книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

наблюдения за деформациями металлической арочной податливой крепи.

Определение физико-механических свойств горных по­ род, вмещающих капитальные выработки шахты "Сухо­ дольская-Восточная", производилось с целью получения их количественных значений, необходимых для подстановки в уравнения 4.9 - 4.18 и прогнозирования величины смещений контура выработок. В основном вмещающие горные породы представлены песчаниками, песчанистыми сланцами, глини­ стыми и песчано-глинистыми сланцами. С целью отбора об­ разцов горных пород были выбурены керны в 1-ом южном магистральном откаточном штреке гор. 915 м ПК 110 глуби­ ной 3,2 и в 1-ом северном магистральном откаточном штреке гор. 915 м ПК 106 глубиной 7,7 м. В 1-ом южном штреке керн был выбурен непосредственно в забое выработки, а в первом северном штреке в двухстах метрах от забоя по прошествии 90 суток после проходки. Керны выбуривались станком НКР-ЮОм в кровле выработки, диаметр кернов 5258 мм. Геологический разрез вмещающих пород в 1-ом се­ верном магистральном откаточном штреке приведен на рис. 5.14, а в 1-ом южном магистральном откаточном штреке - на рис. 5.15. После выбуривания, керны были запарафинированы. Из керна (1), выбуренного в 1-ом северном штреке, уда­ лось изготовить 6 образцов, а из керна (2), выбуренного в 1- ом южном штреке - 12 образцов.

Изучение внешнего вида кернов позволило сделать сле­ дующие основные выводы: вмещающие породы являются сильно трещиноватыми, среднее расстояние между трещи­ нами почти по всей длине керна 0,5-2,0 см; глинистый и пес­ чанистый сланец из керна 1, выбуренного через 90 суток после проходки выработки, находится практически в разру­ шенном состоянии на глубине 2,7 м от кровли выработки, что свидетельствует об образовании вокруг нее зоны полно­ стью разрушенных пород; песчаник из кернов 1 и 2 равно­ мерно разбит трещинами на отдельные пластинки, харак­ терные для выбросоопасных пород, независимо от времени выбуривания кернов, то есть от сил статического горного давления он практически не разрушается.

Рис. 5.14. Геологический разрез 1-го северного магистрального откаточ­ ного штрека гор. 915 м ПК 106 в месте выбуривания керна 1 - сланец песча­ нистый; 2 - сланец глинистый 6,0 м; 3 - сланец песчанистый 0,5 м; 4 - песчаник 0,5 м; 5 - сланец песчанистый 1,0 м; 6 - песчаник 0,8 м; 7 - сланец глинистый 1,0 м; 8 - песчаник 8,0 м; 9 - сланец песчанистый

Отобранные образцы горных пород испытывались на "жестком" прессе ПСУ-50 и акустическим методом с помо­ щью дефектоскопа УК-10ПМ. При испытаниях образцов на "жестком" прессе определялись полная диаграмма "напря­ жение-деформация" для образцов пород и следующие физи­ ко-механические характеристики:

R - прочность образца породы на одноосное сжатие, МПа; Rp -прочность образца породы на одноосное растяжение,

МПа;

Ro остаточная прочность горных пород на одноосное сжатие, МПа;

Е - модуль деформации образца в допредельном состоя­ нии, МПа;

Е* - модуль спада (модуль деформации образца в запре­ дельном состоянии), МПа;

X - коэффициент, показывающий отношение R к Ro;

£- коэффициент, показывающий отношение Е‘ к Е; <р - угол внутреннего трения образца породы, град;

ц- коэффициент Пуассона.

Акустическим методом дефектоскопом УК-ЮПМ без раз­ рушения образцов определялись следующие характеристики:

G - модуль сдвига образца породы, МПа;

Результаты определения физико-механических характе­ ристик горных пород, отобранных из керна 1, представлены в табл. 5.3., а из керна II - в табл. 5.4.

Как видно из таблиц, породы являются весьма прочными: средняя прочность песчаника 126-138 МПа, песчанистого сланца 90-110 МПа, песчано-глинистого сланца 78,6 МПа, образцов глинистого сланца изготовить не удалось. Вме­ щающие породы обладают также очень высокой остаточной прочностью: песчаник 28-30 МПа, песчанистый сланец 23-28 МПа. Из анализа этих данных можно сделать важный вывод о том, что определяющую роль в формировании на­ грузки на крепь в данном случае играет очень сильная есте­ ственная трещиноватость вмещающих горных пород.

Нагрузка на крепь в этой ситуации создается в основном не за счет разрушения горных пород вокруг выработки си­ лами горного давления (хотя это тоже имеет место), а за

Физико-механические характеристики пород керна II

счет отделения от массива какой-то его части по системам естественных трещин, являющихся плоскостями ослабления. Такой тип нагрузки крепи трудно поддается определению, так как заранее практически невозможно предсказать, по какой из имеющихся плоскостей ослабления произойдет отделение породы от массива и реализуется в виде вывала.

Полные усредненные графики "напряжение-деформация" образцов горных пород из керна I приведены на рис. 5.16, а из керна II - на рис. 5.17.

Рис. 5.16. График запредельного состояния деформирования образцов горных пород в 1-ом южном магистральном откаточном штреке гор. 915 м ПК 110 1 - песчаник, 2 - песчанистый сланец

рис. 5.18 б. Максимальные смещения репера, установленно­ го на глубине 0,5 м, за время наблюдений 308 суток состави­ ли 69 мм, а репера на глубине 1,5 м - 27 мм. Относительная деформация метрового слоя породы между реперами соста­ вила (69-27)/1000 = 0,042. Из диаграммы "напряжениедеформация" на рис. 5.17 следует, что деформации сланца до предела прочности составляют 0,011-0,012, следовательно, измеренная в натуре величина деформаций вызвана разру­ шением пород в этой зоне и, вследствие этого, увеличением их объема. На рис. 5.19 приведен график смещения боков выработки, которые за время наблюдения составили 138 мм и превысили смещения кровли выработки. Это объясняется тем, что контурные репера в боках выработки заложены в угольном пласте, который в большей мере поддается дефор­ мированию и разрушению. Смещения боков носят зату­ хающий характер и в течение года почти полностью стаби­ лизировались.

На рис. 5.15 б, приведена динамика изменения величины закрепного пространства в 1-ом южном магистральном отка­ точном штреке гор. 915 м. Штрек проходится буровзрывным способом на глубине 915 м по мощному слою трещиноватого песчаника. Сечение штрека в свету 12,5 м2, в проходке 16,0 м2. Крепь АП-3 с плотностью установки 1,25 рамы на 1 метр выработки.

На рис. 5.15 б - I - первоначальное очертание контура вы­ работки, II - очертание контура выработки на 62 сутки после проходки, а III - на 187 сутки. Первоначально максимальная величина закрепного пространства была в точках 9 и 10 и составляла 680 и 600 мм соответственно, минимальная в точ­ ках 7 и 5 - 120 и 215 мм. Средняя величина закрепного про­ странства составила 370 мм, а излишнее сечение штрека 4,6 м2, что составляет 28,8% от сечения штрека вчерне и 36,8% от его сечения в свету, то есть переборы породы составляют примерно треть сечения выработки. С течением времени в точках 7 и 8 произошел вывал породы и величина закрепно­ го пространства в этих точках возросла соответственно с 120 до 270 мм и с 335 до 380 мм. С этим связано и резкое уменьшение величины закрепного пространства в тт. 9, 10, 11, так как в этих местах оно было заполнено породой от

Рис 5.18. Схема установки глубинной реперной станция (а) и смешение глубинных реперов (б) в восточном групповом вентиляционном штреке гор. 915 м ГК 3 (1 - сланец песчанистый; 2 - уголь 1,1 м; 3 - сланец песчанистый 0,8 м; 4 - уголь 0,04 м; 5 - сланец песчанистый)