Механизм работы крепи, использующей несущую способность заинъектированного массива
Предпосылкой для создания крепей, основанных на использовании несущей способности заинъектированных пород, является положительный отечественный и зарубежный опыт применения тампонажа закрепного пространства и инъекции скрепляющих составов в приконтурный массив для повышения устойчивости выработок. Этот способ оказался весьма эффективным средством обеспечения устойчивости породных обнажений в самом широком диапазоне горнотехнических условий: во вновь проходимых выработках, вокруг которых образуется область трещиноватых, разрушенных пород; в выработках, сооружаемых в зонах геологических нарушений; в эксплуатирующихся выработках, крепь которых продолжает деформироваться в связи с продолжающимися сдвижениями пород; в ремонтируемых и перекрепляемых выработках.
Необходимым условием применения инъекционного упрочнения пород является наличие вокруг выработки трещиноватой зоны. Причинами, вызывающими разрушение скальных массивов, могут быть: тектонические процессы, формирующие зоны геологических нарушений, технологические воздействия на массив при проведении выработок и геомеханические процессы, в результате которых вокруг выработок развивается зона неупругих деформаций. В этом случае, говоря об упрочнении пород, имеют в виду восстановление их естественной прочности.
Как показывает практика, даже обычное заполнение пустот закрепного пространства песчано-цементным раствором (тампонаж) существенным образом повышает устойчивость выработок. Последнее объясняется, с одной стороны, улучшением загружения и условий работы крепи, а с другой — усилением самойконструкции.
С целью оценки влияния тампонажа закрепного пространства на несущую способность крепи были выполнены статические расчеты конструкций, получивших наиболее широкое применение для крепления основных горных выработок:
- металлобетонной из двутавровых арок № 16 и бетонного заполнения толщиной 220 мм; плотность установки одна и две рамы на 1 м выработки; площадь сечения, в свету Sсв=9,3 м2;
- металлобетонной из двутавровых арок № 20 и бетонного заполнения толщиной 240 мм; плотность установки — одна и две рамы на 1 м выработки; площадь сечения в свету Sсв=13,2 м2;
арочной, податливой из спецпрофиля СВП-22 с железобетонной затяжкой; плотность установки — одна и две рамы на 1 м выработки; площадь сечения в свету Sсв=9,3 м2;
арочной, податливой из спецпрофиля СВП-33 с железобетонной затяжкой; плотность установки — одна и две рамы на 1 м выработки; площадь сечения в свету Sсв=13,2 м2.
Выбор расчетной схемы производился исходя из следующих положений: взаимодействие крепи с окружающей средой проявляется в виде активной нагрузки на крепь; совместная работа крепи с окружающими породами учитывается при статическом расчете в виде реакции упругого Винклеровского основания по контуру крепи, которое характеризуется коэффициентом постели К.
Рассмотренным выше положениям в наибольшей степени отвечает известный метод статического расчета подземных конструкций Бодрова — Матэри, модифицированный Южгипрошахтом (рис. 3.18). Он позволяет учитывать сцепление крепи с породой, появляющееся в результате тампонажа закрепного пространства вследствие введения по контуру (на концах прямолинейных элементов) дополнительных упругих стержней (K0, Kn, Ki).
Распределенная по периметру нагрузка q прикладывается в узлах (1, 2, 5, i) в виде сосредоточенных сил Pi и Ti. Если касательные усилия превышают силы сцепления тампонажного камня с породой, то происходит срез и по контуру действуют только усилия, определяемые коэффициентом трения.
Рассмотренные выше конструкции крепей рассчитывались при двух статических схемах загружения (Л1=0, Л1=0,5) для случаев, когда тампонаж закрепного пространства отсутствует и когда толщина тампонажного слоя составляет 300, 400, 500 мм.
Физико-механические характеристики материала крепи были приняты следующими: марка бетона Rб 150, модуль упругости бетона Еб=2,1*10в5 МПа, марка тампонажного камня Rт 100, модуль упругости тампонажного камня Ет=0,95*10в5 МПа, коэффициент постели затампонированных пород K=500 МН/м3.
Окончательные результаты расчетов несущей способности крепи, выполненных на ЭВМ, приведены в табл. 3.11 и 3.12. Для сравнительной оценки величина несущей способности конструкции крепи с тампонажем закрепного пространства сопоставлялась с несущей способностью той же крепи без тампонажа. Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы:
-тампонажный слой в 30 см повышает несущую способность металлобетонной крепи в 2,2—3,8 раза;
- каждое последующее увеличение толщины тампонажного слоя на 10 см увеличивает, несущую способность на 20—50%;
- арочная податливая крепь из спецпрофиля с железобетонной затяжкой (с одной рамой на метр выработки) с последующим тампонажем закрепного пространства толщиной 30 см в зависимости от сечения выработки и эпюры загружения имеет несущую способность в 1,4—2,6 раза большую по сравнению с традиционной металлобетонной крепью из двутавра при одной раме на 1 м выработки и в 1,2—1,6 раза большую по сравнению с той же крепью при двух рамах на 1 м выработки.
Таким образом, выполненные расчеты количественно подтвердили эффективность применения тампонажа закрепного пространства как средства повышения несущей способности традиционных крепей, а следовательно, и устойчивости выработок. Доказано, что увеличение числа рам незначительно увеличивает несущую способность крепи и менее эффективно, чем тампонаж закрепного пространства. По несущей способности крепь с железобетонной затяжкой и последующим тампонажем закрепного пространства может заменить нетехнологичную и трудоемкую металлобетонную крепь из двутавра.
Однако эффективность тампонажа объясняется не только повышением несущей способности крепи. Проводившееся на ряде шахт по технологическим соображениям расширение сечения отдельных участков выработок, где был выполнен тампонаж закрепного пространства, показало, что цементно-песчаный раствор проникает в трещины приконтурного массива на глубину до 0,5—0,8 м. Следовательно, даже при обычном тампонаже под давлением, не превышающим 0,2 МПа, происходит упрочнение пород приконтурной зоны, в результате чего повышается устойчивость всего породного обнажения.
Более эффективным средством с точки зрения влияния на устойчивость породных обнажений является глубинная инъекция скрепляющих растворов в приконтурный массив, которая производится на глубину 1,5—3 м под давлением до 3 МПа. В результате скрепления трещиноватых пород зоны неупругих деформаций вокруг выработки образуется своего рода породобетонная оболочка — крепь, которая может существенным образом повлиять, на геомеханические процессы, протекающие вокруг выработки.
С целью ориентировочного анализа влияния инъекционного упрочнения пород зоны неупругих деформаций на геомеханические параметры взаимодействия системы «крепь — массив» решалась осесимметричная упруго-пластическая задача механики сплошной среды в следующей постановке (рис. 3.19):
- массив принят однородный, изотропный, природное поле напряжений гидростатическое;
- породы, в зоне неупругих деформаций описываются прямолинейной предельной огибающей кругов Мора, с переменным коэффициентом сцепления пород:
где Л'=cosp/(1—sinр); Cr — коэффициент сцепления породы как функция расстояния от центра выработки;
- по контуру выработки действует равномерно-распределенный отпор крепи q;
- оболочка упрочненных пород представляет собой однородную изотропную среду, характеризующуюся пределом прочности при одноосном сжатии Rу и работающую в упругой стадии.
Вначале рассмотрим отдельно работу кольца из упрочненных пород, загруженного по внешнему контуру равномерной нагрузкой, равной его несущей способности. В этом случае компоненты напряжений согласно решению Лямэ
где r — текущий радиус.
Как видно из уравнений (3.14), с удалением в глубь массива условия работы пород улучшаются, так как их напряженное состояние становится объемным. Следовательно, если исходить из равнопрочности кольца по его ширине, требуемая прочность затампонированных пород с удалением от контура может уменьшаться. Используя прямолинейную огибающую предельных кругов Мора, условие переменной прочности пород по радиальному направлению можно записать в виде
где R(r) — прочность заинъектированных пород как функция расстояния от центра выработки.
В нашем случае кольцо будет равнопрочным по всей ширине, если в каждой точке круг Мора, построенный по уравнениям (3.14), будет предельным, т. е.
Преобразуя уравнение (3.16), получаем выражение
показывающее закон возможного изменения прочности пород по заинъектированной зоне. Из графиков, показанных на рис. 3.20, видно, что требуемая прочность заинъектированных пород может существенно снижаться с удалением от контура выработки.
Исследуя уравнение (3.17), можно видеть, что существует предельный радиус зоны упрочнения, при котором требуемая прочность материала кольца становится равной нулю. Полагая в уравнении (3.17) R (r)=0, получаем
Таким образом, радиус ry определяет предельную границу зоны инъектирования, дальше которой упрочнять разрушенные породы неэффективно, поскольку это не будет сказываться на несущей способности упрочненного кольца пород.
На следующем этапе проанализируем конечное уравнение, полученное при решении сформулированной выше упруго-пластической задачи, которое связывает основные параметры взаимодействия системы «крепь — массив»:
где q — несущая способность крепи; m и ry — соответственно безразмерные радиусы зоны неупругих деформаций и границы зоны упрочнения; а1 и а2 — эмпирические коэффициенты, корректирующие идеализацию расчетной схемы.
Влияние упрочнения пород на параметры взаимодействия системы «крепь — массив» можно проследить по кривым графика (рис. 3.21), построенного на основании уравнения (3.19) для следующих горнотехнических условий: а=2 м, H=800 м, y=25 кН/м3, R=40 МПа, р=25°, a1=0,02, а2=0,1. Кривая 3 показывает, при каких соотношениях.отпора крепи и размера зоны неупругих деформаций наступает равновесие. системы «крепь — массив» без упрочнения. Кривые 2 и 1 построены для случая, когда зона разрушенных пород вокруг выработки тампонируется на глубину 1,5 м, а прочность заинъектированных пород на контуре равняется соответственно 5 и 10 МПа.
Как видно из рис. 3.21, с помощью инъекционного упрочнения пород можно значительно уменьшить деформации пород и снизить требуемую грузонесущую способность крепи, а в некоторых случаях вообще отказаться от нее, как от несущей конструкции.
Выполненные исследования позволяют обосновать принципиально новый, ресурсосберегающий подход к креплению выработок, базирующийся на максимальном использовании несущей способности заинъектированного массива. Сущность его состоит в том, что при проведении выработка крепится облегченной временной крепью, позволяющей породам деформироваться и предотвращающей их обрушение. Через определенный промежуток времени производится нагнетание скрепляющего раствора в разрушенные и разгруженные от напряжений породы приконтурной зоны. Схватываясь, раствор скрепляет между собой отдельные куски и блоки породы, образуя монолитную породобетонную оболочку. Работая как несущая конструкция, эта оболочка способна воспринять значительные нагрузки со стороны массива и противостоять дальнейшему развитию зоны неупругих деформаций.
Геомеханику крепи, основанной на инъекционном упрочнении пород, наглядно иллюстрирует график, показанный на рис. 3.22. Характерной особенностью такой крепи является то. что ее конструкция и режим работы изменяются по мере развития деформационных процессов в массиве и изменения геомеханической ситуации. Весь срок существования выработки можно разбить на четыре этапа. I этап соответствует периоду с момента проведения выработки до возведения временной крепи. II соответствует поддержанию выработки временной крепью до проведения упрочнения пород. III этап -характеризует работу оболочки упрочненных пород в процессе схватывания скрепляющего раствора и твердения тампонажного камня. В случае применения химических растворов с малыми сроками схватывания и твердения этот этап может отсутствовать, в то же время при применении цементных растворов он играет существенную роль, так как реологические процессы в твердеющем цементном камне могут существенным образом повлиять на характеристику упрочненной оболочки. IV этап соответствует работе породобетонной оболочки после набора прочности тампонажным камнем.
Таким образом крепи, базирующиеся на использовании несущей способности упрочненного массива, позволяют реализовать принцип ресурсосбережения, поскольку в условиях подземных сооружений сама природа дает горнякам отличный и дешевый материал для крепления выработок — разрушенную породу, которую не надо транспортировать к месту производства работ и укладывать в конструкцию. Достаточно только скрепить ее инъектируемым раствором, например цементно-песчаным или синтетическими смолами, чтобы получить при много меньшем расходе энергии, материала и труда дешевую и надежную нетрадиционную крепь.
