CC BY
31
УДК 622.28.017 + 531.746
Д.В. Барышников
ИГД СО РАН, Новосибирск
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКОГО ЗОНДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СМЕЩЕНИЙ ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА
D.V. Baryshnikov
Institute of Mining Siberian Branch, Russian Academy of Science 54 Krasniy pr., Novosibirsk, 630091, Russian Federation
EXPERIMENTAL APPROBAYTION OF INCLINOMETRIC PROBE TO IDENTIFY DISPLACEMENTS OF STOWING MATERIAL
The laboratory and in-situ test data are reported for the pilot small-scale downhole inclinometer developed at Institute of Mining, SB RAS. The evaluation error for vertical rock mass displacements is computed based on measurements made in subhorizontal boreholes.
Применение систем разработки с закладкой выработанного пространства - наиболее перспективный способ рационального использования недр, обеспечивающий повышение безопасности горных работ с минимальными потерями и разубоживанием [1]. Одним из вариантов разработки высокоценных и слабоустойчивых руд является слоевая система с твердеющей закладкой и нисходящий порядок их выемки.
В отличие от восходящей выемки слоев, обеспечивающей монолитность формируемого искусственного массива, последовательное создание слоев закладки сверху вниз сопровождается накоплением пустот в отработанном и заложенном пространстве (на границах смежных слоев) вследствие технологического недозаклада, усадки и компрессионного сжатия закладки. По мере отработки запасов создается искусственный массив блочной структуры, объем пустот в котором постепенно накапливается. Данное обстоятельство может привести со временем к активизации процесса сдвижения в подрабатываемой толще заложенного пространства и, как следствие, негативно отразиться на безопасности горных работ. От успешности решения вопросов управления и контроля состояния подрабатываемого закладочного массива во многом зависит эффективность и безопасность дальнейшей отработки месторождения. Опыт применения данной системы разработки на руднике «Интернациональный» АК «Алроса» показал, что в ряде случаев имели место обрушения искусственной кровли очистных заходок.
Прогнозировать расчетными методами поведение блочных сред с неизвестными границами на контактах слоев (вследствие технологических недозакладов) и в условиях значительных изменений механических свойств закладки от времени ее формирования практически невозможно. Поэтому единственным надежным методом определения вертикальных смещений является инструментальный контроль.
Одним из методов контроля вертикальных сдвижений является метод скважинной инклинометрии, основанный на измерении углов наклона обсаженной полиэтиленовой трубой субгоризонтальной скважины, пробуренной в контролируемом слое закладки [2,3]. Результатом измерений является накопление массива данных по углам наклона трубы ¥(х) на глубинах от устья измерительной скважины. Расчет вертикальных отметок профиля скважины И[ на расстоянии от устья х0 по дискретным данным углов наклона обсадной трубы У(х) определяется с помощью интегрирования по формуле: х,
Л,- = ]у(х)(1х ^
0
Величина прогиба скважины (слоя закладки), вызванная сдвижением закладочного массива при его подработке, определяется по изменениям отметок профилей в процессе режимных наблюдений относительно исходного (начального) положения. Периодичность повторных циклов наблюдений зависит от интенсивности ведения горных работ при подработке слоя, оценить который можно по разности двух смежных циклов
Поскольку измерение угла ¥(х) в (1) носит дискретный характер, то интегрирование заменяем аппроксимацией методом трапеции:
йп =
л
180
■М
<Р о
-^+2 2 ,=1 '
(2)
п
где Бп - смещение скважины в вертикальном направлении в точке п; А/ -шаг продвижения вдоль скважины; ср0 - угол в устье скважины; срг - текущий угол, измеренный через А/.
Величина прогиба (вертикального сдвижения) подрабатываемого слоя рассчитывается по изменениям углов наклона наблюдательной скважины относительно ее исходного состояния.
В ИГД СО РАН разработан малогабаритный зонд, выполненный на основе двух перпендикулярно расположенных датчиков углов наклонов -инклинометров. Он позволяет вести наблюдения по субгоризонтальным скважинам и контролировать возможные вертикальные смещения подрабатываемого толщи закладки [4].
Первый датчик, установленный в плоскости продольной оси инклинометрического зонда, является основным измерительным элементом, обеспечивающим контроль углов наклона обсадной трубы в вертикальной плоскости. Второй расположен ортогонально первому и используется для установки зонда в вертикальной плоскости (рис. 1).
/1
\
Vertikal zenith
Ü О
Кабель до 100м
преобразования н ,--------------
п еред ан и д анн ых Кабельдо
10м
Устройство
Инютинометршескин
прибор
Notebook
Рис. 1. Блок-схема инклинометрического комплекса
Порядок проведения наблюдений принят следующий:
1. Установка зонда в вертикальное положение (с помощью 2-ого датчика).
2. Снятие i-ого отсчета (аналоговый сигнал через АЦП передается на
ПК).
3. Продвижение зонда до через равные интервалы (с выполнением п. 1 и 2) до забоя скважины в «прямом» и «обратном» направлениях.
4. Сохранение результатов измерений на ПК с последующей обработкой в MS Excel.
Лабораторные тесты показали, что стандартное отклонение при определении угла наклона трубы в точке составляет 0,02°. При проведении испытаний в шахтных условиях (путем проведения четырех циклов «прямо -обратно») в сорокаметровой обсадной трубе установлено, что среднеквадратическая ошибка определения углов по длине скважины с интервалом установки через 0,5 м (80 точек) не превышает 7', а погрешность определения отметок в профиля составляет менее 1мм на 1м длины скважины.
Натурные испытания инклинометрического зонда проведены на руднике «Интернациональный» АК «Алроса» при переходе на слоевую нисходящую систему разработки. Предложенный метод вошел составной частью в проект геомеханического мониторинга, разработанного ИГД СО РАН для контроля состояния очистных выработок при отработке запасов на глубоких горизонтах.
В качестве примера реализации метода приведем результаты наблюдений вертикальных сдвижений разрезного слоя 34 (блок 7/8) при его подработке. Первый (начальный) цикл измерения в оборудованной скважине 7.010 был проведен, когда в слое 33 были отработаны ленты 11 и 14 (рис. 2 а). После отработки лент 8, 9 и 12 (рис. 2б) выполнен второй цикл измерений, а третий - когда слой 33 был отработан и заложен полностью.
На рис. 3 представлены профили и вертикальные смещения наблюдательной скважины. Из рисунков видно, что смещения после полной отработки слоя составили около 300 мм.
а
б
Лента Ъ у Лента 9
¿Лента 10 Лента 11
, / Лента 12
X ^Сл. заезд
Лента 14, ^Лента 15 34/3
//
- вмещающие породы - закладочный массив + +
1
- Рудное тело
Рис. 2. Состояние горных работ при проведении первого (а) и второго (б)
цикла наблюдений
а
б
Рис. 3. Изменения профиля скважины за три цикла наблюдения (а); вертикальные смещения скважины относительно исходного состояния (б)
Проведенные испытания разработанного инклинометрического зонда в шахтных условиях свидетельствуют об эффективности его использования для контроля параметров процесса сдвижений массива, вызванных его подработкой.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ред. Гранхольма С. Разработка месторождений с закладкой // «Мир», Москва, 1987 г.
2. Фрейман Э.В., Кривошеев С.В., Лосев В.В. Особенности построения алгоритмов ориентации гироскопических инклинометров на базе одноосного гиростабилизатора. // СПб: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2002 г.
3. Ковшов Г.Н., Коловертнов Г.Ю. Приборы контроля пространственной ориентации скважин при бурении. // Монография. УГНТУ, 2001 г.
4. Сборник материалов международного научного конгресса ГЕ0-СИБИРЬ-2007 (т. 5) // СГГА, Новосибирск, 2007 г.
© Д.В. Барышников, 2009
