Для месторождения характерна большая изменчивость горно-геологических условий. На новых рудниках с ростом глубины горных работ, увеличением содержания глинистых прослоев в пластах и вмещающих породах ухудшилось состояние горных выработок, участились случаи обрушений кровли и возрос уровень травматизма.
В связи с этим появилась настоятельная потребность в оперативном контроле устойчивости обнажений и разработке эффективных способов предотвращения внезапных разрушений и обрушений пород кровли. Этой проблеме посвящены межведомственные совещания «О мерах предупреждению травматизма от обрушений кусков руды и породы в горнорудной и нерудной промышленности», состоявшиеся в 1976, 1978, I980 и 1983 гг. в Госгортехнадзоре СССР. Разработанные ранее методы прогноза и предупреждения не позволили полностью решить эту задачу.
Целью работы является разработка оперативного метода прогноза внезапных разрушений и обрушений кровли и эффективного способа их предотвращения, позволяющих повысить безопасность труда в калийных рудниках.
Основная идея работы заключается в использовании зависимости количества и частотного спектра импульсов акустической эмиссии от напряженного состояния массива соляных пород для прогнозирования обрушений кровли и разгрузочных щелей определенных параметров для предотвращения обрушений кровли горных выработок и повышения безопасности.
При выполнении работы применялся комплекс методов, включающий теоретические, лабораторные и шахтные исследования с применением математической статистики и обработкой на ЭВМ ES-1033 {так в оригинале. - прим.ред.}.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- установлено, что разрушение образцов соляных пород сопровождается двумя хорошо различимыми по форме, видами импульсов \4\ акустической эмиссии, а именно импульсами от разрыва сплошности и импульсами от закрытия трещин и пор, которые характеризуют нагрузки действовавшие на образец в массиве;
- установлено, что производить оценку о безопасном или опасном состоянии соляного массива по одной шумности невозможно, так как звукоактивность разрушения каменной соли и сильвинита пластов Красный II и АБ различна, а критическое состояние массива характеризуется сдвигом частотного спектра акустической эмиссии в область более высоких частот;
- установлено, что проведение разгрузочной щели высотой больше, чем мощность непосредственной кровли содержащей глинистые прослои и шириной больше величины закрытия сторон щели за весь срок службы выработки предотвращает возникновение разрушений и обрушений кровли.
Основные научные положения, защищаемые в диссертационной работе:
- характеристики импульсов акустической эмиссии при закрытии имеющихся в образце трещин и пор и от возникновения новых микро-разрушений различны;
- по времени окончания поступления импульсов акустической эмиссии от закрытия трещин и пор модно определить нагрузку действующую на образец в массиве;
- разрушение соляных пород пластов Красный II, АБ и каменной соли Верхнекамского месторождения наступает при регистрации частотного спектра импульсов акустической эмиссии 3-4 кГц ;
- методика текущего сейсмоакустического прогноза обрушений кровли с помощью аппаратуры «Сигнал-1»;
- проведение разгрузочных щелей в слоистой кровле, содержащей глинистые прослои, высотой большей мощности этой кровли (более 1,5 м) и шириной больше величины закрытия щели за весь срок службы очистных и подготовительных выработок (более 0,14-0,2 м) исключает возникновение динамических явлений.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается удовлетворительной сходимостью критериев оценки напряженного состояния соляных пород, полученных в лабораторных и шахтных условиях, основанных на анализе частотного спектра акустической эмиссии, что позволило своевременно запрогнозировать несколько обрушений кровли и заблаговременно вывести людей из забоя и положительными результатами шахтных испытаний и внедрения разгрузочных щелей исключивших возникновение \5\ разрушений и обрушений кровли в пройденных этим способом выработках.
Реализация работы в промышленности. Методика сейсмоакустического прогноза обрушений пород кровли горных выработок и рекомендации по повышению устойчивости горных выработок внедрены в рудниках ПО "Уралкалий", что позволило повысить безопасность и эффективность ведения горных работ. В выработках пройденных с разгрузочной щелью общей длиной около 5 км случаев обрушений не зафиксировано. Ожидаемый экономический эффект от внедрения составит 1 млн.руб. в год.
Апробация. Разделы диссертации и вся работа в целом докладывались и получили положительную оценку на VIII и IX Всесоюзном семинарах «Измерение напряжений в массиве горных пород» (г. Новосибирск, 1982 и 1984), на VIII Всесоюзной научной конференции ВУЗов СССР «Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов» (г. Москва, 1984), на Всесоюзной научно-технической конференции «Исследование, прогноз и контроль проявления горного давления» (г. Ленинград, 1982), на I и II Республиканских научных семинарах «Горная геофизика» (г.г. Ткибули, 1981 и Сухуми, 1983), на Республиканской научно-технической конференции «Интенсификация подземной добычи угля и улучшение использования горной техники» (г. Киев, 1982), на тематических семинарах и координационных совещаниях по проблеме газодинамических явлений на калийных рудниках (г.г. Березники, Ленинград, 1980-1984), на технических советах при главном инженере ПО «Уралкалий», на научных семинарах кафедры рудничной вентиляции и охраны труда Ленинградского горного института (г. Ленинград, 1982-1984), на ежегодных научно-технических конференциях Пермского политехнического института (1979-1984).
Публикация. По теме диссертации опубликовано пятнадцать научных работ, получено три авторских свидетельства на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 113 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка, 12 таблиц, список литературы из 143 наименований и 3 приложений.
Изучением механизма и разработкой способов предотвращения и прогнозирования динамических проявлений горного давления на калийных рудниках (внезапные выбросы соли и газа, внезапные разрушения пород кровли и почвы, обрушения, явления комбинированного типа) \6\ занимались многие советские и зарубежные ученые: И.И. Медведев, Н.М.Проскуряков, О.В. Ковалев, И.М. Петухов, Г.Д. Полянина, М.П. Фивег, B.П. Шатов, В.Ф. Коротаев, Г.П. Шаманский, Б.Ш. Винокур, А.С. Кириченко, Гимм, Винтер, Тома, Экарт, Пфорр и др. Выполненные ими исследования позволили решить широкий круг вопросов, связанных с профилактикой, прогнозированием и предотвращением внезапных выбросов соли и газа. В настоящее время для условий калийных рудников доведены до промышленного внедрения методы текущего прогноза и предотвращения выбросоопасности (бароконтроль и мелкошпуровое дренажное бурение). Однако, применение этих методов для прогноза и предотвращения внезапных разрушений кровли (почвы) и обрушений малоэффективно.
Анализ существующих геофизических методов прогноза динамических явлений позволит установить, что наибольшей оперативностью обладает сейсмоакустический.
Сейсмоакустический метод используется довольно широко для прогнозирования динамических проявлений горного давления (внезапные выбросы угля и газа, горные удары, обрушения пород кровли) как в нашей стране, так и за рубежом. Большой вклад в его развитие внесли М.С. Анцыферов, С.Д. Виноградов, А.Г. Константинова, B.C. Иванов, Р.Н. Надирашвили, Винтер, Шольц, Котт, Ходжсон, Обертон, Дюваль и др. Применением сейсмоакустического метода для прогноза обрушений на калийных рудниках СССР впервые занялись В.Ф. Коротаев и Г.Д. Полянина. Однако, методика, применяемая на угольных шахтах, для калийных рудников оказалась трудоемкой и малоэффективной.
Разработка метода прогноза и предотвращения потребовала решения следующих задач:
1) исследовать характеристики сейсмоакустических импульсов при разрушении соляных пород для выявления критерия разрушения;
2) разработать методику сейсмоакустического экспресс-прогноза и аппаратуру для осуществления прогноза;
3) изучить роль глинистых прослоев в механизме динамических явлений;
4) разработать и испытать метод предотвращения внезапных разрушений и обрушений кровли горных выработок;
5) произвести экономическую оценку эффективности применения разработанных мер прогноза и предотвращения динамических явлений.
На установке, состоящей из пресса, образца и тракта регистрации и анализа, проводились исследования изменения характеристик \7\ импульсов акустической эмиссии (количества импульсов в единицу времени, амплитуда, частотного спектра). Тракт регистрации и анализа состоял из датчика-приемника акустических сигналов, усилителя, магнитофона, шлейфового осциллографа и анализатора спектра. Скорость перемещения плит пресса была постоянной во всех случаях.
Аппроксимация экспериментальных данных производилась методом наименьших квадратов с последующим статистическим анализом, состоящим в проверке значимости коэффициентов уравнений регрессии по критерию Фишера с 99% надежностью.
Анализ результатов экспериментальных исследований позволил установить следующее:
- обработка данных, полученных при разрушении 20 образцов разрывом, показала, что увеличение площади разрушения Sp влечет за собой увеличение амплитуды импульса А акустической эмиссии:
, усл.ед. ; (1)
, кГц ; (2)
получилась различной. Разрыву прочных образцов соответствует более
высокая видимая частота акустической эмиссии, чем менее прочных:
, кГц. (3)Основываясь на этих исследованиях, автор предложил «Способ определения напряженного состояния горных пород», который признан изобретением. Сущность его заключается в следующем. Образец, выбуренный из массива, помещают под пресс, предварительно приклеив к одной из его сторон преобразователь акустических сигналов. Нагружают его с постоянной скоростью до разрушающей нагрузки. Одновременно с этим производят запись на фотобумагу шлейфового осциллографа акустические сигналы и по их форме осуществляют разделение на импульсы акустической эмиссии от закрытия трещин и пор и импульсы от микроразрушений. За величину действовавшего в массиве напряжения принимают нагрузку, соответствующую моменту закрытия всех трещин и пор, в данной плоскости нагружения, то есть прекращению приема импульсов акустической эмиссии в виде пакетов гармонических синусоидальных колебаний (рис.1).
Рис.1. Определение вертикальной составляющей нагрузки на ленточный целик шириной 3,8 м пласта Красный II при разрушении образца с приложением нагрузки перпендикулярно слоистости:
1- кривая изменения нагрузки; 2- кривая изменения импульсов акустической эмиссии от микроразрушений; 3 - кривая изменения импульсов акустической эмиссии от закрытия трещин и пор.
Испытывая образцы из одного блока в различных плоскостях нагружения, можно узнать величину действовавших на блок напряжений в данных направлениях и оценить опасность и возможность разрушения кровли и её обрушения.
Анализ сейсмограмм разрушения соляных пород позволил установить, что сильвинит пластов АБ, Красный II и каменная соль имеют различную звукоактивность. Разница в звукоактивности в некоторых случаях достигает двух порядков. Причем частота следования импульсов акустической эмиссии находится в тесной взаимосвязи с деформационными процессами.
В работах И.М. Петухова, В.А. Смирнова, Б.Ш, Винокура и др. установлено изменение частотных спектров импульсов акустической эмиссии по мере приближения горного удара. На пластах, опасных по внезапным выбросам, по наблюдениям М.С. Анциферова, А.Г. Константиновой, частота регистрируемых импульсов в моменты усиленного трещинообразования повышается в 1,5-2 раза. Так если в спокойные периоды в спектре регистрируемых колебаний наблюдались частоты порядка 300-400 Гц, то в периода повышенной активности они возрастали до 600-800 Гц.
Проведенный анализ изменения видимой частоты импульсов акустической эмиссии при разрушении образцов соляных пород сжимающей нагрузки показал, что в начальной стадии нагружения она находится в пределах 1,8-2,0 кГц. С увеличением нагрузки частота увеличивается и при 80% разрушающей нагрузки достигает 4,0-4,5 кГц. Эта зависимость характерна для всех соляных пород (рис. 2) и \9\
Рис.2. Зависимость изменения частоты импульсов акустической эмиссии:
а - от удельной прочности образцов на разрыв; б - от отношения действующей нагрузки к пределу прочности на сжатие образцов каменной соли и сильвинита пластов Красный II и АБ.
\10\ может быть принята вторым критерием (помимо шумности) для выявления ситуации, опасной по динамическим явлениям.
Зависимость видимой частоты импульсов акустической эмиссии от удельной нагрузки запишется в виде уравнения:
, (4)
Таблица I
Значения коэффициентов уравнения (4)
| Пласт |
a |
b |
| АБ |
1,9343 |
0,00963 |
| Красный II |
1,9850 |
0,00655 |
| Каменная соль |
2,1680 |
0,00785 |
Увеличение видимой частоты ммпульсов акустической эмиссии, возникающих при разрушении образцов растягивающей нагрузкой, подтверждает правильность выбора дополнительного критерия (см.рис. 2а). При этом факт увеличения частоты не зависит от вида разрывающей нагрузки. Изменение частоты импульсов акустической эмиссии характерно для всех видов соляных пород. Поэтому, для выявления ситуации, опасной по возникновению динамических явлений, помимо подсчета общего количества необходимо проводить анализ частотного спектра импульсов акустической эмиссии.
Для проведения качественного прогноза динамических явлений необходимо производить выделение полезного сигнала из массы звуков работающего в забое оборудования. С этой целью в вахта условиях был записан на магнитную пленку шум при работе всех типов комбайнов (Урал-20КС, Урал-10KC, ПК-8) и самоходных вагонов. Обработка данных производилась на анализаторе спектра СК 4-26 с рабочей полосой от 20 Гц до 20 кГц.
Ори анализе установлено, что выделение полезных сигналов (импульсов акустической эмиссии) необходимо производить с помощью технологического отсева, то есть при неработающих механизмах в забое, так как выделить полезный сигнал ни с помощью частотной, ни с помощью амплитудной селекции невозможно.
Следует отметить, что в настоящий момент отсутствует серийно выпускаемая сейсмоакустическая аппаратура, позволяющая производить, \11\ помимо подсчета импульсов акустической эмиссии, анализ частотного спектра. Существующие зарубежные аналоги основана на создании сложных систем с применением компьютеров.
Для проведения исследований в шахтных условиях разработан рабочий пакет аппаратуры, позволяющий проводить необходимый анализ сейсмоакустической информации. Она состоит из датчика-геофона СМВ-30 и блока обработки, имеет малый вес и габариты. Аппаратура прошла петрологическое обеспечение и в Пермском округе Госгортехнадзора получено разрешение на ее шахтные опытно-промышленные испытания.
С целью отработки методики сейсмоакустического метода прогноза автором в период с 1981 г. проводились шахтные исследования сейсмоакустической активности соляного массива в рудниках 2 и 3 БКРУ. Для этого в рабочем забое в дренажный шпур вставляли геофон СМВ-30 на специальной штанге с распорным устройством. Продольная ось геофона совмещалась с осью выработки. Отставание места установки от забоя составляло 10-20 м. Устье шпура закрывали поролоновой пробкой, чтобы геофон не улавливал лишние звуки. Прослушивание, после возбуждения массива исполнительным органом, производилось в течении одной минуты. Исследования производились в выработках, пройденных всеми типами комбайнов. Произведено более 350 замеров в действующих забоях, результаты которых приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты сейсмоакустических измерений в выработках, пройденных комбайнами ПК-8 и Урал-20КС, с различным состоянием кровли
| Шумность в комбайновых выработках, имп./мин. |
Преобладающая частота, кГц |
Вероятность событий, % |
Состояние кровли |
|
| ПК-8 |
Урал-20КС |
|||
| 0-5 |
0-5 |
до 1,5 |
100 |
Массив и кровля устойчивы |
| 4-30 |
4-35 |
1,5-2,0 |
87 |
Прогиб кровли без образования трещин |
| 30-50 |
35-60 |
2,0-2,2 |
92,5 |
Мелкие отслоения и трещины в кровле |
| 50-90 |
60-95 |
2,2-2,5 |
82,7 |
Интенсивное (со звуком) газовыделение из дренажных шпуров |
| 85-110 |
93-115 |
2,5-3,0 |
89,2 |
Начинающееся разрушение кровли, предшествующее динамическому явлению |
\12\ В дальнейшем методика сейсмоакустического экспресс-метода и разработанная аппаратура были переданы в ПО «Уралкалий» для проведения опытно-промышленных испытаний сотрудниками объединения на руднике 3 БКРУ. Наблюдения проведены почти на всех участках рудника. За это время было произведено 174 замера. Под сейсмоакустическим контролем пройдено 432 метра горных выработок и запрогнозировано несколько обрушений, что позволило своевременно вывести людей из забоя.
Шахтные испытания методики сейсмоакустического прогноза и аппаратуры «Сигнал-1» подтвердили их работоспособность.
Обследование более 75 полостей внезапных разрушений кровли и обрушений, происшедших в рудниках 2 и 3 БКРУ, показало наличие в них большого количества глинистого материала. Все полости обрушений и внезапных разрушений кровли (почвы) приурочены к глинистым прослоям, расположенным в непосредственной кровле (почве) сильвинитовых пластов.
Изучением основных факторов, влияющих на устойчивость кровли горных выработок в калийных рудниках, занимались P.C. Пермяков, М.П.Нестеров, Н.М. Проскуряков, А.К. Черников и др. К ним относятся вес вышележащих пород, боковой распор, собственный вес пород кровли и др. Отмечается слабое сцепление глинистых прослоев с соляными породами, из-за чего происходит расслоение и отслоение соляных пород. В большинстве случаев это приводит к обрушению пород кровли.
Помимо обрушений, в калийных рудниках Верхнекамского месторождения происходят внезапные разрушения кровли или почвы. Их полости имеют кратерообразный вид (в проекции усечённый конус). Глубина полостей не превышает 1-2 м. Разрушенная порода представлена остроугольными кусками соляных пород. Полости явлений приурочены к глинистым «коржам» пласта Красный II и Красный I. В местах разрушений встречается большое количество глины.
Явления, близкие по характеру внезапным разрушениям кровли и почвы при отработке пласта Красный II и пласта АБ, геологическому и технологическому расположению выработки в горных породах встречаются на угольных шахтах Кизеловского бассейна СССР и классифицируются как горные удары взламывания (И.М. Петухов).
Причиной таких ударов служит наличие в толще, выше непосредственной кровли или ниже непосредственной почвы, прослойка пластичной порода, например, прослойка глины, заключенного между жесткими породными слоями. В соответствующих условиях, этот прослоек выдавливается в сторону выработки и взламывает прочный слой почвы выработки в форме горного удара. \13\
В подтверждении гипотезы о возможности активного участия глинистых прослоев в механизме внезапных разрушений кровли (почвы) и обрушений были проведены лабораторные и шахтные исследования.
На основе анализа литературных источников (В.А. Лыткин, А.П. Максимов и др.) для описания процессов деформации глинистого материала принимаем механическую модель Шведова-Бингама.
Реологическое уравнение такого типа имеет вид:
, (5)
и 
- соответственно интенсивность касательных напряжений и скорость
сдвига; 
- предельное напряжение сдвига, характеризующее пластические
свойства ; 
- вязкость.Течение таких сред возможно лишь тогда, когда приложенные к ним касательные напряжения больше
.Поведение бингамовских сред объясняется тем, что в состоянии покоя они имеют пространственную структуру, достаточно жесткую, чтобы сопротивляться любому напряжению, не превосходящему предела текучести
.
Превышение предела текучести ( > ) приводит к разрушению структуры и
среда (в нашем случае глина) ведет себя как обычная ньютоновская
жидкость. Структура снова восстанавливается, когда действующие в глине
напряжения сдвига становятся меньше . Результаты шахтных замеров скорости выдавливания глинистых прослоев из целиков выработок показали, что она зависит не только от влажности прослоя, но и от его мощности. С увеличением мощности прослоев скорость выдавливания увеличивается. В целом распределение влажности глинистых прослоев по длине целиков в рудниках 2 и 3 БКРУ неравномерно и колеблется в довольно широких пределах: от 8,75 до 29,9%. Четкой зависимости распределения влажности по длине прослоя выявить не удалось.
Для оценки влияния глинистых прослоев на возникновение разрушений и обрушений пород кровли горных выработок на БКРУ-2 была установлена комплексная замерная станция в отработанной камере № 312 пласта Красный II 3-й западной панели. Она состояла из гидравлических датчиков, глубинных и контурных реперов и датчиков (манометров) для измерения газового давления в глинистых «коржах» пластов Красный II и Красный I. На момент установки станции комбайн отрабатывал 306-ю камеру смежного пласта АБ.
Гидравлические датчики устанавливали в I слое пласта Красный II, который оставляют в кровле для лучшего поддержания горной выработки, в «коржах» над пластами Красный I и II, в сильвинитовом пласте Красный I. Глубинные реперы закреплялись на глубинах, позволяющих \14\ зафиксировать деформацию пород I слоя пласта Красный II, межпластовой соли Красный II - Красный I и кровли пласта Красный I, включающей глинистый прослой мощностью около 0,2 м. Контурные реперы позволили регистрировать сближение боковых стенок, а также пород кровли с почвой.
Предварительно, по методике СО АН СССР, были определены модули упругости пород вдоль напластования, которые составили для сильвинита пласта Красный II (I слой) 3,2*103 МПа, для «коржей» пласта Красный II - 4,3*103 МПа и для сильвинита пласта Красный I - 6,4*103 МПа.
За трехмесячный срок наблюдений прирост давления газов в загерметизированных «коржевых» частях пластов Красный II и Красный I не наблюдался и не превышал 0,1 МПа.
Необходимо отметить, что методом разности давлений не удалось установить модуль упругости глинистого прослоя, находящегося в кровле пласта Красный I из-за высоких пластических свойств глины. Существенного изменения давления в гидродатчиках во время отработки предыдущих камер, включая первый ход 312-й камеры пласта АБ не наблюдалось. Влияние очистного забоя на изменение давления в гидродатчике, установленном в глинистом «корже» пласта Красный I, начало проявляться при отработке второго хода 312-й камеры. Постепенно, по мере приближения комбайна к месту установки датчика, давление в нем стало повышаться и достигло своего максимума в 0,9 МПа. После прохода комбайна давление упало до 0,8 МПа и стабилизировалось. При отработке первого хода 314-й камеры зафиксировано повторное увеличение давления до 1,4 МПа.
Глинистые прослои, обладая высокими пластическими свойствами, находятся в гидростатическом напряженном состоянии, и давление в них зависит от характера и величины деформирования окружающих их пород. Если глинистый прослой находится в замкнутом объеме, то он может деформироваться и передавать давление из зоны с большим давлением (над или под целиками) в зону с меньшим давлением, например на кровлю, что может привести к её разрушению.
Это давление в первую очередь будет зависеть от параметров системы разработки, то есть ширины целиков, а следовательно, и от величины воспринимаемого ими опорного давления. Соответственно и разрушение кровли (почвы) происходит в одном случае внезапно, а в другом - постепенное, в виде обрушения. Это будет зависеть, в первую очередь, от скорости и схемы нагружения непосредственной кровли, физико-механических свойств пород, слагающих ее и величины дополнительной \15\ пригрузки (И.M. Петухов, А.А. Борисов, Я.А. Бич).
Для определения величины предельной нагрузки, которая приведет к обрушению непосредственной кровли, в работе произведен её расчет с помощью статической теоремы предельного анализа для жестко-пластических тел.
Рассчитанные значения дополнительной пригрузки показывают, а шахтные замеры подтверждают, что при значениях ее от 1-2 до 3-4 МПа и прочности пород непосредственной кровли от 10 до 20-25 МПа может происходить разрушение, что ухудшит безопасность работ.
Для предотвращения обрушений кровли необходимо стремиться к такому распределению напряжений, при котором на контуре выработки они были бы минимальные. Как показала практика разработки калийных пластов, проводимые в настоящее время профилактические мероприятия (дренажное бурение, анкерное крепление кровли) не всегда приносят должный эффект в борьбе с внезапными разрушениями и обрушениями кровли. Решением вопроса рационального перераспределения напряжений является проведение разгрузочных щелей в кровле, которые должны обеспечить разгрузку примыкающего к выработке массива от повышенных напряжений и не допускать расслоение пород в вышележащей толще. В этом случае глинистые прослои будут выдавливаться в щель.
Существующие расчеты параметров щели рассчитаны или для однородных скальных массивов или задаются отвлеченно, в соответствии с имеющимся технологическим оборудованием (К.В. Кошелев, В.Ф. Трумбачев, M.П. Нестеров). На основании произведенных обследований полостей обрушений в рудниках 2 и 3 БКРУ удалось выявить, что разрушению подвержена вся непосредственная кровля, содержащая глинистые прослои. Вероятная оптимальная высота щели должна быть не меньше мощности непосредственной кровли, содержащей глинистые прослои (Нш=1,5-1,6 м). Ширина щели должна быть не меньше величины горизонтального смещения пород непосредственной кровли за весь срок службы выработки (0,14-0,20 м), то есть стороны щели не должны сомкнуться. Создавать разгрузочную щель целесообразно одновременно с проведением выработки, Чтобы предотвратить образование зоны неупругих деформаций.
Разработанный автором «Способ проведения горных выработок по пластам, опасным по динамическим явлениям», включающий в себя выше перечисленные параметры щели, признан изобретением.
Для определения работоспособности и эффективности разгрузочных щелей в руднике 3 БКРУ были проведены опытно-промышленные испытания , которые показали их высокую эффективность и улучшили безопасность ведения работ. Щели проводились в очистных и подготовительных выработках. В результате замеров удалось установить следующее. \16\
В очистных камерах проведение щели в кровле увеличивает конвергенцию стенок выработки на 25-37%. Скорость закрытия щели достигает 0,01-0,015 м/сут. Процессы расслоения в непосредственней кровле снижаются на 22-28%. Кровля остается устойчивой на 15-25 дней, достаточных для отработки камеры.
Проведение щели в подготовительных выработках способствует увеличению срока службы выработки. В районе очистных работ кровля в выемочных и транспортных штреках остается устойчивой на весь срок отработки блока или полупанели, чего ранее не наблюдалось. Проведение щели в местах разрушений кровли прекращает процессы разрушения. Срок службы этих выработок увеличивается на 40-60%.
Исследования по оценке эффективности применения разгрузочных щелей сейсмоакустическим методом показали значительное снижение сейсмоактивности. Так, в очистных и подготовительных выработках количество зарегистрированных импульсов снижается в 2-3,5 раза.
Осуществление добычи калийных руд с применением разгрузочных щелей, помимо улучшения условий труда горнорабочих, имеет еще ряд преимуществ. Данная технология позволяет получить руду лучшего качества, с меньшей металлоемкостью и большим извлечением полезного компонента.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанных мероприятий позволит получить ПО «Уралкалий» более 1,0 млн.руб. в год. На 1 октября 1984 г. получен фактический эффект в 75 тыс.руб.
Научные положения, выносимые на защиту, и научная новизна защищены авторскими свидетельствами.
В диссертационной работе на основании анализа литературных данных, экспериментальных и теоретических исследований, опытно-промышленных испытаний дано новое решение актуальной научной задачи - разработана методика сейсмоакустического прогноза устойчивости пород кровли горных выработок и прибор для его осуществления «Сигнал-1» и даны рекомендации по предотвращению обрушений пород кровли путем проведения в ней разгрузочных щелей.
Выполненные исследования позволили получить следующие основные результаты.
1. Установлено, что разрушение образцов соляных пород сопровождается двумя хорошо различимыми по форме видами импульсов акустической эмиссии, а именно импульсами от разрыва сплошности и импульсами от закрытия трещин и пор, которые характеризуют нагрузки \17\ действовавшие на образец в массиве.
2. Установлено, что производить оценку о безопасном или опасном состоянии соляного массива по одной шумности невозможно, так как звукоактивность разрушения каменной соли и сильвинита пластов Красный II и АБ различна.
3. О критическом состоянии массива судим, помимо шумности, по сдвигу частотного спектра акустической эмиссии в область более высоких частот.
4. О состоянии кровли можно судить по количеству импульсов и их частотном спектре - прогибу кровли соответствует шумность до 36 имп/мин. со средней частотой 1,5-2,0 кГц, мелким отслоениям и трещинам в кровле соответствует регистрация шумности в 30-60 имп/мин. со средней частотой 2,0-2,2 кГц, интенсивному газовыделению соответствует шумность в 50-95 имп/мин. со средней частотой 2,2-2,5 кГц, шумность в 85-115 имп/мин. со средней частотой 2,5-3,0 кГц свидетельствует о начинающемся динамическом явлении.
5. Разработана методика сейсмоакустического прогноза обрушений пород кровли горных выработок и аппаратура для его осуществления «Сигнал-1», которые внедрены в ПО «Уралкалий», что способствовало повышению безопасности ведения горных работ.
6. Наличие глинистых прослоев в непосредственной кровле увеличивает вероятность разрушения и обрушения пород кровли. Опытным путем установлено, что глинистые прослои передают дополнительную нагрузку на кровлю горных выработок, которая по своей величине достигает 1,5 МПа, то есть предела длительной прочности соляных пород на изгиб, что может привести к разрушению и обрушению пород кровли.
7. Проведение разгрузочных щелей в кровле снижает не только радиальные и нормальные напряжения на контуре выработки, но и исключает передачу дополнительной нагрузки на кровлю через глинистые прослои.
8. Установлены безопасные параметры разгрузочных щелей для очистных и подготовительных выработок при отработке пласта Красный II Верхнекамского месторождения, необходимая ширина которых составляет 0,14-0,20 м, а высота не менее 1,5 м.
9. Шахтными замерами установлены количественные параметры позволяющие оценивать эффективность применения разгрузочных целей.
10. Разработаны конструкция щелереза, рабочие чертежи которого переданы в ПО «Уралкалий», и технология проведения разгрузочных щелей применительно к калийным рудникам Верхнекамского месторождения.
11. С помощью данной технологии пройдено около 5 км горных выработок, в которых случаев обрушений не зафиксировано. \18\
12. Фактический экономический эффект от внедрения рекомендаций составил 75 тыс.руб., полный ожидаемый эффект составит 1 млн.руб.
2. Жихарев С.Я. Разработка метода определения напряжений по сейсмоакустическим характеристикам импульсов при разрушении выбросоопасных пород Верхнекамского месторождения калийных солей. - В кн.: Горная геофизика. Тбилиси, 1981, с. 47-48.
3. Полянина Г.Д., Коротаев В.Ф., Жихарев С.Я. О применении сейсмоакустического метода прогноза газодинамических явлений при системе разработки камер с податливыми целиками. - В кн.: Разработка соляных месторождений. - Пермь, 1962, с. 81-83.
4. Полянина Г.Д., Жихарев С.Я. Анализ динамических явлений на новых Верхнекамских калийных рудниках. - В кн.: Совершенствование технологии разработки месторождений Западного Урала. - Пермь, 1982, с. 22.
5. Полянина Г.Д., Жихарев С.Я. Роль глинистых прослоев в механизме динамических явлений. - В кн.: Совершенствование технологии разработки месторождений Западного Урала. Пермь, 1982, с. 23.
6. Полянина Г.Д., Жихарев С.Я. Выбор критериев для прогноза динамических явлений сейсмоакустическим методом. - В кн.: Совершенствование технологии разработки месторождений Западного Урала. - Пермь, 1982, с. 24.
7. Жихарев С.Я., Шевляков В.Ю. Исследование реологических свойств глины. - Горный журнал. Изв. вузов. 1982, № 9, с. 5-8.
8. Жихарев С.Я., Полянина Г.Д. К методике прогнозирования динамических явлений сейсмоакустическим экспресс-методом. - В кн.: Исследование, прогноз и контроль проявления горного давления. - Л.: ЛГИ, 1982, с. 187-188.
9. Жихарев С.Я., Соловьев Ю.А. Аппаратура «Сигнал-2» для сеймоакустического прогноза динамических явлений. - В кн.: Исследование, прогноз и контроль проявления горного давления. Л.: ЛГИ, 1982, с.190-191.
10. Жихарев С.Я., Полянина Г.Д. Оценка напряженного состояния соляных пород еейсмоакустическим методом. - Горный журнал. Изв. вузов, 1983, № 3, с. 3-5. \19\
11. Жихарев С.Я. К методике прогнозирования динамических явлений сейсмоакустическим экспресс-методом. - В кн.: Горная геофизика. - Тбилиси, 1963, с. 25-27.
12. Полянина Г.Д., Жихарев С.Л. Влияние глинистых прослоев на устойчивость выработок в калийных рудниках. - В кн.: Разработка соляных месторождений. - Пермь, 1983, с. 58-64.
13. Жихарев С.Я. Определение предельных нагрузок на непосредственную кровли очистных выработок при отработке сильвинитовых пластов. - В кн. : Вопросы комплексного освоения недр и совершенствование технологии горных работ на предприятиях Западного Урала. - Пермь, 1983. с. 55.
14. Жихарев С.Я. Связь формы импульсов акустической эмиссии с физическими процессами, происходящими при разрушении горных пород. - В кн.: Физические методы контроля и исследования горных пород и процессов. - М.: МГИ, 1964, с. 8.
15. Жихарев С.Я. Расчет предельных нагрузок на кровлю выработок для условий Верхнекамских калийных рудников. - В кн.: Разработка соляных месторождений. - Пермь, 1984, с. 107-110.
16. А.с. 1028853 (СССР). Способ проведения горных выработок по пластам, опасным по динамический явлениям./С.Я. Косарев. Г.Д. Полянина, А.С. Триполко, В.Л. Клишев, B.А. Липнин - опубл. в Б.И., 1983, № 26.
17. А.с. 1053033. Способ определения напряженного состояния горных пород. /С.Я. Жихарев, - опубл. в Б.И., 1933, № 41.
18. А.с. по заявке 3580000/03 от 16.04.1983. Способ определения выбросоопасности пород калийных месторождений. /С.Я. Жихарев, Г.Д. Полянина/.
