Способ определения запаса прочности опорного целика

Способ определения запаса прочности опорного целика

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится кгорному делу и геофизическим методам исследования пород и может быть использовано при оценке устойчивости опорных целиков. Целью изобретения является повышение достоверности и информативности способа за счет учета фактического распределения напряжений в сечении целика и количественной оценки запаса прочности. Цель изобретения достигается за счет уточнения местоположения , размеров и центров зон повышенных 3 и нормальных 4 напряжений и дополнительного прозвучивания целика по базам прозвучивания, ориентированным ортогонально оси нагрузки, проходящей через указанные центры. При этом коэффициент запаса прочности определяют по соотношению площади треугольника на эпюре скоростей, образованного уровнем скорости на внешней границе зоны повышенных напряжений, и продолжении до пересечения нарастающими ветвями эпюры АВ и ВС, а также площадью фигуры ADEFHC, ограниченной указанными эпюрой и уровнем скорости V0. 5 ил. сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 V 1/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 1

Lg

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4700777/25 (22) 05.06.89 (46) 07.03.92. Бюл. М 9 (71) Институт горного дела АН КазССР (72) А.М.Артемьев и К.К,Тулебаев (53) 550.83 (088.8) (56)1.Проскуряков В,М.,Бляхман А.С. Сейсмические методы исследования напряженного состояния горного массива. — М.:

Недра, 1983, с. 37-38, 2.Тулебаев К. К. и др.Оценка напряженного состояния опорных целиков в сложных горно-геологических условиях. — В сб.: Проблемы разработки полезных ископаемых в .словиях высокогорья. Тезисы докладов 17—

19 сентября, 1987; Фрунзе, с, 71. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАПАСА

ПРОЧНОСТИ ОПОРНОГО ЦЕЛИКА (57) Изобретение относится к горному делу и геофизическим методам исследования пород и может быть использовано при оценке

„„SU „„17181б7 А1 устойчивости опорных целиков. Целью изобретения является повышение достоверности и информативности способа за счет учета фактического распределения напряжений в сечении целика и количественной оценки запаса прочности. Цель изобретения достигается за счет уточнения местоположения, размеров и центров зон повышенных 3 и нормальных 4 напряжений и дополнительного прозвучивания целика по базам прозвучивания, ориентированным ортогонально оси нагрузки, проходящей через указанные центры, При этом коэффициент запаса прочности определяют по соотношению площади треугольника на эпюре скоростей, образованного уровнем Я скорости на внешней границе зоны повышенных напряжений, и продолжении до пересечения нарастающими ветвями эпюры

АВ и ВС, а также площадью фигуры

ADEFHC, ограниченной. указанными эпю- Я рой и уровнем скорости V0. 5 ил.

1718167

55

Изобретение относится к горному делу и геофизическим методам исследования пород и может быть использовано при оценке устойчивости опорных целиков, Известен способ оценки несущей способности ленточных целиков с помощью сейсмического прозвучивания, при котором определяют эпюру скорости в вертикальном сечении целика и no ee виду судят о несущей способности целика в данном сечении (1), Способ требует предварительного бурения скважины и проведения по ней дифференциального каротажа, относительно результатов которого производится интерпретация данных сейсмопрозвучивания. Каротажную скважину в ленточном целике бурят под прямым углом к его стенке, что гарантирует пересечение всех имеющих в целике различно напряженных зон, Поэтому эпюра скорости, построенная вдоль скважины, реально отражает напряженное соетояние ленточного целика на этом участке. В столбчатом опорном целике геометри. ческая ось целика и ось нагрузки, проходящая через центр зоны нормальных напряжений, как правило, не совпадают, B этом случае при осуществлении карота>ка по скважине, пробуренной обычно в направлении геометрической оси целика, с целью оценки его напряженного состояния, велика вероятность получения недостоверных результатов. Кроме того, с помощью данного метода производят лишь качественную оценку состояния целика: "устойчив" или находится "в предельно напряженном состоянии".

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ оценки напряженного состояния междукамерных целиков, не требующий предварительно проведения каротажа, при котором производится их сейсмопрозвучивание путем возбуждения упругих колебаний в фиксированной точке периметра целика, прием колебаний в точках периметра с заданным шагом исследований, определение по годографам скоростей распределения колебаний в горизонтальном сечении целика и оценку размеров и расположения зон пониженных, повышенных и нормальных напряжений по результатам измерений (2), Однако возбуждение упругих колебаний в фиксированной точке не позволяет оконтуривать в плане. зоны повышенных и нормальных напряжений, что необходимо для выбора направления ориентации баз прозвучивания, от которого зависит вид эпюры скорости.

Эпюра скорости. построенная относительно развернутого периметра целика. может быть использована только для качественной оценки напряженного состояния целика. Количественная интерпретация невозможна, так как кривая построена в переменном масштабе. Полученная этим способом эпюра оказывается "растянутой", причем ее краевые части растянуты в большей степени, чем середина. Невозможность количественной интерпретации результатов снижает информативность способа.

Произвольное ориентирование баз прозвучивания без учета положения в плане зон повышенных и нормальных напряжений может привести к тому, что значения скорости в целике будут определены для вертикального сечения, не учитывающего максимальные размеры зон повышенных напряжений, а в итоге — к завышению запаса прочности целика, снижению достоверности.

Целью изобретения является повышение достоверности и информативности способа за счет учета фактического распределения напряжений в сечении целика и количественной оценки запаса прочности.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу. включающему возбуждение упругих колебаний в фиксированной точке периметра целика, прием колебаний в точках периметра с заданным шагом исследований, определение по годографам скоростей распространения колебаний в горизонтальном сечении целика и оценку размеров и расположения зон пониженных, повышенных и нормальных напряжений по результатам измерений, дополнительно осуществляют возбуждение упругих колебаний по крайней мере в одной точке периметра целика, определяют ось. проходящую через центры зон повышенных и нормальных напряжений, выполняют прозвучивание целика с базами проэвучивания, ориентированными по нормали к указанной оси и определяют коэффициент и запаса прочности из условия

S л= —, S l где S — величина, характеризующая максимально д допустимую нагрузку на целик при увеличении горного давления и определяемая площадью треугольника, образованного уровнем скорости V<> на внешней границе зоны повышенных напряжений и продолженными до пересечения нарастающими ветвями эпюры скорости, полученной при ! проэвучивании, S — величина, характеризующая фактическую нагрузку на целик, 1718167

20

30

55 определяемая площадью фигуры, ограниченной указанными эпюрой скорости и уровнем Vp.

В идеальном случае центры зон пониженных, повышенных и нормальных напряжений совпадают с геометрической осью целика, Однако в реальных условиях, как правило, этого не наблюдается, Эпюры скорости, полученные без учета расположения различно нагруженных зон внутри целика, при произвольной ориентации баз прозвучивания будут отличаться друг от друга, что в конечном итоге приведет к ошибке определения запаса прочности, Для учета максимальных действующих напряжений необходимо, чтобы прямая, относительно которой производится определение скорости, проходила через ось нагрузки (центр зоны нормальных напряжений) и пересекала зону повышенных напряжений там, где она имеет наибольшую ширину. Фактически в горизонтальном сечении это прямая, проходящая через центры эон повышенных и нормальных напряжений. В любом другом случае не будет учтена максимальная действующая на целик нагрузка, что приведет к завышению запаса его прочности. Эпюру распределения скорости внутри целика для определения запаса прочности можно получить по данным сейсмокаротажа, если направление скважины совпадает с указанной прямой или с помощью сейсмопрозвучивания (в этом случае базы прозвучивания ориентируют по нормали к ней).

Дополнительное осуществление возбуждения упругих колебаний по крайней мере в одной точке периметра целика позволяет оконтурить в плане зоны повышенных и. нормальных напряжений и определить их центры, что необходимо для последующего выбора схемы прозвучивания.

Определение оси, проходящей через центры зон повышенных и нормальных напряжений, выполнение прозвучивания целика с базами прозвучивания ориентированными по нормали к указанной оси позволяет выбрать схему прозвучивания, учитывающую максимальную нагрузку на целик, от которой зависит запас прочности, и получить эпюру скорости, пригодную для количественной интерпретации.

Возрастание нагрузки на целик приводит к росту максимальных напряжений и смещению их к оси нагрузки, при этом скорости нарастания и спада (крутизна нарастающих и спадающих ветвей эпюры) напряжений не изменяется. В пределе эпюра принимает треугольную форму, после чего целик при дальнейшем увеличении нагрузки теряет устойчивость и разрушается.

Учитывая сказанное, а также то, что скорость распространения упругих колебаний в массиве горных пород функционально связана с действующими в нем напряжениями, можно определить запас прочности целика, используя эпюру скорости, по соотношению предельно возможной и фактически воспринимаемой им нагрузки.

Переход к численному определению запаса прочности осуществляют на основании полученной зпюры скорости, для чего продолжают до пересечения между собой ее нарастающие ветви и проводят горизонтальную линию на уровне Vp (скорости уп ругой волны у внешней границы зоны повышенных напряжений), Треугольник, образованный таким образом, характеризует предельную нагрузку, которую можно воспринимать исследуемый целик без разрушения. Фигура, образованная экспериментально полученной при параллельной схеме прозвучивания зпюрой и линией Vp, будет характеризовать фактическую нагрузку, воспринимаемую целиком. Очевидно, что соотношение их площадей определит запас прочности целика, который в пределе равен единице.

На фиг. 1 изображена радиальная схема сейсмопрозвучивания столбчатого целика для оконтуривания зон, находящихся в различном напряженном состоянии; вид в плане на фиг. 2 и 3 — эпюры скорости по результатам радиального сейсмопрозвучивания из первого и второго пунктов возбуждения; на фиг. 4 — параллельная схема сейсмопрозвучивания, учитывающая максимальные размеры зоны повышенных напряжений; на фиг. 5 — зпюра распределения скорости упругой волны внутри целика, полученная при прозвучивании по схеме, изображенной на фиг. 4, и пример количественного определения запаса его прочности.

Способ осуществляют следующим образом.

Допустим, необходимо определить запас прочности столбчатого опорного целика в условиях камерно-столбовой системы разработки с помощью цифровой одноканальной сейсмостанции СНЦ-1. До начала работ производят разметку точек 1 возбуждения и точек 2 приема упругих колебаний пс периметру целика в его средней части. Устанавливают приемник в ближайшей к выбранной точке 1 возбуждения точке и с помощью источника возбуждают упругие колебания на поверхности целика, т.е. осуществляют сейсмопрозвучивание по базе loi (первая

1718167 цифра в индексе и относится к пункту возбуждения — О, далее следует порядковый номер точки приема при прозвучивании из этой точки — 1). С экрана сейсмостанции снимают отсчет времени прохождения волной базы lo>. Приемник перемещают по образующей целика и устанавливают в следующей точке 2 приема. Вновь возбуждают колебания в фиксированной точке 1 и определяют время прохождения волны по базе Io2. Затем аналогичным образом производят сейсмопрозвучивание и определение времени распространения упругой волны по базе 1оз и т,д. от фиксированной точки 1 возбуждения до каждой из размеченных точек 2 приема.

Базы прозвучивания I определяются при помощи теодолитной съемки или снимают с плана горных работ. Определив базы и зная время, находят скорости распространения упругой волны по каждому направлению в горизОнтальном сечении целика.

Строят эпюру скорости, откладывая ее значение по оси ординат, Осью абсцисс служит развернутый периметр целика с отмеченными соответственно базам прозвучивания точками 2 приема (фиг. 2). Анализ графика показывает, что внешняя граница зоны 3 повышенных напряжений проходит между базами 1ог и Ipg с одной стороны и между lo>z и 1о з — с другой. Внутренняя граница зоны

3 повышенных напряжений (совпадающая с границей эоны 4 нормальных напряжений) проходит с одной стороны между базами 1ов и 1ов, а с другой — между fog и 11о. Точность определения границ различно нагруженных зон можно повысить, сгустив сетку без прозвучивания вблизи точек перегиба эпюры скорости. Переносят источник s другую(вторую} точку 1 возбуждения. Приемник устанавливают в одной из точек 2 приема, например ближней слева, Производят возбуждение колебаний в точке 1 возбуждения и определяют время прохождения упругой волны от источника к приемнику для„данной базы 111. Последовательно устанавливают приемник в каждой иэ размеченных по периметру целика точек 2 приема, производят сейсмопрозвучивание сечения целика из второй точки 1 возбуждения колебаний и определяют времена распространения упругой волны от источника к приемнику по каждой базе I. Рассчитывают скорости и строят эпюру распределения скорости в сечении целика относительно его развернутого периметра (фиг. 3). По характеру эпюры определяют положение внешней границы зоны 3 повышенных напряжений (в приве- денном случае граница проходит с одной стороны между базами 1 э и 1 4, а с другой—

55 между li>> и l<

"отбиты" с четырех сторон, что позволяет локализовать укаэанные зоны в плане. При" необходимости (например, когда поверхность целика сильно нарушена трещинами и не удается сразу получить четкую картину распределения скорости внутри целика) дополнительно осуществляют сейсмопрозвучивание еще из одной или более точек 1 возбуждения колебаний, Таким образом, получают картину расположения зон 5, 3 и 4 пониженных, повышенных и нормальных напряжений в сечении целика, что необходимо для выбора направления сейсмопрозвучивания при определении зпюры скорости, предназначенной для количественной интерпретации. При использовании многоканальных сейсмостанций производство работ упрощается, так как приемники колебаний размещают до начала сейсмопроэвучивания во всех точках 2 приема на поверхности целика и для каждой серии наблюдений изменяют только положение точки 1 возбуждения.

В сечении целика с нанесенными контурами зон 3 и 4 повышенных и нормальных напряжений отмечают центры 0 и 02 этих зон и проводят через них прямую. Размечают заново базы прозвучивания. ориентируя их по нормали к проведенной через центры

О> и 02 зон 3 и 4 прямой (оси). При этом. сгущают сетку вблизи контуров зон 3 и 4.

Переносят точки размещения источника и приемника с плана в натуру, на целик. Размещают на поверхности целика в размеченных точках 1 и 2 источник и приемник, начиная, например, с самой короткой базы

L1. Возбуждая упругие колебания. определяют время прохождения волной Ь, Перемещают одновременно источник и приемник в точке, соответствующие следующей базе прозвучивания L2.

Осуществляют сейсмопрозвучивание, получают время распространения упругой волны между точками 1 и 2 на базе 1.2, Переходят на следующую базу 1з и так далее, производя прозвучивание целика по всему выбранному сечению, Получив времена распространения упругих волн по каждой базе

L<, находят скорости. Расстояние между точками 1 возбуждения и точками 2 приема определяют, как и при радиальной схеме, маркшейдерскими методами.

Строят эпюру распределения скорости вдоль прямой, проходящей через центры 01 и О2 зон 3 и 4 повышенных и нормальных напряжений (фиг, 5). Нарастающие ветви

1718167

10 эпюры скорости (AD, СН) продолжают до их пересечения между собой (точка В). На уровне Vp, соответствующем скорости упругой волны у внешней границы зоны 3 повышенных напряжений, проводят параллельно оси абсцисс линию, отсекающую верхнюю часть эпюры с пиками нагрузки. Определяют площадь S(например,,в мм ) треугольника АВС, образованного пересекающимися нарастающими ветвями эпюры скорости и линий \4, находят также площадь S верхней части эпюры, ограниченную уровнем Чо (ADEFHC). Отношение первой (большей) площади (S) ко второй (S ) даст численное выражение запаса прочности исследуемого опорного целика. В случае, приведенном на фиг. 5, коэффициент запаса прочности и равен 2,0..

В предлагаемом способе повышается достоверность результатов наблюдений за счет оконтуривания в плане различно нагруженных зон 3 — 5 внутри целика, что позволяет ориентировать базы прозвучивания с учетом особенностей напряженного состояния целика, получить эпюру скорости, пригодную для количественной интерпретации и численно определить запас его прочности.

Формула изобретения

Способ определения запаса прочности опорного целика, включающий возбуждение упругих колебаний в фиксированной точке периметра целика, прием колебаний в точках периметра с заданным шагом исследований, определение по годографам скоростей распространения колебаний в горизонтальном сечении целика. оценку размеров и расположения эон пониженных, 5 повышенных и нормальных напряжений по результатам измерений, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности и информативности способа за счет учета фактического распределения напряжений в

10 сечении целика и количественной оценки запаса прочности, дополнительно осуществляют возбуждение упругих колебаний по крайней мере в одной точке периметра целика, определяют ось, проходящую через

15 центры зон повышенных и нормальных напряжений, выполняют прозвучивание целика с базами прозвучивания, ориентированными nQ нормали к указанной оси, и определяют коэффициент п запа20 са прочности из условия п = ЯП . . где S — величина,.характеризующая максимально допустимую нагрузку на целик при увеличении горного давления и определяе25 мая площадью треугольника, образованного уровнем скорости Vo на внешней границе зоны повышенных напряжений и продолженными до пересечения нарастающими ветвями зпюры скорости, полученной при

30 прозвучивании, S — величина, характеризующая фактическую нагрузку на целик, определяемая площадью фигуры, .ограниченной указанными зпюрой скорости и уровнем V<>, 1718167

Ve/е

ЛИР

111 1

И и и вХи(09iщ119 trr àrf2 Е

Фаз.д

uw) Ve/

Корректор .А.Медведев

Редактор С.Пекарь

Заказ 880 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская нэб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 ю с

ОИИ

1 11

n gp>

Риг. 2 даль

4т у Ьу С аЗЫ

Я а,5

Составитель Н.Жукова

Техред М.Моргентал