книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

работки или отдельные его части. Деформируемость разру­ шенных пород повышается, а это в свою очередь вызывает значительное увеличение смещений породного контура.

Таким образом, образование в породном массиве частич­ но или полностью разрушенных областей пород является одной из форм реализации механических процессов дефор­ мирования пород или, как принято говорить, одной из форм проявления горного давления. Знание основных закономер­ ностей разрушения пород вокруг выработок необходимо для качественной и количественной оценки возможных прояв­ лений горного давления, а следовательно и научно-обос­ нованного выбора способов и средств борьбы с этими про­ явлениями.

Качественная и количественная характеристика реализа­ ции механических процессов определяется следующими факторами:

•физико-механическими свойствами горных пород и

структурно-механическими особенностями породного массива (прочность, деформируемость, пористость, трещиноватость, влагоемкость, начальное напряженнодеформированное состояние пород и др.); закономерностями поведения пород под нагрузкой (нелинейность деформирования, проявление реологи­ ческих процессов, особенности деформирования за пределом прочности, время действия нагрузки); способом проходки и организационно-техническими решениями при строительстве горных выработок (комбайновый способ проходки, буровзрывные рабо­ ты, форма и размеры поперечного сечения, отставание постоянной крепи от забоя, уступный забой, двойная проходка и др.); взаимосвязью технологических, гидрогеологических,

геомеханических и газодинамических процессов при строительстве горных выработок.

В хрупкоразрушающихся породах образование области предельного равновесия может привести к нарушению сплошности массива на внешней границе этой области. В процессе разрушения изменяются механические характери­ стики пород в области предельного равновесия и, в частно-

261

В зависимости от уровня деформирования породы могут находиться в допредельном, запредельном и состоянии пол­ ного разрушения. В качестве геомеханической модели в данном случае используется модель сплошного линейнодеформируемого однородного массива с равнокомпонент­ ным начальным напряженным состоянием, нагруженную на

ния выработки).

В общем случае вокруг выработки образуются три харак­ терные области.

1. Область полного разрушения пород (остаточной проч­ ности) с внешней границей гр; заключенные в ней породы в

результате разрушения потеряли связанность и перешли в состояние близкое к сыпучей среде.

2. Область запредельного состояния, характеризуемая прочностной и деформационной неоднородностью, так как породы разрушены неравномерно: от максимального разру­ шения на внутренней границе области гр до ненарушенного

состояния на внешней границе гп, процесс деформирования

в этой области сопровождается объемным расширением по­ род.

3. Область допредельного состояния, когда максимальная сопротивляемость породы не достигнута и объемные изме­ нения породы при ее деформировании на границе гп прак­ тически равны нулю.

В случае наличия вокруг выработки всех трех областей,

R„ - радиус выработки в проходке;

гп<1, смещения породного контура выработки определяются из выражения:

(4.17)

а гп в этом случае определяется из уравнения:

(4.18)

Анализ зависимостей распределения смещений в окрест­ ностях выработки показывает, что в случае образования об­ ласти полного разрушения пород кривая распределения U вблизи контура выработки становится более крутой. Это подтверждает достоверность теоретических результатов, полученных при использовании теории запредельного де­ формирования горных пород.

Характер протекания механических процессов разруше­ ния пород и их интенсивность зависит от целого ряда фак­ торов. Так размеры области разрушения пород зависят от

параметра £ , определяющего соотношение модулей дефор­ мации в запредельном и допредельном состояниях. С увели­ чением этого соотношения, при прочих равных условиях, радиус области полного разрушения пород гр увеличивает­

ся. Качественно аналогичное влияние оказывает коэффици­ ент поперечной деформации в запредельном состоянии 0 :

чем больше его значение, т.е. чем больше объемное разрых­ ление породы, тем больше размер области разрушения.

С целью определения качественного и количественного влияния физико-механических характеристик горных пород и анализа модели взаимодействия крепи выработок с пород­ ным массивом были отобраны образцы горных пород и про­ ведены их испытания на "жестком" прессе. После обработки результатов их испытаний были получены физико-механи­

ческие характеристики горных пород в допредельном и за­ предельном состояниях.

Кдопредельным характеристикам пород относятся:

•R прочность образца породы на одноосное сжатие, МПа;

Емодуль деформации образца в допредельном со­ стоянии, МПа;

•/л - коэффициент Пуассона.

Кзапредельным характеристикам пород относятся:

•R® - остаточная прочность горных пород на одноосное сжатие МПа;

Е*- модуль спада (модуль деформации в запредельном состоянии), МПа;

•р - коэффициент поперечной деформации.

Помимо этого, определялись необходимые при расчетах:

£ = " коэффициент, показывающий отношение модуля

деформации в запредельном состоянии к модулю деформа­ ции в допредельном состоянии;

X коэффициент, показывающий отношение прочности на одноосное сжатие к остаточной прочности.

Результаты лабораторных испытаний образцов горных пород приведены в табл. 4.5.

С целью выявления степени влияния различных физико­ механических и горнотехнических факторов на величину смещений породного контура выработки был выполнен ана­ лиз полученного аналитического решения. Исследовалась

Графики зависимостей (U/rB) от вышеперечисленных па­ раметров приведены на рис.: 4.3, 4.4, 4.5, 4.6, 4.7 и 4.8.

Анализ полученных зависимостей показал, что в иссле­ дуемом диапазоне геомеханических условий наибольшее влияние на смещения контура выработки оказывает глубина ее расположения. При изменении глубины расположения горной выработки от 450 м до 700 м при прочих равных

Физико-механические характеристики горных пород

боток и расчету крепи" в принципе предусматривают диф­ ференцированный подход к креплению отдельных участков выработки, имеющих более 30 % отклонения прочностных свойств вмещающих пород, однако это условие не реализу­ ется ввиду отсутствия практических рекомендаций.

В настоящей методике изложены предложения по новому подходу к вопросу крепления горных выработок, предусмат­ ривающего применение различных конструкций крепей по длине строящейся выработки в зависимости от конкретной геомеханической ситуации на отдельных ее участках.

В основе такого подхода лежит идея оптимальности пара­ метров крепи, возводимой в конкретных горно-геологи­ ческих условиях [49].

Такой подход предусматривает закрепление выработки по ее длине крепями, имеющими различные характеристики. Таким образом, в процессе строительства выработки мы как бы регулируем несущую способность крепи в зависимости от изменения геомеханических условий, и поэтому, сово­ купность всех типов крепей, установленных по длине выра­ ботки, объединяются общим названием "крепь регулируе­

мого сопротивления" (КРС).

Одним из составляющих условий предлагаемого подхода является непрерывный контроль смещений породного мас­ сива.

Внедрение крепи регулируемого сопротивления позволяет исключить необоснованные запасы прочности крепи на уча­ стках с благоприятными горно-геологическими условиями и предотвратить ее разрушение и перекрепление в неблаго­ приятных условиях за счет своевременного увеличения не­ сущей способности.

Сформулированный новый подход к креплению капи­ тальных горных выработок по существу является основой для разработки гибкой ресурсосберегающей технологии в шахтном и подземном строительстве.

Крепь регулируемого сопротивления представляет собой совокупность отдельных конструкций крепей и их комбина­ ций, устанавливаемых по длине выработки с оптимальными для различных ее участков параметрами, определяемыми на