способ контроля состояния горных выработок

Формула изобретения

1. Способ контроля состояния горных выработок, включающий измерения во времени смещений приконтурных пород на контролируемом участке выработки с помощью измерительных элементов отсчета смещений пород относительно базового элемента, по которым судят о состоянии приконтурных пород вокруг выработки, отличающийся тем, что в качестве измерительных элементов смещений пород используют ряд замерных парных точек, которые предварительно наносят на поверхность пород по контуру выработки с расположением их в каждой паре встречно относительно друг друга, а в качестве базового элемента используют ось луча от источника света, размещаемого в рабочем пространстве выработки вне зоны влияния указанных смещений, причем луч света ориентируют вдоль контролируемого участка выработки, при этом измерения смещений пород осуществляют путем измерения расстояния между замерными парными точками вдоль контролируемого участка выработки в исходном состоянии и периодического измерения расстояния между этими точками в заданных промежутках времени, при каждом из которых вначале измеряют расстояние от одной замерной точки в каждой паре до оси луча, затем измеряют расстояние от оси луча до другой парной с ней точки, а по мере сложения полученных числовых значений указанных расстояний между точками каждой пары в каждый заданный промежуток времени и сравнения этих суммарных значений расстояния между точками каждой пары с ранее измеренным в исходном состоянии расстоянием между соответствующими им замерными точками в каждой паре получают абсолютные значения смещений пород, по степени прироста каждого из которых судят о возрастании напряжений приконтурного массива пород выработки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника света используют лазерный указатель направления, луч которого в поперечном сечении имеет круглую форму с явно выраженными очертаниями его контура.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для исследования проявлений горного давления, а именно для контроля состояния массива горных пород вокруг выработок.

Известны из патентной литературы способы контроля состояния массива горных пород в зоне их сдвижения при помощи пробуренных в них скважин и установленной в последних различной по принципу действия измерительной аппаратуры [1-5].

К таким способам контроля состояния горных пород относятся, например способ контроля напряженного состояния горных пород, позволяющий судить о величине прироста напряжений по числу разрушенных колец, устанавливаемых в скважинах [1]; способ контроля состояния горных пород при помощи пробуренных скважин, в которых размещают электрические цепи с параллельно подключенными сопротивлениями, измерением которых определяют место разрыва цепи, вызванное нарушением целостности пород [2]; способ определения смещений массива горных пород с помощью установленных в пробуренной скважине магнитных реперов, после регистрации вертикальных и горизонтальных координат положений которых сопоставляют результаты исходных и текущих наблюдений [3]; способ определения смещения боковых пород, основанный на измерении параметров деформированного сечения скважины и их сопоставлении [4].

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа, является способ контроля состояния горных выработок, включающий измерения во времени смещений пород с помощью комплекта глубинных реперов, по которым судят о состоянии приконтурных пород вокруг выработок, для этого вначале фиксируют момент изменения знака смещений пород и глубину в массиве, на котором это изменение происходит, затем по моменту изменения знака судят о времени возникновения нарушения, а по глубине - о его мощности, причем комплект реперов размещают в шпурах, пробуренных под углом 45° в сопряжение кровли и целика [5].

Несмотря на то, что, хотя известные способы и позволяют с заданной точностью определить начало развития процесса потери сплошности массива горных пород, однако существенным их недостатком является не экспрессивность методов контроля вследствие продолжительности во времени операций по выполнению указанных измерений, обусловленная сложностью применяемых методик измерений. В результате этого известные способы технологически сложны и не пригодны для проведения массовых наблюдений за состоянием массива горных пород и имеют ограниченную область применения.

Другим недостатком указанных способов является то, что они достаточно трудоемки и дорогостоящи при выполнении операций контроля, поскольку их реализация связана с необходимостью бурения скважин (или шпуров) и оборудования последних измерительной аппаратурой (например, замерными станциями) в зависимости от конкретной горно-технической ситуации в породах.

Следующим недостатком упомянутых способов является то, что не предусмотрено проведение измерения смещений пород в нескольких местах контролируемого участка выработки, а лишь в одном его месте бурят измерительную скважину, что снижает информативность и достоверность контроля.

Причем в прототипе [5], хотя отсчет смещений глубинных реперов осуществляют относительно базового репера (базового элемента), однако не исключена возможность смещения последнего, а это может привести к искажению результатов измерения смещений пород и, соответственно, к снижению точности контроля.

Кроме того, для реализации известных способов требуются высококвалифицированные специалисты, имеющие допуск к ведению работ по контролю, что удорожает процесс контроля.

Описанные недостатки известных способов в целом снижают эффективность контроля за состоянием пород вокруг горных выработок.

Задачей изобретения является устранение описанных выше недостатков, присущих известным из уровня техники решениям, и разработка такого способа контроля состояния горных выработок, который обеспечивал бы эффективность и экономичность процесса контроля за счет использования простых технических решений при определении смещений контура выработки, за счет этого сведение к минимуму выполнения подготовительных работ перед проведением измерений, а также позволил бы получить возможность расположить базу отсчета смещений пород в пределах рабочего пространства выработки, сохраняя, таким образом, возможность вести контроль состояния массива пород в течение длительного времени эксплуатации горных выработок.

Технический результат, достижение которого обеспечивает решение поставленной задачи, выражается в снижении трудоемкости и материальных затрат на проведение работ по контролю за состоянием приконтурных пород выработок за счет упрощения процесса измерения смещений пород и отказа от бурения измерительных скважин при одновременном повышении оперативности и информативности контроля.

Для достижения поставленной задачи с заявляемым техническим результатом в способе контроля состояния горных выработок, включающем измерения во времени смещений приконтурных пород на контролируемом участке выработки с помощью измерительных элементов отсчета смещений пород относительно базового элемента, по которым судят о состоянии приконтурных пород вокруг выработки, согласно изобретению, в качестве измерительных элементов смещений пород используют ряд замерных парных точек, которые предварительно наносят на поверхность пород по контуру выработки с расположением их в каждой паре встречно относительно друг друга, а в качестве базового элемента используют ось луча от источника света, размещаемого в рабочем пространстве выработки вне зоны влияния указанных смещений, причем луч света ориентируют вдоль контролируемого участка выработки, при этом измерения смещений пород осуществляют путем измерения расстояния между замерными парными точками вдоль контролируемого участка выработки в исходном состоянии и периодического измерения расстояния между этими точками в заданных промежутках времени, при каждом из которых вначале измеряют расстояние от одной замерной точки в каждой паре до оси луча, затем измеряют расстояние от оси луча до другой парной с ней точки, а по мере сложения полученных числовых значений указанных расстояний между точками каждой пары в каждый заданный промежуток времени и сравнения этих суммарных значений расстояния между точками каждой пары с ранее измеренным в исходном состоянии расстоянием между соответствующими им замерными точками в каждой паре получают абсолютные значения смещений пород, по степени прироста каждого из которых судят о возрастании напряжений приконтурного массива пород выработки.

Причем в качестве источника света используют лазерный указатель направления, луч которого в поперечном сечении имеет круглую форму с явно выраженными очертаниями его контура.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявляемого изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов и прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявляемом способе контроля состояния горных выработок, изложенных в формуле заявляемого изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности изобретения - «Новизна».

Причинно-следственная связь между заявляемой совокупностью существенных признаков и достигаемых техническим результатом следующая.

Признак - «в качестве измерительных элементов смещений пород используют ряд замерных парных точек, которые предварительно наносят на поверхность пород по контуру выработки с расположением их в каждой паре встречно относительно друг друга» - указывает на необходимость замены измерительных элементов прототипа [5], которыми являются глубинные репера, на отметки, наносимые на поверхность пород в виде точек, располагаемых попарно по контуру выработки и предназначенных для измерения смещений пород при их сближении относительно друг друга в паре. Такая замена позволяет отказаться от бурения измерительных скважин и использования глубинных реперов, как это предусмотрено в прототипе [5], т.е. полезность данного признака очевидна.

Вместе с тем заявитель, проведя дополнительный поиск известных технических решений в данной области техники, установил, что известен из уровня техники вышеописанный отличительный признак, но с другой совокупностью признаков. Это патент Российской Федерации №2162149, кл. Е21C 39/00, 1999 г., название которого «Способ определения устойчивости пород при креплении горных выработок» [6]. В этом техническом решении в массив пород на контуре выработки закладывают репера, по которым измеряют скорости смещений контура и по эмпирической зависимости определяют время устойчивого стояния выработки.

Несмотря на то, что репера по известному способу [6] размещают по контуру выработки, как и замерные точки в заявляемом способе, однако вследствие выполнения этими реперами функций измерения скорости смещения контура выработки требуются для этого соответствующая методика измерения скоростей смещения, а также затраты труда и времени на определение констант «а» и «b» для использования их в эмпирической зависимости.

Причем для определения упомянутых констант необходимо провести предварительные измерения, заключающиеся в фиксации момента первичного обрушения кровли в незакрепленном забое выработки, а это в целом усложняет процесс определения геомеханического состояния пород, т.е. устойчивость пород, и, как следствие, приводит к дополнительным трудовым и материальным затратам при одновременном снижении безопасности выполнения указанных измерений.

Кроме того, известный способ [6] предназначен для определения устойчивости пород при креплении горных выработок в условиях недостаточности данных о свойствах массива, а именно на новых месторождениях, т.е. он ограничен по области применения, поскольку не распространяется на полностью закрепленные выработки.

В свою очередь, расположение в заявляемом способе замерных точек по контуру выработки является технически обоснованным и предполагает измерение сближений этих точек относительно друг друга в паре с использованием простых технических средств (например, мерных лент) при незначительных затратах времени на реализацию этого процесса.

Из изложенного следует, что раскрытие функции реперов, устанавливаемых по контуру выработки, по известному способу [6] и функции замерных точек, располагаемых также по контуру выработки, по заявляемому способу не позволило установить известность влияния рассматриваемого отличительного признака на указанный заявителем технический результат, выражающийся в упрощении процесса измерения смещения пород и, как следствие, в снижении трудовых и материальных затрат по контролю за состоянием горных выработок.

Признак - «а в качестве базового элемента используют ось луча от источника света, размещаемого в рабочем пространстве выработки вне зоны влияния указанных смещений, причем луч света ориентируют вдоль контролируемого участка выработки» - характеризует новизну процесса контроля, уточняя при этом месторасположение базового элемента в выработке, которым является ось луча света, и заблаговременно создавая условия для упрощения процесса измерения смещений пород по сравнению с усложненно продолжительной во времени методикой таких измерений при применении известного способа-прототипа [5], обусловленной необходимостью бурения скважины и размещения в ней глубинных реперов, один из которых является базовым репером (базовым элементом).

Из существующего уровня техники известно применение луча света при проведении измерений смещений кровли относительно почвы пласта. Это авторское свидетельство СССР №588374, кл. Е21С 39/00 [7]. При этом луч света образуется от источника света, размещенного на репере в кровле, и идет по нормали к напластованию. По положениям луча во время измерений и его отметок на планшете, установленном на репере в почве, рассчитывают вектор смещения, по которому, после его проектирования на направление пласта, определяют величину сдвига кровли относительно почвы.

В известном способе [7] лучу света придана функция измерительного элемента, подверженного изменению своего пространственного положения под влиянием смещения кровли пласта. Кроме того, этот способ трудоемок, нетехнологичен, ограничен по области применения, а также неудобен для производства массовых наблюдений.

В заявляемом способе ось луча света является базой отчета смещений, т.к. имеет устойчивое положение в рабочем пространстве выработки вследствие расположения его вне зоны влияния смещений контура выработки. Причем процедура выполнения измерений смещения пород контура относительно базы - оси луча проста, и, как следствие, оперативна при незначительных трудовых затратах.

Сопоставительный анализ показывает, что функция луча света по известному [7] и заявляемому техническим решениям не подтверждает их идентичность и, соответственно, не подтверждает известность влияния рассматриваемого отличительного признака на указанный заявителем технический результат - снижение трудовых затрат и повышение оперативности контроля за счет упрощения процесса измерений смещения массива горных пород.

Признак - «при этом измерения смещений пород осуществляют путем измерения расстояния между замерными парными точками вдоль контролируемого участка выработки в исходном состоянии и периодического измерения расстояния между этими точками в заданных промежутках времени, при каждом из которых вначале измеряют расстояние от одной замерной точки в каждой паре до оси луча, затем измеряют расстояние от оси луча до другой парной с ней точки» - является основополагающим в заявляемом способе, т.к. объясняет в какой последовательности проводится процедура измерения смещений пород вокруг выработки.

Причем данный признак совместно с вышеуказанным признаком позволит значительно упростить процедуру выполнения измерения смещений пород, поскольку достаточно произвести два измерения в каждой паре: от замеряемой точки до оси луча и от последнего до другой точки этой пары с использованием традиционного способа, например линейки. Это, в свою очередь, позволит свести к минимуму затраты времени и трудовые затраты на проведение таких измерений по сравнению с прототипом [5] и, соответственно, более экономичнее выполнить работы по контролю состояния горной выработки.

Кроме того, данный признак позволит повысить информативность контроля, т.к. измерения смещений пород осуществляют практически как по периметру выработки, так и по длине контролируемого участка, а это позволит увеличить площадь контролируемого контура пород, что качественно влияет на точность контроля и, соответственно, на повышение его эффективности.

Признак - «а по мере сложения полученных числовых значений указанных расстояний между точками каждой пары в каждый заданный промежуток времени и сравнения этих суммарных значений расстояния между точками каждой пары с ранее измеренным в исходном состоянии расстоянием между соответствующими им замерными точками в каждой паре получают абсолютные значения смещений пород, по степени прироста каждого из которых судят о возрастании напряжений приконтурного массива пород выработки» - предусматривает слежение за величиной смещений пород путем сопоставления последующих значений расстояния между точками каждой пары с предыдущим значением расстояния между ними этой же пары. Как только появиться прирост смещений, значит в массиве начался процесс сдвижения пород, по которому судят о возрастании в них напряжений вокруг выработки. Таким образом, данный признак необходим для выполнения изобретения, чтобы гарантированно реализовать возможность контроля состояния приконтурных пород горной выработки.

Признак (п.2) - «в качестве источника света используют лазерный указатель направления, луч которого в поперечном сечении имеет круглую форму с явно выраженными очертаниями его контура» - характеризует требование, которому должен удовлетворять луч света для того, чтобы обеспечить точность измерений расстояний между парными точками, способствуя тем самым усилению указанного выше заявителем технического результата.

Таким образом, совокупность существенных признаков, характеризующая сущность заявляемого способа, позволит снизить трудоемкость и материальные затраты на проведение работ по контролю за состоянием выработок за счет упрощения процесса измерения смещений пород, а за счет этого повысить оперативность и информативность контроля на основании вышеописанных технических эффектов.

Отсюда следует, что существенные признаки заявляемого изобретения находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом и не очевидны явным образом для специалиста из анализа уровня техники в данной области, что характеризует «изобретательский уровень» заявляемого технического решения.

Промышленная применимость заявляемого изобретения обосновывается нижеприведенным описанием изобретения и чертежами к нему.

На фиг.1 представлена одна из возможных схем реализации предлагаемого способа; на фиг.2 - схема измерения расстояния между замерными точками одной пары (соответственно контуры I, II, III), расположенными на поверхности пород кровли и почвы выработки, исходное положение; на фиг.3 - схема измерения расстояния между замерными точками второй пары (соответственно контуры I, II, III), расположенными на поверхности боковых пород выработки, исходное положение.

Способ контроля состояния горных выработок осуществляется следующим образом.

На поверхности пород контролируемого участка 1 горной выработки 2, приконтурный массив 3, которого подвержен внешним воздействиям (например, надработка, подработка и пр.), предварительно наносят ряд замерных парных точек 4-5 и 6-7 (контур I), 8-9 и 10-11 (контур II), 12-13 и 14-15 (контур III) (фиг.1, ряд составлен из шести пар точек), которые располагают в каждой паре встречно относительно друг друга и которые выполняют функцию измерительных элементов отсчета смещений пород по отношению к базовому элементу. Причем количество парных точек в контуре и вдоль контролируемого участка обусловлены заданной точностью контроля.

В качестве базового элемента используют ось луча 16 от источника света 17, размещаемого в рабочем пространстве выработки 2 вне зоны влияния приконтурных смещений пород. Причем луч света ориентируют вдоль контролируемого участка 1 выработки 2, положение которого при проведении исследований состояния приконтурных пород остается фиксированным по отношению к началу проведения этих исследований. При этом луч света должен иметь в поперечном сечении круглую форму с явно выраженными очертаниями контура. Такому условию может удовлетворять луч такого источника света, как лазерного указателя направления (ЛУН).

Измерение смещений приконтурных пород вокруг выработки осуществляют в следующей последовательности.

В исходном положении традиционным методом, например линейкой 18, измеряют расстояние между парными точками 4-5 и 6-7. Для чего встречно лучу в плоскость контура I устанавливают вертикально линейку 18, подведя ее верхний конец к точке 4, тогда на ее плоской стороне отметиться положение луча в виде круглого пятна с осью 16 в его центре, после чего измеряют линейкой 18 расстояние от точки 4 до оси луча 16 (фиг.2). Затем приставляют нижний конец линейки 18 к точке 5, парной с точкой 4 (на фиг.2 это положение линейки 18 показано пунктиром), и измеряют расстояние от оси луча 16 до точки 5. Просуммировав полученные две величины, определяют расстояние между точками 4 и 5, которое принимается как базовое расстояние, используемое в дальнейшем для сопоставления с ним последующих измерений расстояний между указанными точками этой пары в разные периоды времени.

Далее, установив линейку 18 в горизонтальное положение так, чтобы на ее плоской стороне вновь появилась отметка луча, и, подведя вначале один конец к точке 6, измеряют расстояние от нее до оси луча 16 (фиг.3), а затем, подведя другой ее конец к точке 7 этой же пары (на фиг.3 это положение линейки 18 показано пунктиром), измеряют расстояние от оси луча 16 до точки 7. Просуммировав полученные две величины, определяют расстояние между точками 6 и 7, которое является базовым расстоянием между этими точками указанной пары.

Аналогично описанному измеряют расстояние между парными точками 8-9 и 10-11, расположенными на контуре II выработки 2, а также расстояние между парными точками 12-13 и 14-15, расположенными на контуре III выработки 2, и определяют соответственно базовое расстояние между указанными точками контура II и контура III выработки 2.

В дальнейшем через заданный промежуток времени проводят второй цикл измерений, при котором определяют описанным выше способом расстояния между парными точками 4-5 и 6-7 (контур I), 8-9 и 10-11 (контур II), 12-13 и 14-15 (контур III), вычитают каждое значение полученных суммарных расстояний между указанными точками из ранее измеренного в исходном положении базисного расстояния соответственно между точками 4-5 и 6-7, 8-9 и 10-11, 12-13 и 14-15 и получают разность величины показаний расстояний между каждой парой указанных замерных точек, каждая из которых соответствует абсолютному значению смещений приконтурных пород в данный промежуток времени.

Выполнение третьего и последующих циклов измерений аналогично выполнению второго цикла измерений, при каждом из которых получают абсолютные значения смещений пород между точками в каждой паре в заданный промежуток времени, и по степени прироста последующих абсолютных значений смещений в каждой паре замерных точек по отношению к предыдущим абсолютным значениям смещений в этой же паре судят о возрастании напряжений в приконтурном массиве пород в пределах контролируемого участка 1 выработки 2.

Таким образом, использование заявляемого способа позволит снизить трудоемкость измерений по сравнению с прототипом [5] за счет применения упрощенной методики измерений смещения пород, обусловленной использованием простых измерительных средств, свести к минимуму подготовительные работы перед проведением измерений за счет исключения использования бурового оборудования для бурения скважин и размещения в них глубинных реперов, а также позволит достаточно оперативно оценить состояние приконтурных пород выработки в зависимости от горнотехнической ситуации в массиве пород. В свою очередь, достижение перечисленных технических эффектов позволит получить новый положительный эффект по сравнению с прототипом [5], заключающийся в повышении эффективности и экономичности заявляемого способа контроля состояния горных выработок.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №933997, кл. Е21С 39/00, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР №956790, кл. Е21С 39/00, 1981.

3. Авторское свидетельство СССР №1244311, кл. Е21С 39/00, 1985.

4. Авторское свидетельство СССР №1657644, кл. Е21С 39/00, 1989.

5. Авторское свидетельство СССР №1293336, кл. Е21С 39/00, 1985 (прототип).

6. Патент Российской Федерации №2162149, кл. Е21С 39/00, 1999.

7. Авторское свидетельство СССР №588374, кл. Е21С 39/00, 1972.