Розробка методу та засобів для дослідження геомеханічних процесів у гірничовидобувних регіонах

Методика визначення неспіввісності центрів втулок двох геознаків, розміщених один над другим, полягає у визначенні за допомогою трикоординатного мікрометричного пристрою точки зовнішнього кінця світловоду-перехідника відносно точки, що знаходиться на вісі нижньої втулки геознака на відомій відстані від неї. В цьому випадку визначається не лише величина неспіввісності, але й відстань між головками геознаків, рівна Но + уо + hо, де уо - зареєстрована величина перевищення однієї точки над іншою, а Но - довжина центрира-висотоміра. Точність такого центрира залежить, в основному, від похибки у визначенні координат мікрометричним індикатором, тому що точність встановлювання співвісності оптичних волокон, як відомо, не гірше 1 мкм. Таким чином, встановлювання нижнього геознака може здійснюватися за допомогою волоконно-оптичного центрира з точністю 1 мкм, а вимірювання неспіввісності раніше встановлених знаків близько 5 мкм.

Підводячи підсумок розглянутим принципово новим пристроям для маркшейдерсько-геодезичного забезпечення гірничого виробництва можна зробити висновок, що проведені дослідження з метою можливості та доцільності використання волоконно-оптичних систем для створення нових методів і способів, дозволяють вирішити важливу науково-практичну проблему прогнозування зсуву гірських порід, в тому числі, і під впливом гірничих робіт, і забезпечити таким чином безпеку гірничовидобувного регіону.

Розроблені засоби для маркшейдерсько-геодезичного забезпечення регіонів можуть успішно використовуватись при наявності спеціалізованого центру, який даватиме інформацію про геодинамічні процеси, що відбуваються.

Нами розроблена структурна схема такого центру (рис. 12).

Як видно з цієї схеми, передбачено виконання комплексу наукових досліджень за оцінкою сучасного стану маркшейдерсько-геодезичного забезпечення регіону, повязати геомеханічні процеси, що відбуваються, з технологією відкритих і підземних гірничих робіт, використати принципово новий високоточний метод визначення впливу геомеханічних процесів на стан маркшейдерсько-геодезичних мереж і життєдіяльність регіону.

У пятому розділі на основі проведених досліджень і розроблених на їхній базі нових методів і пристроїв маркшейдерсько-геодезичного призначення описані створені станції спостережень за геодинамічними процесами при розробці родовищ корисних копалин і наведені результати їх промислових досліджень в такому небезпечному в екологічному плані регіоні, яким є Криворізький залізорудний басейн. Наявність значної кількості порожнин і багатьох тисяч квадратних метрів зон обвалення створює не лише небезпеку для розробки родовищ, але й для всього регіону, в тому числі, і як ініціатор землетрусів. Проблема збільшується ще й тим, що нині закриваються деякі гірничовидобувні підприємства поки що з підземним видобуванням руди. Це створює додаткову небезпеку в перерозподілі напружень у масивах гірських порід та істотної зміни водонасиченості останніх.

Розроблені станції спостережень розміщені і випробувані на кар'єрі № 1 ВАТ “Центральний гірничозбагачувальний комбінат” і на кар'єрі № 2-біс Новокриворізького комплексу Криворізького державного гірничо-металургійного комбінату.

У роботі наведені обгрунтування вибору місця досліджень та основні фізико-механічні властивості порід.

Слід відзначити, що завдяки розробленим вимірювальним приладам виникла можливість вимірювання зміщень у трьох проекціях з точністю не гірше 1…2 мкм. Така точність, якої не можна досягти традиційними способами геодинамічних вимірювань, дозволяє визначати не тільки залежність зсуву гірських порід безпосередньо від масових вибухів, але й час від часу реєструвати релаксаційні процеси.

Для переміщення вимірювального оптичного волокна в трьох взаємно перпендикулярних напрямках розроблено і виготовлено мікрометричний подаючий пристрій, що складається з однотипних столиків, скріплених між собою у взаємноортогональних площинах.

Проведені промислові дослідження волоконно-оптичних вимірювальних станцій ВО1 та ВО2 підтвердили теоретично обгрунтовану високу чутливість вимірювальної системи до деформацій гірських порід. З метою уникнення коливань підошви, пов'язаних з проведенням робіт у кар'єрі, при оптичних вимірюваннях застосовувалася динамічна методика визначення планових координат, яка зводилася до знаходження максимуму світлової потужності на даному рівні при проходженні інварною струною вискового положення. Одержана залежність інтенсивності світла від зазору між співвісними оптичними волокнами показала, що зближення поверхонь всього на 10 мкм призводить до збільшення інтенсивності світла, яке пройшло через волокно, на 30 одиниць, що дозволяє надійно реєструвати зміщення гірських порід у вертикальній площині. Волоконно-оптичні системи переважають за точністю традиційні методи більш ніж на порядок. У роботі наведені унікальні результати, одержані при визначенні деформації масивів гірських порід при проведенні масових вибухів і показана висока ефективність спостережних станцій, у яких використані розроблені пристрої.

Висновки

В результаті виконання досліджень здійснено теоретичне узагальнення і вирішена значна наукова проблема, яка полягає в розробці методу і маркшейдерсько-геодезичних пристроїв на основі волоконно-оптичних вимірювань для спостереження геомеханічних процесів при розробці родовищ, і має важливе значення для безпеки гірничовидобувних регіонів України.

Основні результати теоретичного і прикладного характеру полягають у наступному:

1. Великий вплив на зміщення земної поверхні мають гірничі роботи, які призводять до значних за площею зон зміщення (зсуву, обвалювання). Вибухи, які проводяться періодично в кар'єрах і шахтах, впливають на зміщення пунктів планово-висотного обгрунтування, величина якого визначається сумарною масою підривних зарядів, фізичними властивостями руйнівних порід і відстанню від місця підривання до спостережної точки. Встановлені емпіричні залежності для визначення зміщень пруткових та грунтових реперів відносно глибоких, закладених у корінні породи. Одержані результати дозволяють зробити висновок про нестабільність великого числа пунктів опорного планово-висотного обгрунтування на об'єктах Криворізького басейну. Користуватися такими пунктами для вирішення інженерних задач не можна. Складні геомеханічні явища, що проходять в процесі розробки родовищ, негативно впливають на якість маркшейдерсько-геодезичного забезпечення гірничих робіт.

2. Здійснювати постійний нагляд за зміщенням опорних пунктів у великих гірничовидобувних регіонах, користуючись традиційними методами досліджень, практично неможливо. Через це виникла потреба в пошуках нових методів і способів для спостереження за геодинамічними процесами.

3. Сучасний етап розвитку науки характеризується створенням фізичних основ волоконно-оптичних датчиків, котрі дозволяють здійснювати високоточні вимірювання в різних галузях людської діяльності. Виконані дослідження волоконно-оптичних систем показали, що висока точність волоконно-оптичних датчиків дозволяє розглядати можливість їх використання для спостережень за положенням пунктів опорних мереж і мікрозсувами масивів гірських порід у конкретних гірничо-геологічних умовах. Оперативність, зумовлена простотою вимірювань, і можливість дистанційного зняття інформації з волоконно-оптичних опорних знаків є дуже прогресивним напрямком для створення геодинамічних полігонів у великих гірничовидобувних регіонах.

4. Теоретично передбачені і експериментально підтверджені переваги вимірювальних систем на основі волоконно-оптичних направлених відгалужувачів у порівнянні з роздільним розміщенням оптичних каналів для виконання задач з центрування.

5. Розроблені вимірювальні системи на основі датчиків відбиваючого і прохідного типів з модуляцією інтенсивності світла для вимірювання деформації гірських порід за трьома ортогональними напрямками і задання вертикалі.

6. Встановлено, що волоконно-оптичну систему вимірювання прохідного типу з модуляцією інтенсивності світла доцільно використовувати для створення методів і способів для спостереження за геодинамічними процесами.

7. Експериментально встановлено вплив величини зсуву гірських порід на світлову потужність.

8. Доведено, що інтерферометрична волоконно-оптична система реєстрації може бути використана для прецезійних вимірювань у маркшейдерсько-геодезичних роботах з точністю не гірше /2.

9. Розроблена електрична схема, виготовлений і випробуваний вимірювач потужності оптичного випромінювача для автономного користування в польових умовах, що забезпечує вимірювання на виході волоконно-оптичного канала у відносних одиницях для фіксованої довжини хвилі 0,75-0,9 мкм.

10. На основі досліджень можливостей волоконно-оптичної системи вимірювань вперше розроблені та захищені патентами України на винахід:

- пристрій для спостережень зсувів гірських порід, що відрізняється підвищеною надійністю та точністю вимірювання вертикальних і горизонтальних зміщень гірських порід, в тому числі, у тілі зсувів різномантіного походження. Пристрій дозволяє вимірювати зміщення одноманітно одним переносним приладом і без контакту, а також проводити спостереження практично на довільній глибині протягом достатнього часу, що дуже важливо для умов густонаселених гірничовидобувних регіонів;

- пристрій для задання вертикального напрямку, який забезпечує високу точність фіксування вертикалі та дозволяє визначати кут і координати дистанційного контролю, практично повністю виключаючи вплив зовнішніх факторів.

11. Розроблено ряд волоконно-оптичних пристроїв для вирішення різних задач маркшейдерсько-геодезичного забезпечення гірничих робіт:

- похиломір, котрий дозволяє одержувати інформацію на відстанях, що вимірюються десятками кілометрів, і дає можливість керувати процесом вимірювання на великих площах з одного пункту. Важливою перевагою волоконно-оптичного похиломіру є відсутність потреби джерела струму на місці його встановлення, забезпечуючи, таким чином, безпеку вибуху і виключення виробничих перешкод на корисний сигнал;

- рівнемір для гідростатичних нівелірів, що дозволяє істотно розширити можливості останніх для значного підвищення точності, що дуже важливо в умовах відкрито-підземної розробки родовищ корисних копалин;

- центрир, точність якого залежить лише від похибки у визначенні координат мікрометричними індикаторами, тому що точність установки співвісності оптичних волокон не гірше 1 мкм. Це забезпечує встановлення нижнього геодезичного знаку за допомогою волоконно-оптичного центриру з точністю 1 мкм, а вимірювання неспіввісності раніше встановлених знаків біля 5 мкм.

12. Розроблені та встановлені спостережні станції, проведені їх промислові випробування і впровадження з метою одержання інформації про геодинамічні процеси, які проходять в гірничовидобувному регіоні, в тому числі, і від впливу гірничих робіт. Спостережні станції встановлені в центральній та південній частинах регіону: в кар'єрі № 1 ВАТ “Центральний гірничозбагачувальний комбінат” і в кар'єрі № 2-біс Новокриворізького комплексу Криворізького гірничо-металургійного комбінату.

13. Експлуатація волоконно-оптичних спостережних станцій довела теоретично обгрунтовану високу чутливість вимірювальної системи до деформацій гірських порід. Одержані результати з деформацій гірських порід під дією масових вибухів за допомогою волоконно-оптичних систем узгоджуються з вимірюваннями, проведеними традиційними методами, але переважають їх за точністю більшою, ніж на порядок.

14. Використовуючи спостережні станції, розроблена структура організації та планування інформаційного центру з маркшейдерсько-геодезичного забезпечення великих гірничовидобувних регіонів.

Інформаційний центр дозволяє прогнозувати зсув гірських порід і, таким чином, сприяти підвищенню безпеки гірничовидобувного регіону.

Основні положення дисертації опубліковані в таких роботах

1. Сидоренко В.Д., Куликовська О.Є. Про необхідність досліджень геодинамічних процесів у Кривбасі. - Вісник геодезії та картографії, 1998. - №1. - С. 8-12.

2. Сидоренко В.Д. Неотектонические движения физической поверхности в Криворожском бассейне. // Разработка рудных месторождений: Респ. межвед. науч. - техн. сб. - Кривой Рог: КТУ, 1999. - Вып. 67. - С. 50-53.

3. Сидоренко В.Д., Бойчук К.К. Закономерности сдвижения горных пород при разработке рудных залежей Кривбасса // Разработка рудных месторождений: Респ. межвед. науч.-техн. сб. - Кривой Рог, КТУ, 1998. - Вып. 66. - С. 132-137.

4. Чирва А.И., Сидоренко В.Д. Влияние массовых взрывов на устойчивость земной поверхности // Разработка рудных месторождений: Респ. межвед. науч.-техн. сб. - Кривой Рог: КТУ, 1999. - Вып. 67. - С. 46-50.

5. Сидоренко В.Д. Волоконно-оптичні системи для маркшейдерсько-геодезичних вимірювань / Відомості Академії гірничих наук України. - Кривий Ріг: Мінерал. - № 2. - 1997. - С. 100-101.

6. Долгих В.Н., Долгих Л.В., Сидоренко В.Д. Влияние геомеханических процессов на состояние пунктов планово-высотного обоснования // Разработка рудных месторождений: Респ. межвед. науч.-техн. сб. - Кривой Рог: КТУ, 1999. - Вып. 67. - С. 53-56.

7. Сидоренко В.Д. Новые устройства для маркшейдерского обеспечения горных работ // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1999. - № 2-3. - С. 63-65.

8. Пат. 18240А. Україна, МПК5G01С15/04 Пристрій для спостереження зміщення гірських порід / Здещиць В.М., Сидоренко В.Д. (Україна); № 95125343; заявл. 18.12.95; опубл. 25.12.97; Бюл. №6. - 1 с.

9. Пат 19006А, Україна, МПК5G01С15/04 Пристрій для задання вертикального напрямку / Здещиць В.М., Сидоренко В.Д. (Україна); № 96072668; заявл. 18.12.95; опубл. 25.12.97; Бюл. №6. - 1 с.

10. Сидоренко В.Д. Волоконно-оптичні методи центрування // Відомості Академії гірничих наук України. - Кривий Ріг: Мінерал. - № 2. - 1997. - С. 101-102.

11. Сидоренко В.Д. Розробка датчиків для високоточних маркшейдерсько-геодезичних вимірювань // Відомості Академії гірничих наук України. - Кривий Ріг: Мінерал. - № 2. - 1997. - С. 102-103.

12. Сидоренко В.Д. Определение деформаций в горных породах // Разработка рудных месторождений: Респ. межвед. научн. техн. сб. - Кривой Рог: КТУ, 1996. - Вып. 59. - С. 62-65.

13. Сидоренко В.Д. Волоконно-оптическая система измерения положения геодезической марки в пространстве // Разработка рудных месторождений: Респ. межвед. научн. техн. сб. - Кривой Рог: КТУ, 1997. - Вып. 60. - С. 50-55.

14. Экономико-математическое моделирование параметров открытых горных выработок / В.А. Завсегдашний, Е.А. Несмашный, В.В. Перегудов, В.Д. Сидоренко // Маркшейдерия и геодезия. Разработка месторождений полезных ископаемых. Геоинформационные технологии в горном деле и геологии: Сб. науч. трудов НГА Украины. - № 7. - Том 2. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - С. 126-129.

15. Объемная дискретно-аналитическая модель месторождения / В.А. Завсегдашний, Е.А. Несмашный, В.В. Перегудов, В.Д. Сидоренко // Маркшейдерия и геодезия. Разработка месторождений полезных ископаемых. Геоинформационные технологии в горном деле и геологии: Сб. научн. трудов НГА Украины. - № 7. - Том 2. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - С. 34-38.

16. Сидоренко В.Д. Устройство для задания вертикального направления с использованием волоконно-оптической системы // Проблемы горнодобывающей промышленности металлургического комплекса Украины: Сб. науч. трудов. - Кривой Рог: НИГРИ, 1997. - С. 51-56.

17. Сидоренко В.Д. О создании информационного центра для маркшейдерско-геодезического обеспечения горных работ // Проблемы горнодобывающей промышленности металлургического комплекса Украины. Сб. научн. трудов. - Кривой Рог: НИГРИ, 1997. - С. 56-59.

18. Сидоренко В.Д., Здещиц В.М. Волоконно-оптический уровнемер для геомеханических измерений // Разработка рудных месторождений: Респ. межвед. науч.-техн. сб. - Кривой Рог: КТУ. - 1999. - Вып. 68. - С. 58-62.

19. Сіробаб С.С., Андоленко В.І., Сидоренко В.Д. Про розширення можливостей застосування ПЕОМ у зрівняльних обчисленнях. - Вісник геодезії та картографії, 1995. - № 1(3). - С. 35-38.

Размещено на Allbest.ru