как у нас в стране, так и за рубежом не дали положительных результатов из-за сложности отыскания неподвижной точки в сечении выработки для наведения на нее видоискателя фотоаппарата.

При определенном опыте с помощью серийно выпускаемых фотоаппаратов при освещении двумя-четырьмя шахтными светильниками или специальной во взрывоискробезопасном исполнении фотовспышкой получаются четкие хорошие фотографии. При использовании шахтных светильников фиксируется участок выработки длиной до 10-12 м. При использовании фотовспышки длина участка меньше примерно в 2 раза.

Метод фотофиксации прост, надежен и поэтому широко применяется на практике.

 

Косвенный метод заключается в сопоставлении средних удельных затрат при различных технологиях выполнения работ (проведения, поддержания горных выработок и т.д.). Лучшим считается вариант с меньшими удельными затратами. Так, например, средняя стоимость поддержания 1 м выработки в год определяется по формуле

, (15.1)

 

где ΣR – фактические суммарные затраты на ремонт выработки (перекрепление, подрывку, замену элементов крепи, перестилку рельсового пути);

ΣR^/ – дополнительные затраты на ремонт участков выработки, находящихся в неудовлетворительном состоянии, для приведения их в эксплуатационное состояния;

l_н и l_к — соответственно начальная и конечная длина выработки за рассматриваемый период времени;

n – число месяцев, за которые учитываются затраты на поддержание выработки.

Объем и стоимость ремонтных работ определяются по журналу учета состояния горных выработок и книге учета затрат на ремонт выработок.

Косвенный метод дает приближенную оценку эффективности того или иного способа охраны выработки. Для более точной оценки необходимо вести попикетный учет затрат.

 

Методы определения величины сдвижения горных пород.

В зависимости от решаемых задач возникает необходимость в определении величины сдвижения горных пород на контуре горной выработки или в глубине массива горных пород. При этом применяются следующие методы.

Метод контурных реперов. Контурные реперы применяются для изучения сдвижения горных пород на контуре горной выработки.

Контурный репер представляет собой металлический стержень длиной 0,4-0,5 м с приваренным на конце крючком (при измерении расстояния между реперами маркшейдерской рулеткой) или с высверленным в торце отверстием (при использовании измерительной стойки СУИ). По контуру выработки бурятся шпуры длиной примерно 0,5 м. В них вставляются деревянные пробки, в которые вбиваются реперы. На пологом падении реперы закладываются попарно в кровле и почве и в боках выработки. На крутом падении закладывается дополнительно пара реперов для определения сдвижения в направлении, перпендикулярном напластованию пород. На рисунке 15.2 показана замерная секция. Для получения достоверных результатов замерная станция должна состоять не менее чем из трех замерных секций.

Разность между последующими и начальными замерами показывает, на какую величину произошло относительное сближение реперов. Для определения абсолютной величины сдвижения реперов производится нивелирование одного из реперов, заложенного в почве или кровле выработки, от неподвижных реперов, расположенных в околоствольном дворе.

 

На практике часто применяется метод засечек или, как его еще называют, метод треугольников. При этом на металлических арках делают засечки или намечают краской точки. Расстояние измеряют между этими точками и точками на головках рельсового пути (рисунок 15.3).

 

Так же, как и при контурных реперах, для определения абсолютных смещений точек, отмеченных на арках, необходимо производить нивелирование обеих ниток рельсового пути. Как показывают шахтные наблюдения, результаты, полученные с помощью контурных реперов и методом засечек, отличаются не более чем на 10-20%. Метод засечек значительно проще и менее трудоемкий, чем метод контурных реперов. В связи с этим он получает все большее применение.

Метод массовых замеров на крепи отличается от метода засечек тем, что измеряют высоту (между почвой и крепью) выработки и иногда её ширину. Замеры делаются сразу по всей длине исследуемой выработки на каждой раме крепи или несколько реже в зависимости от цели наблюдений. Данный метод позволяет быстро установить состояние выработки по всей ее длине, особенно, если замеры выполняются портативными лазерными дальномерами с памятью, совместимой с компьютерами. Этот метод широко применяют в Германии; за одну рабочую смену опытный техник может обследовать до 5 выработок. Применяя этот метод, на кафедре горной геомеханики ДонНТУ удалось установить закономерность вертикальных смещений (конвергенции кровли и почвы) в участковых выработках при сплошной системе разработки на шахтах Донбасса и, кроме того, выяснилось, что вертикальные смещения неравномерны по длине выработок и эта неравномерность составляет 10430%.

Глубинные реперы (рисунок 15.4) применяются для изучения сдвижения толщи горных пород, расположенных на различном расстоянии от выработки.

Глубинный репер состоит из замка и составного металлического стержня (штока) или проволоки. Замки бывают различной конструкции. В зависимости от исследуемого вопроса из выработки бурится несколько скважин. В одной скважине длиной до 15 м могут быть установлены несколько глубинных реперов.

Замки реперов закрепляются в скважине на различном расстоянии от контура выработки. Устье скважин крепится обсадной трубой. К ней присоединяется пружинное натяжное устройство (кондуктор). Стержни или стальные проволоки, идущие от замков, присоединяются к натяжному устройству. Им придается первоначальное натяжение. На каждом стержне или проволоке крепится метка – бирка с номером репера. Самый удаленный от устья скважины глубинный репер принимают за неподвижный. Смещения других реперов определяют относительно этого репера. В том случае, когда необходимо определить абсолютные смещения пород в местах заложения глубинных реперов, производятся замеры смещений меток относительно обсадной трубы и измерение смещений обсадной трубы относительно неподвижных реперов, расположенных в околоствольном дворе или даже на поверхности.

Глубинные реперы позволяют оценить характер и величину развития смещений в глубину массива (зону неупругих деформаций) в зависимости от развития горных работ и времени эксплуатации горной выработки (их системы).

 

Методы определения напряжений в массиве горных пород

 

Для определения величины и направления главных напряжений в массиве горных пород наибольшее распространение получили следующие натурные методы исследования: разгрузки (полной и частичной); компенсационной нагрузки (восстановления напряжений); разности давлений; упругих динамометров; измерения деформаций стенок буровых скважин; геофизические методы. Краткая характеристика этих методов приведена в таблице 15.1.

 

Метод полной разгрузки основан на использовании характеристики упругого восстановления формы и размеров элемента породного массива при искусственном нарушении его связи с основным массивом.

По техническому исполнению и приемам перерасчетов различают три принципиальные схемы применения метода полной разгрузки (рисунок15.5):

1 – измерение деформаций упругого восстановления торца скважины при выбуривании керна (схема ВНИМИ);

 

 

Рисунок 15.5 – Схема определения напряжений методом разгрузки: I-по ВНИМИ; П-по Хасту; Ш-по Лиману; 1-буровой станок, 2-измерительная скважина, 3-регистрирующая аппаратура, 4-датчик на торце скважины, 5-деформометр, 6-наклеиваемые тензометры

 

2 – измерение сокращения диаметра центрального отверстия в выбуриваемом керне (схема Н.Хаста);

3 – измерение деформаций стенки центрального отверстия в выбуриваемом керне (схема Е.Лимана).

Схема ВНИМИ позволяет вне зоны влияния выработок приближенно определить как величину, так и направление главных напряжений нетронутого массива. Для этого необходимо бурить не менее трех разно ориентированных, достаточно глубоких скважин.

Для измерений бурят из горной выработки в заданном направлении скважину диаметром 76-80 мм. В выбранной для измерения точке массива коронкой специальной конструкции забой (торец) скважины шлифуют. Затем с помощью прижимного и ориентирующего устройств к торцу скважины в строго ориентированном положении приклеивают розетку из четырех или трех электротензометрических датчиков. После полной полимеризации клея, обеспечивающего совместность деформаций пород и тензодатчиков, кольцевой коронкой производят обуривание торца скважины. При этом обуриваемый элемент породного массива освобождается от действующих в нем напряжений и испытывает деформации, фиксируемые датчиками. Используя формулы теории упругости, связывающие измеренные деформации и соответствующие им напряжения, определяют главные напряжения в плоскости торца скважины. При вычислении напряжений используют упругие константы пород модуль Юнга и коэффициент Пуассона, определяемому по породному керну, который получают при обуривании торца скважины в точке измерения.

Вместо тензодатчиков можно наклеивать на торец скважины фотоупругий тензометр, изготовленный из эпоксидной смолы ЭД-6 м. При разгрузке в фотоупругом тензометре возникает поле напряжений. При просмотре его в полярископ одностороннего действия можно наблюдать картину изоклин и изохром, которая соответствует этому полю напряжений. Направления действия нормальных напряжений совпадают с осями симметрии данного поля напряжений, а их величины определяются по измеренной разности хода поляризованного света в четырех диаметрально противоположных точках с помощью специальных формул.

Вариант соосных скважин отличается от выше описанного тем, что бурят опережающую центральную скважину малого диаметра (около 40 мм). В ней устанавливают деформометры (схема Н.Хаста) либо на ее стенки с помощью специальных приспособлений наклеивают тензодатчики (схема Е.Лимана).

В первом случае фиксируют изменение диаметра центральной скважины по различным направлениям. При этом для перехода от измеренных перемещений (изменения диаметров центральной скважины) к напряжениям используют данные лабораторной тарировки датчиков деформометра в специально вырезанных породных призмах с модулем упругости, равном модулю упругости исследуемого массива.

Во втором случае определение напряжений производится по результатам измерения относительных деформаций с использованием модуля Юнга, модуля сдвига и коэффициента Пуассона.

Обуривание керна и центральной скважины во всех трех схемах осуществляется соосной скважиной диаметром не менее 100-120 мм.

Для того, чтобы исключить влияние выработки, из которой бурится скважина, на начальное распределение напряжений в массиве горных пород, необходимо принимать глубину наблюдательных участков скважин не менее двух диаметров выработки. А для того, чтобы исключить влияние окружающего массива на показания датчиков величина перебура разгрузочных (соосных) скважин от места установки розетки тензодатчиков или деформометров должна быть не менее двух внутренних диаметров разгрузочных скважин.

Как отмечает Г.А.Крупенников, схема Н.Хаста в большей степени, чем схема ВНИМИ, обоснована в аналитическом отношении, однако в техническом исполнении весьма трудоемка, ибо требует выбуривания керна весьма большого диаметра и длины, в отдельных случаях она вообще невозможна (например, при сильнотрещиноватых породах).

При определении напряжений в нетронутом массиве эта схема применима лишь в том случае, когда известно одно из направлений главных напряжений.

Схема Е.Лимана, подобно схеме Н.Хаста, сложна в техническом исполнении. В связи с этим в настоящее время из описанных выше трех схем чаще применяется схема ВНИМИ. Она позволяет определить абсолютные значения напряжений.

Метод частичной разгрузки основан на измерении деформаций на поверхности обнажения массива при частичной разгрузке его путем прохождения в месте установки тензодатчиков разгрузочной скважины или щели сравнительно небольшой глубины. Как самостоятельный метод частичной разгрузки не получил широкого распространения из-за ограниченной информации о напряженном состоянии массива горных пород.

Резюмируя все выше сказанное, можно отметить, что метод разгрузки позволяет определить абсолютные значения напряжений и направления главных напряжений в массиве горных пород. Но он характеризуется большой трудоемкостью и сложностью производства измерений, требующих определенных практических навыков.

Сущность метода компенсационной нагрузки заключается в первоначальном снятии и последующем искусственном восстановлении напряжений на изучаемом участке массива.

На стенке выработки (обнажения) с помощью реперов укрепляются перпендикулярно друг другу два индикатора часового типа. Записываются начальные показания индикаторов. После этого снимаются напряжения (разгружается массив) путем создания полостей различных конфигураций (щелей, скважин и т.д.). В результате разгрузки части массива горных пород показания индикаторов часового типа изменяются. В разгрузочную щель устанавливаются специальные нагрузочные приспособления (дилатометры, домкраты, гидроподушки и др.). С помощью насоса в них заканчивается водо-маслянная эмульсия до тех пор, пока индикаторы не покажут первоначальное значение. Давление в системе фиксируется с помощью манометра. Давление, при котором индикаторы часового типа принимают первоначальные значения, принимаются за величину напряжения в массиве.

Принципиальная схема установки приборов показана на рисунке 15.6.

Метод компенсационной нагрузки позволяет непосредственно получить величину напряжения, нормального к плоскости обнажения.

Метод весьма прост, но на практике довольно сложно пройти разгрузочную щель, не вызвав появление трещин, которые могут привести к сколу горных пород. Кроме того, в связи с анизотропией горных пород сложно добиться первоначальных показаний одновременно на обоих индикаторах. Глубина разгрузочной щели практически не может быть большой, поэтому трудно исключить влияние выработки на исходный характер распределения напряжений в массиве горных пород.

 

 

Рисунок 15.6 – Метод компенсационной нагрузки: 1-разгружаемая часть массива горных пород; 2-нагрузочные приспособления; 3-индикатор часового типа; 4-манометр; 5-насос

 

В связи с отмеченными недостатками метод компенсационной нагрузки самостоятельно применяется редко.

В последние годы широкое распространение получил метод гидроразрыва, также относящийся к группе компенсационных способов. Особенностью этого метода является восстановление естественных напряжений в скважине и дальнейшее их увеличение до появления трещин разрыва в стенках.

Если измерительная скважина пробурена по направлению одного из главных напряжений естественного поля, то давление, необходимое для образования трещин в ее стенках, равно: P_max = 3s_min – s_max + R_p, где – s_max, s_min соответственно максимальное и минимальное напряжения в плоскости измерения; R_p – прочность пород на растяжение.

Дальнейшее расширение образовавшейся трещины происходит при давлении, численно равном s_min. Таким образом, в процессе нагнетания жидкости в скважину по показаниям манометра определяются s_max и s_min, их направление в массиве может быть установлено по ориентации в пространстве трещины растяжения, которая всегда нормальна к направлению действия s_min.

Метод разности давлений применяется главным образом, для определения дополнительных напряжений в массиве, возникающих в результате ведения горных работ.

Он нашел применение для решения задач, связанных с разработкой угольных пластов, подверженных горным ударам, внезапным выбросам угля и газа, с охраной горных выработок, подработкой и надработкой угольных пластов, оценкой несущей способности угольных целиков.

Комплект измерительной аппаратуры для исследования напряженного состояния массива включает: гидравлический датчик, высоконапорный трубопровод, манометр с вентилем, насос высокого давления и редуктор (рисунок 15.7).

 

Рисунок 15.7 – Комплект измерительной аппаратуры для измерения напряжений методом разности давлений: 1-гидравлический датчик, 2-высоконапорный трубопровод, 3- манометр с вентилем, 4-насос высокого давления, 5-редуктор

 

Гидравлический датчик представляет собой измерительный прибор, в котором деформации стенок скважины, вызванные изменением напряженного состояния массива, приводят к изменению давления жидкости, заключенной в корпусе. Датчик состоит из оболочки, изготовленной из резины, стальных торцевых стаканов, навинченных на стальной центральный стержень. На поверхности стержня проточена винтовая канавка для равномерного распределения жидкости по длине датчика. Стаканы гидравлического датчика предназначены для герметизации торцевых частей резиновой оболочки. Кроме того, один из них служит для присоединения магистрального трубопровода, через который подается в датчик жидкость, а другой снабжен запорной иглой для герметизации гидросистемы.

Техническая характеристика гидравлического датчика: длина — 380 мм; диаметр стаканов – 40 мм; длина оболочки – 190 мм; внутренний диаметр оболочки в рабочем положении (в скважине диаметром 42 мм) – 24,8 мм; максимальное давление – 14 МПа; модуль упругости –130 МПа; коэффициент Пуассона – 0,48; масса – 1,5 кг.

Высоконапорный трубопровод представляет собой латунную трубку (или набор трубок) с толщиной стенки не менее 1,0 мм и внутренним диаметром не менее 0,3 мм. При меньшем диаметре трубопровода возможно «запаздывание» регистрации манометром изменений давления в гидросистеме во времени.

Манометры измеряется давление в гидросистеме датчика, которое уравновешивается давлением вмещающего массива, воспринимаемым упругой резиновой оболочкой гидравлического датчика. Температура окружающего воздуха при работе прибора должна быть в пределах 5-50⁰ с, относительная влажность до 80%.

Экспериментальные работы в шахте выполняются в следующем порядке: бурят необходимой длины скважину. Для бурения скважин длиной до 10 м применяют ручное электросверло и комплект составных буровых штанг; устанавливают манометр с вентилем. Манометр устанавливают в вертикальном положении; собирают магистральный трубопровод необходимой длины; подсоединяют гидравлический датчик к трубопроводу. Запорную иглу вывинчивают; подсоединяют насос к вентилю; наполняют трубопровод жидкостью с целью вытеснения воздуха из гидросистемы. Для нормальной работы пригодны все машинные масла и другие жидкости, не дающие коррозии металла. Запирают гидросистему запорной иглой; помещают датчик с частью трубопровода в скважину; создают исходное давление в приборе, нагнетая жидкость в гидросистему. Величина давления в гидросистеме может быть доведена до 10-15 МПа; перекрывают вентилем канал в тройнике манометра, по которому подавалась жидкость насоса в гидросистему; отсоединяют насос.

Начальный отсчет по манометру соответствует условно состоянию «Нетронутого массива». Последующие изменения напряжений в массиве, связанные с приближением очистного забоя, соседней выработки и т.д., отмечаются в виде изменения давления в гидросистеме.

Таким образом, метод разности давлений позволяет непосредственно измерить изменение средней величины напряжения (увеличение или уменьшение), нормального к поверхности скважин. Он отличается простой, надежностью, однако не позволяет определить абсолютное значение напряжения, а также направление максимального и минимального напряжений. Широко применяется в натурных исследованиях напряженно-деформированного состояния массива горных пород, в частности при определении параметров зон опорного давления и разгрузки.

 

Определение напряжений в массиве горных пород методом буровых скважин основано на измерении упругих деформаций (поперечных или продольных) контура скважины, вызванных дополнительными напряжениями от ведения очистных работ.

Различные по конструкциям поперечные и продольные деформометры позволяют фиксировать изменения диаметров скважин и предельные деформации по скважинам с помощью проволочных тензодатчиков сопротивления, индукционных, емкостных, магнитострикционных и других датчиков.

Широко применяется скважинный поперечный деформометр ДП-8 (рисунок 15.8).

 

Основным воспринимающим элементом прибора является стальная балочка, консольно закрепленная в корпусе прибора. Свободный конец балочки снабжен регулируемым по высоте сферическим наконечником, непосредственно соприкасающимся с поверхностью измерительной скважины. Максимальный ход свободного конца балочек из условия работы ее без остаточных деформаций составляет 6 мм.

Всего в приборе четыре пары балочек. На внешней и внутренней поверхностях балочек в зоне максимальных деформаций наклеиваются проволочные или фольговые тензодатчики. Монтажные провода от тензодатчиков пропускаются через внутреннюю полость в корпусе, собираются в кабель и выводятся наружу.

Резиновый чехол предохраняет электрическую часть прибора от пыли и влаги. На концах резинового чехла имеются металлические стаканы, предохраняющие измерительные элементы прибора от механических повреждений.

Деформометр фиксируется и удерживается в скважине любого направления при помощи специальных пружин. Всего пружин восемь, по четыре с каждой стороны. Они расположены равномерно, с шагом 45⁰, и позволяют выставить прибор по оси скважины.

Досылка датчика в скважину диаметром 46 мм и длиной до 30 м осуществляется специальным приспособлением, которое соединяется с прибором через переходную втулку. После ориентации в скважине деформометр оказывается в таком положении, когда одна из пар измерительных балочек расположилась в вертикальной, либо в горизонтальной полости. Положение балочек фиксируется.

Деформометр подключается к измерительной станции ИИД-2, которая регистрирует изменение сопротивления тензодатчиков. По данным тарировки каждой пары тензодатчиков определяют изменение диаметра скважины в четырех направлениях. Затем по формулам теории упругости рассчитывают величину нормальных напряжений в этих направлениях.

Метод буровых скважин прост, надежен, не требует хорошего качества бурения измерительной скважины.

Скважинный поперечный деформометр может также использоваться при методе разгрузки керна с центральной скважиной путем бурения серии параллельных скважин.

Геофизические методы измерений напряжений в массиве горных пород основаны на взаимосвязи с естественным напряженным состоянием параметров различных искусственно наводимых физических полей.

К ним относятся ультразвуковой (импульсный сейсмический), радиометрический, электрометрический, магнитный, сейсмоакустический (звукометрический) методы.

Из перечисленных выше методов наиболее полно разработан ультразвуковой (импульсный сейсмический ) метод определения напряжений. Он основан на взаимосвязи с напряженным состоянием горных пород сейсмоакустических характеристик – скорости и затухания упругих волн, возбуждаемых в массиве. Для количественной оценки напряжений в породном массиве используют эффект скоростной анизотропии пород при их нагружении.

Сущность данного метода заключается в том, что в пробуренные параллельно друг к другу на некотором расстоянии скважины вставляются ультразвуковые преобразователи: излучатель и приемник. На этой базе измерения определяется скорость прохождения ультразвукового импульса. Переместив ультразвуковые датчики по глубине скважин, можно получить картину изменения скорости распространения упругих волн в окрестности выработки. Для пересчета скорости распространения ультразвука в напряжения необходимо произвести соответствующую тарировку, например, с помощью метода разгрузки, определив одновременно величины напряжений и соответствующие им скорости упругих волн.

Радиометрический метод определения напряжений связан с наведением в исследуемом участке массива радиационного поля. Метод основан на эффекте различного поглощения радиоактивных излучений породами в зависимости от их плотности. С ростом сжимающих напряжений плотность пород, особенно сравнительно малоплотных, существенно возрастает. При гамма-гамма-каротаже соответствующих участков массива с ростом действующих сжимающих напряжений частота импульсов уменьшается.

Электрометрический метод определения напряжений основан на эффекте изменения удельного электрического сопротивления пород с изменением их напряженного состояния.

Результаты теоретических, лабораторных и шахтных исследований по применению электрометрического метода для определения величины напряжения, трещиноватости горного массива приведены в работе /8/.

Удельное электрическое сопротивление весьма чувствительно к изменению напряжений. Но в то же время оно еще чувствительнее к изменениям влажности пород, а также степени минерализации подземных вод. Поэтому И.А.Турчанинов считает, что электрометрический метод может применяться при отсутствии водопритоков и колебаний влажности пород. Хотя ряд исследователей утверждают, что электрометрические методы естественных потенциалов и эффективных сопротивлений могут применяться не только для относительной оценки напряженного состояния, но также для измерения абсолютных значений напряжений в естественных массивах независимо от их влажности.

Магнитный метод определения напряжений базируется на слабых ферромагнитных свойствах и положительной магнитострикции ряда горных пород. В таких породах с изменением напряжений меняется магнитная восприимчивость. Эти изменения и подлежат измерению для оценки измерений напряженного состояния.

Широкое применение для оценки напряженного состояния горных пород и прогнозирования опасных ситуаций, связанных с внезапными обрушениями пород, горными ударами, внезапными породными выбросами получил сейсмоакустический (звукометрический) метод. Он основан на использовании естественных акустических (звуковых) импульсов, возникающих в массиве пород вследствие микроразрушений, обусловленных общим или локальным ростом напряжений. Регистрацию импульсов ведут с помощью специальных датчиков-геофонов, устанавливаемых в скважины и воспринимающих звуковые колебания, возникающие в окружающем массиве при микроразрушениях. Изменение числа импульсов служит показателем относительного изменения уровня напряженности породного массива. Метод не позволяет определить величину напряжения в массиве. Его используют в качестве критерия степени опасности обрушений и динамических проявлений горного давления в соответствующих частях массива, в пределах которого и осуществляют сейсмоакустический контроль.

В целом геофизические методы отличаются, как правило, высокой мобильностью и производительностью. Они наиболее эффективны при исследовании напряженного состояния крупных (протяженных) массивов, так как практически при этом усредняются мелкомасштабные местные колебания характеристик силовых полей. Но для определения абсолютных значений напряжений они требуют дополнительных данных. Поэтому для детального исследования напряженного состояния массивов горных пород геофизического методы самостоятельно практически не применяются.

 

Методы определения нагрузок на крепи и другие сооружения

 

Измерения нагрузки на крепь подземных сооружений проводятся с целью выбора параметров крепи, изучения влияния горно-геологических факторов на работу крепи в течение всего срока ее службы.

Для непосредственного определения нагрузок на крепь применяют динамометры, динамометрические площадки, специальные динамометрические крепи.

Различают три схемы размещения динамометрической аппаратуры относительно крепи:

– с установкой прибора между крепью и породой по контуру выработки (система порода – динамометр – крепь);

– с введением прибора непосредственно в конструкцию крепи;

– с использованием в качестве измерительного прибора элементов самой крепи, деформационные характеристики которой предварительно протарированы.

Первая система может быть использована при крепях любой конструкции и является основной, вторая и третья – в основном для оценки нагрузок на стоечные элементы крепи.

Динамометры, используемые при исследовании горного давления, различаются по принципам действия чувствительного элемента, предельным измеряемым нагрузкам, разрешающей способности и габаритам.

Основными частями динамометра являются: чувствительный элемент, корпус, элемент передачи давления, индикатор (манометр).

В зависимости от используемого чувствительного элемента различают механические, гидравлические, электрические, магнитоупругие и фотоупругие динамометры.

Механические стоечные динамометры предназначены для измерения нагрузок на призабойную индивидуальную крепь в очистном забое, а также на рамные крепи подготовительных выработок (рисунок 15.9).

Динамометр МСД-30 рассчитан на максимальную нагрузку 300 кН, а МСД-50 на 500 кН.

 

В сварном корпусе закреплена упругая мембрана, изготовленная из качественной стали. К верхней плите корпуса крепится вилка, в пазу которой при помощи валика одним своим концом закреплен рычаг. В рычаг ввинчивается регулировочный винт с контргайкой; этот винт прижимается к мембране пружиной, которая установлена в глухих отверстиях рычага и корпуса.

В центре верхней плиты корпуса имеется резьбовое отверстие, заглушенное пробкой. Через отверстие производится регулировка положения рычага при тарировке прибора. К выступающей части корпуса динамометра приварен штуцер с отверстием, которое закрывается колпачком.

Мембрана на нижней своей плоскости имеет сферическую выточку, которой она устанавливается на сферическую пяту, приваренную к нижней плите. Последняя крепится к верхней части прибора при помощи резиновой ленты и двух хомутов. Резиновая лента защищает пространство между мембраной и нижней плитой от попадания угля и породы.

Нагрузка на корпус передается на мембрану, величина прогиба последней передается через винт на рычаг, который за счет разности плеч увеличивает перемещение винта в 13 раз. Перемещение рычага замеряется индикаторным измерителем часового типа, который вставляется в отверстие штуцера (при снятом колпачке лишь на время замера).

Величина деформации диафрагмы пропорциональна давлению на динамометр, поэтому перемещение стрелки индикатора определяет величину этого давления. Количественная зависимость давления и отклонения стрелки индикатора устанавливаются путем тарировки прибора на прессе.

Кроме того, к этим приборам предусмотрена самопишущая головка для непрерывной регистрации величины нагрузки.

Масса динамометра МСД-30 составляет 7,2 и МСД-50 — 9,1 кг. Точность измерений нагрузки + 3 кН.

Более простыми по конструкции и более дешевыми являются динамометры, у которых в качестве чувствительного элемента используется вакуумная резина.

В зависимости от конструкции динамометры бывают двух типов: для монолитной крепи (с одним измерительным элементом) и для рамной (арочной) крепи с двумя элементами (рисунок 15.10).

 

Динамометр для монолитной крепи (бетонной, железобетонной) 10 мм состоит из двух металлических плит – верхней и нижней – толщиной каждая, между которыми укладывается слой вакуумной резины толщиной 10-20 мм. Вакуумная резина не имеет остаточной деф