способ испытания склонности обрушенных пород к вторичному упрочнению

Формула изобретения

Способ испытания склонности обрушенных пород к вторичному упрочнению при слоевой выемке мощных угольных пластов при уплотнении исследуемых пород, включающий наблюдение за изменением физического состояния пород, отличающийся тем, что в исследуемые зоны бурят шпуры, герметизируют их забойную часть с образованием замерных камер, в которые подают сжатый воздух, замеряют величины избыточного давления воздуха в замерных камерах, которые предшествуют началу фильтрации в окружающую среду, при этом за критерий оценки склонности обрушенных пород к вторичному уплотнению принимается избыточное давление воздуха равное в нижнем пределе 2,2 3,0 КПа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной разработке месторождений.

Вторичное упрочнение обрушенных пород в результате их слеживаемости или смерзаемости имеет важное значение при расчетах нагрузок на крепи очистных забоев, работающих в условиях надработанного горного массива и особенно при слоевой системе разработки с выемкой слоев в нисходящем порядке. От склонности пород к слеживанию или смерзанию и приобретения в процессе этого несущей способности в прямой зависимости находятся мощность межслоевых угольных пачек и, следовательно, потери угля, а также порядок подготовки и сроки отработки шахтных полей, влияющих на безопасность работ, а также стоимость поддержания нарезных и подготовительных выработок.

В настоящее время вопрос определения склонности пород к слеживанию или смерзанию в шахтных условиях не имеет методической основы и не решается, т. к. объект исследования находится в отработанных участках шахтного поля или выемочного столба в местах, недоступных ни для визуальных, ни для инструментальных наблюдений. Поэтому необходимые данные по слеживаемости пород получают лабораторными экспериментами, которые как известно, не могут учитывать всего комплекса факторов, влияющих на процесс вторичного упрочнения пород в натурных условиях, и получаемые результаты носят ориентировочный характер.

В этой связи разработка экспресс-метода для оперативного определения склонности обрушенных пород к вторичному упрочнению (слеживаемости или смерзаемости) с проверкой этих факторов на любом участке отработанного выемочного столба, имеет важное практическое значение.

Известны способы определения остаточной прочности пород при объемном сжатии цилиндрического образца в пластичных обоймах [1,2]

Данные способы не могут характеризовать вторичное упрочнение пород по признакам остаточной прочности, поскольку полученные результаты относятся только к исследуемым пробам, которые не отражают всей сложности структуры строения обрушенного массива пород с хаотическим перемешиванием слоев и различных фракций.

Известен способ исследования склонности пород к слеживанию при помощи пресс-форм [3] Данный способ имеет все недостатки аналога [1,2] и кроме того, он не учитывает реологических свойств пород при длительных нагрузках.

Целью изобретения является разработка способа по определению склонности обрушенных пород к вторичному упрочнению в любой заданной точке отработанного выемочного столба непосредственно в надработанных участках шахтных полей с учетом всех натурных условий.

Поставленная цель достигается тем, что обрушенные породы зондируются с подачей в них сжатого воздуха, при этом полагается, что слежавшиеся или смерзшиеся породы должны быть монолитны и поэтому воздухоупорны. В противном случае породы разрознены, следовательно, они не склонны к вторичному упрочнению в данных конкретных условиях.

Сущность предлагаемого способа испытания склонности обрушенных пород к вторичному упрочнению заключается в исследовании их плотности путем подачи сжатого воздуха в замерные камеры, создаваемые герметизацией забойной части экспериментальных шпуров, пробуренных в исследуемые зоны горного массива и замеров величин избыточного давления воздуха в камерах, предшествующих началу его фильтрации в окружающую среду, при этом за критерий оценки склонности обрушенных пород к вторичному упрочнению принимается избыточное давление, равное в нижнем пределе 2,2-3,0 кПа.

Отличительными признаками предлагаемого способа являются такие признаки, как определение склонности к вторичному упрочнению в натурных условиях, с учетом всех факторов, сопутствующих развитию процесса, испытание пород в любой заданной точке отработанного выемочного столба, и констатация вторичного упрочнения по воздухопроводности исследуемых пород.

Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного своей сущностью и изложенными выше отличительными признаками, позволяет избежать недостатков аналогов и прототипа, что дает основание сделать вывод с соответствии предлагаемого способа критерию изобретательского уровня "новизна".

Технология реализации предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан порядок выполнения замеров в породах, разрушенных на мелкие фракции; на фиг. 2 то же, в условиях крупноблочного обрушения.

Как указывалось выше, испытание обрушенных пород на склонность к вторичному упрочнению имеет важное значение при слоевой выемке мощных угольных пластов. С учетом этого и разработана данная технология.

В кровлю выработки 1, пройденной в нижнем слое (лавы или оконтуривающих штреков) бурится вертикальный шпур 2 через межслоевую угольную пачку 3, применяющуюся, как правило, при слоевой выемке при обработке их в нисходящем порядке, с заглублением шпура в породы непосредственной кровли пласта 4, подстилающей свод обрушенных пород в верхнем слое. Слой непосредственной кровли представляет наибольший практический интерес в определении склонности его к вторичному упрочнению, т.к. он, будучи максимально нагруженным весом вышележащих пород в своде обрушения и состоящий, как правило, из мелких фракций аргиллитов и алевролитов, т.е. глинистых пород, имеет наибольшую возможность к слеживанию или смерзанию.

Заглубление шпура в слой непосредственной кровли строго не регламентируется, но во всех случаях оно должно быть примерно равно удвоенной длине герметизатора 5 с таким расчетом, чтобы впереди герметизатора, устанавливаемого в экспериментальный шпур для изоляции его забойной части от устья, имелось бы свободное пространство, так называемая замерная камера 6.

В шпур, за верхней границей межслоевой угольной пачки, устанавливается герметизатор, представляющий собой резиновую манжету, насаженную и герметично закрепленную на концах упругого шланга (например, кислородном или ацетиленовом) 7. Герметизатор, через ниппель соединен с гибким шлангом 8 и через него с помощью тройника с манометром 9, контролирующим давление воздуха в герметизаторе. При затруднениях, возникающих с подачей герметизатора вверх по длине шпура, он может быть задан в намеченную точку с помощью деревянных составных реек 10.

После установки герметизатора в заданной точке экспериментального шпура, в него с помощью ручного воздушного насоса 11 по шлангу 8 нагнется воздух до давления 0,2 0,25 МПа. После чего гибкий шланг 8 перекрывается зажимом Гофмана 12 в районе соска ручного воздушного насоса. Затем насос соединяется и подключается к шлангу 7 для нагнетания воздуха в замерную камеру 6 экспериментального шпура, отсеченную герметизатором от устьевой части.

В замерной камере исследуемой среде с помощью ручного воздушного насоса (или баллона со сжатым воздухом и редуктором) создается избыточное давление до величины 3 кПа, контролируемое водяным или другим манометром низкого давления 13.

При этом имеет место один из трех вариантов:

1. Давление воздуха в замерной камере удерживается стабильно исследуемая среда монолитна и, следовательно, породы слежались или смерзлись и представляют собой связанную структуру, т.е. они проявляют склонность к вторичному упрочнению.

2.Давление воздуха в замерной камере падает до определенного предела ниже 2,2 3,0 кПа, т.е. среда не монолитна, следовательно, не имеет вторичного упрочнения, но уплотнена и имеет порог фильтрации.

3. Давление воздуха в замерной камере падает до нуля среда состоит из разрозненных фракций и не имеет признаков вторичного упрочнения.

За критерий оценки склонности пород к слеживанию или смерзанию принята воздухопроницаемость в пределах 2,2 3,0 кПа, т.е. при данных значениях избыточного давления воздуха в замерной камере, исследуемая среда должна быть воздухонепроницаемой и стабильно держать давление.

При показателях ниже принятого предела породы считаются несвязанными и, следовательно, не склонными к вторичному упрочнению в данных конкретных условиях.

Данный критерий принят по аналогии с монолитным угольным массивом, для которого указанные величины избыточного давления воздуха являются предельными (пороговыми) значениями, предшествующими началу его фильтрации, т.е. воздухопроницаемости [4] Таким образом, за критерий оценки склонности обрушенных пород к вторичному упрочнению в предлагаемом способе приняты показатели воздухоупорности монолитного угольного массива, среды пористой, но связанной, имеющей, как известно, определенную несущую способность.

После проведения исследований в первой замерной камере зажим Гофмана снимается, воздух из герметизатора стравливается через гибкий шланг и герметизатор удаляется.

Экпериментальный шпур углубляется на заданную глубину, герметизатор перемещается на расстояние углубления, и процесс повторяется.

Передвижной герметизатор позволяет изолировать исследуемые зоны на любой заданной глубине, что расширяет возможности способа при сложной слоистой структуре пород кровли.

При крупноблочном обрушении пород практический интерес на предмет вторичного упрочнения представляют контакты между блоками.

В этой ситуации контакт между блоками должен пересекаться замерной камерой, т.е. герметизатор 5 должен находиться несколько ниже контакта, так, как показано на фиг. 2. Эти контакты легко определяются по проскакиванию бурового става при пробуривании блока и выхода буровой коронки к плоскости очередного блока.

Возможность вторичного упрочнения пород в этом случае контролируется во воздухопроницаемости контактов. Глубина расположения контакта блоков определится с помощью рулетки, которой замеряется длина бурового става, пересекшего контакт. Данная величина, уменьшенная на длину замерной камеры, откладывается на упругом шланге герметизатора, который погружается в шпур до установленной отметки на шланге.

Процесс проведения замеров не меняется.

Бурение шпуров выполняется ручными электросверлами или сверлами с механической подачей с комплектом составных буровых штанг.

Предлагаемый способ констатирует факт склонности обрушенных пород к вторичному упрочнению в данных конкретных условиях с конкретным временем выстойки пород. Но он может быть трансформирован и для определения достаточности слеживаемости пород для безопасной обработки нижнего слоя. Параметры этой оценки (воздухоупорность и время выстойки) должны быть получены по данным практики для каждого шахтного поля, имея базовый критерий это несущая способность упрочнившихся пород.

Предлагаемый способ может быть использован для проверки слеживаемости пород в случае отработки свиты сближенных пластов в нисходящем порядке. В данном случае необходима некоторая реконструкция герметизатора, связанная с необходимостью его подачи на большие расстояния, через междупластья. Модернизация герметизатора включает жесткий став вместо упругого шланга 7. Такой став создается с помощью металлических трубок, имеющих резьбовые соединения. Технология проведения испытаний обрушенных пород в вышележащем пласту (или пластах) аналогична указанной выше с той разницей, что шпуры (скважины) бурятся в отработанные участки через междупластье с применением буровых станков.

Литература.

1. Испытание на сжатие низких цилиндрических образцов горных пород /Клыков А.Е. Курзанцев О.С. Фадеев П.И. "физ. Процессы горного производства ": тез. докл. 10 Всесоюзн. научн. конф. вузов СССР с участием НИИ. Москва, горн. инст-т. -N 1.-1991. с. 20-21.

Определяется остаточная прочность при объемном сжатии цилиндрического образца между жесткими плитами.

2. Испытание горных пород в пластичных обоймах. Байкин В.В. Сидельников С. А. Широколобов Г.В. науч. конф. вузов СССР с участием НИИ/Моск. горн. инст-т.-Москва, 1991.-с. 21.

3. Андронович В.А.Исследование взаимодействия крепи и вмещающих пород в подготовительных выработках при слоевой выемке мощных пологих пластов. Диссертация на соискание ученой степени канд.тех, наук. Минуглепром СССР, ВНИМИ, 1982, 252 с.

4. Исследование эндогенной пожароопасности и изыскание методов ее предупреждения на угольных шахтах области распространения многолетней мерзлоты. Этап: Исследование воздухопроницаемости угольных целиков при различных геокриологических условиях. Быков Н. А. Отчет НИР. Номер госрегистрации 01.83.0056270 ИГД Севера, Якутск, 103 с.