Приложение 4. Прогноз удароопасности участков массива горных пород

Приложение 4

Прогноз удароопасности участков массива горных пород (к п. 4)

Прогноз удароопасности основан на оценке напряженного состояния и физико-механических свойств горных пород в зоне опорного давления геомеханическими и геофизическими методами.

Геомеханический метод

1. По дискованию керна при ведении горных работ. Метод дискования керна является базовым. Другие существующие и вновь вводимые методы, методики и критерии определения удароопасности в обязательном порядке должны быть сверены на сходимость с результатами базового метода для каждого месторождения и приведены в Указаниях. Толщина выбуриваемых из скважин дисков t зависит от величины максимальных радиальных напряжений . Чем больше максимальные радиальные напряжения , тем интенсивнее процесс дискообразования.

Диски имеют выпукло-вогнутую форму с выпуклостью в направлении массива. К учету принимаются диски, толщина которых не превышает половины их диаметра.

Наименьшую среднюю толщину дисков с единицы длины скважины устанавливают при наиболее высоких уровнях напряженности - предел прочности на одноосное сжатие) и минимальных соотношениях ( - напряжение на оси скважины). Вторая составляющая радиальных напряжений практически не оказывает влияния на процесс дискообразования.

Количественные зависимости толщины дисков от уровня напряженности и вида напряженного состояния массива являются универсальными для пород, склонных к горным ударам (рис. 6).

С увеличением диаметра керна толщина дисков возрастает, а относительная ее величина уменьшается. Пересчет параметров дискования керна с одного диаметра на другой производят с помощью поправочного коэффициента , если известны толщина дисков или их количество с единицы длины скважины хотя бы одного диаметра:

, или ,

где при ;

- толщина дисков диаметром ;

- толщина дисков диаметром ;

- число дисков при диаметре керна ;

- число дисков при диаметре керна .

Дискообразование происходит с наибольшей интенсивностью при расположении скважин перпендикулярно действию максимальных напряжений. При бурении скважин под углом к указанному направлению происходит изменение параметров дискования керна.

Для прогноза удароопасности и оценки напряженности массива может быть использовано буровое оборудование со следующими характеристиками режима бурения: скорость вращения бурового става 350-450 об./мин, усилие подачи 1 МПа, скорость бурения 1-2 см/мин, количество воды, подаваемой на забой скважины - 3-7 л/мин. При бурении рекомендуется применять керновые полусферические коронки диаметром 59 мм.

Для прогноза удароопасности необходимо определить направление действия главных напряжений и уровень напряженности в зоне максимума зоны опорного давления.

Напряженное состояние пород по дискованию керна количественно оценивается только в зоне максимума опорного давления на основе зависимости (рис. 7), которая определяется напряжениями . Радиальные напряжения являются тангенциальными по отношению к выработке.

Напряженное состояние массива по разделению керна на диски вне зоны опорного давления можно количественно оценивать с достаточной достоверностью по зависимостям, представленным на рис. 6.

Для оценки напряженного состояния участков массива бурят скважину по нормали к поверхности обнажения, либо к плоскости, являющейся касательной к ее поверхности, на глубину, равную наибольшему размеру выработки h. При бурении отбирают керновый материал через каждые 0,5 или 1 м.

Результаты измерений толщины дисков представляют в виде гистограмм. Прямо линейные участки гистограммы, соединенные плавной линией, имеют вид параболы, обращенной ветвями вверх.

Расстояние от устья скважины до середины участка с минимальной толщиной дисков соответствует расстоянию до максимума зоны опорного давления.

При наличии на гистограмме нескольких участков с минимальной толщиной дисков (лепестков) следует определять на этих участках прочность на сжатие пород (руд). Определение может быть выполнено, например, прибором БУ-39 конструкции ВНИМИ.

Положение зоны максимума опорного давления при различиях в прочностных свойствах горных пород необходимо определять по наибольшей величине , устанавливаемой с учетом средней толщины дисков и их прочности из зависимости:

В крепких разновидностях пород - вблизи контактов крепких и слабых пород - может наблюдаться увеличение дискообразования с ограниченной протяженностью, не превышающей 0,2-0,25 м. Эти экстремумы представлены, как правило, не более чем 5-10 дисками и не определяют зоны максимума опорного давления.

Положение зоны максимальных нагрузок при неизменной прочности пород необходимо устанавливать по наиболее удаленному экстремуму.

Прогноз удароопасности пород и руд выполняется исходя из определения величины напряжений в максимуме зоны опорного давления и расстояния до максимальных нагрузок от обнажения.

Прогноз удароопасности должен производиться в скважинах, ориентированных перпендикулярно действию максимальных напряжений. Для определения направления максимального напряжения в сечении выработки следует бурить веер скважин в соответствии с методикой для данного месторождения. Скважина, из которой керн вышел в виде дисков наименьшей толщины, показывает направление максимальных напряжений, перпендикулярное ее оси.

Удароопасность массива при дисковании керна в нескольких скважинах должна определяться также по скважине с наименьшей толщиной дисков в зоне максимума опорного давления. Прогноз степени удароопасности при неизменных горнотехнических и горно-теологических условиях может проводиться только по одной скважине с минимальной толщиной дисков.

Иногда у обнажения образуется зона разрушенных пород (руд) . Эта зона может возникать и в результате буровзрывных работ. Дискования керна в этой зоне не наблюдается. Начало зоны дискования керна характеризует границу между зонами и (рис. 8).

По параметрам и , определяют категорию удароопасности участка горного массива (рис. 9).

Направление действия максимальных напряжений уточняется для каждого месторождения и должно быть приведено в Указаниях.

Другие методы

Приведенные ниже методы определения удароопасности могут применяться на месторождениях после проведения опытно-экспериментальных работ и опробования методик. Порядок ввода в практическое использование данных методов определяется Указаниями с обязательным рассмотрением на Комиссии.

2. По трещиноватости. Трещиноватость поперечной направленности в условиях пластообразной залежи служит показателем удароопасности. Удароопасность определяют по ориентировке трещин поперечных систем относительно выработок и по их густоте.

Прогноз производят на основании данных съемки трещиноватости. Замеры азимутов простирания трещин А и углов падения Б выполняют горным компасом или угломером. Измерению подлежат трещины с гладкими, иногда до зеркальности, поверхностями образующих плоскостей. На плоскостях возможны полосы и борозды скольжения. Трещины могут быть с заполнителем или без него.

При измерениях необходимо пользоваться правилом "правой руки". Длинную сторону компаса располагают по линии простирания замеряемой трещины. Нуль азимутальной шкалы компаса должен быть направлен таким образом, чтобы в поле зрения скат трещины был справа. Каждую плоскость замеряют 2-3 раза. Окончательное значение элементов залегания трещины принимают как среднеарифметическое. Съемку ведут с выделением трещин последовательно на каждом метре. При измерениях определяют значения истинных азимутов простирания.

К поперечным системам относят трещины с параметрами ;

и , где - магнитное склонение, Б - угол падения.

При съемке трещиноватости учитывают только трещины поперечного класса. Для получения объективных результатов и полного охвата прогнозируемой области рудной залежи необходимо, чтобы расстояние между выработками не превышало 20 м.

По результатам съемки проводят изолинии густоты трещин поперечного класса. С этой целью данные замеров густоты усредняют на пятиметровых интервалах и наносят на план горных работ масштаба 1:500. Проводят изолинии густот 0,2:0,4; 0,6; 1; 3; 5; 10; 15 линий на 1 м.

Области шахтного поля, оконтуренные изолиниями густоты трещин 0,6 на 1 м и выше, относят к опасным по горным ударам.

Определяют интенсивность развития (густоту) в поперечных системах трещин (рис. 10, а). Для этого усредняют густоту трещин на участке съемки длиной не более 5 м. Если колебания густоты (отклонение максимального значения от минимального) не превышает двух на 1 м погонной длины, то ее усредняют на участке длиной 5 м (рис. 10, б). В случае колебания густоты на участке замера более двух на 1 м длины, усреднение принимают на участке не более 2 м (рис. 10, в).

При усредненной густоте трещин менее одной на 1 м систему считают неразвитой. При густоте трещин от одной на 1 м и выше удароопасность участка устанавливают в зависимости от ориентировки трещин поперечных систем относительно обнажения залежи. Ориентировка трещин определяется углом встречи и направлением их падения относительно обнажения. Угол встречи определяют как разность азимутов простирания трещин и плоскости обнажения. В направлении падения трещин относительно обнажения различают два положения - в массив и на обнажение (см. рис. 10, а, б).

По выявленным показателям трещиноватости непосредственно в выработке предварительно определяют удароопасность участка рудной залежи (табл. 2).

Таблица 2

Категория удароопасности	Ориентировка трещин поперечных систем относительно обнажения		Густота трещин поперечных систем, количество на 1 м
	Угол встречи с обнажением	Направление падения
Опасно	0-30	В массив
	60-90	Любое	1-15
	30-60	В массив	1-15
Неопасно	0-60	На обнажение	1-15
	0-90	Любое	Свыше 15

Для окончательного установления удароопасности обрабатывают результаты съемки трещин с помощью круговой диаграммы (рис. 11). Трещины на ней отмечают условными знаками (точками) с цифрами, указывающими конкретный метр из замера. Выделяют максимумы систем при помощи метода "скользящего окна" - сектора круговой диаграммы размером 20x20°. Перемещая сектор по кругу с шагом 10°, отмечают каждый раз в центре "окна" число попавших в него трещин. Если точка находится в поле сектора, то ее обозначают цифрой 1, а при ее расположении на линии сектора - 0,5 и в углу - 0,25. После этого перемещают сектор к центру диаграммы также с шагом 10°. По нанесенным данным проводят изолинии равных частот встречаемости трещин. Максимумы систем трещин находятся в центре площадок, ограниченных изолиниями наибольших частот встречаемости. При построении изолиний необходимо учитывать особенности положения трещин, попадающих на круговой диаграмме между концентрическими окружностями, соответствующими углам падения 80-90°. Точки максимумов соединяют с центром диаграммы. Проведенные линии соответствуют азимутам простирания плоскости максимума системы. Нормали, проведенные вправо от этих линий, если смотреть из центра диаграммы, указывают направление падения трещин в системах. Угол встречи и направление падения относительно обнажения выработки на круговых диаграммах определяют следующим образом.

На круговую диаграмму наносят пространственное положение выработки (см. рис. 11, в), в которой замеряли трещины. Линию, имитирующую обнажение выработки со стороны массива, штрихуют. Относительно этой штриховки рассматривают направление падения трещин. Направление на штриховку соответствует положению падения трещин в массив, противоположное направление - на обнажение.

Одновременно определяют угол встречи трещим с обнажением выработки, т.е. острый угол между диаметральной линией, соединяющей центр круговой диаграммы с максимумом системы трещин, и соответствующей линией простирания обнажения.

Наиболее достоверные результаты измерений достигаются при непрерывной съемке трещин в условиях проведения очистной или подготовительной выработки. Обязательной является съемка трещин в забое и в стенках выработки. Трещиноватость в этом случае снимают на пятиметровых интервалах при каждом подвигании забоя выработки на 3 м.

Допускается съемка трещин отдельными участками. В этом случае протяженность участка измерений должна быть не менее 10 м.

3. Метод вдавливания пуансона в стенки шпуров (скважин). Прибор МГД (многоточечный гидравлический датчик) с самописцем предназначен для определения склонности пород к го