книги / Строительная геотехнология

Уплотнение пород взрывом — способ упрочнения водо­ насыщенных глинистых пород за счет их уплотнения камуфлетным взрывом и снижения фильтрационной способности.

Упрочняющий тампонаж — способ воздействия на мас­ сив горных пород с целью создания в нем инъектированной упрочненной зоны, способной противостоять внешнему дав­ лению пород.

Анкерование почвы — способ механического упрочне­ ния пучащих пород почвы путем установки анкеров.

Проходка широким забоем — способ снижения напряжен­ но-деформированного состояния массива, прилегающего к вы­ работке, и создание условий, благоприятствующих уменьше­ нию интенсивности и равномерности смещения пород.

В соответствии с классификацией, приведенной в СНиП II-94— 80, сложные геомеханические условия реализуются в породах III и IV категорий устойчивости.

Основными механическими процессами, формирующи­ ми сложную геомеханическую ситуацию, являются:

♦пластическое деформирование пород, вызывающее значительные смещения пород кровли и особенно почвы (пучение);

♦образование вокруг подземного сооружения областей запредельного состояния и особенно руинного (полно­ го) разрушения пород, реализуемого в виде сплошного сводообразования с отделением значительных объемов пород от массива или их деформирования без разрывов сплошности массива.

Качественная и количественная характеристики реа­

лизации механических процессов в породном массиве во­ круг подземных сооружений определяются следующими факторами:

♦ физико-механическими свойствами горных пород и структурно-механическими особенностями породного массива (прочность, деформируемость, пористость, тре­ щиноватость, фильтрация, влагоемкость, температура пород, газоносность массивов, начальное напряженнодеформированное состояние пород и др.);

126

♦закономерностью поведения пород под нагрузкой (нелинейность деформирования, проявление реологиче­ ских процессов, особенности деформирования за преде­ лом прочности, время действия нагрузки);

♦способом проходки и организационно-техническими решениями при строительстве подземных сооружений (форма и размеры поперечного сечения, буровзрывные работы, отставание постоянной крепи от забоя, уступ­ ный забой и др.);

♦взаимосвязью технологических, гидрогеологических, геомеханических и газодинамических процессов при строительстве подземных сооружений.

Естественно, наилучшим критерием отнесения выработ­

ки к тому или иному классу условий будет критерий, макси­ мально учитывающий все эти факторы. Кроме того, важным требованием к критерию устойчивости горных выработок является доступность его определения в реальных (нату­ рных) условиях, что позволит контролировать геомеханическую ситуацию и оперативно реагировать на ее изменение.

В связи с этим необходимо проанализировать сущест­ вующие классификации породных массивов по их устойчи­ вости, используемые в отечественной и зарубежной практике шахтного и подземного строительства.

Известны три основных подхода к решению задачи по оценке устойчивости незакрепленных выработок. Первый подход основан на прочностных и деформационных крите­ риях, позволяющих качественно и количественно оценить уровень развития деформационных процессов. Второй под­ ход основан на некоторых абстрактных численных показа­ телях (например, баллах), совокупно учитывающих различ­ ные горно-геологические, горно-технические и технологиче­ ские факторы. И, наконец, третий подход является вероят­ ностно-статистическим.

Наибольшее распространение получили прочностные критерии, основанные на условии недопущения образования на контуре выработки областей предельного и запредельно­ го состояний. Прогнозирование устойчивости в общем виде

127

сводится к сопоставлению главного максимального напря­ жения ag, действующего на контуре незакрепленной выра­ ботки, с прочностью вмещающих пород на одноосное сжа­ тие или растяжение <тПп.

Выработка считается устойчивой, если выполняется ус­ ловие

Такой подход позволяет интерпретировать этот критерий, строго говоря, как прочность незакрепленной выработки.

Различные варианты данного условия связаны либо с уточнением методики определения численного значения пре­ дела прочности пород, для чего используется целая система коэффициентов, позволяющих учесть влияние различных горно-геологических и горно-технических факторов (плас­ тические и реологические свойства пород, трещиноватость, сплошность, естественная и искусственная неоднородность, анизотропия, форма выработки, вид начального напряжен­ ного состояния, способ проведения выработки и т.д.), либо с различным способом сравнения напряжений и прочностных характеристик (в точке, на площадке, в условной зоне, по периметру выработки).

Наиболее полно классификации горных пород по ус­ тойчивости и различные критерии устойчивости приво­ дятся в монографиях И.В. Баклашова, Б.А. Картозии и Н.С. Булычева.

Классификация породных массивов по устойчивости, предложенная Н.С. Булычевым, осуществляется при помощи критериев, основанных на анализе формы и размеров воз­ можных зон разрушения пород вокруг выработки, и учиты­ вает такие влияющие факторы, как размеры и форма попе­ речного сечения выработки, величина и ориентировка глав­ ных напряжений в массиве.

Классификация породных массивов по способности обеспечения нормального эксплуатационного состояния не­ закрепленной выработки предложена И.В. Баклашовым и К.В. Руппенейтом и основана на определении размеров об­

128

разующихся зон запредельного состояния, остаточной проч­ ности, руинного разрушения и величины смещений пород­ ного контура.

Статистическая обработка данных о состоянии горных выработок Центрального района Донбасса, эксплуатируемых без крепи, позволила не только подтвердить правомерность подобного подхода, но и предложить критерий К, характери­ зующий степень устойчивости породного обнажения:

где уН — вертикальная составляющая начального поля на­ пряжений; <Тсж— предел прочности на одноосное сжатие.

При значениях к >0,24 породы считаются неустойчивыми. Аналогичный критерий получен Л.М. Ерофеевым для

Кузнецкого бассейна и с успехом применяется для проекти­ рования крепей горизонтальных выработок:

где ст“ж — средневзвешенный предел прочности пород в мас­ сиве; К \ — коэффициент концентрации напряжений на кон­ туре выработки; К г — коэффициент влияния смежных выра­ боток; К з— коэффициент влияния очистных работ.

При значениях 0,2 < п й 0,7 вокруг выработки образуется область разрушенных пород.

Эти критерии (к и л) очень сходны по своей структуре, только коэффициент устойчивости (л) учитывает большее число влияющих факторов. Однако надо отметить, что их сугубо экспериментальный характер является существенным недостатком. Использование любого эмпирического крите­ рия или классификации нуждается в тщательно разработан­ ном инструменте контроля.

Широкое развитие исследований по запредельному де­ формированию пород привело к установлению принципи­ ально новых закономерностей поведения пород вокруг вы-

129

работок и позволило сформулировать новый подход к по­ строению классификации незакрепленных горных вырабо­ ток по устойчивости.

К устойчивым относятся незакрепленные выработки, у которых максимальное напряжение на контуре выработки за расчетный промежуток времени не превышает прочности пород на одноосное сжатие. Выработками средней устойчи­ вости считаются такие, на контуре которых породы перехо­ дят в предельное, а затем в запредельное состояние. Неус­ тойчивыми считаются незакрепленные выработки, если по­ роды вокруг них находятся в состоянии остаточной проч­ ности. И, наконец, к сильно неустойчивым относятся такие выработки, вокруг которых породы перешли в состояние полного (руинного) разрушения.

Большим научным и практическим достижением в про­ гнозировании устойчивости породных массивов вокруг го­ ризонтальных выработок явился метод, разработанный во ВНИМИ и вошедший в Строительные нормы и правила. В качестве критерия для оценки устойчивого состояния пород­ ного массива вокруг выработок приняты смещения на кон­ туре поперечного сечения выработки за весь срок ее службы в незакрепленном состоянии. Величину смещений U опреде­ ляют из выражения

где U — типовые смещения, определяемые в зависимости от глубины заложения выработки и прочности пород; Ка, Ко, Ks, Кр, К„ U, — коэффициенты, учитывающие соответ­ ственно угол залегания пород, направление смещений, раз­ меры выработки, влияние соседних выработок и времени установки крепи.

Породы вокруг выработки относятся к неустойчивым при U > 200 мм для осадочных пород, U > 100 мм для извер­ женных и U > 300 мм для соляных пород. Здесь учтены глу­ бина заложения выработки, прочность вмещающих пород и степень их трещиноватости, угол залегания пород, направ­ ление выработки относительно напластования пород и срок

130

ее службы, взаимовлияние выработок и размеры их попе­ речного сечения, направление смещений. Кроме того, этот критерий поддается простому контролю в процессе строи­ тельства и эксплуатации выработки, т. е. по многим показа­ телям он является одним из наиболее эффективных. Получен он на основании обработки результатов многочисленных экспериментальных наблюдений за смещениями породного контура горных выработок. Недостатком этого критерия является исключение из рассмотрения вывалообразования одной из наиболее распространенных форм нарушения ус­ тойчивости пород в горизонтальных горных выработках. Неучет возможных вывалов породы из кровли выработок приводит к тому, что нагрузка на крепь от них превышает нагрузку от смещений контура выработок, и крепь раз­ рушается.

В России и за рубежом проводятся исследования, на­ правленные на разработку классификаций породных масси­ вов по инженерно-техническому состоянию (качеству), осно­ ванные на комплексной оценке большого числа влияющих факторов. Принцип построения таких классификаций состо­ ит в том, что сначала отбираются и группируются факторы, влияющие на качество массива, а затем каждому из этих факторов в зависимости от степени его важности присваива­ ется показатель (балл), и по сумме этих показателей оцени­ вается качество исследуемого массива.

Примером может служить классификация Н.С. Булыче­ ва, основанная на некотором числовом показателе устойчи­ вости, учитывающем влияние крепости пород, число систем трещин, шероховатость стенок трещин, влажность пород, раскрытие незаполненных трещин, и их заполнение разрабо­ танной породой или вторичными минералами, а также влия­ ние ориентировки выработки относительно основной систе­ мы трещин. В соответствии со значением показателя выделя­ ется пять категорий пород по устойчивости — от устойчи­ вых до весьма неустойчивых.

В основу зарубежных геомеханических классификаций ненарушенных пород положены: прочность на одноосное сжатие (Коатс, Дир, Мюллер и Бенявский), относительный

131

трещин, шероховатости поверхностей трещин, выветрелости по трещинам, степени обводненности трещин, учета естест­ венного напряженного состояния). Все параметры имеют оценку в баллах. При этом наибольший удельный вес в суммарном количестве баллов имеют следующие пара­ метры: расстояние между трещинами и характеристика трещиноватости.

Исходя из приведенного анализа, можно сделать вывод, что в зарубежной практике наибольшее внимание уделяется трещиноватости породного массива, нарушеншо его сплош­ ности и в меньшей мере — прочностным свойствам и напря­ женному состоянию массива. С этим трудно согласиться.

Используемые в расчетах устойчивости величины проч­ ностных и деформационных характеристик в силу физиче­ ской неоднородности и анизотропности массива горных по­ род должны рассматриваться как существенно случайные. Соответственно случайными становятся и значения дейст­ вующих напряжений. Это обстоятельство послужило разви­ тию особого подхода к оценке устойчивости незакреплен­ ных выработок — вероятностно-статистического.

Особенностью такого подхода является то, что оценива­ ется не собственно устойчивость (прочность) контура выра­ ботки, а вероятность ее разрушения, как вероятность дости­ жения предельного состояния пород. Для описания состоя­ ния породного контура вводится случайная функция (пара­ метр неразрушимости), равная разности предела прочности на одноосное сжатие и действующего напряжения. Ее веро­ ятностные характеристики вычисляются через характери­ стики неоднородного массива и реального контура выра­ ботки. В зависимости от условий задача об оценке устойчи­ вого состояния контура выработки может быть решена в двух вариантах. В первом — путем сравнения расчетного объема вывалообразования Wp и вероятности его появления Рр с их допускаемыми значениями, т.е. Wp < Жд0П; Рр £ / доп, а во втором — подбором на стадии проектирования допусти­ мых значений параметров, определяющих прочность пород­ ного контура (например, глубины заложения выработки, размеров ее сечения и т.п.)

133