Non-destructive testing of rock bolt fastening as an element of monitoring the state of mine workings

Purpose. To substantiate the informative parameter, to develop the method and equipment for non-destructive testing (NDT) of rock bolt fastening, as an element of geomechanical monitoring of the mine workings state. Methods. Analytical and bench experimental testing of shock-wave processes in the “rock bolt – bonding layer – rock massif” system. Findings. It has been established, that the non-destructive shock-wave method is the most satisfying for monitoring the geomechanical state of the “rock bolt – bonding layer – rock massif” system. This method is based on the registration and analysis of rock bolt oscillations, caused by non-normalized hit to the rock bolt end. It has been confirmed, that the most informative parameter is the relaxation time, that is the time over which the amplitude of oscillations decreases by “e” times. It has been shown, that clamping of the resin-grouted rock bolt in massif and its tensioning affects the relaxation time of damped oscillations. Furthermore, the relaxation time is inversely proportional to the degree of the rock bolt clamping, and is linked linearly with an increase in the rock bolt tensioning. The spectral composition of wedge shaped rock bolts self-oscillations, which are caused by impact excitation, depends both on the nature of clamping and on the rock bolt length, and makes it possible to identify the rock bolts by their length. Originality. The existence of a special type of damped longitudinal oscillations of the rock bolt in viscoelastic medium of the bonding layer has been established. The relaxation time of the specified type of oscillations was chosen as an informative parameter. An analytical link has been established between the informative parameter of shock-wave method of monitoring and the main indicators of rock bolt fastening quality: the degree of adhesion with massif and tension value. Practical implications. The method has been improved and equipment has been developed for non-destructive testing of rock bolt fastening, which makes it possible to control in-situ the rock bolt fastening quality, including the geomechanical state monitoring of mine workings.Мета. Обґрунтування інформативного параметра, розробка способу та апаратури неруйнівного контролю анкерного кріплення як елементів геомеханічного моніторингу стану гірничих виробок. Методика. Аналітичні та стендові експериментальні дослідження ударно-хвильових процесів в системі “анкер – закріплюючий шар – масив гірських порід”, апробація розробки в умовах шахт і підземних об’єктів цивільного та промислового призначення. Результати. Встановлено, що вимогам оперативності контролю з можливістю моніторингу геомеханічного стану системи “анкер – закріплюючий шар – масив” найбільш задовольняє ударно-хвильовий метод неруйнівного контролю, що реалізується шляхом нанесення ненормованого удару в торець анкера з реєстрацією та аналізом його коливань, при цьому найбільш інформативним та таким, що задовольняє ергономіці контролю, є параметр – час релаксації, за який амплітуда коливань зменшується в “е” разів. Показано, що ступінь защемлення сталеполімерного анкера в масиві та його натяг однозначно впливають на час релаксації затухаючого коливального процесу в системі “анкер – закріплюючий шар – масив”, при цьому зв’язок параметра з защемленням описується обернено пропорційною, а зв’язок з натягом анкера – лінійною залежністю. При ударному збудженні спектральний склад власних коливань клиновидних анкерів залежить як від характеру защемлення, так і від довжини анкера, що дозволяє при контролі виробок ідентифікувати анкери за їх довжиною. Наукова новизна. Встановлено існування особливого виду затухаючих поздовжніх коливань анкера в пружно-в’язкому середовищі закріплюючого шару. Як інформативний параметр вибрано час релаксації вказаного виду коливань, що в ергономічному діапазоні практично не залежить від сили збуджуючого удару. Встановлено аналітичний зв’язок між інформативним параметром ударно-хвильового методу контролю системи “анкер – закріплюючий шар – масив” і основними показниками якості металополімерного анкерного кріплення гірничих виробок: ступенем зчеплення з масивом та величиною натягу. Практична значимість. Вдосконалено метод і розроблено апаратуру неруйнівного контролю анкерного кріплення, які дозволяють оперативно у режимі моніторингу оцінювати якість закріплення анкера в масиві та його навантаження в умовах гірничих виробок діючого виробництва, зокрема, і у режимі системного геомеханічного моніторингу стану підземних виробок.Цель. Обоснование информативного параметра, разработка способа и аппаратуры неразрушающего контроля анкерного крепления как элементов геомеханического мониторинга состояния горных выработок. Методика. Аналитические и стендовые экспериментальные исследования ударно-волновых процессов в системе “анкер – закрепляющий слой – массив горных пород”, апробация разработки в условиях шахт и подземных объектов гражданского и промышленного назначения. Результаты. Установлено, что требованиям оперативности контроля с возможностью мониторинга геомеханического состояния системы “анкер – закрепляющий слой – массив” наиболее удовлетворяет ударно-волновой метод неразрушающего контроля, который реализуется путем нанесения ненормированного удара в торец анкера с регистрацией и анализом его колебаний, при этом наиболее информативным и таким, что удовлетворяет эргономике контроля, является параметр – время релаксации, за которое амплитуда колебаний уменьшается в “е” раз. Показано, что степень защемления сталеполимерного анкера в массиве и его натяжение однозначно влияют на время релаксации затухающего колебательного процесса в системе “анкер – закрепляющий слой – массив”, при этом связь параметра с защемлением описывается обратно пропорциональной, а связь с натяжением анкера – линейной зависимостью. При ударном возбуждении спектральный состав собственных колебаний клиновидных анкеров зависит как от характера защемление, так и от длины анкера, позволяет при контроле выработок идентифицировать анкеры по их длине. Научная новизна. Установлено существование особого вида затухающих продольных колебаний анкера в упруго-вязкой среде закрепляющего слоя. В качестве информативного параметра выбрано время релаксации указанного вида колебаний, которое в эргономичном диапазоне практически не зависит от силы возбуждающего удара. Установлена аналитическая связь между информативным параметром ударно-волнового метода контроля системы “анкер – закрепляющий слой – массив” и основными показателями качества металлополимерного анкерного крепления горных выработок: степенью сцепления с массивом и величиной натяжения. Практическая значимость. Усовершенствован метод и разработана аппаратура неразрушающего контроля анкерного крепления, которые позволяют оперативно в режиме мониторинга оценивать качество закрепления анкера в массиве и его нагружение в условиях горных выработок действующего производства, в том числе и в режиме системного геомеханического мониторинга состояния подземных выработок.The work results are part of the “Theories and me-thods development for geotechnical systems state ma-nagement to ensure mines performance intensification” research under National Academy of Sciences of Ukraine funding program

Mathematical modeling of unsteady water filtration into anchored mine opening

Purpose. To develop a mathematical model of the interrelated processes of coal-rock mass deformation and water filtration in the disturbed area to study the change in the value of water inflow into the mine working de-pending on the method of its supporting. Methods. In this research, we used methods of rigid body mechanics, fluid and gas mechanics as well as numerical simulation based on the finite element method. Findings. A mathematical model of water filtration in the deformed rock mass was developed. It is shown that the use of bolting prevents fracturing process in the zone subjected to the influence of the mine working. In this case, solidity of the virgin mass in the roof is maximally preserved. Significant reduction of the filtra-tion area and decrease in its permeability leads to the drop in intensity of the liquid filtration movement and prevents or reduces water inflow into the mine workings with anchor support. Originality. Bolting is considered as a technological method of reducing water inflow into mine workings for the first time. Based on the results obtained, the “Method for Reducing Water Inflow into the Mine Workings with the Roof Bolting” was developed. Effectiveness of this method was proved in the coal mines of the Western Donbas. Practical implications. The calculations show that bolting can simultaneously perform two functions: ensuring stability of the mine working and its waterproofing, which significantly reduces the operating costs.Цель. Разработка математической модели связанных процессов деформирования углепородного массива и фильтрации воды в нарушенной области для исследования изменения величины водопритока в горную выработку в зависимости от способа ее крепления. Методика. Для выполнения исследований применялись методы механики твердого тела, механики жидкости и газа, численное моделирование с применением метода конечных элементов. Результаты. Разработана математическая модель фильтрации воды в деформируемом массиве горных пород. Показано, что применение анкерной крепи позволяет предотвратить развитие процесса трещинообразования в зоне влияния выработки. В этом случае в кровле максимально сохраняется монолитность нетронутого массива. Значительное сокращение размеров области фильтрации и снижение проницаемости внутри нее приводит к снижению интенсивности фильтрационного движения жидкости и предупреждению или снижению водопритока в горные выработки с анкерной крепью. Научная новизна. Впервые анкерная крепь рассмотрена как технологический способ снижения водопритока в горную выработку. На основании полученных результатов разработан “Способ снижения водопритока в горную выработку с применением анкерного крепления”. Действенность данного способа была доказана на угольных шахтах Западного Донбасса. Практическая значимость. Приведенными расчетами показано, что анкерная крепь может одновременно выполнять две функции: обеспечения устойчивости выработки и ее гидроизоляции, что существенно снижает расходы на поддержание выработки.Мета. Розробка математичної моделі зв’язаних процесів деформування вуглепородного масиву та фільтрації води в порушеній області для дослідження зміни величини водоприпливу в гірничу виробку в залежності від способу її кріплення. Методика. Для виконання досліджень застосовувалися методи механіки твердого тіла, механіки рідини і газу, чисельне моделювання із застосуванням методу скінченних елементів. Результати. Розроблено математичну модель фільтрації води в масиві гірських порід, який деформується. Показано, що застосування анкерного кріплення дозволяє запобігти розвитку процесу утворення тріщин у зоні впливу виробки. У цьому випадку в покрівлі максимально зберігається монолітність непорушеного масиву. Значне скорочення розмірів області фільтрації й зниження проникності всередині неї призводить до зниження інтенсивності фільтраційного руху рідини і попередження або зниження водоприпливу в гірничі виробки з анкерним кріпленням. Наукова новизна. Вперше анкерне кріплення розглянуте як технологічний спосіб зниження водоприпливу в гірничу виробку. На підставі отриманих результатів розроблено “Спосіб зниження водоприпливу в гірничу виробку із застосуванням анкерного кріплення”. Дієвість даного способу було доведено на вугільних шахтах Західного Донбасу. Практична значимість. Наведеними розрахунками показано, що анкерне кріплення може одночасно виконувати дві функції: забезпечення стійкості виробки та її гідроізоляції, що істотно знижує витрати на підтримання виробки.Представленная работа выполнена в рамках отраслевой программы “Анкер” широкомасштабного внедрения анкерной крепи на угольных шахтах Украины. Авторы выражают искрению благодарность руководству и инженерно-техническому персоналу шахтоуправлений “Днепровское” и “Першотравенское” ЧАО “ДТЭК Павлоградуголь” за помощь при организации и проведении шахтных экспериментов