способ контроля состояния горных выработок

Формула изобретения

Способ контроля состояния горных выработок, включающий периодические измерения во времени смещений приконтурных пород на контролируемом участке выработки с помощью измерительных элементов в виде замерных точек, нанесенных на поверхность по контуру горной выработки, относительно базового элемента, фиксирование полученных результатов при первом измерении и использование их в качестве контрольных значений отсчета смещения пород относительно базового элемента при последующих измерениях, определение величины и направления смещения замерных точек за промежуток времени между измерениями и суждение по ним о состоянии приконтурных пород вокруг выработки, отличающийся тем, что в качестве базового элемента в горной выработке в прямой видимости всех контролируемых замерных точек устанавливают репер и фиксируют координаты его установки, на репере закрепляют генератор лазерного луча, лазерный луч которого первоначально ориентируют в горизонтальной плоскости вдоль горной выработки и фиксируют его положение, затем изменяют угол наклона лазерного луча и совмещают его с замерной точкой, измеряют длину лазерного луча и угол его наклона к зафиксированному положению и используют их в качестве контрольных значений при последующих измерениях, в случае наличия расхождения результатов с контрольными измерениями определяют величину и направление смещения замерной точки за промежуток времени между измерениями из уравнения

h=L _к·sin _к-L_з·sin _з, м,

где L_к - контрольное значение расстояния до нанесенной точки, м;

_к - контрольное значение угла наклона лазерного луча, совмещенного с замерной точкой к его горизонтальному положению, град;

L_з - значение расстояния до нанесенной точки, повторно измеренное через заданный временной интервал, м;

_з - значение угла наклона лазерного луча, совмещенного с замерной точкой, к его горизонтальному положению, повторно измеренное через заданный временной интервал, град;

h - абсолютная величина смещения участка с нанесенной замерной точкой, м.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, в частности к области контроля состояния горного массива посредством измерения величины деформации горных выработок или их участков.

Известен способ определения смещения боковых пород, включающий бурение скважины по нормали или под углом к плоскости напластования, измерение и фиксирование значения ее радиуса, периодическое измерение и фиксирование параметров деформированного сечения скважины, длины полупериметра ее деформированного сечения в градусах между плоскостью напластования и осью скважины и определение величины смещения по приведенной формуле (см. патент РФ № 1657644).

Недостатком известного способа является трудоемкость его осуществления из-за необходимости бурения скважин и определения смещения боковых пород.

Известен способ контроля состояния горных выработок, включающий измерение во времени смещения приконтурных пород с помощью комплекта глубинных реперов, размещенных в шпурах, пробуренных под углом 45° в сопряжении кровли и стенок, фиксацию момента изменения знака смещения пород и глубину в массиве, на котором это измерение происходит, и по нему судят о времени возникновения нарушения и по глубине его мощности (см. патент РФ № 1293336).

Реализация этого способа сопровождается техническими трудностями: отсутствие возможности проведения измерений в нескольких местах одной и той же аппаратурой, отсутствие возможности массовых наблюдений за состоянием различных участков массива горных пород.

Общим недостатком известных способов является значительная трудоемкость, техническая и организационная сложность при проведении массовых измерений.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному способу является способ контроля состояния горных выработок, включающий измерение во времени смещений приконтурных пород на контрольном участке выработки с помощью измерительных элементов отсчета смещения пород относительно базового элемента, причем в качестве измерительных элементов смещений пород используют ряд замерных парных точек, предварительно нанесенных на поверхность пород по контуру выработки с расположением их в каждой паре встречно относительно друг друга, а в качестве базового элемента используют ось луча света, ориентированного вдоль контролируемого участка выработки, предпочтительно от источника света (генератора лазерного луча), размещенного в рабочем пространстве выработки вне зоны влияния указанных смещений, при этом измерения смещений пород осуществляют измерением расстояния между замерными парными точками в исходном состоянии и периодического измерения расстояния между этими точками в заданных промежутках времени, для этого измеряют расстояния от каждой из парных точек до оси луча и суммируют результаты, затем полученные значения сравнивают с ранее измеренными величинами в исходном состоянии в каждой паре, получают абсолютные значения смещений пород и по степени прироста судят о возрастании напряжений приконтурного массива пород выработки (см. патент РФ 2333359).

Реализация известного способа связана со значительной трудоемкостью при измерении большого количества точек из-за необходимости перемещения и настройки на новом месте измерительной аппаратуры, возникновения значительных затруднений вплоть до невозможности проведения измерений в камерах большого сечения из-за большого расстояния между измерительными точками, недостаточной информативностью о состоянии поверхности горной выработки из-за измерения ограниченного количества точек.

Задачей изобретения является создание способа контроля состояния горных выработок, обеспечивающего повышение эффективности и достоверности определения деформации поверхностей горных выработок, в том числе большого сечения, с одновременным снижением времени и трудоемкости процесса измерений.

Задача решена путем создания способа контроля состояния горных выработок, включающего периодические измерения во времени смещений приконтурных пород на контролируемом участке выработки с помощью измерительных элементов в виде замерных точек, нанесенных на поверхность по контуру горной выработки, относительно базового элемента, фиксирование полученных результатов при первом измерении, использование их в качестве контрольных значений отсчета смещения пород относительно базового элемента при последующих измерениях, определение величины и направления смещения замерных точек за промежуток времени между измерениями и суждение по ним о состоянии приконтурных пород вокруг выработки, отличием которого, согласно изобретению, является то, что в качестве базового элемента в горной выработке в прямой видимости всех контролируемых замерных точек устанавливают репер и фиксируют координаты его установки, на репере закрепляют генератор лазерного луча, лазерный луч которого первоначально ориентируют в горизонтальной плоскости вдоль горной выработки и фиксируют его положение, затем изменяют угол наклона лазерного луча и совмещают его с замерной точкой, измеряют длину лазерного луча и угол его наклона к зафиксированному положению и используют их в качестве контрольных значений при последующих измерениях, в случае наличия расхождения результатов с контрольными измерениями определяют величину и направление смещения замерной точки за промежуток времени между измерениями из уравнения

h=L_К·sin _К-L_З·sin _З, м

где L_К - контрольное значение расстояния до нанесенной точки, м,

_К - контрольное значение угла наклона лазерного луча, совмещенного с замерной точкой к его горизонтальному положению, град,

L_З - значение расстояния до нанесенной точки, повторно измеренное через заданный временной интервал, м,

_З - значение угла наклона лазерного луча, совмещенного с замерной точкой, к его горизонтальному положению, повторно измеренное через заданный временной интервал, град.,

h - абсолютная величина смещения участка с нанесенной замерной точкой, м.

При осуществлении заявленного способа достигается технический результат, заключающийся в повышении достоверности определения деформации поверхностей горных выработок, в том числе большого сечения, с одновременным снижением времени и трудоемкости процесса измерений. Технический результат достигается благодаря всей совокупности отличительных признаков в сочетании с ограничительными признаками.

Заявленное техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 показано положение замерных точек 1, нанесенных на поверхности горной выработки 2 до деформации участка поверхности, положение замерной точки 3 после деформации участка поверхности, место размещения базового элемента, в качестве которого использован репер 4, с закрепленным на нем генератором лазерного луча, лазерный луч 5 которого ориентирован по длине горной выработки 2 в горизонтальной плоскости, положение 6 лазерного луча 5 при совмещении с замерной точкой 1 в первом измерении, угол 7 между лазерным лучом 5 и его положением 6 при совмещении с замерной точкой 1, положение 8 лазерного луча 5 при совмещении его с замерной точкой 3, угол 9 между лазерным лучом 5 и его положением 8 при последующем измерении.

На фиг.2 показана схема смещения точки 3 по отношению к точке 1.

Контроль состояния горных выработок заявленным способом осуществляют следующим образом.

На поверхности пород контролируемого участка горной выработки 2, находящихся под воздействием нагрузки со стороны горного массива, в прогнозируемых проблемных местах наносят замерные точки 1 предпочтительно из светоотражающего материала (например светоотражающей краской). В наиболее удобном месте контролируемого участка горной выработки 2, соблюдая условия прямой видимости всех замерных точек 1, размещают репер 4, на котором закрепляют генератор лазерного луча, предпочтительно лазерный дальномер-угломер. Фиксируют координаты и плоскость, перпендикулярную центральной оси горной выработки 2, в месте размещения репера 4. Ориентируют лазерный луч 5 лазерного генератора в горизонтальной плоскости вдоль центральной оси горной выработки 2 и фиксируют его положение. Изменяя угол наклона лазерного луча 5, направляют его на замерную точку 1. Наличие свечения последней свидетельствует о совпадении лазерного луча 5 с замерной точкой 1, что является сигналом для измерения длины лазерного луча 5 в положении 6 и угла его наклона 7 к зафиксированному положению лазерного луча 5 в горизонтальной плоскости. Таким образом фиксируют положение всех проблемных мест с нанесенными замерными точками 1. Через планируемый промежуток времени аналогичным образом производят измерения положения всех проблемных мест с нанесенными замерными точками 1.

При последующих измерениях совпадения значений длины лазерного луча 5 в положении 6 и угла его наклона 7 к горизонтальному положению с первоначальными значениями будут свидетельствовать об отсутствии деформации горной выработки в этом месте. В результате проявления горного давления некоторые замерные точки 1 смещаются относительно первоначального положения, занимают положение 3. Положение 3 замерной точки определяют и фиксируют аналогично предыдущим измерениям, определяют абсолютную величину и направление смещения участка горной выработки.

h=L_К·sin _К-L_З·sin _З, м

где L_К - контрольное значение расстояния до нанесенной точки, измеренное лазерным дальномером, м,

_К - контрольное значение угла наклона лазерного луча, совмещенного с замерной точкой к его горизонтальному положению, измеренное лазерным угломером, град.,

L_З - значение расстояния до нанесенной точки, повторно измеренное лазерным дальномером через заданный временной интервал, м,

_З -значение угла наклона лазерного луча, совмещенного с замерной точкой к его горизонтальному положению, повторно измеренное лазерным угломером через заданный временной интервал, град.,

h - абсолютная величина смещения участка с нанесенной замерной точкой, м.

За абсолютную величину смещения участка горной выработки принимают разность между исходным значением расстояния от замерной точки до лазерного луча в его горизонтальном положении и значением этого расстояния через определенный интервал времени.

Пример

Проведение измерений предлагаемым способом проиллюстрировано на следующем примере.

Горизонтальная выработка 2 сечением 3,6 м² пройдена на расстоянии 200 м. В местах контроля наносят контрольные замерные точки 1 светоотражающей краской.

После определения места размещения использованного в качестве базового элемента репера 4, на нем на горизонтальной платформе закрепляют генератор лазерного луча, лазерный луч 5 которого направляют на контрольные точки 1. Фиксируют расстояние L до них и угол наклона a лазерного луча.

В качестве лазерного дальномера используют электронную лазерную линейку (Leica DISTO D8) с диапазоном измерений до 200 метров с точностью ±1 миллиметр на всей длине измерения, в качестве угломера - электронный лазерный угломер-уровень (geo-Fennel Multi) с точностью измерения углов до 0,1°.

Результаты первого измерения, занесенные в компьютер (базовые значения), составляют: L _k=30 м; _k=5°; sin _k=0,087.

Результаты второго измерения, занесенные в компьютер, составляют: L_З=29,8 м; _З=4,7°; sin _З=0,082.

В компьютере вычисляется величина смещения (деформации) участка горной выработки по формуле:

где L_К - контрольное значение расстояния до нанесенной точки, измеренное лазерным дальномером, м,

_К - контрольное значение угла наклона лазерного луча, совмещенного с замерной точкой к его горизонтальному положению, измеренное лазерным угломером, град.,

L_З - значение расстояния до нанесенной точки, повторно измеренное лазерным дальномером через заданный временной интервал, м,

_З - значение угла наклона лазерного луча, совмещенного с замерной точкой к его горизонтальному положению, повторно измеренное лазерным угломером через заданный временной интервал, град.,

h - абсолютная величина смещения участка с замерной точкой, м.

h=30·0,087-29,8·0,82=0,18 м.

Таким образом, по сравнению с предыдущим измерением кровля выработки просела на 0,18 м.

Проводя измерения координат неограниченного количества контрольных точек, таким образом, на стенках, почве и кровле горной выработки можно за одну установку зафиксировать все положения контрольных точек и выявить все деформации горной выработки.