книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

ляются параметром у • H/R (у • Н - напряжения в массиве; R -

прочность пород на сжатие), можно выделить три характер­ ных случая, в которых один из рассмотренных способов проведения выработки будет иметь преимущество с точки зрения ее устойчивости.

Первый случай: напряжения на контуре выработки меньше длительной прочности пород. В этом случае при лю­ бом способе проведения выработки смещения породного обнажения определяются упруго-ползучими деформациями и выработка находится в устойчивом состоянии.

Технологические трещины, возникающие вокруг выра­ ботки при буровзрывных работах, не получают дальнейшего развития и могут служить причиной лишь небольших ло­ кальных вывалов породы. Кроме того, технологическая тре­ щиноватость снижает модуль деформации пород, в результа­ те чего смещения пород при буровзрывном способе в 1,5 - 2 раза больше, чем при комбайновом.

Второй случай имеет место в условиях, где действующие напряжения сопоставимы с прочностью пород. В этом слу­ чае, если напряжения не превосходят длительной прочности массива, то выработка при любом способе проведения будет находиться в устойчивом состоянии, но комбайновый спо­ соб, как и в предыдущем случае, имеет некоторые преиму­ щества по сравнению с буровзрывным. Кроме того, по­ скольку технологическая трещиноватость снижает прочность окружающих пород, диапазон горно-геологических условий, в которых выработка будет устойчивой, при буровзрывном способе проведения сужается по сравнению с комбайновой проходкой.

В случае, когда напряжения незначительно превышают длительную прочность пород, при обоих способах проходки вокруг выработки с течением времени развивается зона не­ упругих деформаций. При этом технологические трещины, вызванные взрывными работами, с течением времени рас­ крываются, вокруг выработки формируется зона интенсив­ ной трещиноватости с увеличением объема пород, что вызы­ вает дополнительные смещения контура. В этих же условиях при комбайновой проходке начальные трещины в окру­ жающих породах отсутствуют, и поэтому процесс образова­

ния зоны неупругих деформаций не сопровождается таким интенсивным разуплотнением пород. Следовательно, смеще­ ния пород в этих условиях при комбайновом способе про­ ходке будут меньшими, чем при буровзрывном.

Наибольший интерес представляет третий случай, когда действующие напряжения в окружающем выработку масси­ ве таковы, что породы разрушаются независимо от способа проведения выработки. В этом случае технологические тре­ щины могут играть положительную роль, так как они спо­ собствуют разгрузке массива и реализации части смещений пород еще до установки крепи. Характерным для рассматри­ ваемого случая является образование вокруг выработки зо­ ны интенсивной трещиноватости, породы, в которой прак­ тически потеряли сцепление и работают вместе с крепью за счет сил трения по плоскостям скольжения. Смещения по­ верхности выработки в этом случае определяются упруго­ ползучими деформациями массива и разрыхлением пород в зоне интенсивной трещиноватости. Такой характер процесса деформирования пород при буровзрывном способе проведе­ ния выработки подтверждается известными инструменталь­ ными наблюдениями на глубинных реперных станциях. На рис. 4.1 показан типичный для этого случая график смеще­ ний точек массива, полученный по данным натурных заме­ ров. Резкий перелом графика отмечается на границе зоны интенсивной трещиноватости.

В аналогичных условиях при комбайновом способе прове­ дения процесс образования трещиноватости и разрушения пород вокруг выработки будет идти постепенно, зона руин­ ного разрушения, а, следовательно, и смещения пород будут формироваться более длительное время, чем при буровзрыв­ ном способе. Следовательно, буровзрывной способ при дан­ ных проявлениях горного давления может оказаться более благоприятным, чем комбайновый, так как смещения, вос­ принимаемые крепью, в этом случае могут оказаться мень­ шими.

Для исследования влияния способа проведения выработки на ее устойчивость были проведены шахтные инструмен­ тальные наблюдения.

U mm)

Рис. 4.1. График смещения глубинных реперов: 1 ~ при буро­ взрывном способе проведения выработок; 2 - при комбайновом спо­ собе проведения выработок

На рис. 4.1 показан характерный график смещений пород вокруг выработки, пройденной комбайном. Сравнивая его с аналогичным графиком при буровзрывном способе проведе­ ния, можно сделать вывод, что в условиях рассмотренного выше случая смещения при комбайновом способе проведе­ ния получаются большими и с удалением от поверхности затухают более плавно, при этом отсутствует зона интенсив­ ной трещиноватости.

С оценкой условий, характеризующих каждую из рас­ смотренных схем, был выполнен корреляционный анализ результатов инструментальных наблюдений (рис. 4.2). Ис­ следовалась зависимость отношения смещений кровли вы­ работки при комбайновом и буровзрывном способах прове­ дения от величины у *H/R .

Достаточно тесная и достоверная связь между исследуе­ мыми величинами получена при степенной зависимости:

K = UK»M6 = J 6 (у.H/R )2 - 11,1Y• H/R + 2,55;

U BBP

где:

UKOM6 смещения кровли выработки при проходке ее

комбайном;

U BBP “ смещения кровли выработки при проходке ее бу­

ровзрывным способом.

Коэффициент корреляции — 0,897. Критерий Фишера — 25,9.

при буровзрывном способе от параметра yH/R

Как видно из рис. 4.2 в условиях, где y -H/R< 0,5, реали­ зуются первая и вторая схемы, а при y-H/R >0,5 имеет

место третья схема деформирования пород. Судя по графи­ ку, граница перехода выработки, пройденной комбайном из области устойчивого состояния в неустойчивое, определяет­ ся величиной y H / R = 0,35-s-0,40, в то время как для выра-

ботки, пройденной буровзрывным способом, эта граница определяется значением параметра y H/R = 0,25. Следова­ тельно, комбайновый способ проведения расширяет диапа­ зон горно-геологических условий, в которых выработка бу­ дет находиться в устойчивом состоянии.

Зависимость 4.7 позволяет, используя известные методы расчета проявлений горного давления, справедливые для буровзрывного способа проходки, прогнозировать сме­ щения контура выработок, пройденных комбайновым спосо­ бом:

UKOM6 “ К UBBP;

Достоверность предложенного подхода была проверена путем сравнения расчетных значений смещений в выработ­ ках, проходимых комбайновым способом с фактическими, замеренными в натуре. Среднее квадратичное отклонение вычисленных по формуле 4.8 значений от фактических не превысило 18,4 %, что вполне приемлемо для практики.

Учет особенностей влияния комбайновой проходки на ус­ тойчивость выработок позволит, с одной стороны, расши­ рить область применения более экономичных и менее тру­ доемких в возведении облегченных конструкций крепи (на- брызг-бетонная, анкерная и др.), а с другой стороны, в сложных геомеханических условиях путем применения бо­ лее податливых конструкций крепи избежать ненужных за­ трат на перекрепление.

Как отмечается многими авторами [36, 63, 108], величины смещений породного контура одной и той же горной выра­ ботки значительно различаются по ее длине. Результаты наблюдений за смещениями породного контура восточного полевого откаточного штрека шахты "Ворошилов-градская № Г' (Украина) показали, что смещения кровли штрека по его длине изменяются от 110 мм до 620 мм, то есть отдель­ ные участки выработки находятся в породах II, III и IV кате­ горий устойчивости. Одни авторы [36] считают, что вариа­ ция колебания величины смещений по длине выработки со­ ставляет в среднем ±30 %, а другие [108] указывают на си­

нусоидальный характер величин смещений в подготовитель­ ных выработках.

Очевидно, что в основном, смещения породного контура одной горизонтальной горной выработки определяются фи­ зико-механическими свойствами пересекаемого ею массива горных пород. Если на своем протяжении выработка пере­ секает различные типы пород, имеющие различные свойст­ ва, то, естественно, и смещения ее породного контура будут зависеть от свойств пород, прежде всего от их прочности, угла внутреннего трения, модуля деформации и запредель­ ных характеристик. Так как эти характеристики для разных типов пород различны, то и смещения породного контура выработки могут изменяться в 8 10 раз и более. Это же относится и к случаям, когда выработка пересекает геологи­ ческие нарушения или водонасыщенные породы. В таких местах свойства пород сильно изменяются, что вызывает и изменения смещений породного контура.

В рассматриваемых случаях закономерностей изменения смещений по длине не наблюдается и их величина может быть определена только построением геологического разреза по трассе выработки, разбивки ее на участки, расположен­ ные в однотипных горных породах, определения физико­ механических характеристик пород каждого участка с по­ следующим расчетом смещений контура по каждому участ­ ку.

Если выработка проходится в однородных породах, то и в этом случае будет иметь место изменение их физико­ механических свойств по длине выработки. Даже при испы­ тании образцов пород, взятых из одного керна, мы получаем разброс показателей их свойств и в дальнейшем оперируем средней величиной этого показателя, например, прочности на одноосное сжатие, определенного с той или иной степе­ нью достоверности. Необходимо учитывать, что свойства массива горных пород в различных точках, даже сложенного одними породами, будут еще более отличаться друг от друга, чем свойства образцов пород, взятых из этого массива. Это происходит в силу действия масштабного эффекта, наличия анизотропии свойств пород и трещиноватости естественного и искусственного происхождения в самом породном масси-

ве. Поэтому физико-механические свойства однородного массива горных пород вмещающего выработку, по ее длине будут отличаться.

Внешним проявлением этих отличий будут различные смещения породного контура горной выработки по ее длине. Для количественной оценки разницы смещений можно ис­ пользовать данные замерных станций с контурными репе­ рами, установленными в различных сечениях одной и той же выработки. Для этого определяется средняя квадратичная величина относительных значений разброса смещений, оп­ ределенных в различных сечениях выработки.

С этой целью были проанализированы шахтные инстру­ ментальные наблюдения за смещениями кровли и боков 6 выработок, проходка которых осуществлялась в различных геомеханических условиях. В двух сечениях каждой выра­ ботки устанавливались репера. Данные по определению смещений кровли и боков выработок и нахождение средней квадратичной величины относительных значений разброса смещений кровли и боков приведены в табл 4.3. и 4.4.

Средняя квадратичная величина относительных значений разности смещений составила для кровли 12,5 %, а для боков 22,9 %. Эти разбросы примерно одинаковы для каждого бока, следовательно, средняя квадратичная величина раз­

Так как величина среднего квадратичного отклонения включает в себя только 68 % возможных случаев, а ее двой­ ная величина — 95 %, то с достаточной степенью достовер­ ности можно принять для кровли выработки значение раз­ броса смещений ± 25 %, а для боков выработки! 32 %.

При расположении горных выработок в породах II-IV ка­ тегорий устойчивости, когда смещения породного контура достигают 200 - 500 мм и более, эта разница в смещениях будет составлять для II категории - до 100 мм, для III катего­ рии до 250 мм и для IV категории - более 250 мм, т.е. в одно­ родных породах этих категорий устойчивости целесообразно применение различных конструкций крепи.

§ 4.3. Анализ аналитических исследований геомеханических процессов вокруг горных выработок

Аналитические методы исследований обладают наиболь­ шей общностью при описании механических процессов в породных массивах, так как свободны от влияния частных факторов, отражающих специфику геомеханической ситуа­ ции. В связи с этим они имеют приоритетное значение при разработке структурной модели "массив - технология - под­ земное сооружение", при проектировании и строительстве горных выработок в сложных геомеханических условиях.

Научно обоснованные представления о закономерностях формирования и реализации механических процессов в по­ родных массивах при строительстве горных выработок сло­ жились благодаря исследованиям К.М. Ардашева, Б.З. Амусина, И.В. Баклашова, Н.С. Булычева, М.Н. Гелескула, В.Т. Глушко, В.П. Ершова, Ю.З. Заславского, Б.А. Картозия, К.В. Кошелева, Ю.М. Либермана, Г.Г. Литвинского, А.П. Макси­ мова, В.М. Мосткова, Л.Н. Насонова, А Г. Протосени, В.Л. Попова, Г.Л. Фисенко, И.Л. Черняка и других ученых.

В качестве аналитических методов исследования геомеха­ нических процессов в породных массивах наиболее широкое распространение получили методы механики сплошной сре­ ды. В последние годы с появлением "жестких" прессов при аналитических исследованиях геомеханических процессов появилась возможность использовать механические свойства горных пород за пределом прочности [5, 21], что позволяет описать геомеханические процессы вокруг горных вырабо­ ток на любой стадии деформирования массива пород.

Окружающие выработку породы имеют ограниченную несущую способность, т.е. способность сопротивляться уве­ личению напряжений и могут деформироваться без разру­ шения в определенных пределах. Следствием сформировав­ шегося в результате проведения выработок нового напря­ женно-деформированного состояния могут быть процессы разрушения горных пород. В результате вокруг выработки образуются области запредельного состояния и полного раз­ рушения пород, которые могут охватывать весь контур вы-