Об аппаратурном обеспечении диагностики земной поверхности на участках с опасностью обрушения
Показано актуальність прогнозу обвалень земної поверхні над відпрацьованим підземним простором. Описано конструкцію експериментального зразка апаратури «Опір-3». Апаратура призначена для низькочастотної електророзвідки ґрунтової товщі методом опору на глибині до 100 м....
Saved in:
| Date: | 2012 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Series: | Геотехническая механика |
| Online Access: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54310 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Об аппаратурном обеспечении диагностики земной поверхности на участках с опасностью обрушения / С.И. Скипочка, В.Н. Сергиенко, В.Б. Усаченко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 105. — С. 155-160. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-54310 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-543102014-02-01T03:08:33Z Об аппаратурном обеспечении диагностики земной поверхности на участках с опасностью обрушения Скипочка, С.И. Сергиенко, В.Н. Усаченко, В.Б. Показано актуальність прогнозу обвалень земної поверхні над відпрацьованим підземним простором. Описано конструкцію експериментального зразка апаратури «Опір-3». Апаратура призначена для низькочастотної електророзвідки ґрунтової товщі методом опору на глибині до 100 м. Actuality of prognosis of collapse of surface above used underground space is shown. The construction of experimental type of apparatus "Опір-3" is described. Apparatus is intended for lowfrequency electrometric of the ground layer by the method of resistance on a depth to 100 м. 2012 Article Об аппаратурном обеспечении диагностики земной поверхности на участках с опасностью обрушения / С.И. Скипочка, В.Н. Сергиенко, В.Б. Усаченко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 105. — С. 155-160. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54310 550.837.31:622.026.7 811.161.2'374'35:821.161.276 I.Франко ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Показано актуальність прогнозу обвалень земної поверхні над відпрацьованим підземним простором. Описано конструкцію експериментального зразка апаратури «Опір-3». Апаратура призначена для низькочастотної електророзвідки ґрунтової товщі методом опору на глибині до 100 м. |
| format |
Article |
| author |
Скипочка, С.И. Сергиенко, В.Н. Усаченко, В.Б. |
| spellingShingle |
Скипочка, С.И. Сергиенко, В.Н. Усаченко, В.Б. Об аппаратурном обеспечении диагностики земной поверхности на участках с опасностью обрушения Геотехническая механика |
| author_facet |
Скипочка, С.И. Сергиенко, В.Н. Усаченко, В.Б. |
| author_sort |
Скипочка, С.И. |
| title |
Об аппаратурном обеспечении диагностики земной поверхности на участках с опасностью обрушения |
| title_short |
Об аппаратурном обеспечении диагностики земной поверхности на участках с опасностью обрушения |
| title_full |
Об аппаратурном обеспечении диагностики земной поверхности на участках с опасностью обрушения |
| title_fullStr |
Об аппаратурном обеспечении диагностики земной поверхности на участках с опасностью обрушения |
| title_full_unstemmed |
Об аппаратурном обеспечении диагностики земной поверхности на участках с опасностью обрушения |
| title_sort |
об аппаратурном обеспечении диагностики земной поверхности на участках с опасностью обрушения |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54310 |
| citation_txt |
Об аппаратурном обеспечении диагностики земной поверхности на участках с опасностью обрушения / С.И. Скипочка, В.Н. Сергиенко, В.Б. Усаченко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 105. — С. 155-160. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT skipočkasi obapparaturnomobespečeniidiagnostikizemnojpoverhnostinaučastkahsopasnostʹûobrušeniâ AT sergienkovn obapparaturnomobespečeniidiagnostikizemnojpoverhnostinaučastkahsopasnostʹûobrušeniâ AT usačenkovb obapparaturnomobespečeniidiagnostikizemnojpoverhnostinaučastkahsopasnostʹûobrušeniâ |
| first_indexed |
2025-07-05T05:39:53Z |
| last_indexed |
2025-07-05T05:39:53Z |
| _version_ |
1836784281382289408 |
| fulltext |
155
УДК 550.837.31:622.026.7
Д-р техн. наук С. И. Скипочка,
канд. техн. наук В. Н. Сергиенко
(ИГТМ НАН Украины)
инж. В. Б. Усаченко
(НПП Технополис «Экоиндустрия»)
ОБ АППАРАТУРНОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ ДИАГНОСТИКИ ЗЕМНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ НА УЧАСТКАХ С ОПАСНОСТЬЮ ОБРУШЕНИЯ
Показано актуальність прогнозу обвалень земної поверхні над відпрацьованим підзем-
ним простором. Описано конструкцію експериментального зразка апаратури «Опір-3». Апа-
ратура призначена для низькочастотної електророзвідки ґрунтової товщі методом опору на
глибині до 100 м.
ABOUT APPARATUS PROVIDING OF DIAGNOSTICS OF SURFACE ON
AREAS WITH DANGER OF COLLAPSE
Actuality of prognosis of collapse of surface above used underground space is shown. The con-
struction of experimental type of apparatus "Опір-3" is described. Apparatus is intended for low-
frequency electrometric of the ground layer by the method of resistance on a depth to 100 м.
Деформации земной поверхности над выработанным пространством –
неотъемлемая особенность подземной добычи полезных ископаемых. Масшта-
бы потенциальной опасности от присутствия в зоне хозяйственной деятельно-
сти человека искусственных подземных полостей определяются их размерами и
глубиной заложения. Особо опасны камерные системы разработки без заклад-
ки. С их использованием в Украине отрабатывают месторождения каменной и
калийной солей, железной и урановой руд. При этом высота камер может до-
стигать 50 м, а в отдельных случаях и больше. Потеря устойчивости камер при-
водит к катастрофическим последствиям, как под землей, так и на земной по-
верхности. Сведения о некоторых крупных авариях на горнодобывающих
предприятиях Украины, повлекших обрушение земной поверхности, приведены
в табл. 1.
Таблица 1 – Крупнейшие аварии на шахтах и рудниках Украины с обрушением
земной поверхности
Предприятие Год Последствия аварии
ОАО «Ориана» (добыча ка-
лийных руд)
1987 Провал в жилом районе г. Калуша, разрушивший
63 дома.
Солотвинский соляной руд-
ник
2005 Провал на земной поверхности диаметром 35 и
глубиной 30 м.
Железорудная шахта
им. Орджоникидзе
2010 Обрушение земной поверхности на площади 16
га. Погиб один человек. Разрушены инженерные
коммуникации.
ОАО «Арселор Миттал Кри-
вой Рог»
2011 Провал на земной поверхности размером 50 х 70
м. Техногенное землетрясение силой 3,9 балла в
черте территории г. Кривой Рог.
В меньших масштабах подобные явления наблюдаются также при отработке
мощных залежей сырья для строительной промышленности (пильные известня-
156
ки, гипс) с использованием камерно-столбовой системы [1], а также при закры-
тии старых угольных шахт Донбасса [2].
В работах [3, 4] рассматривается процесс сдвижения слабых пород над вы-
работанным пространством. Несмотря на различие размеров подземных пустот
и конкретных горно-геологических особенностей месторождения, общими яв-
ляются следующие закономерности:
- постепенное распространение зоны деформаций от выработанного про-
странства к земной поверхности;
- двухэтапность процесса, заключающаяся в постепенном необратимом
накоплении структурных изменений в покрывающей толще с последующим
скачкообразным обрушением земной поверхности;
- значительное превышение размеров зоны вероятного образования прова-
лов на земной поверхности над размерами в плане опасной по обрушению ка-
меры.
В данной публикации не рассматривается вопрос о плавном оседании зем-
ной поверхности над выработанным пространством в пределах мульды сдви-
жения, поскольку данному процессу присущи другие закономерности. Различие
двух указанных явлений иллюстрируется рис. 1.
а) – плавное опускание; б) – образование провала
Рис. 1 – Различные формы деформации земной поверхности над
выработанным пространством
Известные методы прогноза обрушений над выработанным пространством
базируются преимущественно на комплексном анализе горно-геологической
информации в пределах эксплуатируемого участка месторождения [5, 6]. Ин-
формативность данного прогноза существенно снижается в зонах геологиче-
ской нарушенности по следующим причинам:
- модель строения продуктивного пласта и покрывающей толщи, получен-
ная на основе данных разведочного бурения, недостаточно детальна;
- отдельные характеристики горно-геологической обстановки имеют каче-
ственный характер и допускают их субъективное толкование экспертами;
- прогноз не позволяет оценить динамику развития процесса подготовки об-
рушения поверхности.
а) б)
157
Нами принята модель формирования зоны обрушения с выходом на земную
поверхность, включающая этапы:
- серии последовательных обрушений кровли камер;
- формирования блочной структуры в вышележащих породах;
- фильтрации воды из вышележащих водоносных горизонтов через нару-
шенную защитную пачку в горные выработки;
- интенсификации водопритоков в выработки, сопровождающиеся процес-
сами суффозии и образованием депрессионной воронки;
- изменения физико-механических свойств наносных пород на границе с
нарушенной защитной пачкой;
- увеличения зоны изменений свойств наносов в объеме и ее распростране-
ния в направлении земной поверхности;
- предварительной деформации земной поверхности (в отдельных случаях
может отсутствовать);
- потери устойчивости геомеханической системы в целом и скачкообразного
образования провала.
Полный цикл формирования провального обрушения над выработанным
пространством может составлять годы и даже десятилетия. Представляет прак-
тический интерес выявление изменений в наносных породах как стадии, пред-
шествующей обрушению, но еще не вызвавшей видимых деформаций земной
поверхности. Подобного рода задачи эффективно решаются методами электро-
разведки, из которых наиболее подходит, по нашему мнению, метод электросо-
противлений в вариантах профилирования и вертикального электрического
зондирования. Необходимую глубину контроля определяет мощность наносов,
которая, как правило, составляет от 40 до 100 м. Что касается сетки наблюде-
ний и критериев оценки опасности, то, например, в результате эксперименталь-
ных исследований, выполненных на земной поверхности над выработками Ар-
темовской гипсовой шахты, установлено следующее:
- критерием отнесения участка к потенциально опасному по обрушению яв-
ляется увеличение кажущегося электрического сопротивления наносной толщи;
- рациональная сетка расположения точек контроля составляет от 20х20 до
30х30 м.
Выполнение широкомасштабных измерений выдвигает определенные тре-
бования к используемой электроразведочной аппаратуре. С учетом того, что
измерения зачастую выполняют в условиях пересеченной местности и инже-
нерных коммуникаций аппаратура, без сомнения, должна быть портативной и
обеспечивать работоспособность при разносе питающей линии до 200 м. Дан-
ным требованиям наиболее удовлетворяют приборы ERA-MAX и "ERA-
MULTIMAX, производимые в России ООО "НПП ЭРА" (г. Санкт-Петербург)
на базе ранее выпускавшейся аппаратуры «Эра» (1989 г.). Однако высокая сто-
имость указанных приборов (более полумиллиона российских рублей), в силу
ограниченных финансовых возможностей научно-исследовательских организа-
ций Украины, не позволяет использовать их для решения указанных горно-
геологических задач. Что касается отечественной промышленности, то данный
сектор приборостроения она не осваивает.
158
В качестве альтернативы имеющимся зарубежным образцам современной
электроразведочной аппаратуры, а также морально устаревшим средствам типа
ИКС и АЭ-72, авторами настоящей публикации разработан экспериментальный
образец специализированной электроразведочной аппаратуры «Опір-3», пред-
назначенной для исследования наносов мощностью до 100 м.
Классический подход к выполнению переносной полевой электроразведоч-
ной аппаратуры предполагает ее конструктивное разделение на два блока: гене-
ратор стабильного тока и приемник, представляющий собой вольтметр для из-
мерения малых напряжений с выхода приемной линии. Иногда в виде отдель-
ного блока выполняют также и источник питания для генератора. Таким испол-
нением характеризуется, например, упомянутая выше аппаратура «Эра». Одна-
ко блочная компоновка аппаратуры существенно снижает оперативность вы-
полнения работ в полевых условиях. Поэтому в аппаратуре «Опір-3», с учетом
положительного опыта эксплуатации более ранней разработки – ШИИС-3М1,
выполненной в ИГТМ [7], принята концепция конструктивного и схемного
объединения всех узлов аппаратуры в одном корпусе.
Опыт авторов по выполнению малоглубинного (до 30 м) исследования
наносной толщи с использованием аппаратуры постоянного тока АЭ-72 показал
ее невысокую помехоустойчивость в условиях мощных помех техногенного ха-
рактера. Поэтому было предложено использование низкочастотного генератора
тока, а также целого комплекса известных ранее технических решений:
- повышение стабилизированного тока в питающей линии до 20 мА, в отли-
чие от обычного (10 мА) в аппаратуре такого класса;
- применение синхронного детектора;
- использование частоты 19,5 Гц, гармоники которой не кратны промыш-
ленной частоте;
- выбор АЦП с невысокой скоростью преобразования аналогового сигнала в
цифровой код для сглаживания коротких выбросов напряжения на выходе син-
хронного детектора;
- схемное выполнение приемника входного сигнала с использованием со-
временных операционных усилителей с низким уровнем собственных шумов и
высокой стабильностью параметров во времени, а также при изменении темпе-
ратуры окружающей среды.
Техническое противоречие между необходимостью повышенной мощности
генератора тока и уменьшением массогабаритных показателей аккумуляторной
батареи устранено в данной разработке путем использования кратковременного
режима работы с автоматическим отключением в конце цикла, составляющего
4 с. Запуск цикла осуществляют путем нажатия оператором кнопки «Пуск», по-
сле чего в автоматическом режиме выполняются следующие процессы:
- тестирование источника питания на наличие минимально необходимого
напряжения;
- тестирование питающей линии на величину сопротивления нагрузки;
- измерения кажущегося электрического сопротивления на участке земной
толщи между электродами приемной с индикацией результата в цифровой
форме;
159
- сброс показаний, отключение большинства энергопотребляющих блоков,
переход аппаратуры в «спящий» режим.
В аппаратуре имеется возможность подключения внешнего источника по-
стоянного тока с напряжением 12-15 В. В качестве такого источника при необ-
ходимости может быть использован автомобильный аккумулятор.
При повышенном сопротивлении в цепи питающей линии, не позволяющей
достичь стабилизации тока, включается звуковая и световая сигнализация и
блокируется индикация результатов. Блокировка индикации происходит также
в случае пониженного напряжения питания даже при принудительной подаче
напряжения на схему при постоянно нажатой кнопке «Пуск». Указанные осо-
бенности данной разработки не позволяют недобросовестному оператору вы-
полнять измерения в случае нештатного режима работы аппаратуры.
Аппаратура комплектуется набором линий для выполнения продольного
профилирования по симметричной четырехэлектродной схеме. В штатный
набор входят три сфазированных линии с разносом для подключения питаю-
щих электродов 12, 24 и 48 м. База для подключения приемных электродов
принята в три раза меньше питающей. Линии с другими параметрами изготав-
ливают индивидуально для решения конкретной задачи. Все четыре провода
подключают к прибору с помощью одного разъема, что ускоряет смену линий.
Вторые концы проводов линии снабжены пружинящими зажимами для быстро-
го подсоединения и отсоединения электродов.
Поскольку часто возникают сомнения в исправности аппаратуры, для про-
верки аппаратуры непосредственно в полевых условиях предназначено, входя-
щее в комплект аппаратуры, тестовое устройство. Оно позволяет установить
как исправность собственно прибора, так и целостность проводников линии.
Основные технические характеристики аппаратуры «Опір-3»:
- диапазоны измеряемых сопротивлений, Ом – 0-4 и 0-40;
- приведенная погрешность измерения сопротивлений, % – 2,0;
- рабочая частота, Гц – 19,5;
- ток в питающей линии, мА – 20;
- длительность рабочего цикла, с – 4;
- номинальное напряжение питания, В – 12;
- потреблямый ток, А – 0,35;
- максимальная мощность генератора, Вт – 1,8;
- масса электронного блока, кг – 4,3;
- габариты электронного блока, мм – 300х260х130.
Внешний вид аппаратуры «Опір-3» с подключенной линией и тестовым
устройством представлен на рис. 2.
160
Рис. 2 – Внешний вид аппаратуры «Опір-3»
Рис. 2 - Внешний вид аппаратуры «Опір-3»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Амелин В. А. Технологические решения по предотвращению поступления в подземные выработки Ар-
темовской гипсовой шахты обрушающейся геомассы из провальных воронок на поверхности горного отвода / В.
А. Амелин // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск: Поли-
графист. – 2000, № 23. – С. 184-189.
2. Звягильский Е. Л. Предотвращение провалов земной поверхности над заброшенными шахтами / Е. Л.
Звягильский // Уголь Украины. – 1999. – № 5. – С. 23-25.
3. Петухов И. М. Геодинамика недр / И. М. Петухов, И. М. Ватутина. – М.: Недра, 1996. – 217 с.
4. Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины / Ю. Н. Гавриленко, В. Н. Ермаков, Ю.
Ф.Кренида [и др.]. – Донецк: Норд-Пресс, 2004. – 631 с.
5. Дрибан В. А. Разработка системы прогноза обрушений земной поверхности над погашенными горными
выработками / В. А. Дрибан, А. Н. Феофанов, В. В. Назимко // Проблеми гірського тиску: Зб. наук. праць Дон-
НТУ. – Донецьк: ДонНТУ. – 2009, № 17. – С. 18-23.
6. Пат. 2153071 Российской Федерации, МКИ E21C41/00, E21C39/00. Способ определения зон на земной
поверхности, потенциально опасных по обрушению при подземной разработке рудных месторождений / Сапов
М. Ж. (Казахстан); заявитель и патентообладатель АО Корпорация "Казахмыс". - № 99109642/03; заявл.
07.05.1999; опубл. 20.07.2000; приоритет 20.07.2000.
7. Методическое пособие по комплексной геофизической диагностике породного массива и подземных гео-
технических систем / А. Ф. Булат, Б. М. Усаченко, А. А. Яланский [и др.]. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ,
2004. – 75 с.
161
УДК 622.831:624.046.001.2
Д-р техн. наук Н.Н. Касьян,
асп. Н.Н. Малышева,
канд. техн. наук И.Г. Сахно
(ДонНТУ)
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
ОХРАННЫХ СООРУЖЕНИЙ С РАСПОРНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
У статті представлені результати лабораторних досліджень нових способів охорони ви-
робок, які підтримуються після проходу очисного вибою, що зводяться з елементом, котрий
сприяє саморозпору цих конструкцій після моменту їхньої установки. Отримані результати
показали працездатність цих способів у межах тиску, який витримують способи охорони на
сучасних глибинах, досягнутих вугільними підприємствами Донбасу.
LABORATORY RESEARCHES OF BEARING STRENGTH OF THE
GUARD BUILDINGS WITH SPACER
The results of laboratory researches of new methods of guard of making, supported after the
passage-way of cleansing longwall are presented in the article, which are erected with an element,
which enable active setting load themselves after the moment of setting of these constructions. The
got results appeared the capacity of these methods within the limits of pressures, which test the
methods of guard on modern depths, attained the coal enterprises of Donbass.
Анализ существующего положения в угольной отрасли Украины показыва-
ет, что в последние годы вновь намечена тенденция увеличения долевого уча-
стия систем разработки с проведением выработок вслед за лавой. В основном
это классическая сплошная система разработки лава-ярус, а также различные
комбинированные системы разработки. Одной из важнейших производствен-
ных задач при применении таких систем разработки является поддержание
участковых выработок, оформляемых после прохода очистного забоя. Эксплуа-
тационное состояние подготовительных выработок, проводимых вслед за ла-
вой, обуславливается в основном эффективностью работы околоштрекового
охранного сооружения (полосы). Традиционно применяемые способы охраны
выработок проводимых за лавой – бутовые полосы, полосы из костров, бутоко-
стров, БЖБТ и других искусственных материалов. Несмотря на различие в тех-
нологии сооружения, и разную жесткость охранных полос, все они вступают в
работу не сразу после возведения, а после исчерпания зазоров и определенного
сжатия (усадки) полосы, которое реализуется за счет сближения кровли и поч-
вы. При этом несущая способность полос возрастает со временем, и достигает
рабочего режима работы на значительном расстоянии от лавы.
Отсутствие существенного сопротивления смещениям пород кровли в
направлении извлеченного лавой пласта приводит к их прогибу, расслоению,
вызывает рост зоны разрушения вглубь массива, что обуславливает асиммет-
ричное нагружение крепи выработки и значительную потерю ее высоты. Это
приводит к необходимости проведения дополнительных мероприятий, направ-
ленных на обеспечение эксплуатационного состояния выработок.
Таким образом, разработка новых и модернизация существующих способов
охраны и поддержания горных выработок после прохода очистного забоя, поз-
воляющих минимизировать или ликвидировать указанные недостатки, является
|