Автоматизированная система диагностики напряженно-деформированного состояния горного массива

м о с к о в с к и й 
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

—
1 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

С
О
В
Е
Т 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

Председатель 

Л. А. 
ПУЧКОВ 
ректор 
МГГУ, 
4.1.-корр. 
РАН 

Зам. председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 
директор 
Издательства МГГУ 

Члены редсовета 

И.В. ДЕМЕНТЬЕВ 
академик 
РАЕН 

А.П. ДМИТРИЕВ 
академик 
РАЕН 

БА. КАРТОЗИЯ 
академик 
РАЕН 

М.В. КУРЛЕНЯ 
академик 
РАН 

В.И. ОСИПОВ 
академик 
РАН 

э.м. СОКОЛОВ 
академик МАН ВШ 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 
академик 
РАН 

В.В. ХРОНИН 
профессор 

ВЛ. ЧАНТУРИЯ 
академик 
РАН 

Е.И. ШЕМЯКИН 
академик 
РАН 

ОРНЫЕ НАУКИ 

В.В. Некрасов 
В.Г. Казанцев 
В.И. Магдыч 
М.Г. Потапов 

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ 
СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ 
НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО 
СОСТОЯНИЯ 
ГОРНОГО МАССИВА 

ОРНЫЕ НАУКИ 

Под редакцией 
профессора, 
доктора технических 
наук 
О. В. 
Михеева 

и 
Издание второе, 
стереотипное 

А 

МОСКВА 
ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 
2005 

п 

УДК 622.02.2 
ББК 33.1 

Книга соответствует 
«Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых 
СанПиН 1.2.1253-03», утвержденным Главным государственным 
санитарным врачом России 30 марта 2003 г. 

Некрасов В.В., Казанцев В.Г., Магдыч В.И., Потапов М.Г. 

Автоматизированная система диагностики напряженно-деформированного состояния горного массива. — М.: Издательство 
Московского государственного горного университета, 2005. — 
76 с: ил. 

ISBN 5-7418-0367-9 

Изложен ряд методик для эскизного проектирования одной из основных частей 
ЛДК-модуля измерения горного давления. Дано описание технологического оборудования и приспособлений для установки модуля измерения горного давления в 
массив горных пород. Представлены технология и результаты лабораторных испытаний ДДК. 

Для широкого круга инженерно-технических работников угольной промышленности. 

УДК 622.02.2 
ББК 33.1 

ISBN 5-7418-0367-9 
© В.В. Некрасов, В.Г. Казанцев, 

В.И. Магдыч, М.Г. Потапов, 
2005 

© Издательство МГГУ, 2005 
© Дизайн книги. Издательство 
МГГУ, 2005 

I СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ 
7 

Глава 1. 
ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО 
ИЗМЕРЕНИЮ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ 
. 11 

1.1. Модуль измерения горного давления. Постановка задачи 
11 

1.2. Расчетная схема модуля измерения горного 
давления.Расчетные нагрузки 
12 

1.3. Деформирование модуля горного давления 
. 15 

1.4. Параметры конструктивного оформления модуля измерения горного давления 
23 

1.4.1. Выбор толщины мембраны датчика напряжений 
23 

1.4.2. Выбор механики оболочки модуля измерения 
горного давления 
30 

Глава 2. 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И 
АППАРАТУРНОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ И З МЕРЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В РАМКАХ ЛДК 
33 

2.1. Датчики напряжений и результаты их испытаний 
35 

2.2. Конструкции измерительных модулей на основе тензорезисторных датчиков механических напряжений 
41 

2.3. Оборудование для установки измерительных 
модулей в массив горных пород 
46 

2.4. Аппаратура для регистрации горного давления 
50 

Глава 3. 
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ 
ОТРАБОТКИ ЛДК 
56 

5 

3.1. Технология модельного эксперимента 
. . . . 56 

3.2. Результаты испытаний модуля измерений горного давления 
59 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
70 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
73 

б 

I ВВЕДЕНИЕ 

П
роведение испытаний локального диагностического 
комплекса (ЛДК) и полученные при этом результаты 
представляют собой начало систематических исследований по анализу горного давления и его физико-механических проявлений с целью оценки и прогнозирования геомеханической ситуации, складывающейся в районе 
угольной шахты, в ее конструктивных элементах в условиях действующего производства. 

Отличительные особенности ЛДК, помимо точности 
измерений, заключаются в его компактности, простоте 
технологических операций при установке модулей измерения горного давления, в том числе в труднодоступные 
места горных выработок, оперативности снятия показаний требуемых параметров, а также в мобильности установки. 

В свою очередь, ЛДК отрабатывается нами как отдельный модуль автоматизированного диагностического 
комплекса (АДК) для создания геомеханического мониторинга угольных шахт. Как следует из предыдущих наших публикаций [1, 2,3], АДК будет построен по открытой схеме, включающей в себя возможность подключения 
не только модулей ЛДК, но и модулей газового мониторинга шахты, модулей противопожарной сигнализации, 
защиты технологического оборудования, вентиляционного маневра, с выводом необходимых информативных 
параметров на пульт центральной ЭВМ, установленной на 
поверхности в контрольном или диспетчерском помещении. 

Вместе с тем, ЛДК уже сегодня, не ожидая реализации 
проекта АДК, можно рассматривать как самостоятельную 
установку слежения за геомеханической ситуацией в том 
регионе угольной шахты, где установлены модули измерения горного давления. 

7 

В первой главе настоящей работы изложены постановка задачи и ряд методик для эскизного проектирования 
одного из основных частей ЛДК-модуля измерения горного давления. Особое внимание уделяется расчету геометрических и жесткостных параметров чувствительного 
элемента датчика напряжений - его мембраны. Рассмотрен облик модуля измерения горного давления и, на основе численного моделирования на ЭВМ методом конечных элементов, получены инженерные численно-аналитические зависимости по выбору физико-механических 
характеристик оболочки модуля. 

Вторая глава работы посвящена описанию разработанного технологического оборудования и приспособления для установки модуля измерения горного давления в 
массив горных пород. Здесь же подробно представлены 
конструктивные особенности датчика напряжений в составе модуля измерения горного давления и описание 
аппаратуры, разработанной для регистрации напряжений. 

Третья, заключительная глава содержит технологию 
и результаты лабораторных испытаний ЛДК. Испытания 
ЛДК проводились на модели массива горных пород. Модель массива подобрана из смеси песка, глины и цемента 
таким образом, чтобы физико-механические характеристики массива были близки к характеристикам угля. 

Первая часть испытаний ЛДК была направлена на 
отработку взаимодействия модуля измерения горного 
давления и аппаратуры регистрации напряжений. Выполнены работы по тарировке модуля измерения горного 
давления при безусловном сохранении целостности оболочки модуля в процессе испытаний. При этом горное 
давление моделировалось воздействием пуассона при помощи пресса МП-600 и установки INSTRON на модель 
горных пород, в которой был установлен модуль измерения горного давления. 

Результаты измерений напряжений в модели массива 
показали стабильную работу модуля измерения горного 

8 

давления при многочисленных циклах нагружения массива, что позволило сделать вывод о стабильности основных 
характеристик ЛДК в целом и о его допуске к натурным 
испытаниям в угольной шахте. Модуль измерения горного давления с высокой точностью фиксировал изменение 
внешней нагрузки, прикладываемой к модели массива 
горных пород посредством воздействия пресса. При этом 
погрешность воспроизведения изменения внешней нагрузки модулем измерения горного давления оказалась в 
пределах графической точности. 

Вторая часть испытаний ЛДК проведена с намерением 
осуществить лабораторные исследования по изучению 
процессов структурных изменений в модели массива горных пород с предположением о разрушении материала в 
окрестности датчика напряжений. И эта цель достигнута. 

Впервые в отрасли получены экспериментальные результаты, свидетельствующие о механизме и возможных 
процессах структурных изменений в массивах пород, носящих колебательный характер. При этом состояние массива трактуется как первоначально устойчивое, а затем, 
под воздействием нагрузки, имеющее переходный процесс к новому уровню устойчивого состояния, стабилизации этого состояния. Далее, при определенных комбинациях внешних воздействий, возможно продолжение процесса перехода через структурные изменения в массиве 
пород к следующему уровню устойчивого состояния. 

Таким образом, материал изложенный в настоящей 
работе показывает потенциальную пригодность ЛДК, как 
установки слежения за геомеханической ситуацией в элементах шахтного поля, а также как инструмента для проведения самостоятельных научных исследований. Новые 
принципы, идеи и подходы, заложенные в проект ЛДК, а 
также реализация этого проекта - его воплощение в экспериментальную электронную установку и модули измерения горного давления, фиксирующие уровень напряженного состояния в заданных точках горного массива, 

9 

наряду с развитым математическим обеспечением для 
анализа, прогноза и принятия оперативных решений, позволит поднять на качественно новую ступень решение 
проблемы безопасности работ в рамках горного и горноспасательного дела угольной промышленности России. 

10 

Глава 1 
ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА 

ПО ИЗМЕРЕНИЮ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ 

1.1. Модуль измерения горного давления. 
Постановка задачи 

О
сновным элементом модуля измерения горного давления является датчик напряжений. Конструкция датчика напряжений, его базовые параметры и требования к 
точности измерений горногодавления были изложены нами ранее в работах [1, 2, 3 ] . Для установки датчика 
напряжений в зону шахтного поля датчик (или система 
датчиков) крепится на несущем основании и армируется 
резиной (п. 2.3). Полученная таким образом плата может 
быть введена непосредственно в шпур диаметром D > 40 
мм с последующим заполнением шпура твердеющим раствором под давлением. Другим вариантом подготовки измерительного элемента к работе является помещение платы внутрь сплошного цилиндра (оболочки платы) из материала, приближающегося своими физико-механическими характеристиками (ФМХ) к ФМХ вмещающих пород или угля в месте установки измерительного элемента. 
Затем оболочка с датчиками вводится в шпур на заданную 
глубину с последующим заполнением свободного пространства между шпуром и оболочкой связующим материалом. Примеры подбора ФМХ материала оболочки изложены в п. 2.3. В этой связи измерительным модулем или 
модулем горного давления будем называть плату с датчиками и армирующим плату материалом-оболочкой, 
внешняя поверхность которой находится в контакте с 
поверхностью шпура. Поскольку горное давление передается на датчик напряжений посредством механического 
воздействия поверхности шпура на модуль измерения, 
оказывается важным выяснить законы передачи давления 

11 

ГЛАВА 1 

горного массива на датчик напряжений через оболочку 
модуля измерения. Более того, необходимо установить 
зону влияния датчика напряжений в массиве оболочки, 
поскольку сам датчик оказывается своего рода включением в материале оболочки. 

Важной является проблема конструктивного оформления самого датчика напряжений. Конструктивное 
оформление датчика напряжений находится в прямой зависимости от уровня концентрации горного давления, что 
является следствием глубины установки модуля горного 
давления от дневной поверхности, близости выработанного пространства, от взаимодействия выработок, целиков и т.д. 

Как следует из физических принципов измерения напряжений, оптимальный диапазон работы датчика зависит от степени деформирования тензорешеток, наклеенных на мембрану датчика ( п. 1.4) и, следовательно, от 
степени деформирования мембраны. В свою очередь, деформирование мембраны зависит от перечисленных выше факторов горного давления и от размеров мембраны. 
Поэтому подбор размеров мембраны оказывается одной 
из важных задач, успешное решение которой позволит 
надежно и с высокой точностью установить величину и 
уровень горного давления в той зоне, где установлен измерительный модуль. 

1.2. Расчетная схема модуля измерения горного давления. 
Расчетные нагрузки 

В соответствии с описанием конструктивного оформления модуля измерения горного давления и общей постановкой задачи для выяснения деталей деформирования 
модуля измерения егореальную конструкцию представим 
в виде расчетной схемы, повторяющей обводы модуля. 

12