Спосіб експрес-визначення деформаційних і викидонебезпечних властивостей гірських порід і пристрій для його здійснення

1. Спосіб експрес-визначення деформаційних і викидонебезпечних властивостей гірських порід, що полягає в навантаженні зразка гірської породи різцями до його руйнування з одночасним зняттям показників деформування породи, який відрізняється тим, що виконують добір зразків проб гірських порід заданого розміру в досліджуваному вибої вироблення, навантажують зразок до крихкого руйнування породи, для чого вводять у нього з двох боків співвісно розташовані конічні різці з фіксацією показників деформацій і навантажень зразка, при цьому по граничних показниках деформацій і навантажень визначають характеристику міцності породи на розрив по залежності: P 2 sp = K , кг/см , F де: P - з усилля навантаження породи, кг; F - площа поверхні руйнування породи в зразку, см 2; 2 (19) 1 3 84907 Винахід відноситься до гірської справи, зокрема до методів дослідження стану гірських порід у масиві шляхом добору проб безпосередньо у вибої вироблення. Відомий спосіб динамічних іспитів гірських порід [А.С. №1314054 «Спосіб динамічних іспитів гірських порід», МКИ Е21С39/00. Опубл. 30.05.87. Бюл. №20], що полягає в навантаженні зразка гірських порід до руйнування, проведення вимірів параметрів його деформування, з яких судять про характеристики руйнуємості породи [1]. Однак даний спосіб не дозволяє оперативно зробити оцінку викидонебезпечності гірських порід. Відомий спосіб визначення ударонебезпечності гірських порід [А.С. №1521872 «Спосіб визначення ударонебезпечності гірських порід», МКИ Е 21 С 39/00 [2]. Опубл. 15.11.89. Бюл. №42] полягає в навантаженні зразка порід, проведення вимірів напруженого стану в зразку і параметрів його деформування, по яких оцінюють ступінь ударонебезпечності досліджуваної породи. Однак даний спосіб не досить оперативний при виконанні оцінки стану породного масиву і не дозволяє враховувати газонасиченість, наприклад викидонебезпечних піщаників, що мають місце на шахтах Донбасу. Задача винаходу - підвищення надійності й оперативності проведення оцінки викидонебезпечного стану породного масиву у вибої гірського вироблення. Поставлена в пропонованому патенті ціль досягається тим, що в способі експрес-визначення деформаційних і викидонебезпечних властивостей гірських порід, що включає в себе нагруження зразка гірської породи різцями до його руйнування, роблять добір зразків проб гірських порід заданого розміру в досліджуваному вибої вироблення. Навантажують зразок до тендітного руйнування породи шляхом впровадження в нього з двох сторін співвісно розташованими конічними різцями з безупинною фіксацією значень деформацій і навантажень зразка. За граничним значенням зафіксованих деформацій і навантажень визначають характеристику міцності породи на розрив по залежності: P 2 sp = K , кг/см , F де: Р - з усилля нагруженння породи, кг; F - площа поверхні руйнування породи в зразку, см 2; h 4r0 æ h ö ÷ 3,14 × ç 1ç 4r0 ÷ è ø 6,3 - arcsin 1 K= - коефіцієнт пропор ційності; h - глибина впровадження різців у породу, мм; r0 - радіус різців, мм, Параметри (Кд і Кп), що характеризують викидонебезпечність гірських порід визначають зі співвідношень: h K Д = × 100% , t 4 де: t - товщина зразка в місці зіткнення різців, мм; 100 - коефіцієнт пропорційності; Р КП = , gН де: g - об'ємна вага породи, кг/см 3; Н - глибина розташування виробки, м. Для підвищення оперативності виконання оцінки викидонебезпечності породи використовують номограму з інтерполяційної кривої викидонебезпечності на який наносять крапки з обмірюваними значеннями параметрів викидонебезпечності порід. Для остаточного визначення викидонебезпечності гірської породи за значеннями величин деформаційних і міцкістних параметрів стану масиву Кд і Кп будуємо крапку на номограме з інтерполяційної кривої викидонебезпечності, по розташуванню якої щодо інтерполяційної кривої і встановлюють ступінь викидонебезпечності породи. Сутність винаходу пояснюється кресленнями, дє: на Фіг.1 представлений графік кривої для експресного визначення викидонебезпечності гірських порід: 1 - викидонебезпечні; 2 невикидонебезпечні; АВ - умовно поділяюча лінія; крапка Б - викидонебезпечна зона масиву; крапка С - невикидонебезпечна зона масиву. На Фіг.2 представлений пристрій - прилад для реалізації запропонованого способу. Спосіб експрес-визначення деформаційних і викидонебезпечних властивостей гірських порід і виконується в такий спосіб. Здійснюється проведення вироблень по товщі порід викидонебезпєчного піщанику. У шарі піщанику періодично зустрічаються викидонебезпечні зони, викидонебезпечність яким визначається за результатами аналізу кількості дисків на погонний метр керна з цієї шпари при її розвідницькому буравленні з вибою виробки /нормативний спосіб, закладений у «Інструкції...» [1]. Цей спосіб досить громіздкий і трудоємний, оскільки необхідно зупинити проходку вироблення, завести у вибій буровий верстат, виконати буравлення розвідницьких кернових шпар /мінімум трьох/, вивести із шахти на поверхню керновий материал, виконати аналіз його і визначити викидонебезпечність зон перед вибоєм. При цьому, буравлення при середніх темпах проходки, здійснюється в середньому 1 раз у тиждень. При застосуванні пропонованого способу за допомогою, наприклад, приладу (див. п. 2 Ф.И. і Фіг.2) попередньо будують криву (Фіг.1, поз. 3), що на підставі набраної статистики у викидонебезпечних і невикидонебезпечних зонах відповідної товщі порід (у нашому випадку піщаник) при проведенні інших вироблень на даній чи на групі шахт, що ведуть гірські роботи з досліджуваної товщі піщанику. Після одержання кривих визначення викидонебезпечності порід виконують у кожнім конкретному вибої при веденні гірських робіт у товщі небезпечних порід. У досліджуваному вибої з його поверхні відбирають кілька проб, у виді пластинок-зразків порід 5 84907 товщиною 12±2мм, що відколюються від вибою. Безпосередньо у вибої вироблення їх роздавлюють. По отриманим при роздавлюванні зразкам зусиллям подачі (Р) і граничним величинам абсолютної деформації (h) визначають механічні характеристики викидонебезпечності порід. При цьому механічні характеристики визначаються по наступним залежностях: а) межа міцності на розрив P 2 (1) sp = K , кг/см , F де: Р - зусилля навантаження породи (показання манометра), кг; F - площа поверхні руйн ування зразка, см 2; h 4r0 æ h ö ÷ 3,14 × ç 1ç 4r0 ÷ è ø 6,3 - arcsin 1 K= - коефіцієнт пропор ційності; h - глибина впровадження різців у породу (показання індикатора, мм; r0 - радіус інденторів, мм; б) межа міцності на стиск 2 s сж = К1sр , кг/см , (2) де: К1 - коефіцієнт пропорційності, обумовлений для кожного виду порід по довідковим даної (для міцних порід Донбасу К1»8-10). Параметри, що характеризують викидонебезпечність (Кд і Кп), що, відповідно, характеризують і деформаційні і міцкістні властивості породи з урахуванням напруженого стану масиву, визначаються зі співвідношень: h (3) K Д = × 100% t де: t - товщина зразка в місці зіткнення різців, мм; h - глибина впровадження різців у породу (показання індикатора), мм; 100 - коефіцієнт пропорційності. Р КП = (4) gН 3 де: g - об'ємна вага породи, кг/см ; Н - глибина розташування виробки, м. Перед визначенням викидонебезпечності порід попередньо будують графік поділяючої кривої АВ на підставі результатів обробки статистики досліджень викидонебезпечних порід у зонах, де відбулися газодинамічні явища (ГДЯ) і де вони були відсутні. У результаті встановлюють положення кривої АВ на графіку (див. Фіг.2). Після цього проводимо дослідження фактичних параметрів властивостей піщанику, у двох різних зонах гірського масиву для визначення викидонебезпечності цих зон, при цьому минулому отримані наступні дані (при глибині залягання вироблення Н=600м і середній об'ємній вазі товщі порід у=0,025кг/см 3): Результати експерименту виконані в 1-й зоні: t1=12мм; h1=1,3мм; P1=28,0кг; Відповідно, після виконання по отриманим даним розрахунку по формулах (3 і 4), одержуємо 6 такі значення деформаційних і міцкістних параметрів порід Кд111, Кп1=0,19. Результати експерименту виконані в 2-й зоні: t1=12мм; h1=2,5 мм; P1=32,5кг; Відповідно, після виконання по отриманим даним розрахунку по формулах (3 і 4), одержуємо такі значення деформаційних і міцкістних параметрів порід Кд2=20,8 і Кп2=0,22. Для остаточного визначення викидонебезпечності піщанику в досліджуваних зонах масиву за значеннями величин деформаційних і міцкістних параметрів стану масиву Кд і Кп будуємо крапку Б для зони проведених досліджень №1 і крапку З для зони №2 на графіку (див. Фіг.2). По місцеві розташування цих крапок (Б и С) визначається ступінь викидонебезпечності порід: якщо крапки розташовані вище кривої АВ - товща порід у вибої проведеного вироблення не викидонебезпечна, якщо - нижче те вона викидонебезпечна. У нашому випадку проведені дослідження показали, що крапка Б знаходиться нижче кривої АВ, о тже досліджувана зона викидонебезпечна, а зона масиву з досліджуваною крапкою С вище кривої - тобто вона не викидонебезпечна. Фіг.1. Графік кривої для експресного визначення викидонебезпечності гірських порід: 1 - викидонебезпечні; 2 - невикидонебезпечні; АВ - умовно поділяюча лінія; крапка Б - викидонебезпечна зона масиву; крапка С - невикидонебезпечна зона масиву. Цифрами зазначена біля затемнених кружків інтенсивність викидів, т (приклад). Для виконання запропонованого способу необхідні засоби для його реалізації. Як такі засоби відомий пристрій для дослідження міцкістних характеристик, що включає в себе раму корпуса, пуасоны з індикатором і индентером /А.с. №1446304 Е 21С 39/00, Опубл. 23.12.88, БИ №47; А.с. №1239321 Е 21С 39/00, Опубл. 23.06.86, БИ №23/ [4]. Однак даний пристрій складно при іспитах, крім того при іспитах з його допомогою складно підібрати зразок необхідної форми. Як прототип для пристрою прийнятий відомий пристрій для механічних іспитів горних порід /А.с. №641098, МКИ Е 21 С 39/00, Опубл. 05.01.79, БИ №1/, що включає в себе корпус, гідроситему з гідроциліндром, силовим поршнем і гвинтовим приводом, що навантажує, [5]. Однак даний пристрій дуже громіздке, недостатньо точне, при іспитах з його допомогою в шахтних умовах досить складно підібрати випробовувані зразки необхідної форми. Пропоноване в даному винахідний пристрій для реалізації заявленого способу (див. Фіг.2) складається з корпуса 1, виконаного у виді скоби і містить у собі кронштейни 2, штовхальники 3, конічні різці 4, гідроциліндр 5, манометр 6, індикатор переміщень 7 і вантажний гвинт 8. У пристрої для іспиту зразка 9, досліджуваних гірських порід передбачений манометр 6 і індикатор 7. Індикатор 7 кріпиться на кронштейнах 2, а його регулювання перед іспитами здійснюється регулювальним гвинтом 10 з фіксуючою гайкою 11. Кронштейни 2 жорстко встановлені на циліндричних частинах штовхальників 3, що мають можливість співвісного 7 84907 переміщення за допомогою вантажного гвинта 8 при навантаженні випробовуваного зразка 9. Один штовхальник при переміщенні давить на поршень 12, що знаходиться в циліндрі 5, заповненим гідроагентом 13. Поршень 12 з іншої сторони підпертий пружиною 14 з упором 15 і манжетою 16. Циліндр 5 з'єднаний каналом 17 з манометром 6. Запропонований в патенті пристрій працює в такий спосіб. У запропонованому пристрої між конічними різцями 4 установлюється випробовуваний зразок 9 і шляхом обертання вантажного гвинта 8 штовхальники 3 передають зусилля на конічні різці 4, що деформують зразок 9. Разом з переміщенням кронштейнів 2 змінюються показання індикатора 7. Перед навантаженням зразка 9 за допомогою регулювального гвинта 10 установлюється нульове значення індикатора 7, що фіксується за допомогою гайки 11. З іншої сторони штовхальник 3 передає зусилля впровадження конічних різців 4 у зразок 9 на поршень 12, що створює тиск у гідроагенті 13, яким заповнений гідроциліндр 5 і цей тиск, тобто Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 8 зусилля впровадження різців у зразок передається на манометр 6. Надалі при руйнуванні зразка знімаються показання манометра 6 і індикатора 7, що обробляються по приведеній у способі методиці. Використані джерела: 1. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа. М.: Минуглепром СССР, 1989. – 190 с. 2. А.С. №1314054 «Способ динамических испытаний горных пород», МКИ Е 21 С39/00. Опубл. 30.05.87. Бюл. №20 3. А.С. №1521872 «Способ определения удароопасности горных пород», МКИ Е 21 С39/00. Опубл. 15.11.89. Бюл. №42 4. А.с. №1446304 Е 21С 39/00 «Прибор для испытания горных пород расколом». Опубл. 23.12.88, БИ №47; А.с. №1239321 Е 21С 39/00, Опубл. 23.06.86, БИ №23. 5. А.с. №641098, МКИ Е 21 С 39/00 «Прибор для механических испытаний горных пород». Опубл. 05.01.79, БИ №1. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601