30.12.2020

Механизм взаимодействия крепи и породного массива


В настоящее время основным средством обеспечения устойчивости подземных горных выработок и поддержания их в пригодном для эксплуатации состоянии является возведение крепи. Крепь находится в сложном взаимодействии с окружающими породами и должна рассматриваться как составная часть единой системы «крепь—массив», состояние которой определяется геомеханическими процессами, вызванными проведением выработки. Параметры взаимодействия этой системы — эпюра смещений и давлений па контакте крепи и массива — являются геомеханическими параметрами крепи (обычно их называют податливостью и несущей способностью крепи).

Рассмотрим механизм взаимодействия крепи с массивом, исходя из последних достижений экспериментальной и теоретической геомеханики.

Характер протекания механических процессов в массиве определяется возникающими в нем напряжениями и физико-механическими свойствами пород.

До проведения выработки в массиве существует естественное (начальное) поле напряжений, которое определяется в основном действием гравитационных сил. В этом случае вертикальная компонента поля напряжений равна yН, а горизонтальная — Л,уН. где у — средневзвешенный удельный вес пород; Н — глубина, на которой находится рассматриваемая точка массива; Лу — коэффициент бокового распора. В настоящее время большинство исследователей полагают, что на достигнутых глубинах разработки коэффициент бокового распора о силу реологических процессов, протекающих в земной коре, близок к единице, и считают естественное поле напряжений гидростатическим.

В отдельных районах с продолжающимися тектоническими процессами или в связи с влиянием структурно-механических особенностей массива гравитационное поле может искажаться и главные напряжения могут отклоняться от вертикали и горизонтали и по величине отличаться от уН в ту или иную сторону.

При проведении выработки в окружающем ее массиве происходит перераспределение напряжений в соответствии с законами механики сплошной среды. При этом о зависимости от соотношения величин возникающих напряжений и механических свойств пород возможно протекание двух типов деформационных процессов:

- массив деформируется в пределах упругости или в нем возникают деформации ползучести, не приводящие к разрушению пород (напряжения не превышают длительной прочности пород);

- массив деформируется с разрушением пород, и вокруг выработки образуется зона неупругих деформаций (действующие напряжения превышают длительную прочность пород).

Наличие вышеуказанных двух типов деформационных процессов подтверждается как теоретическими, так и экспериментальными исследованиями.

Анализ теоретических решений показывает, что упругие деформации вызывают незначительные смешения контура породного обнажения и выработка п этом случае может эксплуатироваться без несущей крепи. В случае образования зоны неупругих деформаций равновесие системы «крепь — массив» наступает при определенных смещениях контура выработки и отпоре крепи, причем, чем больше податливость крепи, тем меньший отпор от нее требуется. Временной характер деформационных процессов объясняется проявлением реологических свойств пород: ползучестью, снижением прочности с течением времени и др.

Сопоставление результатов теоретических решении с фактическими данными, полученными с помощью шахтных инструментальных наблюдений, показывает, что строгие аналитические решения дают правильную качественную картину механизма взаимодействия крепи с вмещающим массивом, в то же время расчетные и фактические количественные показатели этого процесса (смещения контура, отпор крепи) разнятся a 10—100 раз. Последнее объясняется тем, что расчетная схема, закладываемая в аналитическое решение, идеализирует механизм процесса и не учитывает всех факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние массива.

Удачным критерием, характеризующим горно-геологические условии и определяющим качественные и количественные показатели протекающих в массиве горных пород геомеханических процессов, является безразмерный параметр yH/R, представляющий отношение напряжений в нетронутом массиве к прочности пород. Этот параметр в той или иной модификации используется для оценки различных геомеханических ситуаций большинством исследователей.

С целью определения границы, разделяющей области горно-геологических условий, где возможен первый или второй тип деформационных процессов, была произведена статистическая обработка инструментальных наблюдений за смещениями контура выработок u на 56 замерных станциях, расположенных в диапазоне глубин от 100 до 1012 м в породах с пределом прочности при одноосном сжатии 1*1—150 МПа (рис. 1.1).

Из рис. 1.1 видно, что поле корреляции делится на дне области, о пределах которых существует различная корреляционная зависимость.

В области с границами изменения параметра уН/R от 0 до 0,3 смещения невелики и между исследуемыми величинами обнаружена весьма слабая корреляционная связь. При значениях параметра ун/R>0,3 корреляционная связь становится достаточно тесной. Это свидетельствует о качественно разном характере деформационных процессов в этих областях и, следовательно. о различной устойчивости горной выработки.

Зависимость характера деформационных процессов от величины параметра yH/R подтверждают и результаты анализа инструментальных наблюдений за смещениями пород с помощью глубинных реперных станций. На рис. 1.2 показаны характерные графики конечных смещений глубинных реперов для двух вышеуказанных областей горно-геологических условий.

Как видно из рис. 1.2 (кривая 1), в условиях, где параметр yH/R<0,3, смещения пород имеют небольшую величину и постепенно уменьшаются с удалением в глубь массива. В то же время о условиях, где yH/R больше 0,3, величина смещений и характер их изменения с удалением от контура свидетельствуют об увеличении объема пород, вызванном их разрушением (угол наклона кривой смещений к оси абсцисс характеризует степень разрыхления массива). Резкие перегибы на графике свидетельствуют об изменении интенсивности трещиноватости.

Полагая, что смещение порол происходит осесимметрично, можно подсчитать средний коэффициент разрыхления пород между соседними реперами по формуле

где r1 и r2 — расстояния от центра выработки до соседних реперов; u1 и u2 — смещения соответствующих глубинных реперов.

Если смещения пород происходят в виде плоскопараллельного перемещения слоев, формула для подсчета коэффициента разрыхления будет иметь вид

где b — расстояние между соседними глубинными реперами.

Для измеренных в натуре величин смещений глубинных реперов различие в значениях коэффициентов разрыхления, подсчитанных по формулам (1.1) и (1.2), не превышает 10%.

На рис. 1.3 для условий с параметром yH/R больше 0,3 представлены характерные графики изменения коэффициента разрыхления пород кровли по участкам между глубинными реперами, из которых видно, что коэффициент разрыхления, максимальный у контура выработки, с удалением от него в глубь массива уменьшается, стремясь к единице. Вокруг выработок существует зона шириной 1,5—2 м, породы в которой максимально разрыхлены. Средний коэффициент разрыхления пород в этой зоне составляет 1,06—1,10.

Для изучения процессов разрушения пород вокруг выработок кроме описанных выше косвенных методов, основанных на обработке и анализе результатов инструментальных наблюдений за смещениями массива, использовались визуальные обследования породных обнажений на участках расширения или пере-крепления выработок, осмотр и фотографирование стенок скважин с помощью перископической трубы типа РВП, исследования трещиноватости пород приконтурной зоны радиоволновым прибором КИТ (конструкции лаборатории подземных сооружений при МакНИИ). Исследования деформационных процессов, связанных с разрушением пород, производились в Донбассе в выработках шахт им. Поченкова, им. Бажанова, «Прогресс», им. газеты «Социалистический Донбасс», им. Засядько, им. Стаханова, «Южно-Донбасская» № 3 и др. Анализ полученных результатов показал, что в условиях, где параметр уН/R больше 0,3, процесс трещинообразования в приконтурном массиве развивается во времени следующим образом. Сразу же после проведения выработки на расстоянии до 0,5—I м от ее контура образуется система микротрещин, вызванных буровзрывными работами. Эти микротрещины имеют самые различные направления. но преобладают трещины радиальные по отношению к оси выработки и параллельные ее стенкам. В дальнейшем происходит раскрытие микротрещин, вызванных буровзрывными работами, и образование новых.

Если вмещающие породы однородны, то трещины разрушения образуются под углом 30—40° к контуру. Такой характер трещиноватости обычно наблюдается вокруг выработок, расположенных вкрест простирания пород.

Слоистые породы чаще разрушаются в виде расслоений и Сдвигов по плоскостям напластования или раскрытий кливажных трещин. Размер получаемых при этом отдельностей предопределяется слоистостью пород и интенсивностью кливажных трещин. Такие деформации пород характерны для выработок, расположенных по простиранию.

С течением времени вокруг выработки образуется зона интенсивной трещиноватости шириной от 1 до 3 м. Расстояние между трещинами этой зоны колеблется от нескольких до десятков сантиметров в зависимости от прочности и степени слоистости пород, наличия кливажных трещин, глубины расположения выработки, направления ее относительно напластования, паспорта буровзрывных работ и других факторов. Массив разбивается на отдельные куски и блоки. Раскрытие отдельных трещин может достигать нескольких миллиметров.

За зоной интенсивной трещиноватости со временем появляются отдельные микротрещины с раскрытием, не превышающим десятых долей миллиметра. Такие микротрещины были зафиксированы на расстоянии до 6 м от контура выработки. На рис. 1.4 показана характерная диаграмма изменения трещиноватости с удалением от контура выработки, полученная с помощью радиоволнового прибора КИТ.
Механизм взаимодействия крепи и породного массива

В условиях, где параметр уН/R < 0,3, деформации пород вокруг выработок происходят без заметного разрушения и развития трещинообразования. Отдельные мелкие трещины с раскрытием на доли миллиметра, зафиксированные при первом наблюдении на расстоянии до 0,5—1 м от контура выработки, были вызваны буровзрывными работами. Как показали дальнейшие наблюдения, раскрытия этих трещин со временем, практически, не происходит.

Приведенные результаты инструментальных наблюдений получены в выработках, проводившихся с помощью буровзрывных работ. Поэтому вытекающие из них выводы корректны только для выработок, провидимых этим способом. Так как объемы комбайновой проходки с каждым годом увеличиваются, то целесообразно рассмотреть вопрос о влиянии способа проведения выработки на геомеханические процессы, протекающие вокруг нее.

С точки зрения геомеханики и влияния на устойчивость выработки специфика комбайнового способа проведения по сравнению с буровзрывным заключается в том, что, во-первых, при выемке породной массы рабочим органом комбайна получается более гладкий и правильный контур породного обнажения и, во-вторых, приконтурный массив практически не нарушается (отсутствует технологическая трещиноватость, свойственная буровзрывному способу, которая по данным визуальных наблюдений с помощью перископической трубы РВП и исследований приконтурного массива с помощью радиоволнового прибора КИТ распространяется в глубь массива на 0,3—1,5 м).

Влияние первого фактора на устойчивость выработки исследовано достаточно полно. Неровности поверхности породного обнажения обусловливают концентрацию напряжений у контура выработки, отличную от концентрации при гладком контуре. Очевидно, это будет иметь значение для выработок, эксплуатирующихся без крепи или закрепленных ограждающими конструкциями (сеткой, набрызгбетоном и т. д.). Если же говорить о смещениях, то неровности контура не могут существенным образом повлиять на их величину.

Основная опасность плохого оконтуривания выработок заключается в передаче сосредоточенных нагрузок на подпорные крепи в местах выступов. Пустоты, возникающие по той же причине, могут обусловливать динамические нагрузки на крепь, возникающие в результате образования вывалов пород кровли. Таким образом, с точки зрения влияния первого фактора комбайновый способ проходки улучшает условия работы крепи и повышает устойчивость выработок.

О влиянии второго фактора (технологической трещиноватости) на устойчивость выработок существуют противоречивые мнения, что объясняется двойственной ролью, которую играют трещины от буровзрывных работ. Так, с одной стороны, разрушение взрывом породы сами по себе менее устойчивы и в процессе деформации реализуют на контуре большие смещения, чем монолитные (за счет эффекта разрыъхления). А с другой стороны, разрушенные породы уже разгружены от напряжений и участвуют вместе с крепью в системе сил, противодействующих смещениям массива, а деформации контура, вызванные разрушением пород при взрыве, реализуются еще до установки крепи.

И.Б. Баклашов и Б.А. Кзртозия оценивали влияние технологической трещиноватости путем использования в аналитическом решении уменьшенного модуля деформаций для пород приконтурной зоны, и это привело к выводу, что технологическая трещиноватость увеличивает смещения контура.

Экспериментальные данные, полученные при шахтных инструментальных наблюдениях, показали, что в одних условиях комбайновый способ проходки улучшает состояние выработок но сравнению с буровзрывным способом, в других — смещения контура при обеих способах оказались одинаковыми, в третьих — ухудшает состояние выработок.

Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных исследований для оценки влияния способа проходки на устойчивость выработки показал, что существующие различные точки зрения на роль технологической трещиноватости в процессе взаимодействия крепи с массивом имеют право на существование и не противоречат друг другу. В зависимости от горногеологических условий (характеризуемых параметром уH/R) можно выделить три характерные ситуации, в которых один из рассматриваемых способов проведения выработки будет иметь преимущества с точки зрения ее устойчивости.

Первая ситуация соответствует условиям, когда действующие напряжения на контуре пройденной выработки меньше длительной прочности вмещающих пород. В этом случае при любом способе проведения смещения контура породного обнажения определяются упруго-ползучими деформациями, массива и выработка находится в устойчивом состоянии.

Технологические трещины, возникающие вокруг выработки при буровзрывных работах, в условиях малых действующих напряжений не получают дальнейшего развития и могут инициировать небольшие локальные вывалы породы. Кроме того, технологическая трещиноватость снижает модуль деформируемости пород приконтурной зоны, в результате чего упруго-ползучие деформации контура при буровзрывной выемке получаются в 1,2—2 раза большими, чем при комбайновой.

Вторая ситуация будет иметь место в условиях, где действующие напряжения сопоставимы с прочностью пород. В этом случае, если напряжения не превысят длительную прочность породного массива, выработка при любом способе проведения будет находиться в устойчивом состоянии, но комбайновый способ, как и в предыдущей ситуации, будет иметь некоторые преимущества по сравнению с буровзрывным. Кроме того, поскольку технологическая трещиноватостъ снижает прочность приконтурного массива, диапазон горно-геологических условий, в которых выработка будет устойчивой, при буровзрывном способе проведения сужается.

В случае, когда действующие напряжения незначительно превышают длительную прочность породного массива, в обоих случаях вокруг выработки с течением времени развивается зона неупругих деформаций. При этом технологические трещины, вызванные взрывными работами, с течением времени раскрываются. Вокруг выработки формируется зона интенсивной трещиноватости, породы в которой увеличиваются в объеме, что вызывает дополнительные смещения контура. В этих же условиях при комбайновом способе проходки начальные трещины в массиве отсутствуют и поэтому процесс образования зоны неупругих деформаций не сопровождается таким интенсивным разрыхлением пород вокруг выработки. Следовательно, смещения контура в этих условиях при комбайновом способе проходки будут меньшими, чем при буровзрывном.

Наибольший интерес представляет третья ситуация, когда действующие напряжения в приконтурном массиве существенно превышают прочность пород и последние будут разрушаться независимо от способа проведения выработки. В такой ситуации технологические трещины могут играть положительную роль, так как они способствуют разгрузке вмещающего массива и реализации части смещений контура еще до установки крепи. Характерным для рассматриваемого случая является образование вокруг выработки, пройденной буровзрывным способом, зоны интенсивной трещиноватости. Смещения контура выработки в этом случае определяются упруго-ползучими деформациями массива и разрыхлением пород в зоне интенсивной трещиноватости.

В этих же условиях при комбайновом способе проходки процесс разрушения и трещинообразования вокруг выработки будет протекать постепенно; зона неупругих деформаций, а значит, и смещения контура формируются более длительное время, чем при буровзрывном способе. Следовательно, в данной ситуации буровзрывной способ с позиций проявлений горного давления может оказаться более благоприятным, чем комбайновый, так как смещения, воспринимаемые крепью, в этом случае могут оказаться меньшими.

Аналогичные выводы можно сделать, анализируя третью ситуацию с энергетических позиций.

Если обозначить Q энергию массива, которая должна реализоваться в результате проведения выработки, то при комбайновом способе проходки она реализуется постепенно по мере отхода забоя и проявления реологических свойств породы. При буровзрывном способе проходки часть этой энергии Qр реализуется мгновенно, а остаток Q—Qр, как и при проходке комбайнами, — постепенно (эту часть мы и наблюдаем в виде проявлений горного давления).

В этом случае можно говорить о том, что в определенных условиях комбайновый способ проведения выработки по сравнению с буровзрывным дает большие смещения породного контура и ухудшает условия работы крепи. Вышесказанное хорошо иллюстрируется графиками развития смещений во времени, представленными на рис. 1.5. При меньших полных смещениях uк контура, при комбайновом способе проведения, смещения, получаемые на замерных станциях uзк и воспринимаемые крепью uкк, будут большими, чем при буровзрывном способе (uзБВР, uкБВР).

Рассмотренный выше механизм влияния способа проведения выработки на характер протекающих вокруг нее деформационных процессов подтверждается шахтными инструментальными наблюдениями.

С целью количественной оценки границ горно-геологических условий, в которых имеет место та или иная из трех рассмотренных выше ситуаций, выполнен корреляционный анализ результатов инструментальных наблюдений за смещениями контура выработок, пройденных различными способами. Исследовалась зависимость отношения безразмерных смещений кровли выработки при комбайновом (uком) и буровзрывном (uБВР) способах ее проведения от параметра уН/R (рис. 1.6).

Достаточно тесная и достоверная связь между исследуемыми величинами (коэффициент корреляции — 0,89, критерий Фишеpa — 25,9) обеспечивается аппроксимацией зависимостью

На основании выполненных исследований влияния способа проведения выработки на ее устойчивость можно сделать следующие выводы:

- способ проведения горной выработки существенно сказывается на ее устойчивости, поэтому при использовании известных методов прогноза смещений (полученных для буровзрывного способа проведения) для выработок, проходимых комбайном, следует пользоваться корректирующим коэффициентом, определяемым по уравнению (1.3);

- граница перехода от условий, где выработка будет устойчива, к условиям ее неустойчивого состояния для комбайнового способа проведения составляет уH/R = 0,35-0,4, а для буровзрывного — yH/R = 0,3;

- в диапазоне горно-геологических условий, характеризуемых параметром yH/R меньше 0,5, выработки, пройденные комбайном, более устойчивы по сравнению с выработками, пройденными с помощью буровзрывных работ, что расширяет область применения облегченных крепей;

- в условиях, где yH/R больше 0,5, при комбайновом способе необходимо применять крепи повышенной податливости (по сравнению с крепями, применяемыми в выработках, пройденных буровзрывным способом) и предусматривать соответствующий запас сечения выработки на большую осадку.

Рассмотренные выше характерные типы деформационных процессов, связанные с различными условиями проведения выработок, определяют и разный механизм процесса взаимодействия крепи с массивом.

В устойчивых породах, когда напряжения не превышают длительной прочности пород, а их деформации не выходят за пределы упругоползучих, породный контур является устойчивым и крепь как несущая конструкция не нужна. На малых глубинах при небольших значениях коэффициента бокового распора в кровле и почве возникают растягивающие напряжения, которым плохо противостоят породы. В результате в кровле образуется свод из разрушенных пород, которые своей массой нагружают крепь.

В условиях, где напряжения, возникающие в породах, превышают их длительную прочность, вокруг выработки образуется зона неупругих деформаций. Разрыхление пород при их разрушении вызывает большие смещения контура, которые могут достигать нескольких десятков сантиметров. В этом случае крепь должна обладать податливостью, давая возможность породам смещаться, иначе она будет разрушена.

Крепь, обладающая податливостью, «уходит» от давления, давая возможность образоваться вокруг выработки зоне неупругих деформаций. Образование этой зоны происходит с понижением в ней напряжений. Такая зона пониженных напряжений работает как несущая конструкция, участвуя вместе с крепью в системе сил, противодействующих распространению неупругих деформаций в массиве. В этом случае крепь как бы является подпорной стенкой для пород неупругой зоны. При определенном соотношении смещения контура (размера зоны неупругих деформаций) и отпора крепи наступает равновесие системы «крепь — массив». Следует отметить, что сопротивление податливой крепи при этом должно быть достаточно высоким, чтобы создать необходимый подпор для удержания пород зоны неупругих деформаций. В случае применения податливых крепей с малым сопротивлением зона неупругих деформаций может развиться до таких размеров, что масса пород в ней может превысить несущую способность крепи и разрушить выработку.

В общем случае на формирование нагрузки на крепь, кроме геомеханических факторов, важную роль играет и ряд конструктивно-технологических: время возведения крепи по отношению к проходке, жесткость конструкции, размеры и форма сечения выработки и др.

Возведение крепи с отставанием от проходческого забоя позволяет снизить требуемую ее податливость и несущую способность, однако при большом отставании могут произойти чрезмерные расслоения пород и образоваться большие вывалы в кровле.

Эпюра давлений, формирующаяся по контуру крепи, и возникающие в крепи усилия зависят от ее деформируемости и коэффициента постели вмещающих пород. Как известно, деформируемость конструкции определяется ее жесткостью EI (произведение модуля упругости материала E на момент инерции сечения I). Чем большей деформируемостью обладает конструкция (т. е. чем меньше ее жесткость) и чем больше коэффициент постели вмещающей среды, тем в большей степени усиливается роль упругого отпора пород и равномернее по периметру распределяется внешняя нагрузка и внутренние усилия.

В практике крепления подземных сооружений часто этого обстоятельства не учитывают и для повышения несущей способности крепи увеличивают ее толщину, отождествляя при этом крепь, работающую в условиях упругого отпора пород, с наземной конструкцией, расчет которой ведется на заданные нагрузки.

Исходя из рассмотренного выше механизма взаимодействия системы «крепь — массив» в различных горно-геологических условиях, можно выделить два основных режима работы крепи в этой системе: режим заданной нагрузки и режим взаимовлияющей деформации.

Режим заданной нагрузки имеет место, когда давление на крепь определяется массой пород, отслоившихся от массива, и не зависит от деформаций породного контура и крепи. Поэтому такой режим иногда называют независимым.

Режим взаимовлияющей деформации предполагает совместную работу крепи и массива, при которой нагрузка на крепь определяется ее деформацией в процессе взаимодействия со смещающимся массивом.

Указанные выше режимы могут чередоваться и комбинироваться. Так, вначале крепь может поддерживать только отслоившиеся породы кровли и работать в режиме заданной нагрузки, а затем, в связи с нарастанием деформаций вышележащих слоев (вызванных, например, приближающимися очистными работами), перейти в режим взаимовлияющей деформации. При большой податливости крепи режим взаимовлияющей деформации может перейти в режим заданной нагрузки.

Для крепи, работающей в режиме заданной нагрузки, единственным геомеханическим параметром является ее несущая способность.

Для крепи, работающей в режиме взаимовлияющей деформации, основными параметрами являются податливость и несущая способность, которые можно получить, рассчитав ожидаемые смещения контура при определенном сопротивлении крепи, оказывающем противодействие этим смещениям.

На современном уровне развития геомеханики строгие аналитические решения задачи о взаимодействии системы «крепь — массив», выполняемые методами механики сплошной среды, дают смещения и нагрузки, сильно отличающиеся от получаемых в натуре. Поэтому в настоящее время большой практический смысл приобретают аналитико-эксперимеитальные (инженерные) методы расчета параметров крепи, основанные на комбинации аналитических решений .и результатов шахтных инструментальных наблюдений. Они разрабатываются для конкретных горно-геологических условий и позволяют эффективно-решать практические задачи геомехапики.





Яндекс.Метрика