МАРКШЕЙДЕРСКИЕ РАБОТЫ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ПРОЦЕССОВ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ

2.1. ОБЩИЙ ХАРАКТЕР ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ ВОКРУГ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Подземные горные работы проводятся эффективно и безопасно при учете процессов проявлений горного давления в подземных выработках. Под проявлениями горного давления понимается комплекс механических явлений и процессов, происходящих в горных выработках. Эти процессы связаны с деформациями, разрушениями и смещениями элементов горных массивов и земной поверхности, а также с взаимодействием элементов массива с инженерными сооружениями, в том числе с нагружением крепей горных выработок. Все эти явления и процессы происходят в результате нарушений механического равновесия массива горных пород, вызванных проведением горных выработок. Необходима правильная инженерная оценка характера, интенсивности и области распространения проявлений горного давления в выработках для своевременного предупреждения процессов, вызывающих нарушения в технологии ведения горных работ. При несоблюдении этих условий могут возникать ситуации, опасные для людей, находящихся в выработках, и приводящие к крупным нарушениям горно-эксплуатационных работ. Поэтому необходимо учитывать зависимость проявлений горного давления от условий проведения горных выработок и от свойств самого массива.

Все процессы деформаций и разрушений в массиве горных пород происходят в результате изменений первоначального поля сил и напряжений, действовавших в ненарушенном горными выработками массиве горных пород. В случае отсутствия остаточных тектонических напряжений поле напряжений в массиве пород создается гравитационными силами (силами тяжести самих пород).

Участки массива, залегающие на глубине Н от земной поверхности, находятся под действием сил тяжести самих пород данного участка и сил тяжести вышерасположенных пород, которые создают давление порядка γН, где γ — средняя объемная масса налегающих пород.

Указанное равномерное поле напряжений в ненарушенном массиве свойственно для пород спокойного, близкого к горизонтальному залегания при отсутствии тектоники. В нарушенных участках поле напряжений в массиве уже до проведения выработки значительно отличается от простейшего равномерного поля напряжений. В частности, в нарушенных участках массива значения горизонтальных составляющих поля напряжений могут значительно превышать вертикальные составляющие.

Вследствие проведения выработок происходят изменения поля напряжений в участках массива, прилегающих к выработке. Как правило, вблизи контура выработки создаются напряжения, которые могут привести к необратимым деформациям и разрушениям элементов массива пород, прилегающих к выработке. Все изменения в поле напряжений массива, окружающего выработки, выражаются в виде деформаций и смещений элементов пород.

Большие деформации и разрушения наблюдаются и регистрируются визуально путем периодических осмотров выработок, однако полную картину развития деформаций пород, вызванную изменением поля напряжений, можно получить лишь путем систематических измерений деформаций смещений.

Приведем основные понятия и зависимости между напряжениями и деформациями в простейших типовых случаях действующего поля напряжений.

Деформациями тела называются изменения в пространственном расположении его частиц. В процессе деформации твердые тела изменяют свою форму или объем.

В зависимости от направления приложенных сил, формы и физических свойств тел деформации могут быть весьма разнообразными. Простейшими являются деформации сжатия, растяжения, сдвига, изгиба, кручения. В горных породах, окружающих выработки, деформации обычно имеют более сложный характер. Если все участки тела деформируются одинаково, то такая деформация называется однородной; если же ее величина и характер меняются от одного участка тела к другому, то — неоднородной.

Деформация одноосного растяжения или сжатия характеризуется величиной изменения длины , где ℓ₀ — начальная длина тела; ℓ₁ — длина тела после деформации по направлению действующей силы; Δℓ — абсолютное изменение длины.

Относительной деформацией называется величина ε, полученная по формуле

(2.1)

При однородной деформации эта величина во всех точках тела одинакова.

Деформации могут быть упругими и пластическими. Упругими называются такие деформации, которые после удаления действующих на них сил полностью исчезают (обратимые деформации). Пластические деформации сохраняются после удаления действующих сил (остаточные деформации).

Во всех твердых горных породах возникают как упругие, так и пластические деформации, однако их соотношение может быть весьма различным. Твердые и хрупкие изверженные породы деформируются упруго почти до самого разрушения.

В осадочных породах (особенно содержащих глинистые частицы или прослойки) могут развиваться значительные пластические деформации в процессе их нагружения, причем эти деформации возрастают во времени при длительном воздействии сил. Упругие деформации тела связаны с возникающими в нем напряжениями.

Напряжение, действующее на элементарной площадке сечения тела, равно отношению величины силы, приложенной к этой площадке, к величине поверхности площадки. Так как направление этой силы может быть ориентировано под разными углами к плоскости площадки, то ее можно разложить на две составляющие, одна из которых направлена перпендикулярно к плоскости площадки, а другая — вдоль ее поверхности. Первая из этих составляющих — N — называется нормальной, вторая — Т — касательной составляющей действующей силы Р.

Соответственно этому, отношение составляющей N к площади площадки S называется нормальным напряжением σ и определяется как σ = N / S, а отношение
T / S = τ — касательное напряжение, действующее на площадке.

При любом сложном напряженном состоянии в любой точке тела можно выделить три взаимно перпендикулярных сечения, по которым действуют только нормальные напряжения, а касательные будут равны нулю. Эти сечения называются главными. Нормали к этим сечениям называются главными осями, а нормальные напряжения, действующие по главным сечениям — главными напряжениями и обозначаются σ₁, σ₂, σ₃, причем σ₁> σ₂> σ₃. В теории упругости и в механике сплошной среды обычно положительными считаются растягивающие напряжения, но в механике горных пород часто принимаются положительными сжимающие напряжения, которые учитывают преимущественный характер напряженного состояния массива горных пород, выраженный в виде объемного неравно-компонентного сжатия. Напряженное состояние рассматриваемого элемента называется линейным или одноосным, если два главных напряжения равны нулю; плоским или двуосным, если только одно главное напряжение равно нулю; объемным или трехосным, если все три главные напряжения не равны нулю.

Определение величины и пространственного ориентирования главных нормальных напряжений, действующих в разных точках массива пород, важно для последующей оценки характера деформации массива горных пород.

2.2. ОСНОВНЫЕ ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ

Основными объектами исследования горной механики являются: массив горных пород; горные выработки; механические явления и процессы, вызываемые в массиве горных пород естественными или искусственными воздействиями; факторы, влияющие на механические свойства массива горных пород; средства инженерного воздействия на массив горных пород с целью изменения его свойств и состояний.

Содержание и степень подробности определяемых и учитываемых характеристик массива пород должны соответствовать особенностям решаемой задачи и предполагаемому характеру развития геомеханических процессов.

Как указано выше, начальное поле напряжений в нетронутом массиве, сложенном горизонтально или полого залегающими слоями пород, при отсутствии тектонических сил может быть представлено в виде траекторий главных максимальных напряжений, имеющих прямолинейное, параллельное расположение и направленных вертикально вниз. Приближенное значение этих сжимающих напряжений на глубине Н от земной поверхности может быть определено выражением

, (2.2)

где γ — средняя объемная масса вышележащей толщи пород.

Каждый элемент породы, расположенный внутри массива, кроме вертикального напряжения σ_Z испытывает давление с боков в размере

, (2.3)

где λ — коэффициент бокового распора, 0< λ <1, причем λ, близкие к нулю, свойственны прочным, жестким породам, лежащим на небольших глубинах. В пластичных породах значение λ на значительных глубинах приближается к единице. Боковой распор внутри массива пород образуется в связи с тем, что порода не может свободно расширяться в боковом направлении под действием сжимающих ее вертикальных сил. Если рассматриваемый элемент массива находится вблизи обнаженной поверхности (например вблизи стенки одиночной протяженной выработки), то значение коэффициента бокового распора λ в направлении, перпендикулярном плоскости обнажения, должно быть меньше, чем значение этого коэффициента в направлении вдоль оси выработки. Это происходит вследствие того, что порода деформируется в сторону выработки и ее отпор со стороны близко расположенной стенки не может достигать такой же величины как отпор со стороны массива, простирающегося на значительное расстояние.

При проведении горной выработки равновесие массива пород и равномерное расположение силовых линий в поле напряжений нарушается, возникает концентрация напряжений в боковых стенках одиночной протяженной выработки. Рассмотрим характер влияния выработки на изменение поля напряжений в массиве горных пород на примере поперечного сечения одиночной протяженной выработки с участком окружающего ее массива горных пород (рис. 2.1). В этом массиве возникают зоны повышенных напряжений, причем максимальная их концентрация сосредоточена в боковых стенках выработки. Коэффициент концентрации, как показывают теоретические расчеты и непосредственные измерения в натуре, достигает 2—3. Таким образом, напряжения в стенках выработки могут быть в 2— 3 раза выше напряжений в массиве до ее проведения.

Рис. 2.1 - Зоны повышенных давлений, пластических деформаций и разрушений вокруг одиночной выработки:

а — зоны повышенного давления до возникновения пластических деформаций; б — зоны повышенного давления после возникновения пластических деформаций; 1, 2 — эпюры нормальных напряжений до и после возникновения пластических деформаций; 3 — зоны пластических деформации и разрушении

Значение коэффициента концентрации зависит от механических свойств пород, окружающих выработку. Наибольшее значение будет в том случае, когда массив сплошной, нетрещиноватый и сложен упругими, жесткими (непластичными) породами. Если повышенные напряжения в стенках выработки превышают предел пластичности или предел прочности породы, то в зонах, прилегающих к стенкам выработки, развиваются пластические деформации и разрушения. В результате этого, значения напряжений в породах, непосредственно прилегающих к стенке выработки, уменьшаются, а их максимальное значение переместится вглубь массива. В итоге, вокруг выработки образуется ряд зон пониженного и повышенного напряжения. Устойчивость стенок выработки и взаимодействие боковых пород с крепью зависят от характера образования и размеров этих зон.

Наиболее высокие напряжения в стенках выработки сохраняются при упругих прочных породах, в которых не возникают пластические деформации и разрушения. Но благодаря высокой прочности пород, эти напряжения не приводят к значительному давлению на крепь, так как упругие деформации невелики.

В том случае, если нарушение сплошности массива происходит в результате ведения очистных работ, зоны повышенного горного давления, а также зоны повышенных деформаций и разрушения довольно обширны.

Рассмотрим схему влияния очистной выработки на окружающий массив горных пород в случае горизонтального спокойного залегания слоистой толщи пород одной очистной выработки (рис. 2.2).

Рис. 2.2 - Зоны повышенных и пониженных давлений вокруг очистной выработки:

1 — граница области влияния выработки; 2 — зона опорного давления; 3 — граница зоны разгрузки; 4 — граница защищенной зоны; 5 — граница зоны обрушений; φ₃ - угол влияния очистной выработки на массив горных пород

Влияние очистной выработки распространяется в массив во всех направлениях. В боках горизонтальной очистной выработки образуются области повышенного опорного давления. Концентрация этого давления по сравнению с начальным полем напряжений в сплошном массиве может быть различной. Она зависит от размеров очистной выработки, а также от строения и механических свойств пород, слагающих ее кровлю. При очень прочных и массивных слоях породы могут зависать на больших площадях обнажения и таким образом создавать значительные величины опорного давления. Пунктирными прямыми линиями показан уровень равномерного поля напряжений до образования очистной выработки, кривыми линиями — уровень вертикальных напряжений, возникающих после образования очистной выработки. Рассматривая положения этих линий можно видеть, что степень концентрации поля напряжений более высокая на участках массива, расположенных ближе к очистной выработке. С удалением от нее концентрация напряжений уменьшается. Кроме того, можно наблюдать степень концентрации напряжений в зонах опорного давления, которая вблизи выработки может достигать значения 2—3, а в удалении от нее уменьшается. Кроме зон повышенного давления в окружающем массиве пород, очистная выработка создает и зоны пониженного давления (зоны разгрузки). В этих зонах коэффициент концентрации давления К будет меньше единицы. Непосредственно над очистной выработкой породы массива обычно разрушаются и образуют зону обрушенных пород. При этом, если вырабатываемая мощность пласта полезного ископаемого достаточно велика и превышает мощности отдельных слоев пород кровли в два раза и более, то эти слои обрушаются беспорядочно, в результате общий объем обрушенных пород значительно превышает их объем в ненарушенном состоянии (коэффициент увеличения объема достигает 1,15—1,25). Зона беспорядочно обрушенных пород приводит к уменьшению свободного пространства, в которое могут опускаться вышележащие слои, которые после их разлома уже не могут обрушаться беспорядочно и опускаются с сохранением связи между блоками каждого отдельного слоя.

Поэтому степень разрыхления массива пород, опускающихся упорядоченно, значительно ниже степени разрыхления зоны беспорядочного обрушения, и коэффициент увеличения объема пород в зоне упорядоченного смещения обычно не превышает значения 1,05.

Рассмотренный характер влияния очистной выработки на окружающий ее массив горных пород важен при разработке свиты пластов, особенно в тех случаях, когда есть пласты, опасные по горным ударам и внезапным выбросам угля и газа. Специальные исследования и накопленный опыт ведения горных работ показывают, что одним из наиболее действенных средств, предупреждающих возникновение горных ударов и внезапных выбросов, является предварительная отработка в свите так называемых «защитных пластов».

Как указано выше, очистные работы, проводящиеся на одном пласте, приводят к образованию зон повышенного и пониженного давления в окружающем массиве. Если в свите пластов сначала отрабатывать пласты, не «опасные» по горным ударам и выбросам, то при определенном пространственном расположении очистных выработок в этих пластах можно создать в смежных «опасных» пластах свиты зоны пониженного горного давления, т. е. зоны разгрузки. Отработка «опасных» пластов на участках, входящих в зоны разгрузки, обычно безопасна. Первый отработанный пласт свиты является «защитным» для остальных «опасных» пластов.

Зоны разгрузки образуются в толще пород, расположенных как выше так и ниже разрабатываемого пласта. В соответствии с этим, различают защитное действие вырабатываемого пласта по отношению к «опасному» пласту в условиях подработки или надработки.

В условиях подработки разгрузку вышележащего «опасного» пласта необходимо проводить даже при значительных расстояниях от подрабатываемого пласта до «защитного». В условиях же надработки разгрузка, а, следовательно, и защита нижележащего «опасного» пласта достигается при мощностях междупластья, не превышающих 60 м.

Это расстояние, обеспечивающее защиту нижнего пласта при его надработке, может еще уменьшиться, если в состав междупластья входят мощные и прочные слои пород. Они как бы экранируют защитное действие надрабатывающего пласта, в результате чего не происходит защитного действия в слоях массива, расположенных ниже прочных, мощных слоев междупластья. Наличие отдельных целиков, оставленных в окружении выработанного очистного пространства, создает в массиве пород, расположенном выше и ниже этого целика, зоны повышенного горного давления. Причем эти зоны распространяются от целика на значительное расстояние в вышележащую и нижележащую толщи пород. Аналогичное влияние оказывают и кромки невыработанных пластов, прилегающие к выработанному пространству.

Создание зон повышенного давления на пластах, опасных по горным ударам и внезапным выбросам, приводит к различным опасным явлениям, вызывает неустойчивость одиночных подготовительных и капитальных выработок, попадающих в эти зоны. Поэтому при разработке свиты пластов большое внимание необходимо уделять рациональному планированию развития горных работ и расположению выработок в смежных пластах.

При планировании горных работ должно обеспечиваться оптимальное взаимное расположение одиночных и очистных выработок и порядок их проведения в свите пластов, при котором не возникали бы неустойчивость выработок, горные удары и внезапные выбросы угля и газа. При таком планировании развития горных работ можно пользоваться следующими рекомендациями.

1. При планировании горных работ в разрабатываемой свите пластов следует избегать расположения капитальных и подготовительных выработок в зонах повышенного горного давления (зоны ПГД) создаваемых влиянием отдельных целиков и краевых частей пластов полезного ископаемого, оставленных в очистных выработках на смежных пластах свиты.

2. Необходимо располагать капитальные, подготовительные выработки и очистные забои в зонах разгрузки создаваемых предварительной отработкой смежных «защитных» пластов свиты.

3. Главные вскрывающие выработки должны проводиться в устойчивых породах, а при их отсутствии — вкрест простирания слоистости или трещиноватости пород, а также на расстояниях, исключающих взаимное влияние выработок.

4. Избегать расположения выработок в зонах крупных тектонических нарушений и напорных водоносных горизонтов.

5. Предусматривать возможность выемки полезного ископаемого из предохранительных целиков при погашении выработок.

6. Предусматривать минимальное количество типов и размеров сечений выработок.

7. Для расчета зон влияния надработки и подработки пластов следует пользоваться соответствующими нормативными документами, действующими в данном бассейне.

Изложенные выше характеристики проявлений горного давления при разработке свиты пластов должны учитываться и использоваться при планировании развития горных работ.

Наряду с планированием важно и оперативное управление горным давлением в действующих подготовительных и очистных выработках.

Проведение очистных работ длинным забоем приводит к образованию больших площадей обнажения кровли, которые могут вызвать обрушения больших массивов боковых пород. Кроме того, при ведении очистных работ длинным очистным забоем с обрушением кровли состояние пород в призабойном пространстве выработки не стабильно. При определенных видах строения пород кровли могут произойти их нежелательные зависания над выработанным пространством с последующими резкими осадками кровли с повышенным давлением на крепь. Возникают вывалы отдельных блоков пород из кровли, создающие в очистном забое опасность для рабочих. Все это затрудняет бесперебойное, эффективное и безопасное ведение горных работ.

Основными факторами, влияющими на состояние кровли очистного забоя, являются следующие: 1) строение пород кровли; 2) прочность и жесткость слоев кровли; 3) вынимаемая мощность пласта полезного ископаемого; 4) трещиноватость пород кровли и пространственная ориентировка систем трещиноватости по отношению к линии забоя; 5) несущая способность крепи, ее жесткость и паспорт ее расположения в рабочем и очистном пространстве.

При слоистом строении кровли обычно различают непосредственную и основную кровлю. Непосредственной кровлей являются нижние слои, залегающие над вырабатываемым пластом. Обрушение этих слоев при удалении крепи происходит в виде отдельных беспорядочно падающих блоков, после падения они образуют значительно больший объем по сравнению с их объемом в массиве. Поэтому вышележащие слои основной кровли смещаются на меньшую величину, чем слои непосредственной кровли. Благодаря этому, происходит более упорядоченное смещение обрушающихся блоков вышележащих слоев, которые во многих случаях сохраняют шарнирную связь между отдельными блоками одного и того же слоя кровли. Если же эти вышележащие слои имеют большую мощность и прочность по сравнению со слоями непосредственной кровли, то они могут образовать зависание на значительной площади над выработанным пространством лавы. В результате возникают периодические резкие осадки зависших слоев кровли, вызывающие резкое повышение давления на крепь очистного забоя. Такие осадки называются вторичными осадками основной кровли. Часто они сопровождаются перемещением больших масс вышележащих горных пород, при которых сопротивление крепи не может уравновесить давление перемещающегося массива. Этот масcив находит свою опору на обрушенных породах непосредственной кровли, а крепь в этом случае работает в режиме заданной деформации. Таким образом, податливость крепи должна соответствовать размерам «задаваемой» деформации. Отсюда очевидна необходимость прогноза ожидаемых величин смещений больших массивов пород при вторичных осадках основной кровли.

Рассмотрим смещения пород непосредственной и основной кровли у очистного забоя (рис. 2.3).

Рис. 2.3 - Схема обрушения и осадки пород у очистного забоя

Обрушение непосредственной кровли образует нижнюю зону беспорядочного обрушения пород. Измеряется расстояние ℓ — пролет обрушения непосредственной кровли. Вышерасположенные слои основной кровли смещаются более упорядоченно, причем между отдельными смежными блоками слоев сохраняется шарнирная связь. Эта связь обеспечивается благодаря возникновению сил бокового распора при последовательном обломе и опускании слоев основной кровли.

Объективный показатель состояния устойчивости кровли очистного забоя характеризует величины смещений в выработанное пространство и интенсивность (скорость) этих смещений.

Такие же показатели используются для оценки устойчивости боковых пород в стенках и кровле одиночных подготовительных и капитальных выработок.

2.3. МАРКШЕЙДЕРСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ПРОЯВЛЕНИЯМИ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Для эффективного управления горным давлением необходимо проведение систематических маркшейдерских наблюдений за смещениями пород в выработках.

Проявления горного давления характеризуются абсолютными и относительными величинами смещений пород на границах массива и горной выработки, а также интенсивностью их развития. весь комплекс исследований проявлений горного давления в выработках можно представить в виде следующей схемы.

1. Описание геологического строения массива пород в границах исследуемого участка, которое характеризуется соответствующими разрезами толщи пород. Пространственное ориентирование этих разрезов выбирается в направлениях, наиболее характерных для данных областей проявлений горного давления. Например для длинного очистного забоя — в направлении его подвигания, для одиночной выработки — в сечениях, перпендикулярных оси выработки и т. д.

Особое внимание необходимо уделять поверхностям механического ослабления в массиве (контактам слоев, трещиноватости), регистрации пространственного ориентирования этих поверхностей ослабления, а также приблизительной оценке степени ослабления по этим поверхностям.

2. Определение основных механических характеристик пород, слагающих массив, в качестве которых могут быть использованы значения прочности пород на одноосное сжатие, так как эта характеристика достаточно хорошо корелируется с графическим паспортом прочности для сложных напряженных состояний (см. рис. 1.3).

3. Необходимо знать размеры и пространственное расположение выработок, нарушающих сплошность массива, которые снимаются с маркшейдерского плана горных работ с указанием проектируемого подвигания выработок.

4. Определение характеристик деформаций и смещений пород, наблюдаемых в выработках: деформации элементов массива, прилегающего к выработкам, конвергенция (относительные смещения) стенок выработки, абсолютные смещения отдельных пунктов выработки и т. д.

Характеристика деформаций и смещений пород в выработках определяется специальными маркшейдерскими измерениями.

Основными элементами этих измерений являются:

а) наблюдения за относительными смещениями (конвергенцией) кровли и почвы выработок, а также противоположных стенок одиночных выработок. Эта характеристика является достаточно чувствительным и объективным показателем как самого характера проявлений горного давления, так и его изменений во времени;

б) измерения деформаций пород в стенках выработок. Измерения такого рода производятся или на поверхности стенок выработки между двумя реперами, заложенными в стенке выработки, или же в скважинах, пробуренных из выработки внутрь массива пород. Такой замер может производиться универсальной индикаторной стойкой, а при небольших базах (10— 20 см) — с помощью более чувствительных приборов (например с помощью струнного датчика, обеспечивающего возможность определения относительной деформации с точностью до одного микрометра).

5. Выявление напряженного состояния пород, прилегающих к стенкам выработки (определения абсолютных значений напряжений, а также изменений напряженного состояния).

Для этого может быть применен метод разгрузки. Принцип метода заключается в определении напряженного состояния элемента горной породы путем измерения упругих деформаций, возникающих в этом элементе при отделении его от окружающего его массива пород (разгрузки этого элемента). Определив модуль упругости этого элемента, можно подсчитать величину напряжений, действовавших в этом элементе до его разгрузки. Данный метод обеспечивает достаточно точное определение указанных напряжений. Однако большая трудоемкость производства измерений методом разгрузки не позволяет осуществить массовость таких измерений. Поэтому такие измерения производятся в отдельных случаях.

6. Применение теоретических расчетов напряженного состояния и деформаций пород, окружающих выработки, на базе существующих гипотез о развитии процессов проявлений горного давления.

7. Использование методов моделирования для установления закономерностей в процессах проявления горного давления.

Основным способом исследования проявлений горного давления являются наблюдения и измерения смещений пород в выработках.

Наиболее простыми являются измерения относительных смещений кровли и почвы выработок или же боковых стенок одиночных выработок. Для этого в кровле и почве или в стенках выработки закладываются реперы в виде металлических скоб с просверленными в них небольшими отверстиями, служащими центром, которые устанавливаются на одной вертикали; причем сначала — репер в кровле, а по отвесу, пропущенному через отверстие верхней скобы, — репер в почве, так чтобы отверстие в нижней скобе было на одной вертикали с отверстием в верхней. После этого периодически производятся замеры расстояний между скобами, а также величин относительных горизонтальных смещений вертикальной проекции центра верхнего репера относительно центра нижнего. При замерах относительных смещений боковых стенок одиночных выработок пары реперов устанавливаются обычно на одной горизонтали, пересекающей противоположные стенки выработки.

Описанные измерения могут выполняться с помощью универсальной индикаторной стойки типа СУИ-II, выполненную опытно-экспериментальным заводом ВНИМИ (рис. 2.4).

Рис. 2.4 - Стойка универсальная измерительная: 1 — телескопическая стойка с миллиметровой шкалой и пружиной; 2 – стопорный винт; 3 – индекс отсчета по миллиметровой шкале; 4 - индикаторная головка

Наблюдения за проявлениями горного давления показали, что помимо абсолютных значений конвергенции важна интенсивность проявления горного давления, т. е. скорость смещений. Для того чтобы можно было определять скорости относительных смещений наблюдаемой пары реперов за короткий промежуток времени, необходима значительная точность измерений смещений. С этой целью в конструкции стойки предусмотрена специальная головка с индикатором смещений часового типа. Использование такой головки позволяет производить измерения смещений с точностью до 0,01 мм.

При производстве измерений индикаторная стойка устанавливается между реперами и наблюдение за смещениями производится при неизменном положении установленной стойки для того, чтобы избежать погрешностей, возникающих при повторных ее установках между реперами. Высокая точность определения смещений позволяет определить их величину за промежуток времени в пределах 5—10 мин.

Если породы, между которыми устанавливается стойка, достаточно прочные, то можно производить измерения без предварительной закладки реперов. Достаточно засверлить с помощью обычной ручной дрели и хорошо закаленного сверла в породе небольшие конические лунки. Измерительную стойку устанавливают между этими лунками и сохраняют неизменное ее положение в процессе измерений, что приводит к значительной точности замеров смещений, соответствующей точности индикатора.

Определения скоростей смещения являются объективным показателем степени устойчивости пород в выработках. На практике на данном участке горных работ обычно определяются скорости смещения пород в нормальных устойчивых состояниях выработки, а также в тех ее состояниях, которые приводят к потере устойчивости. Таким образом, непосредственно опытным путем для данного участка горных работ устанавливают скорости смещения, характеризующие благоприятное и неблагоприятное состояния выработок.

Помимо таких определений необходимо иметь в виду, что абсолютные значения больших скоростей смещения не всегда характеризуют неблагоприятное состояние устойчивости выработок. Так, например, при наблюдениях скоростей относительных смещений кровли и почвы в рабочем пространстве очистного забоя установлено, что при очередной зарубке забоя, резко отодвигающей основную опору кровли, повышается скорость смещения кровли забоя сразу после зарубки.

Однако эта скорость смещения не остается постоянной, и при нормальном, достаточно устойчивом состоянии кровли очистного забоя эта скорость постепенно уменьшается и со временем достигает значения, характеризующего ее нормальное устойчивое состояние.

Таким образом, основным признаком опасного неустойчивого состояния кровли является не абсолютное значение скорости смещения, а положительное ускорение смещений кровли. Отрицательное ускорение свидетельствует о равновесном состоянии наблюдаемой механической системы.

Результаты всех систематических измерений смещений пород в выработках обычно изображаются графически (рис. 2.5). По оси абсцисс откладывается время наблюдений (дни и часы). В верхней части графика показаны кривые смещений кровли во времени для определенного места лавы. У каждой кривой указан номер пары реперов, по которым производилось измерение смещений кровли относительно почвы. В нижней части графика показана хронограмма движения забоя и кромки обрушения кровли за пределами рабочего пространства лавы, появления крупных трещин и обрезов в кровле рабочего пространства, положения и перемещения мест установки измерительных пунктов (реперов) в рабочем пространстве лавы.

Рис. 2.5 - График относительных смещений кровли и хронограмма горных работ в очистном забое

Кроме того, для различных периодов работы очистного забоя записываются комментарии, характеризующие состояние пород и крепи в рабочем пространстве очистного забоя.

Данные систематических наблюдений за смещениями боковых пород в подготовительных выработках также выносятся на график. Учитывая, что на эти смещения оказывает влияние положение смежного очистного забоя, на графике указываются расстояния до положения очистного забоя.

Помимо систематических измерений смещений боковых пород в выработках полезны систематические визуальные наблюдения за состоянием боковых пород и крепи. Например, на каменноугольных шахтах Рура в Германии широко и с большим эффектом используется систематическая ежесменная визуальная регистрация состояния кровли в очистных забоях.

Отпечатана специальная таблица, в которую за каждую рабочую смену технический надзор участка заносит определенные сведения, касающиеся состояния кровли и крепи в отдельных местах каждого работающего очистного забоя. Особое внимание при этом обращается на фиксацию вывалов отдельных блоков из кровли в рабочем пространстве. В соответствии с объемом и площадью распространения этих вывалов делается оценка эффективности или неэффективности применяемой технологии ведения горных работ по выемке угля и креплению рабочего пространства очистного забоя. Такие сведения обеспечивают надежность выводов и заключений, получаемых в результате статистической обработки получаемых данных.

В целом, весь комплекс маркшейдерских наблюдений за процессами проявлений горного давления при условии систематического их проведения во всех случаях обеспечивает объективную оценку состояния устойчивости горных выработок и работы крепи, а также позволяет сделать обоснованные рекомендации по улучшению технологии и обеспечению безопасности ведения горных работ.

ОРГАНИЗАЦИЯ МАРКШЕЙДЕРСКОЙ СЛУЖБЫ. ПЛАНИРОВАНИЕ МАРКШЕЙДЕРСКИХ РАБОТ

3.1. СТРУКТУРАМАРКШЕЙДЕРСКОЙ СЛУЖБЫ

3.1.1. СТРУКТУРА МАРКШЕЙДЕРСКОЙ СЛУЖБЫ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ И ОРГАНИЗАЦИЯХ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В соответствии с отраслевым принципом маркшейдерская служба в настоящее время организована по двум направлениям: маркшейдерская служба предприятий и организаций горнодобывающей промышленности и специализированные организации.

В отрасли структура маркшейдерской службы обычно соответствует организационной структуре соответствующего министерства. Так, например, если структура министерства представляет собой схему: шахта (рудник) — производственное объединение (трест, комбинат) — отраслево