WWW.KNIGA.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Онлайн материалы
 

Pages:   || 2 |

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» В.В. КОВАЛЕНКО А.П. ...»

-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

В.В. КОВАЛЕНКО

А.П. РЯЗАНЦЕВ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СПОСОБА БОРЬБЫ

С ПУЧЕНИЕМ ПОРОД ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ УГОЛЬНЫХ

ШАХТ

Монография

Днепропетровск

НГУ

УДК 622.831.3

ББК 33.14 К 56 Рекомендовано до друку вченою радою Державного вищого навчального закладу «Національний гірничий університет» (протокол № 9 від 01 жовтня 2013).

Рецензенти:

Шашенко О.М. – д-р техн. наук, проф., зав. кафедри будівництва і геомеханіки Державного вищого навчального закладу «Національний гірничий університет»;

Борщевський С.В. – д-р техн. наук, проф. кафедри будівництва шахт і підземних споруд Донецького національного технічного університету.

У монографії викладено результати досліджень капітальних виробок з нестійкими породами підошви на прикладі ПАТ «ДТЕК Шахта Комсомолець Донбасу».

Проаналізувавши чинники, що впливають на стійкість порід підошви, автори запропонували спосіб боротьби зі здиманням порід на основі створення в підошві виробки тришарової конструкції, сформованої із трьох зон. Із застосуванням методів фізичного та математичного моделювання було побудовано діаграми для визначення раціональних параметрів способу. Отримані залежності лягли в основу рекомендацій до впровадження пропонованого способу підвищення стійкості капітальних виробок з нестійкими породами підошви.

Для наукових та інженерно-технічних працівників інститутів і гірничодобувних підприємств.

Може бути корисною аспірантам і студентам вузів.

Коваленко, В.В.

К 56 Обоснование параметров способа борьбы с пучением пород почвы в условиях угольных шахт : моногр. / В.В. Коваленко, А.П. Рязанцев. – Д.: Национальный горный университет, 2013. – 119 с.

ISBN 978-966-350-434-6 В монографии изложены результаты исследований капитальных выработок с неустойчивыми породами подошвы на примере ПАО «ДТЭК Шахта Комсомолец Донбасса».

Проанализировав факторы, которые влияют на стойкость пород подошвы, авторы предложили способ борьбы с пучением пород на основе создания в подошве выработки трехслойной конструкции, состоящей из трех зон. С применением методов физического и математического моделирования были построены диаграммы для определения рациональных параметров способа.

Полученные зависимости легли в основу рекомендаций к применению предлагаемого способа повышения устойчивости капитальных выработок с пучащими породами подошвы.

Для научных и инженерно-технических работников институтов и горнодобывающих предприятий. Может быть полезной аспирантам и студентам вузов.

УДК 622.283:691.327 ББК 38.54:34.66:38.33

–  –  –

4.2. Описание принятой расчетной схемы и рассматриваемой математической модели ………………………………………. 76

4.3. Исследование НДС горных пород в окрестности капитальной выработки арочной формы…………………………..….. 83

4.4. Исследование НДС горных пород в окрестности капитальной выработки при использовании способа борьбы с пучением…………………………………………………………….. 86 Глава 5 Шахтные исследования способа обеспечения устойчивости горных выработок в пучащих породах





5.1. Выбор участка для проведения шахтного эксперимента…… 100

5.2. Создание экспериментального участка с использованием способа борьбы с пучением. Технология выполнения работ 100

5.3. Результаты шахтных исследований по повышению устойчивости пород почвы на экспериментальном участке……… 106

5.4. Технологические схемы способа борьбы с пучением. Прогноз применения способа для повышения устойчивости пород почвы капитальных горных выработок…………………. 107

5.5. Определение ожидаемого экономического эффекта от внедрения способа обеспечения устойчивости капитальных выработок в условиях неустойчивых пород почвы ПАО Шахта Комсомолец Донбасса»……………………………… 109 Список использованной литературы….………………….. 111

Введение

Увеличение глубины разработки угольных пластов Донбасса, ухудшение горно-геологических и горнотехнических условий их разработки способствуют снижению устойчивости капитальных и подготовительных выработок шахт.

В настоящее время на угольных шахтах Украины неудовлетворительное состояние горных выработок приводит к высоким затратам на их ремонт и восстановление, при этом существенно усложняются работы по всей технологической цепи действующего горного предприятия. Ремонтно-восстановительным работам подвергаются ежегодно от 7 до 15% выработок, затраты достигают величин, сравнимых со стоимостью проведения выработок, и, тем не менее, существенная их часть продолжает оставаться в неудовлетворительном состоянии.

Анализ работы шахтостроительных организаций показывает, что нередко к моменту сдачи горного предприятия в эксплуатацию значительная часть горных выработок требует выполнения восстановительных работ, в ряде случаев выработки перекрепляются практически полностью, особенно вследствие пучения пород почвы. Это приводит к перерасходу дефицитных крепежных материалов, увеличению трудозатрат на подготовку новых лав и, как следствие, увеличению себестоимости добываемого впоследствии угля.

В соответствии с этим одной из основных задач, стоящей перед угледобывающими предприятиями, наряду с увеличением добычи угля, является снижение его себестоимости. Таким образом, научные исследования, направленные на комплексное решение этой задачи путем повышения устойчивости подземных выработок и снижения затрат на выполнение трудоемких ремонтных работ, являются актуальными и имеют важное народнохозяйственное значение.

Работа выполнена в соответствии с программой научноисследовательских работ Национального горного университета по госбюджетной теме ГП-321 (№ гос. регистрации 0103U001292).

–  –  –

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И УСЛОВИЙ ПОДДЕРЖАНИЯ

КАПИТАЛЬНЫХ И ОСНОВНЫХ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ГОРНЫХ

ВЫРАБОТОК

1.1. Состояние и перспективы развития топливно-энергетического комплекса Экономическое развитие любой страны находится в прямой зависимости от состояния топливно-энергетического комплекса. Важное место принадлежит степени обеспеченности страны собственными природными ресурсами и, в частности, энергоносителями. Это обусловлено, прежде всего, ограниченностью природных ресурсов вообще и различной степенью обеспеченности ими отдельных государств мирового сообщества в частности.

На мировом рынке наблюдается тенденция к трансформации конкуренции товаропроизводителей за рынки сбыта в конкуренцию за обладание и разработку природных ресурсов, т.н. зоны национальных интересов. Полезные ископаемые служат мощным фундаментом в развитии экономики каждого государства, а также инструментом политического и экономического влияния на мировом рынке.

Традиционные энергоносители – нефть, природный газ и уголь. В течение ХХ столетия существенно изменилась структура топливно-энергетического баланса мирового хозяйства. В мировых запасах ведущее место в начале ХХ ст.

принадлежало углю, а в последние десятилетия доля нефти и газа составила 3/5 мирового потребления энергоресурсов. Несмотря на это нефть и природный газ являются дорогими энергоносителями. Учитывая структуру мировых запасов, а также постоянный рост цен на нефть в перспективе следует ожидать увеличения доли угля в топливно-энергетическом балансе мира.

Бесперспективным является использование дорогих энергоносителей для нужд энергетической отрасли, т.к. это идет вразрез с общей тенденцией вывода энергетической отрасли из ряда нерентабельных.

Анализ показывает, что до 1960г. в мировом энергопотреблении доминировало твердое топливо (уголь) [1]. В настоящее время доля потребления угля на мировом конкурентном рынке топлива составляет 30%, нефтепродуктов - 23,2%, природного газа - 22,6%. Таким образом, на рынке топливных ресурсов уголь сейчас уверенно занимает первое место по объемам потребления. Такое положение обусловлено главным образом низкими ценами на него по сравнению с ценами на нефть и природный газ. Существенное влияние имеют также постоянство уровня цен на уголь, его большие залежи, возможность импортирования из многих стабильных источников.

Производство электроэнергии является одним из основных секторов потребления первичных энергоресурсов. Этот сектор является типичной конкурентной средой, где используются разнообразные технологии производства электроэнергии, которые основываются на всем спектре природных энергоносителей. Наблюдается тенденция активного перехода на экологически чистые альтернативные источники энергии. Но, несмотря на это, роль угля в общих объемах потребления энергоресурсов является основной.

На основании анализа данных по добыче и потреблению угля следует, что увеличение объемов добычи угля наряду со снижением затрат и себестоимости угля приобретает все более актуальное значение для угольной промышленности и топливно-энергетического комплекса.

Украина имеет структуру энергетики, которая формировалась на протяжении десятилетий. Большинство её составляющих определялась энергетической политикой и общей энергосистемой бывшего СССР. Украина принадлежит к энергодифицитным странам, т.к. за счет собственных источников она покрывает свои потребности в топливно-энергетических ресурсах только на 50%. Большую часть энергоресурсов (нефть, газ) она вынуждена импортировать. За счет собственной добычи покрывается 10-12% потребностей в нефти и 20…25% – в природном газе.

За последние 15…20 лет в Украине удельный вес угля в производстве электроэнергии несколько снизился. Однако большие запасы этого вида органического топлива: общие запасы угля – 103 млд. т.(в том числе 26 млрд. т.

коксующегося) ориентируют народное хозяйство страны на интенсивное развитие угольной промышленности. Разрабатываются и подготовлены к освоению 23,7 млрд. т балансовых запасов категории А+В+С1 из которых 31% – коксующиеся угли, 11,5% – антрациты [6].

Начиная с 1965г. на первое место по объемам потребления выходит жидкое топливо (нефть), а уголь занимает второе, и эта ситуация сохраняется за ним по настоящее время [2, 3]. В ТЭК Украины, учитывая структуру и объемы запасов природного топлива, добыча угля имеет стратегическое значение в обеспечении промышленности энергоресурсами (табл. 1.1).

Таблица 1.1 Добыча природного топлива в Украине в 1970-2013 гг.

Топливо 1970 1980 1985 1990 1995 1998 2013 Топливо, всего млн.т. у. т. 249,2 215,1 190,6 130,6 84,2 79,8 82,7 Нефть (с конденсатом), млн. т 13,9 7,5 5,9 5,2 4,2 4,0 3,97 Газ природный, млрд. куб. м 60,9 56,7 42,9 28,1 18,1 18,0 19,5 Уголь, млн. т 207,1 197,1 189,0 164,8 83,6 76,2 79,2 В марте 1999 г. инвестиционный проект «Отработка угольного пласта L3 механизированным комплексом BMV-14 (Р3) повышенной производительности» был одобрен Советом по вопросам специальных экономических зон и специального режима инвестиционной деятельности в Донецкой области. Основная идея данного инвестиционного проекта заключается в увеличении объемов добычи угля за счет расширения очистных работ по высокопродуктивному пласту L3 и модернизации технологии добычи на основе применения механизированного комплекса повышенной производительности. В рамках инвестпроекта в ОАО «Комсомолец Донбасса»

был организован дополнительный участок по добыче угля в виде условно выделенной экономико-организационной структуры без создания юридического лица. Этот добычной участок в текущем году уже добыл более 120 тыс. тонн угля.

Иностранный инвестор – словацкая фирма КІМЕХ s.r.o. – предоставил участку основное очистное оборудование на общую сумму 7,8 млн. дол. США.

Компания за счет собственных активов обеспечила поставку дополнительного оборудования и провела комплекс мер по подготовке очистных забоев к работе.

Иностранная техника работает в трех лавах шахты «Комсомолец Донбасса». В планах предприятия за 39 месяцев реализации инвестиционного проекта дополнительно добыть около 1667 тыс. тонн рядового угля на сумму 170034 тыс.грн [4]. Производительность очистного забоя возрастет до 2 тыс. тонн в сутки, а шахты в целом – на 20%. Зольность добываемого угля будет снижена на 3…6%. При этом дополнительно будет создано 201 рабочее место. В целом же реализация проекта в рамках территорий со специальным режимом инвестиционной деятельности позволит шахте получить прибыль в размере 37 млн. грн., которая в дальнейшем будет реинвестирована в производство.

Работа с иностранным партнером будет способствовать укреплению долгосрочных экономических связей и собственных позиций на зарубежных рынках угольной отрасли.

1.2. Состояние подземных горных выработок угольных шахт Украины

–  –  –

Изучение состояния капитальных и основных подготовительных выработок шахт Украины, а также анализ затрат, связанных с поддержанием и ремонтом горных выработок, показывают, что наибольшую трудность при поддержании выработок в рабочем состоянии представляет борьба с таким видом проявления горного давления, как пучение пород почвы.

Значительная часть запасов Донбасса, расположенных на глубинах свыше 600 метров, залегает среди глинистых и песчанистых сланцев [9]. Практика показывает, что особо значительными пучащими свойствами обладают именно эти породы. С увеличением глубины разработки увеличивается интенсивность пучения и резко возрастает трудоемкость и стоимость работ по ликвидации последствий этого вредного явления. Отрицательное влияние указанного фактора на устойчивость выработок можно охарактеризовать тем, что протяженность ремонтируемых выработок с подрывкой вспученных пород почвы только на шахтах Украины достигает 2500 км в год [10]. Если к этому добавить, что уровень механизации работ при подрывке почвы не превышает 9%, в то время как при проведении выработок с механизированной погрузкой угля и горной породы он составляет более 80%, то становится очевидным, насколько важным является поиск эффективных методов борьбы с этим явлением.

Обеспечение устойчивости капитальных выработок в условиях проявления горного давления в виде выдавливания пород почвы является возможным при детальном изучении особенностей процесса пучения пород с учетом обобщения существующих представлений о факторах, оказывающих влияние на развитие процесса.

1.2.1. Меры борьбы с пучением пород почвы в выработках

На шахтах распространены различные способы борьбы с пучением пород почвы [11…14]. Однако, несмотря на это процесс пучения, как правило, при этом не прекращается, поэтому очень часто данные мероприятия приходится проводить неоднократно. Выполнение ремонтно-восстановительных работ связано с увеличением затрат по материалам, увеличением объема породы, выдаваемой на поверхность, и задалживанием большого числа рабочих на ремонт и перекрепление. Поэтому возникает необходимость детальной разработки эффективных и экономически выгодных методов предотвращения пучения.

Выбор мер по борьбе с пучением должен производиться для каждого конкретного случая с учетом всех этих факторов.

В.М. Городничев [16] предлагает меры борьбы с проявлениями пучения подразделить на меры по предотвращению пучения или снижению до допустимого минимума его вредных проявлений и меры по ликвидации последствий пучения.

Из числа последних на шахтах обычно применяют:

подрывку почвы без перекрепления выработки; подрывку с заменой крепи;

проведение параллельной выработки взамен вышедшей из строя.

Многие исследователи [17…18], исходя из того, что величина и интенсивность пучения зависят от напряженного состояния и прочностных свойств пучащих пород, подразделяют меры борьбы с пучением на следующие группы:

I группа. Меры, связанные с ослаблением напряженного состояния пород, окружающих выработку, и уменьшением давления их на крепь (расположение выработок за пределами пучащих пород; выбор конструкции, прочных размеров и величины податливости крепи; устранение возможности отрицательного влияния соседних выработок).

II группа. Меры, позволяющие сохранить естественную прочность пород, окружающих выработку (осушение шахтных полей; организация на шахтах надежной системы водоотлива и правильная его эксплуатация;

осушение выработок, устройство дренажных канав и откачка затопленных выработок; изоляция боковых пород от влияния шахтных вод и влаги воздуха путем устройства сплошной влагонепроницаемой крепи, торкретирования поверхности выработок, применения песчаной засыпки, опрыскивания или смазки поверхностей пород химическими растворами).

III группа. Меры, связанные с повышением прочности пород, окружающих выработку (крепление почвы горных выработок штангами; борьба с пучением взрывным способом; электрический способ закрепления глин;

химические и электрохимические способы закрепления глин).

Поскольку пучению в наибольшей степени подвержены глины и глинистые породы, новые направления в борьбе с пучением предусматривают прежде всего улучшение физико-механических свойств глинистых пород.

В основе большинства применяемых способов борьбы с пучением горных пород лежат современные представления о физико-механической сущности процесса пучения, сводящиеся к тому, что первопричиной пучения является изменение напряженного состояния пород. Выше было показано, что после проведения выработки под действием напряжений окружающие породы теряют прочность. Смещение пород в образованную в массиве полость (горную выработку) представляется как выдавливание пластичного материала из-под целиков.

Считается, что после проведения выработки прочностные свойства окружающих пород значительно изменяются.

В частности, для пород почвы пласта характерны:

– приобретение ими пластических свойств (потеря сцепления упрочнения) под действием увеличившегося горного давления, особенно при влиянии очистных работ;

– уменьшение силы сцепления частиц пород (в первую очередь, глинистых) под действием воды и влаги воздуха.

Перспективным способом является проведение выработок вприсечку к выработанному пространству [19]. В этом случае выработка проводится в заранее ослабленном массиве, в условиях обрушения консолей пород непосредственной и основной кровли. Основными причинами, сдерживающими в настоящее время применение этого способа, являются необходимость изменения порядка подготовки выемочных полей и трудности сохранения присечки при сложной гипсометрии пласта.

Важным направлением предотвращения пучения почвы является искусственное снижение напряжений в массивах вмещающих пород. Это направление включает в себя надработку и подработку пластов, а также применение средств принудительного обрушения пород. Так, на многих шахтах Польши в пучащих породах бетонная крепь нередко имеет «разгрузочные окна», через которые периодически вынимают грунт, ослабляя, таким образом, активное давление пород на крепь [20].

Эффективным способом повышения устойчивости пород почвы является создание щелевой разгрузки массива [21]. Поскольку механизм пучения пород почвы объясняется возникновением значительных напряжений в породах почвы, которые представлены пластичными глинами, то создание разгрузочной щели позволяет устранить деформации пород почвы в выработанное пространство для выработок с затухающим характером пучения почвы.

В иностранной литературе для борьбы с пучением почвы рекомендуются металлические замкнутые арки, в одних случаях жесткие, в других – податливые со специальными компенсационными устройствами. В американской и английской литературе для крепления пучащей почвы предлагается применять анкерную крепь, как наиболее экономичную и эффективную.

В бывшем СССР опытные и промышленные испытания анкерной крепи в целях борьбы с пучением на шахтах различных угольных бассейнов проводились работниками ЛГИ, МГИ, ДРИ, ДонУГИ, КНИУИ, УкрНИИОМШСа и другими организациями [14, 20…22].

Положительный эффект применения анкерной крепи был получен только при сравнительно благоприятных горно-геологических и горнотехнических условиях: при устойчивых породах небольшом мощности; наличии прочных пород почвы, в которой можно закрепить замки анкеров; незначительном влиянии очистных работ на проявление пучения.

В большинстве случаев применение анкерной крепи приводило к снижению скорости пучения (в 1,5…2 раза) только в начальный период после ее установки, вследствие чего срок первоначальной подрывки почвы несколько отодвигался. В дальнейшем закрепленные и незакрепленные анкерами участки пород вели себя одинаково, причем анкерная крепь мешала работе по подрывке почвы.

В некоторых случаях применение анкерной крепи не дало положительных результатов из-за наличия в почве выработки мощных неустойчивых пород, в которых не удавалось прочно закрепить замок анкера, или из-за большой скорости смещений почвы вследствие значительного горного давления и наличия пластичных пород.

Способы второго направления могут применяться как самостоятельно, так и вместе со снижением напряженного состояния пород.

Упрочнение пород анкерами, цементированием, использованием силы взрыва и химическими методами не получило широкого применения и находится в стадии совершенствования.

Наиболее широкое применение находят различные виды крепи [9, 16, 19, 21], особенно в выработках, не подверженных влиянию очистных работ. Ввиду большого разнообразия горно-геологических и горнотехнических условий проведения и поддержания подземных горных выработок, в которых наблюдается значительное давление пород почвы, для борьбы с пучением примененяются различные виды крепи. В капитальных горных выработках, проведенных вне зоны влияния очистных работ, где крепь работает в режиме установившегося всестороннего горного давления, применяются жесткие крепи с большой несущей способностью [23]. В подготовительных выработках, крепь которых работает в режиме неустановившегося горного давления со значительным смещением пород почвы, применяются податливые крепи [25].

Материалом для изготовления крепей, предназначенных для борьбы с пучением, служат дерево, металл и бетон.

Главной задачей применения анкерной крепи является повышение механической прочности слоев пород, связываемых между собой с помощью анкеров.

По общепринятым сейчас представлениям, работа анкерной крепи в почве выработок при проявлении деформации пучения характеризуется следующими признаками:

– слои малоустойчивых пород «пришивают» анкерами к устойчивым нижележащим породным слоям;

– несколько породных слоев, скрепленных между собой, противодействуют изгибающему моменту сил, как единая составная балка, которая имеет значительно большее предельное сопротивление на изгиб, чем сумма сопротивлений отдельных слоев;

– «сшитая» анкерами толща пород лучше противодействует тангенциальным напряжениям, возникающим в ней.

Однако трудности, связанные с выполнением ремонтновосстановительных работ на участках, закрепленных с использованием анкерной крепи, в значительной мере повлияли на негативное отношение к данному виду крепи, как к средству борьбы с пучением.

В настоящее время известно значительное количество способов, направленных на обеспечение устойчивости выработок в условиях пучащих пород [19…21, 23, 25]. Тем не менее, большинство из них не нашло применения на шахтах по различным причинам.

В результате использования электрического способа закрепления глин породы почвы значительно уплотняются, теряя способность намокать и разбухать. Вследствие электроосмоса в зоне анода глина обезвоживается; в зоне катода вода удаляется дренажными устройствами. Однако данный способ закрепления глин не нашел широкого применения на шахтах Украины.

Электрохимический способ отличается от электрического тем, что в грунт вводят добавки NaCl и СаС1, интенсифицирующие процесс.

Химические способы испытывались в шахтных условиях явно недостаточно, поэтому судить об их эффективности трудно. В технической литературе известны некоторые химические способы уменьшения водопроницаемости пород. Например, для уменьшения водопроницаемости поверхность глин поливают раствором NaCI; при расходе на 1 м2 грунта 3—5 кг NaCI происходит снижение фильтрации с 13 до 1,5% [20].

Анализируя приведенные выше методы улучшения физико-механических свойств глинистых пород, следует сказать, что они не могут быть признаны совершенными вследствие их сложности и высокой стоимости.

Основным способом предотвращения пучения до сих пор является применение специальных крепей, препятствующих его проявлению: замкнутые металлические и бетонные крепи, крепи с обратным сводом, деревянная крепь, усиленная лежнями и вандрутами, стропильная крепь [26].

Одним из способов повышения устойчивости считается увеличение скорости проведения выработок. Практикой установлено, что чем быстрее проводятся и крепятся горные выработки, тем меньше интенсивность пучения пород. Скорость проведения капитальных выработок, не подверженных влиянию очистной выемки, существенно влияет на их устойчивость. Особенно важны темпы подвигания таких выработок в породах, находящихся в пластическом состоянии или легко приобретающих под влиянием влаги пластические свойства. Недостатком данного способа является то, что в таких условиях выработки необходимо проводить с наибольшей скоростью и, чтобы сократить время воздействия агентов выветривания на обнаженные породы, немедленно возводить постоянную крепь, изолирующую их от влаги [16].

Одним из способов предотвращения пучения пород является сохранение прочности пород, которая существенно зависит от их уровня естественной влажности. Осушение пучащих пород и изоляция их от влияния влаги производятся с целью предупреждения явления пучения, прекращения или уменьшения его интенсивности.

В зарубежной литературе описаны случаи удовлетворительной изоляции пучащих пород от воздействия атмосферы путем торкретирования стенок выработок (США). Однако успех достигался только в том случае, если пучащие породы располагались не в почве выработки.

На руднике «Longing loan» штата Виктория (Австралия) [20] в условиях сильного пучения пород для изоляции их от влаги воздуха проводили выработку несколько большего сечения, чем обычно; на почву насыпали слой песка, на который укладывали лежни; рамы крепили сплошь и обшивали досками, а по бокам и в кровле штрека производили засыпку песком толщиной 0,3 м. В течение всего срока службы крепь этой выработки хорошо сохранялась, а пучение пород прекратилось.

В Англии при применении крепи из металлических балок используются затяжки в виде гофрированных стальных щитов, которые обеспечивают надежную изоляцию пород от влияния влаги.

Для изоляции поверхности пучащих пород от воздействия влажного воздуха применяют сплошное крепление бетоном, сборным железобетоном или деревом. В зависимости от расположения пучащих пород относительно выработки и величины давления на крепь, последняя может быть замкнутой или обычной.

Большое значение для уменьшения пучения пород имеет правильная организация откачки шахтных вод. Так, на многих шахтах Донбасса прекращение явлений пучения почвы обеспечивалось устройством водоотводной канавки, закрепленной бетоном и содержащейся в хорошем состоянии. Иногда воду вместо канавок пропускают по металлическим трубам, что также способствует ликвидации пучения.

Достаточно эффективным способом борьбы с пучением является изменение физико-механических свойств глинистых пород под действием камуфлетных взрывов в почве выработки [24]. Многочисленными исследованиями и наблюдениями [17, 18, 20, 21 и т.д.] установлено, что одним из основных факторов, влияющих на величину и интенсивность пучения почвы горных выработок, является механическая прочность глинистых пород, подстилающих угольный пласт. Показателями механической прочности глинистых пород являются их сцепление, угол внутреннего трения и сопротивление сжатию и растяжению. В свою очередь, эти показатели в большой мере обусловливаются плотностью породы. Чем выше плотность пород почвы, тем выше их сопротивление сдвигу, сжатию и растяжению и тем меньше они подвержены пучению.

Как показывают теоретические исследования механики грунтов [27] и исследования механизма пучения почвы на моделях [28], деформации глинистых пород начинаются в первую очередь в промежуточных зонах.

Следовательно, прочность глинистых пород в этих зонах определяет возможность возникновения и интенсивность развития деформаций сдвига в почве пласта.

Изменение пористости, объемного веса и влажности глинистых пород под действием взрыва приводит к изменению их прочностных свойств.

При уплотнении пород взрывами камуфлетных зарядов их пористость вокруг камуфлетных пустот уменьшается, а фильтрационная способность снижается.

Образуемые в результате взрыва камуфлетные полости являются резервуарами, в которые вмещается часть пород, выдавливаемых из-под целиков, что приводит к уменьшению величины пучения почвы.

На основе проведенного анализа можно сделать вывод, что наиболее рациональным для обеспечения устойчивости выработки в условиях активного пучения пород почвы является совместное использование нескольких мероприятий. Это позволяет снизить недостатки отдельных способов и повысить эффективность комплекса мероприятий в целом. Исходя из вышеизложенного, разработка высокоэффективного способа борьбы с пучением пород почвы представляет собой совокупность мероприятий, направленных на снижение величины поднятия пород почвы с учетом геомеханических особенностей приконтурного массива.

–  –  –

ПУЧЕНИЕ ПОРОД ПОЧВЫ ПРОТЯЖЕННЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И БОРЬБА С НИМ

2.1. Развитие представлений о механизме пучения пород в почве выработок Процессы пучения пород широко известны в горнорудной промышленности, они наблюдаются при строительстве шахт, метро и железнодорожных тоннелей. Однако наиболее распространено пучение пород в угольной промышленности. Пучение горных пород представляет собой разновидность деформаций вмещающих пород в выработках, которые практически обнаруживаются как естественный процесс значительного уменьшения поперечного сечения выработок с нарушением крепи и шахтных путей, происходящий, в основном, за счет пород почвы.

Пучение пород – это один из наиболее распространенных видов проявлений горного давления, однако эффект вспучивания пород почвы в подземных выработках является до сих пор недостаточно изученным, несмотря на значительное количество исследований, выполненных в этой области. Сложность проблемы горного давления вообще и пучения в частности не позволила до сих пор найти универсальных решений, которые бы полностью и повсеместно удовлетворяли требованиям промышленности. В одних случаях одни и те же способы эффективны, а в других – бесполезны. Это является, скорее всего, следствием неправильного подхода к различным случаям проявления пучения пород почвы в выработках, когда не учитывается физическая суть исследуемого феномена. Поэтому изучение различных форм проявления пучения пород, анализ имеющихся представлений о механизме вспучивания и разработка на этой основе конкретных мер борьбы, соответствующих этим явлениям, представляет собой важную техническую задачу, направленную, прежде всего, на снижение себестоимости добываемого угля.

Пучение имеет разнообразные формы, степень проявления, скорость развития и зависит от многих факторов. В более метаморфизованных породах пучение в выработках, расположенных вне зоны влияния очистных работ, имеет затухающий характер и характеризуется сравнительно невысокой интенсивностью и скоростью развития. В менее метаморфизированных породах при соответствующей глубине и влажности этот процесс чаще всего является незатухающим. В выработках же, расположенных в зоне влияния лавы, интенсивность и скорость пучения пород независимо от их метаморфизации значительно возрастают, а сам процесс зачастую приобретает определенные особенности, например, цикличность при способе управления кровлей в очистном забое полным обрушением.

В настоящее время существует несколько гипотез, объясняющих причину выдавливания пород в горных выработках (пучения):

– набухание пород под действием влаги;

– увеличение объема пород в зоне неупругих деформаций вследствие их пластического разрыхления;

– выпирание пород под влиянием опорного давления в боках выработки;

– вязкое течение пород в результате неравновесного состояния массива в почве выработки;

– сорбционное набухание пористых газонасыщенных сред;

– потеря упругопластической устойчивости пород в области неупругих деформаций и т.д. [17, 28, 31 и т.д.].

Впервые упоминание о пучении пород в горных выработках появилось, по нашим сведениям, в 1923 г. В своей работе Б.И.Бокий отмечал: вздувание почвы является результатом выдавливания мягких пород из-под пят околоштрековых целиков.

Касаясь пучения пород, М.М.Протодьяконов ограничивается только пояснением отдельных случаев: физического напитывания некоторых пород водой, химического соединения пород с водой, пучения соленосных мергелей под действием влажного рудничного воздуха, увеличения в объеме мергеля с тонковкрапленным серным колчеданом вследствие окисляющего действия кислорода воздуха.

Н.М. Покровский [25] указывает, что пучению подвержены породы, которые по своему типу могут быть отнесены к пластичным. Горное давление в этих породах, характеризующихся малой механической прочностью, зависит от их упругих свойств и наличия воды. В зависимости от водопоглощающих свойств пород вода увеличивает их объем, что способствует росту давления и пучению почвы. Основная же причина деформации почвы – давление вышележащих пород и обусловленное им действие в почве напряжений.

В 1927 г. М.И. Евдокимов-Рокотовский [26], исходя из практики тоннелестроения, отмечал, что горное давление, направленное снизу вверх, возникает при непосредственном участии боковых сил; при этом слабые нарушенные или полуразрушенные породы почвы выпираются кверху, что особенно наглядно при пластовом залегании пород.

Профессор Белов В.И., начиная с 1927 г., в своих работах также обращал внимание на явление пучения и на сложности деятельности горных инженеров в условиях пучащих пород, Высказывая предположения о возможных причинах пучения, автор дает и некоторые рекомендации по борьбе с этим явлением [29, 30].

П.М. Цимбаревич [31] рассматривает механическую сторону пучения как возможное давление на крепь со стороны почвы в условиях равновесия системы “крепь - горная порода”. В основу представления о природе выдавливания пород в горные выработки автором положена аналогия выпирания грунта из-под штампа, причем в качестве опорного давления по бокам выработки принимается вес столба породы от подошвы до ключа свода естественного равновесия.

Однако, метод. П.М. Цимбаревича хотя и объясняет в известной степени наблюдаемую на практике картину явления, в сущности своей схематичен и не отражает природы процесса прежде всего потому, что рассматривается статическая механическая задача, в то время как в действительности имеет место непрерывный, развивающийся во времени, процесс движения горных пород.

Подобным же образом В.Д. Слесарев [36] рассматривал давление со стороны почвы выработки как боковой распор второго порядка (рис. 2.1.).

–  –  –

Исходя из теории напряженного состояния, возникающего в сыпучей несвязанной среде, в почве выработки действуют силы бокового распора 90 0 p1 H p0 tg, где Н – глубина расположения выработки; р0 – дополнительное давление на штрековые целики, вызванное ведением очистных работ и другими причинами.

Силы бокового распора р1 вызывают в свою очередь боковой распор второго порядка р2, который создает давление со стороны почвы 900 p2 ( p0 )tg 4.

Недостатками описанных выше задач является либо отсутствие явной зависимости между величиной давления и глубиной заложения выработки (П.М. Цимбаревич), либо настолько прямая зависимость между этими величинами (В.Д Слесарев), что ни одна крепь не в состоянии выдержать такую нагрузку.

Основываясь на теории пластов для случая невесомой сыпучей среды, В.В. Соколовский показал, что давление со стороны почвы выработки является закономерным явлением и вывел формулу зависимости величины давления со стороны почвы от величины давления в боках выработки, сил сцепления частиц и угла внутреннего трения породы [32]. Однако, применения в горном деле эта формула не нашла ввиду наличия трудностей, связанных с получением параметров, входящих в нее.

Согласно гипотезе Д.С. Ростовцева [33] явление пучения объясняется так:

в горном массиве породы находятся в напряженном состоянии, обладая громадными запасами потенциальной энергии от собственного веса и, отчасти, от тектонических процессов. При обнажении боковых пород эти напряжения должны разрядиться посредством расширения кровли и почвы в сторону обнаженной поверхности, то есть в направлении друг к другу. Таким образом предлагается рассматривать некоторые виды пучения почвы как форму освобождения накопившейся в ней потенциальной энергии от давления пород в нетронутом массиве. То есть, рассматривается упругая задача, хотя имеющие место перемещения почвы имеют пластический характер.

Гипотезу Д.С. Ростовцева развил бельгийский ученый А. Лабасс [34], который определил количественную зависимость между давлением на крепь и неупругим расширением пород в области, непосредственно окружающей выработку.

При этом и Д.С. Ростовцев и А. Лабасс не выделяли деформации почвы в общем механическом процессе.

Авторы специальных работ о пучении пород А.В. Гурдус [17], И. Целигоров [18]. И.М. Белозович и А.П. Бондаренко [19] не ставили своей целью дать обобщение причин пучения пород, а ограничили свои выводы рекомендациями мер борьбы с пучением для определенных условий. Однако эти работы позволили значительно глубже вникнуть в суть изучаемого явления и понять его природу.

Из отмеченных выше работа А.В. Гурдуса является, пожалуй, одной из первых, в которой приводится большой фактический материал и делается попытка всестороннего изучения явления выдавливания пород почвы горных выработок. Автором были выполнены шахтные исследования, основной целью которых было установить, при каких горно-геологических условиях выдавливание пород в выработке развивается интенсивнее, а при каких – медленнее.

Выдвинутая в связи с этим А.В. Гурдусом классификация интенсивности процесса выдавливания горных пород в зависимости от прочности кровельной толщи весьма условна и спорна, поскольку им сделан вывод о том, что в случае широких выработок и наличия крепких пород в кровле процесс выдавливания пород проявляется интенсивно, то в тех же условиях в узких выработках почти не наблюдается; этот вывод ничем не доказан и не соответствует деяствительности. Ошибочность этого утверждения была доказана позже Ю.З. Заславским [35] и В.Т. Глушко [37].

В результате изучения причин вспучивания горных пород каменноугольной.формации Донбасса А.В.Гурдус предложил следующую схему действия сил горного давления, приводящих к пучению (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема действия сил горного давления, приводящих к пучениюпо А.В. Гурдусу

Нагрузка "Р" в подземных выработках представляет собой давление кровли либо на угольный забой в очистном пространстве, либо на предохранительный целик в стене выработки и передается в форме конуса, направленного вершиной по направлению давления. Далее нагрузка распределяется по четырем зонам: 1- непосредственного давления, 2- промежуточные зоны, 3 - участок почвы в самой выработке, где слагающие силы давления, передающегося из зоны 1 через зону 2, стремятся привести породу в движение (выжать) и зона 4 где силы давления затухают. Согласно такой схеме, непосредственной причиной вспучивания является продольное сжатие пород почвы выработки.

Такой подход к объяснению механизма вспучивания в дальнейшем был использован рядом исследователей. В результате проведенных исследований [20] И.Л. Черняк получил практическое подтверждение гипотезы, высказанной А.В. Гурдусом и представленной схемой действия сил горного давления, приводящих к пучению [17]. В схеме, полученной им опытным путем на моделях (рис. 2.3), так же как и в схеме, предложенной А.В. Гурдусом, можно выделить зону активного состояния пород I, промежуточную зону III с сеткой линий скольжения, состоящей из пучка прямых и семейства криволинейных линий скольжения, и зону пассивного отпора II.

Рис. 2.3. Схема плоскостей скольжения по И.Л. Черняку

Таким образом, на слоистых моделях установлено, что величина смещений увеличивается с ростом толщины наименее прочного слоя. При значительном различии в прочности слоев смещения могут ограничиваться более прочным слоем. Угол наклона поверхностей скольжения к горизонту уменьшается при увеличении прочности слоя. Увеличение мощности слоя приводит к увеличению пучения только тогда, когда это увеличение происходит в пределах размеров зоны неупругих деформаций.

Результаты натурных исследований и на моделях [28] показывают, что пучение глинистой почвы возникает, когда породы почвы менее прочны, чем породы в боках и кровле выработки. Деформации почвы можно объяснить тем, что более прочные породы, находящиеся на основании из менее прочных пород, играют роль штампов и деформируются существенно меньше по сравнению со слабыми породами основания.

Обширный фактический материал наблюдений за проведением горных выработок на шахтах Артемовского месторождения на Дальнем Востоке в условиях интенсивного выдавливания пород приведен в работе Целигорова А.Н.

[18]. В своей работе автор приводит также данные лабораторного изучения горных пород (глин и песков), включающих угольные пласты. Однако, рассматривая результаты лабораторных исследований, полученные А.И.

Целигоровым в совокупности с результатами исследовательской работы проведенной А.В. Гурдусом, можно сделать вывод, что авторами не установлено наличие каких-то специфических свойств или признаков, по которым можно было бы относить горные породы к “пучащим” или “непучащим” и это, пожалуй, самый важный вывод этих исследований.

Очередной попыткой объяснить механизм выдавливания горных пород в выработках и дать количественную оценку выдавливания является работа В.М.

Городничева [16]. Автор подходит к раскрытию явления выдавливания горных пород с позиций теории упругости, что заранее предопределило ошибочность устанавливаемых зависимостей, так как и деформации пород, и сами породы в рассматриваемом явлении менее всего могут быть отнесены к упругим. Следовательно, ошибочным является рассматривать деформации со стороны почвы, которые проявляются в виде пучения, как смещения пород за счет разрыхления в зоне раздавливания. Несоответствие предпосылки, принятой автором, реальному характеру деформирования пород предопределило непригодность рекомендуемых им расчетных формул для практики.

С.С. Давыдов [39] также представляет качественную сторону пучения как результат влияния вертикального давления в боках выработки, вследствие чего в почве образуются три зоны: активного сопротивления пород, в которых наибольшие давления вертикальны: пассивного сопротивления пород, в которых наибольшие давления горизонтальны, и промежуточная зона, в пределах которой возникают радиальные поверхности скольжения. Вертикальная, нагрузка стремится вытеснить породу выше поверхности скольжения, чему препятствуют силы сцепления между частицами пород и трение, вызванное весом вытесняемой массы породы.

Обобщая вопросы пучения глинистых пород и характер их деформаций при проведении горных выработок, М.В. Сыроватко [40] отводит главную роль в явлениях пучения минералогическим и коллоидно-химическим особенностям некоторых разновидностей глин. Рассматривая деформации глинистых пород, автор предлагает собственно пучением считать явления, обусловленные взаимодействием глин и внешней среды без участия горного давления и гравитационной воды, а деформации, вызванные давлением горного давления, а также текучестью глинистых пород под воздействием гравитационной воды, не относить к процессам собственно пучения.

М.Н. Шейхет [41], развивая взгляды М.В.

Сыроватко, рассматривая механизм пучения пород при проходке выработок, устанавливает два основных типа пучения глинистых пород :

- пучение вследствие их набухания, что связано со специфическими особенностями минералогического и коллоидно-химического состава глинистых пород и проявляется в увеличении объема пород;

- пучение вследствие горного давления, которое проявляется в виде течения породы, выдавливаемой в выработку.

Обе эти причины, по мнению М.Н. Шейхета, как правило, действует совместно и могут быть осложнены дополнительными факторами, например наличием воды в выработках и т. д.

К.В. Руппенейт [24], рассматривая давление пород на крепь как упругопластическую задачу и учитывая возникновение вокруг выработки области неупругих деформаций, в пределах которой порода находится в разрушенном состоянии, считает, что одной из основных причин пучения является переход горных пород (в основном глин и глинистых сланцев) в условиях обводнения в пластическое состояние.

С предположением К.В. Руппенейта о том, что основной причиной пучения пород является пластичное состояние глин и глинистых сланцев в результате их обводнения, нельзя согласиться, так как оно не объясняет многочисленных случаев пучения совершенно сухих пород. Наличие влаги в породах почвы является, скорее дополнительным, чем основным фактором, способствующим развитию процесса пучения.

Cледующим этапом в развитии представлений о механизме пучения явились исследования, основанные на комплексном изучении явления пучения, включающем аналитические, шахтные и лабораторные исследования процесса вспучивания пород. Основные работы нового направления появились между 1960…1970 гг., то есть в тот период, когда началось активное освоение глубоких горизонтов и проявления пучения пород резко интенсифицировались.

Существенный вклад в развитие представлений о механизме пучения в этот период внесли такие известные ученые, как А.П. Максимов, В.Т. Глушко, Ю.З.Заславский, В.А. Лыткин и др. [28, 35, 37, 42 и т.д.].

Для установления физической сущности пучения Максимов А.П. в течение многих лет изучал природу деформаций горных пород в условиях, когда эти деформации проявляются в форме выдавливания (пучения) [28]. Эти наблюдения позволили установить наличие медленного, но непрерывного течения горных пород внутрь открытой полости. Простые эксперименты, выполненные на грунтовой модели, подтвердили правильность взгляда на природу деформаций горных пород такого типа, как на вязкопластическое течение. Учитывая это, Максимов А.П. счел правомерным рассматривать механизм пучения горных пород карбона на основе реологической модели Бингама-Шведова.

Предложенная им модель была интересна только с качественной стороны, количественно определить деформации пород почвы в этой модели не представляется возможным по причине невозможности определения констант, входящих в итоговое уравнение, например числа Рейнольдса для горных пород.

Заславский Ю.З., подводя итог результатам исследований многих авторов [35], предлагает основными факторами, определяющими процесс пучения, считать:

- напряженное состояние пород в окрестности выработки, обусловленное весом вышележащей толщи, т.е. величиной "Н";

- прочностные характеристики пород; угол их падения;

- слоистость массива;

- ориентировку выработки, параллельно или перпендикулярно напластованию;

- обводненность выработки;

- ее размеры (в основном ширина);

- сопротивление крепи и срок службы выработки.

Обобщив результаты многочисленных исследований [17…21, 28], Ю.З.

Заславский делает вывод, что прочность пород сама по себе без учета прочих факторов не может определить склонность породы к пучению, поскольку при сочетании определенных факторов породы, устойчивые в одном случае, будут пучащими в другом.

Автором была проведена работа, имевшая целью установить в первом приближении для капитальных выработок, пройденных по простиранию, предельные условия, при которых породы, вмещающие выработку, пучат.

Для достижения поставленной цели были обследованы выработки с пучащими породами почвы, выполнены инструментальные наблюдения и определены физико-механические свойства горных пород.

Основным критерием, для оценки возможности вспучивания был избран безразмерный параметр Н/Rсж. Приняв в качестве "порога пучения" величину Lо =20 см, т.е. такую величину вспучивания, при которой процесс пучения начинает заметно сказываться на состоянии выработки, Заславский Ю.З. построил график, по которому в первом приближении можно делать прогноз о проявлении пучения пород почвы. По данным автора, в выработках шириной 3…5 м пучение начинает проявляться при значениях Н/Rсж=0,4…0,25. Эти результаты хорошо согласуются с наблюдениями, полученными И.Л.Давидовичем и В.Т.Глушко.

Немногим позже для расчета величины поднятия почвы выработок Ю.З.

Заславский предложил следующую расчетную схему (рис.2.4) [35]. Породные слои в почве он рассматривал как защемленные балки, находящиеся под действием продольно-поперечной нагрузки. В процессе вспучивания слоя в середине его пролета и у концов, т.е. в боках выработки возникают растягивающие напряжения, что приводит к излому пород.

–  –  –

Несколько иное решение задачи о пучении пород почвы в выработках, выполнено В.А. Лыткиным [85] также на основе реологической модели Бинга ма-Шведова. Расчетная схема задачи показана на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Схема к определению объема пучения породы (по В.А. Лыткину)

–  –  –

На схеме представлены области: 1 - упругого деформирования; 2 - пластических деформаций; 3 - вспучивания пород почвы; 4 - стабилизации (дестабилизации) процесса пучения. Согласно данной гипотезе начало пучения пород почвы всегда связано с образованием зоны, характеризующейся быстрым ростом деформаций в течение достаточно короткого промежутка времени, что происходит после того, как пластические деформации достигают некоторых предельных (критических) значений.После этого механическая система вновь обретает состояние равновесия. Скорость перехода из одного энергетического состояния в другое определяется, в значительной мере, структурными особенностями пород в массиве.

2.1.1. Физико-механические и реологические свойства пучащих пород

Наблюдения показывают, что наиболее интенсивное пучение наблюдается в выработках, породы почвы которых состоят в основном из глинистых компонентов – глины, глинистых, песчано-глинистых и песчанистых сланцев. Породы эти обычно характеризуются относительно низкими прочностными показателями.

Наиболее полные данные о физико-механических свойствах пород Донецкого бассейна приведены в работе В.Т. Глушко и Г.Т. Кирничанского [38].

Как показывают исследования В.Т. Глушко [37], естественная влажность горных пород в пределах одного и того же литологического слоя неодинакова.

Породы непосредственной кровли и почвы пласта отличаются повышенной влажностью. Отмечается также, что изменение напряженного состояния пород при очистной выемке приводит к изменению влажности. Вода поступает по трещинам в выработку, отжимается силами давления в сторону образовавшейся искусственной полости – выработки, увлажняет почву и может явиться одной из причин пучения пород.

Структура и структурные связи обусловливают в первую очередь деформационные и прочностные свойства пород. Глинистые породы обычно достаточно устойчивы при ненарушенных структурных связях. Эта устойчивость резко падает при увлажнении или осушении глинистых пород и механическом воздействии на них.

Принадлежность глинистых пород к тому или иному типу по гранулометрическому составу при прочих равных условиях также предопределяет склонность пород к пучению. Исследования глинистых пород почвы угольных пластов Красноармейского и Донецко-Макеевского районов Донбасса, проведенные В.Т. Глушко [43], показали, что склонность к пучению пород одного и того же типа зависит от содержания глинистых частиц. Так, аргиллиты, содержащие более 30% глинистых частиц, склонны к пучению; аргиллиты, не подверженные пучению, содержат 10…11% глинистых частиц. Алевролитовый аргиллит подвергается пучению при содержании глинистых частиц 20…31% и не склонен к пучению при их содержании 5…15%.

За срок существования выработок влажность пород увеличивается в зависимости от условий увлажнения на 5…10% на глубину до 2 м от контура выработки. Увеличение влажности глинистых пород приводит к потере прочности их, что обусловливает переход пород в пластическое состояние.

Естественная влажность глинистых пород изменяется не только с удалением от почвы выработки, т.е. в глубину, но и по площади.

Набухаемость зависит от тех же факторов, что и пластичность. Она растет с повышением степени дисперсности, особенно с увеличением содержания фракции тонких глинистых и коллоидных частиц.

Пластичные и плотные глины имеют наибольшую влажность и высокий показатель набухаемости (в процентах к первоначальному объему). Они характеризуются наибольшим давлением набухания, которое может достигать 1,5МПа.

Ранее считалось [24], что набухание глин является одной из основных причин пучения глинистых пород, однако фактический объем пород, участвующих в пучении и вспучивающихся в выработку, значительно превышает тот объем, который мог бы быть в результате набухания, поэтому в более поздних работах ролью набухания в процессе пучения пренебрегают.

Наблюдения за пучением почвы, представленной глинами, показали, что вне зоны влияния очистных работ смещения могут иметь затухающий и незатухающий характер. Смещения пород почвы затухают как во времени, так и с удалением от контура в глубь массива и фиксируются по вертикали на расстоянии 5…6 R0, где R0 – полупролет выработки.

Интенсивность смещений почвы зависит от влажности глин и уровня действующих напряжений. Для выработок, не подверженных влиянию очистных работ и закрепленных одинаковой крепью с равным поперечным сечением, основным фактором, определяющим напряжения, является глубина расположения выработки от поверхности. При небольших колебаниях глубины выработок от поверхности на интенсивность пучения оказывают влияние пластические свойства глин, зависящие от ее влажности. При высокой влажности глин уменьшается их длительная прочность, и глины при более низких напряжениях могут деформироваться упруго-вязко-пластически без разрушения. С уменьшением влажности глин их поведение приближается по своему характеру к глинистым сланцам и упруго-вязко-пластическое течение может сопровождаться образованием микро- и макротрещин, а также увеличением объема пород.

Глины почвы выработок можно рассматривать в зависимости от их влажности и состава как упруго-вязкие или упруго-вязко-пластические тела. К первым можно отнести влажные глины, поведение которых может быть сравнимо с поведением модели Максвелла. Ко вторым можно отнести более сухие глины (в зависимости от минерального и гранулометрического состава) с разной влажностью, поведение которых может быть сравнимо с поведением упруговязко-пластической модели.

Если глины рассматривать как упруго-вязко-пластические тела, то при напряжениях, меньших предела длительной прочности породы, пучение почвы может быть упруго-вязким, а процесс пучения – затухающим. При напряжениях, больших предела длительной прочности, пучение будет следствием упруговязко-пластических деформаций и разрушения пород.

Особое место занимают горно-геологические и горнотехнические факторы, прямо или косвенно влияющие на величину горного давления и прочностные свойства пород: минералогический состав и мощность пучащих пород, естественная влажность пород почвы и обводненность выработки, гидростатический напор, глубина ведения работ, литологические особенности геологического разреза, тектонические нарушения, форма и размеры выработки, схема вскрытия и порядок отработки шахтного поля, параметры системы разработки (в частности, размеры целиков), наличие соседних выработок, системы осушения, конструкция и прочность крепи, а также интенсивность и степень выветривания окружающих пород.

Как правило, большинство перечисленных факторов действует в совокупности, поэтому при определении природы процесса выделяют основной фактор, который оказывает наибольшее влияние на формирование и протекание процессов пучения. Такими факторами являются глубина расположения выработки, прочность вмещающих пород и влияние очистного пространства.

Таким образом, пучение пород почвы является одним из наиболее сложных геомеханических процессов, развивающихся в окрестностях горных выработок. В данной работе представлены результаты исследований, которые выполнялись, основываясь на гипотезе упругопластической потери устойчивости в результате деформирования пород почвы применительно к горногеологическим условиям шахты «Комсомолец Донбасса».

2.2. Общая характеристика горно-геологических условий ПАО «ДТЭК Шахта Комсомолец Донбасса»

Открытое акционерное общество “Шахта “Комсомолец Донбасса” находится на территории Шахтерского района, г.Кировское Донецкой области. Поле шахты расположено на территории одного из крупных геолого-промышленных регионов Донбасса. Шахта сдана в эксплуатацию в декабре 1980 года с плановой добычей 1300 тыс. тонн в год. Производственная мощность освоена шахтой в 2002 году (добыча составила 2301,50 тыс. тонн) и достигает в среднем 2100 тыс. тонн в год с графиком освоения до 2010 года, с учетом реализации проектов: «Вскрытие и подготовка блока № 2» и «Подготовка бремсбергового поля пл. L3, и L4».

Каменноугольные отложения представлены переслаиванием различных по составу и мощности слоёв песчаников, глинистых и песчаных сланцев. В табл. 2.2 представлены характеристики вмещающих пород по пласту L4.

Добываемый уголь представлен маркой Т, с зольностью 31,8%. Содержание серы в углях от 28%. Полезная мощность угольного пласта L4 составляет 1,0 м, при вынимаемой мощности 1,05м. Полезная мощность угольного пласта L3 составляет 1,25…1,06м, при вынимаемой мощности 1,57…1,38м. Добываемый уголь используется в качестве рядового энергетического топлива на тепловых электростанциях Украины и соседних стран.

Поле шахты вскрыто шестью вертикальными стволами. Подготовка шахтного поля – погоризонтная; горизонты заложены на отметках 418м, 628м и 810м с устройством на этих отметках околоствольных дворов.

Система разработки – длинными столбами по восстанию. Способ проветривания – всасывающий, схема проветривания – секционная.

–  –  –

2.3. Натурные исследования состояния капитальных выработок.

Анализ факторов, влияющих на процессы пучения На магистральных откаточных выработках горизонтов 418, 628 и 810м «пучение» связано в основном с высокой обводненностью вмещающих горных пород, которая объясняется спуском воды из шахты «Стожковская», где приток воды составляет в I квартале 348 м3/ час, во II квартале - 650 м3/ час, в Ш квартале 190м3/час, в IV квартале – 100м3/час. В среднем в 2013 году приток воды составил 322 м3/ час, при этом вода поглощается породами почвы выработок, представленными глинисто-песчаными сланцами и песчаниками. Глинистые сланцы под действием воды склонны к пучению на высоту до 2,0 м, а песчаники под диагональным давлением «сжимают» сечение выработки. Немаловажным фактором также является длительный период эксплуатации выработок и высокая интенсивность электровозной откатки.

Шахтные исследования позволяют получить общее представление о характере пучения и математическое обоснование процесса. Основными факторами, определяющими параметры процесса пучения, являются: глубина разработки, прочность вмещающих пород, их мощность и петрографический состав, а также площадь поперечного сечения выработки.

Практика показывает, что выдавливание пород почвы в горных выработках является типичным реологическим процессом. Для исследования характера проявлений пучения пород почвы в откаточных выработках, не подверженных влиянию очистных работ, были заложены экспериментальные участки, в квершлаге на горизонтах 418, 628 и 810м. Всего было заложено 37 замерных станций (14 – на гор.418м, 12 – гор.628м, 11 – гор.810м).

На рис. 2.7 в качестве примера представлена схема части восточного откаточного квершлага гор. 418м, в которой были устроены замерные станции для проведения наблюдений за перемещениями пород.

–  –  –

2.3.1. Устройство замерных станций Использование реперов в качестве средств инструментальных исследований массива позволяет вести наблюдения за характером смещения, расслоения и деформирования массива горных пород вокруг выработок, за характером деформирования горных пород и угля в зонах опорного давления и в зонах разгрузки, за проявлением горного давления.

Для одновременной регистрации абсолютных и относительных деформаций пород, глубины расслоения породных толщ, выявления зоны сдвижения пород и других параметров горного давления были использованы многореперные системы в скважине (рис. 2.8).

При использовании реперов из выработки производилось бурение серии шпуров (скважин), в каждый из которых устанавливались комплекты глубинных реперов.

А В Рис. 2.8. Схема замерной станции В комплект входило от четырех до шести реперов. Вывод от каждого репера в горную выработку был жестким (стержни, трубки). Расстояние между соседними реперами вдоль скважины составляло 10…15 диаметров скважины.

Стержни от нижних реперов проходят через все реперы, расположенные ближе к устью шпура (скважины). Реперы закреплялись в шпурах (скважинах) с помощью клиновых распорных устройств. Заклинивающие устройства устанавливались в шпуре на разной глубине, причем репер с наиболее длинным выводом устанавливали на глубину 6м, где не ожидается перемещения. По нижнему реперу (на глубине до 1м) регистрировали смещения почвы выработки. С помощью гидрорепера (1) осуществлялось измерение перемещений пород грунта и кровли. Глубинные реперы (2) позволили определить перемещения вмещающих пород, в кровле и по бокам выработки на расстоянии до 6м. Для определения перемещений пород со стороны подошвы использовали глубинный репер (3). Глубинный репер представлял собой деревянную пробку, через которую пропускалась стальная проволока. Пробка специальными досыльными трубами подавалась на заданную глубину. Расклинивание репера в скважине осуществлялось путем обжатия реперного устройства скважиной в течение определенного времени.

Регистрация перемещений глубинных реперов механического типа осуществлялась на основе периодических измерений у устья скважины и с использованием дистанционных измерительных средств.

Наблюдения велись на протяжении 12 месяцев. Установлено, что величина и скорость смещения слоев от контура выработки вглубь массива носит затухающий характер (рис. 2.9). Наблюдения за смещениями реперов показали отсутствие существенных смещений в почве на глубине более 2 м. В то же время репера, установленные на глубине 1,0 и 2,0 м, имели смещения соответственно 190 и 50 мм при смещении контура почвы 445 мм. На основании результатов наблюдений за смещениями реперов в приконтурном массиве восточного откаточного квершлага гор.418м после 3 месяцев наблюдений построен график изменения смещений вмещающих пород в зависимости от расстояния до контура выработки.

–  –  –

Измерения смещений породного контура производились на участках выработки, где предварительно были выполнены ремонтно-восстановительные работы, связанные с подрывкой пород почвы. Это было выполнено для установления реальных темпов протекания процесса пучения «в чистом виде», т.е.

как если после процесса проведения выработки.

Наибольшие смещения имели место по оси штрека. Репера, установленные у боков штрека, имели примерно одинаковые смещения. По изменениям отметок на соответствующих участках замерных станций определялась величина поднятия пород почвы и изменение сечения выработки.

Динамика процесса пучения характеризуется значительной интенсивностью процесса в начальный период (40…60 суток), когда реализуются значительные деформации породного массива в сторону выработанного пространства. Далее процесс носит затухающий характер, в результате чего интенсивность процесса значительно снижается, но не стабилизируется окончательно.

В зависимости от горно-геологических условий смещение кровли в окрестности выработок происходит в виде расслоения и последующего послойного сдвижения, ступенчатого опускания блоков по пересекающим слои трещинам, а также плавного опускания без видимых разрывов сплошности.

Общая длина экспериментальных участков составила 170 м, расстояние между соседними замерными станциями - 10 м. На каждой из станций, согласно методике проведения замеров в горных выработках [46], замерялись величины смещений пород в кровле выработки и каждого из боков, а также – почвы.

При выполнении шахтных исследований по определению характера пучения использованы работы А.Н.Шашенко [46] и А.Н.Роенко [47], связанные с обеспечением устойчивости выработок в условиях пучения пород почвы. Данный метод дает возможность не только констатировать наличие пучения, но и определить его интенсивность (рис. 2.10). Первая серия замеров по всем станциям была выполнена в мае 2002 г. Всего в шахтных условиях было выполнено 5 серий замеров в течение года (с мая 2002 г по февраль 2003 г). Согласно проведенным замерам установлено, что процесс пучения носит сходный характер для выработок, находящихся на разных горизонтах. В условиях шахты «Комсомолец Донбасса» интенсивность реализации смещений пород почвы в стадии потери упругопластической устойчивости не зависит от глубины.

а) U, мм 810м 400 628м 418м 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 Т, сут

б) U, мм/сут T 1 2 810м 628м 10 418м 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 Т, сут Рис. 2.10. Смещения (а) и скорость смещения (б) пород почвы в выработках с замерными станциями на разных горизонтах (1 – до подрывки, 2 – после проведения подрывки) После проведения работ по подрывке почвы наблюдалось активное развитие процессов пучения в начальный период (30…50 суток) и затухающий характер в последующий период. Различная интенсивность протекания процессов пучения в выработках на разных горизонтах в начальный период (25…35 суток) объясняет, почему смещения пород почвы проявляются быстрее на более глубоких горизонтах. Установлено, что средняя величина пластических деформаций на контуре выработки составляет 180мм и не зависит от глубины её расположения, а величина конечных пластических деформаций различна и нелинейно зависит от глубины расположения выработки и длительности протекания процесса. На основании рис. 2.10 получена характерная зависимость изменения интенсивности процесса пучения (после проведения подрывки почвы) в течение данного периода экспозиции в выработках на различных горизонтах (рис.

2.11).

U, мм/сут T По результатам, полученным на основе наблюдений за смещениями почвы, построен график, приведенный на рис. 2.13.

U, мм 100 150 200 250 300 350 Т, сут Рис. 2.13. Зависимость величины поднятия почвы на экспериментальных участках от срока эксплуатации восточного откаточного квершлага гор.418м (1 – до подрывки, 2 – после проведения подрывки)

–  –  –

Данные области характеризуются различной интенсивностью протекания механических процессов: а) область упругого деформирования; b) область пластических деформаций; c) область интенсивного пучения пород почвы; d) область стабилизации или продолжения процесса пучения пород почвы.

Область вспучивания пород почвы (c) хорошо прослеживается на графике смещений – она характеризуется достаточно быстрым протеканием процесса и резким увеличением смещений после достижения ими некоторого критического предела в предшествующей области (см. рис. 2.10, 2.14). Область (d) завершает процесс активного деформирования приконтурного породного массива.

Интенсивность деформаций резко падает, они либо стабилизируются, либо не стабилизируются во времени.

Анализ литературных источников с подобными натурными исследованиями показывает, что все они, с поправкой на конкретную горногеологическую ситуацию, качественно достаточно близко отражают картину развития пучения пород почвы. Это обстоятельство уже само по себе говорит о том, что в основе рассматриваемого явления лежит некоторая общая физическая закономерность.

Начало пучения пород почвы выработок всегда связано с образованием области (c). Характерной ее особенностью является очень быстрый рост деформаций в течение достаточно короткого промежутка времени (зона 1), происходящий после того, как пластические деформации достигают некоторых предельных (критических) значений. После проведения подрывки почвы (зона 2), отмечено, что область (c) характеризуется меньшей интенсивностью процесса при большей продолжительности, что является результатом потери упругопластической устойчивости породами почвы и переходом в новое равновесное состояние.

Таким образом, в горно-геологических условиях шахты «Комсомолец Донбасса» вспучивание пород почвы в капитальных выработках носит циклический характер и представляет собой затухающий во времени в пределах цикла процесс потери упругопластической устойчивости приконтурного массива, характеризующийся наличием четырех стадий – упругой, упругопластической, потери упругопластической устойчивости и затухания интенсивности деформаций – в первом цикле и двух стадий – потери упругопластической устойчивости и затухания интенсивности деформаций, в последующих циклах, что позволяет на этой основе разрабатывать технические решения по управлению его параметрами.

Пучение пород наиболее интенсивно протекает в начальный период эксплуатации выработки, после выполнения работ по проведению или перекреплению выработки с проведением подрывки пород почвы. В течение первых 2-х месяцев интенсивность пучения достигает 24 мм/сут не зависимо от глубины залегания горизонта, снижаясь до 0,75…1 мм/сут после 6 месяцев. Средняя величина пластических деформаций на контуре выработки составляет 180мм и не зависит от глубины её расположения, а величина конечных пластических деформаций различна и нелинейно зависит от глубины расположения выработки и длительности протекания процесса, что позволяет прогнозировать периодичность ремонтных работ и оценивать эффективность применяемых технических решений. Результаты исследований процессов пучения до и после проведения подрывки показали идентичный характер развития геомеханических процессов при периодичности подрывки почвы каждые 3…4 месяца. Полученные результаты имеют хорошую сходимость с результатами работ Шашенко А.Н., Роенко А.Н., Сдвижковой Е.А., Тулуба С.Б., Татаринова А.А. [47, 67, 72, 75], основанных на теории потери упругопластической устойчивости (научная школа проф.

А.Н. Шашенко). Анализ натурных исследований проведенных автором и представленных в отмеченных выше работах показывает, что все они, с поправкой на конкретную горно-геологическую ситуацию, качественно достаточно близко отражают картину развития пучения пород почвы. Это обстоятельство говорит о том, что в основе явления лежит некоторая общая физическая закономерность.

2.4. Выбор способа борьбы с пучением пород почвы в капитальных выработках На основании приведенного выше анализа способов борьбы с пучением пород почвы в капитальных выработках для условий слабых углевмещающих пород (типа песчанистых и глинистых сланцев) предложен способ борьбы с пучением, в основе которого лежит комплекс мер, учитывающих характер протекания геомеханических процессов в породах, склонных к большим пластическим деформациям [49].

Способ обеспечения устойчивости выработки в условиях пучащих пород предполагает образование в почве выработки зоны разрыхленных пород (1), а также несущего слоя (3) (рис. 2.15). Разрыхленные породы служат демпфером при развитии процессов пучения. Зона укрепленных пород обеспечивает устойчивость пород почвы за счет перераспределения напряжений на боковые породы приконтурного массива.

Рис. 2.15. Схема способа борьбы с пучением пород почвы Первый этап включает создание в почве выработки зоны разрыхленных пород. Первоначально в почве выработки бурят шпуры по веерной схеме (рис.

2.16, а). Для задания необходимой глубины разрыхленной зоны при взрывании шпуры бурят с некоторым превышением по длине. Производится заряжание шпуров ВВ, в количестве, необходимом для разрыхления пород почвы. С помощью взрывания камуфлетных зарядов образуется зона трещиноватых пород (рис. 2.16, б). После выполнения взрывных работ производится уборка породы до контура выработки.

–  –  –

Рис. 2.16. Порядок выполнения работ, входящих в способ борьбы с пучением пород почвы Во время выполнения работ второго этапа в разрыхленных породах создается зона укрепленных пород, т.н. породобетонная зона. Вначале производят бурение дополнительных шпуров по разрушенным породам в почве выработки (рис. 2.16, в). С помощью пакерной установки производят нагнетание полимерного водонепроницаемого состава для образования сплошного слоя. Затем, после образования полимерной пленки, в шпуры нагнетается тощий цементный раствор для обеспечения проникновения между шпурами. Так формируют верхний несущий слой (зона укрепленных пород) (рис. 2.16, г).

Полимерный состав изолирует слой укрепленных пород (область 3, рис.

2.15) от проникновения влаги со стороны слоя разрушенных пород (область 1 рис. 2.15). Слой разрушенных пород служит в качестве демпфера, поглощая деформации со стороны вмещающих пород почвы.

Таким образом, при соответствующей механизации процесса новый комбинированный способ учитывает недостатки и достоинства иных вариантов и является эффективным в конкретных горно-геологических условиях шахты «Комсомолец Донбасса». В связи с этим важное значение приобретает выбор рациональных параметров данной технологической схемы, при которой обеспечивается поддержание выработки в устойчивом состоянии без больших трудовых затрат в течение длительного периода времени. Для определения параметров данного способа для конкретных условий шахт требуется проведение физического моделирования на эквивалентных материалах. Это позволит определить качественную картину защитного действия разработанного комплекса мер в зависимости от размеров породонесущей оболочки, размеров зоны трещиноватых пород.

–  –  –

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СПОСОБА

БОРЬБЫ С ПУЧЕНИЕМ ПОРОД ПОЧВЫ КАПИТАЛЬНЫХ

ВЫРАБОТОК ПУТЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ЭКВИВАЛЕНТНЫХ

МАТЕРИАЛАХ

3.1. Общие положения Физические и технологические процессы горного производства отличаются значительной сложностью, так как характеризуются большим числом параметров, взаимозависимых друг от друга. Изучение таких процессов сопряжено с существенными трудностями как при аналитических, так и при натурных исследованиях, поэтому природа многих из них еще до конца не ясна, хотя теоретический уровень горной науки, особенно за последние годы, значительно возрос. Этому в известной мере способствовало широкое использование при исследованиях физических и технологических процессов различных методов моделирования.

Наряду с дальнейшим более тщательным изучением физикомеханических, и особенно реологических, свойств горных пород необходимы дополнительные исследования на моделях физических процессов сдвижений и деформаций пород в окрестности горных выработок для установления общих закономерностей проявления горного давления, а также с целью разработки на этой основе соответствующих инженерных мероприятий. При решении этих задач применяют методы эквивалентных материалов, фотоупругости, центробежного и иные виды моделирования [46]. Эти же методы весьма успешно используются при исследовании физических процессов газовыделений, устойчивости откосов карьеров, проветривания горных выработок и т.д.

Цель моделирования как метода исследования заключается в воспроизведении на модели процесса, подобного происходящему в натуре.

Этот метод позволяет на уменьшенной или увеличенной по отношению к реальному объекту модели проводить качественные и количественные исследования изучаемого процесса в натуре, который по разным причинам часто бывает мало доступен или вовсе недоступен для более или менее детального изучения.

Материальные модели по существу представляют собой макеты реальных объектов, в которых воспроизводят те же физические процессы или им аналогичные. Для изготовления моделей применяют как материалы натуры, так и материалы другой физической природы. С помощью таких моделей можно решать весьма сложные и важные практические задачи.

Таким образом, моделирование в познании реальной действительности является звеном, связывающим теорию с практикой: теория – идеальная модель

– эксперимент (моделирование) – действительность.

Первые исследования явлений деформаций и разрушений толщи вмещающих пород на физических моделях проведены в конце ХIХ века.

Вопросы, связанные с моделированием геомеханических процессов, детально рассмотрены в работах М. Файоля, А. Леона и Ф. Вильгейма, Ф.Ю. ЛевинсонаЛессинга, М.М. Протодьяконова, Г. Шпаккелера, Е. Леера и К. Зейдля, Г. Доммана, Ф.А. Белаенко и Г.Л. Павленко и др. Однако, в большинстве поставленных тогда опытов не удовлетворялись основные требования механического подобия, в связи с чем результаты исследований представляют скорее качественные, чем количественные характеристики изучаемых явлений.

Большое значение для получения основных относительных количественных характеристик неоднородных напряженных состояний элементов сложных механических систем имела разработка оптического метода исследования напряжений. Данный метод впервые нашел применение для исследования характера напряженного состояния вокруг подземных выработок в работе Ф.Ю. Левинсона-Лессинга [51]. В работах Л.Э. ПрокофьевойМихайловской оптический метод получил дальнейшее развитие.

В работах ВНИМИ рассмотрены опыты по изучению оптическим методом характера распределения напряжений в объемных моделях, а также по изучению влияния динамических нагрузок, создаваемых взрывом.

Поляризационно-оптический, или просто оптический, метод моделирования позволяет устанавливать распределение и значения напряжений в массивах пород и элементах сооружений любой конфигурации, когда деформации модели происходят без разрыва сплошности. Оптический метод основан на свойстве большинства прозрачных изотропных материалов (целлулоид, бакелит, фенолит и др.), называемых оптически чувствительными, при приложении механических нагрузок приобретать оптическую анизотропию и проявлять способность двойного лучепреломления.

Работы по моделированию геомеханических условий шахт получили значительное развитие с появлением метода центробежного моделирования, удовлетворяющего требованиям механического подобия при одновременном действии указанных сил. В нашей стране данный метод разработан Г.И. Покровским [52] и Н.Н. Давыденковым [46]. Метод центробежного моделирования с успехом и большой степенью надежности применяют при решении задач, связанных с определением размеров устойчивых потолочин камер, оптимальной формы и параметров бортов карьеров и отвалов, давления обрушенных пород на днища очистных блоков, влияния длительной нагрузки на крепь капитальных выработок, пройденных в пластичных глинистых породах и др. Достоинством центробежного моделирования является то, что это единственный из методов моделирования, в котором, благодаря использованию натуральных горных пород, соблюдается соответствие между размерами частиц и молекул. Для некоторых задач это имеет особо важное значение. Однако, несмотря на большие достоинства этого метода, оправдавшего себя при решении ряда статических задач механики грунтов [52], а также при исследовании некоторых задач, связанных с давлением обрушенной руды на стены камеры [53], при центробежном моделировании крайне затруднительно, а иногда и совсем невозможно, воспроизводить слоистые толщи разнородных по составу и свойствам пород. Большие технические трудности представляет и воспроизведение в модели перемещения забоя во времени, что ограничивает область эффективного применения данного метода, поэтому в ряде случаев возникает необходимость обращения к другим методам моделирования.

Более информативным является метод моделирования геомеханической ситуации с помощью эквивалентных материалов, предложенный Г.Н. Кузнецовым в 1936 г. [54]. Основные принципы этого метода сводятся к замене в модели естественных горных пород искусственными материалами с физико-механическими свойствами, которые, в соответствии с принятым масштабом моделирования, находятся в определенных соотношениях с физикомеханическими свойствами натурных горных пород [46].

Одним из преимуществ метода моделирования на эквивалентных материалах является возможность измерения показателей, отражающих НДС массива в интересующих областях, которые в натурных условиях осуществить практически невозможно ввиду труднодоступности участков массива.

Идея моделирования методом эквивалентных материалов заключается в следующем:

- модель толщи пород и вырабатываемого полезного ископаемого изготовляется из некоторых искусственно подобранных материалов с соблюдением геометрического подобия модели и натуры;

- в целях достижения механического подобия материалы, из которых должна изготовляться модель, подбираются не с произвольными физикомеханическими свойствами, а с такими, которые находились бы в определенных соотношениях с физико-механическими константами горных пород. Материал, удовлетворяющий по своей механической прочности указанным требованиям, при заданных свойствах моделируемой горной породы и заданном линейном масштабе модели имеет название эквивалентного данной породе материала;

- эти соотношения определяются на основании общего закона динамического подобия с учетом одновременного действия сил тяжести и внутренних напряжений;

- моделирование крепления и закладки осуществляется путем введения в модель специальных приборов, работа которых также должна удовлетворять требованиям механического подобия натуре;

- при соблюдении указанных выше условий, а также необходимых начальных и контурных условий, механические процессы, происходящие в модели в связи с проведением в ней выработок, геометрически подобных натуре, должны развиваться в форме, близкой к действительной. При этом, так же как и в натуре, развитие указанных процессов будет происходить под действием сил тяжести самой модели, либо с применением каких-либо внешних нагрузок, имитирующих отброшенную часть породного массива.

В результате многочисленных исследований уточнены способы определения масштаба времени в моделях; разработаны основные требования и условия, обеспечивающие правильное построение моделей; значительно расширен диапазон рецептуры материалов.

3.2. Теоретические аспекты моделирования методом эквивалентных материалов Идея моделирования методом эквивалентных материалов, как уже отмечалось выше, заключается в соблюдении всех необходимых условий подобия модели и натуры.

На основании общего определения свойств подобных физических явлений можно охарактеризовать механически подобные системы как такие системы, у которых все параметры, характеризующие механические процессы, происходящие в одной системе, могут быть получены простым умножением соответственных параметров другой системы на постоянные переходные множители. При этом для параметров различной физической природы множители различны, но для однотипных параметров этот множитель (константа подобия) имеет одно неизменное значение.

Теория подобия сформировалась на основании работ многих российских ученых. Наиболее известны в этой области работы А.А. Гухмана, В.Л. Кирпичева, М.В. Кирпичева, И.К. Конакова, М.А. Михеева, Н.Н. Павловского, Б.С. Петухова, Л.И. Седова и др. [55].

Механический процесс характеризуют три основные единицы измерения:

длина, время и масса. Численные величины единиц измерения для всех прочих элементов, характеризующих рассматриваемый процесс, и, например, скорости, ускорения, внутренние напряжения в элементах системы, приобретают вполне определенные значения. В соответствии с этим механическое подобие определяется заданием переходных множителей (масштабов) для длины (геометрическое подобие), времени (кинематическое подобие) и массы (динамическое подобие) [55, 56].

Геометрическое подобие имеет место, если все размеры пространства, занятого изучаемой системой, и размеры ее отдельных элементов будут изменены в определенное число раз по сравнению с размерами пространства, занятого моделирующей системой.

Кинематическое подобие имеет место в этих двух системах в том случае, если сходственные частицы, двигаясь по геометрически подобным траекториям, проходят геометрически подобные пути в промежутки времени, отличающиеся постоянным множителем.

Динамическое подобие имеет место в том случае, если массы двух любых сходственных частиц, т. е. частиц, соответственным образом расположенных в пространстве и времени, отличаются друг от друга постоянным множителем.

Геометрическое подобие характеризуется соотношением:

–  –  –

где н, м – промежуток времени в натуре и модели.

Динамическое подобие:

mн mн'' ' і mн ''... і C m, (3.3) ' mм mм mм где mн, mм – масса частицы в натуре и модели.

Соотношение, выражающее основной критерий динамического подобия, называется критерием подобия или числом Ньютона и записывается в виде:

Ne iden.

(3.4) Для моделирования с использованием метода эквивалентных материалов требуется соблюдение условий однозначности [57], которые определяются заданием:

– геометрических условий, описывающих форму и размеры тела, в котором протекает процесс;

– физических условий, характеризующих физические свойства среды и тела;

– граничных условий, определяющих особенности протекания условий на границах тела;

– временных условий, отражающих особенности протекания процесса во времени.

Однако, подбор эквивалентных материалов, удовлетворяющих одновременно всем указанным выше условиям, представляет достаточно сложную задачу, требующую соответствующей теоретической и экспериментальной проработки. Тем не менее, известное несовершенство методики определения механических характеристик эквивалентных материалов, которые удовлетворяли бы всем рассмотренным требованиям механического подобия, не исключают возможности успешного применения метода эквивалентных материалов для решения определенного круга задач.

Рассматривая плоскую задачу, в которой процессы деформирования и разрушения происходят при статическом действии сил, можно ограничиться удовлетворением условий подобия лишь в отношении численных значений характеристик прочности соответственно выбранному масштабу модели.

Модули, характеризующие упругие и пластические свойства модели, могут быть подобраны без соблюдения точного соответствия с масштабом модели при условии понижения модулей деформации конструкций, имитирующих работу крепи.

В случае преобладающего влияния динамических процессов условия подобия характеристик прочности и деформируемости имеют большое значение, т.к. позволяют моделировать условия обрушения пород в выработанное пространство под действием возникающих динамических нагрузок, а также перемещение под действием собственного веса (например, добыча на мощных крутопадающих пластах).

При построении и испытании моделей необходимо кроме удовлетворения определяющих критериев подобия, соблюсти геометрическое подобие модели, а также подобие начального состояния и граничных условий.

3.3. Подбор эквивалентных материалов и технология выполнениямоделей

Конкретный состав эквивалентных материалов может быть различным в зависимости от масштаба модели и типа моделируемых горных пород. Выбор эквивалентного материала является одним из основных вопросов при решении той или иной конкретной задачи с помощью метода моделирования.

В качестве исходных материалов для создания модели применяют кварцевый песок, молотую слюду, тальк, мел, глину, которые должны соответствовать определенным требованиям. Так, например, песок следует отбирать чистым (без глинистых включений) с размерами зерен от 0,20 до 0,12 мм для мелкомасштабных и от 0,85 до 0,30 мм для крупномасштабных моделей.

Связующие вещества во всех применяемых эквивалентных материалах по своей природе разделяют на четыре группы [46]:

1) углеводороды нефтяного происхождения (парафин, церезин, вазелин и т.п.), обладающие пластичными или упругопластическими свойствами;

2) неорганические вещества (гипс, цемент, жидкое стекло, тиосульфат натрия), являющиеся хрупкими;

3) синтетические полимеры (карбамидная, эпоксидная, кремнеорганическая и др. смолы), имеющие хрупкие или упругопластические свойства;

4) смолы естественного происхождения (канифоль, пек и др.), относящиеся к хрупким веществам.

Использование комбинированных связующих или специальных модификаторов и присадок дает возможность варьировать как количественными, так и качественными характеристиками эквивалентных материалов. Физико-механические свойства массива горных пород всегда являются одним из главных факторов, определяющих характер развития процессов проявления горного давления. При моделировании этих процессов методом эквивалентных материалов знание указанных характеристик для материалов моделей совершенно необходимо, так как в осуществлении определенного соотношения между физико-механическими характеристиками горной породы и материала модели заключается основа данного метода.

Полный комплекс этих характеристик включает в себя показатели всех свойств материала: прочностных, деформационных, реологических и других физических (объемный вес, пористость, и пр.), а также его структурного строения с соответствующими характеристиками механических свойств на имеющихся поверхностях ослабления.

Направленное регулирование свойств материалов осуществлялось варьированием исходных компонентов в рецептуре получения эквивалентных материалов. В многокомпонентных смесях свойства изменяют за счет состава и соотношения между отдельными компонентами связующего или наполнителя.

В этом случае один и тот же показатель, характеризующий свойства, может быть достигнут с помощью различных рецептур.

В качестве эквивалентного материала в настоящих исследованиях был использован искусственный материал на основе песка и парафина. Для мелкомасштабных моделей использовались пески мелкозернистые, крупностью d = 0,21…0,12 мм, а также технический парафин. Обладая низкой точкой плавления (42…54°С), большой однородностью, способностью хорошо проникать и обволакивать мелкоистираемый материал инертных наполнителей, парафин представляет собой удобный цементирующий материал. Исходя из заданных параметров, был подобран материал модели, состоящий из кварцевого песка, графита и парафина. После этого вычисляли вес каждой составляющей смеси, а затем количество компонентов, необходимых для приготовления материала модели.

В качестве дополнительных вяжущих, отражающих структуру углевмещающих пород, при приготовлении пластичных смесей использовался технический вазелин и графит.

В емкость с сухим песком добавлялся в соответствующих пропорциях графит (порошок), вазелин и измельченный парафин. Данную смесь тщательно перемешивали, после чего укладывали в металлическую емкость с плотной крышкой. Для равномерного перемешивания компонентов и получения однородной смеси емкость прогревалась в течение 3 часов (при Т=130 ± 3 С) в условиях «водяной бани».

При моделировании процессов механики горных пород является необходимым обеспечение подобия следующих физико-механических характеристик эквивалентных материалов: прочности на сжатие, растяжение и изгиб, модуля упругости, сцепления при сдвиге, пластичности, а также реологических показателей. Одинаковыми по величине в модели и натуре должны быть такие безразмерные показатели как коэффициент Пуассона и угол внутреннего трения.

Условия подобия характеризуются выполнением следующих равенств [57]:

Для внешних сил:

l3 PМ М М PН, (3.5) lН Н где Н, М – объемный вес материала натуры и модели;

Для процессов разрушения:

–  –  –

В дальнейших лабораторных исследованиях применялись следующие смеси:

– состав №1 (песок – 95,9%, парафин – 2,9%, графит – 0,7%, солидол – 0,5% по массе) соответствует песчанистым сланцам,

– состав №2 (94,8%:4%:0,7%:0,5%) – глинистым сланцам,

– состав №3 (92,3%:6,4%:0,8%:0,5%) – песчаникам,

– состав №4 (96,7%:1,9%:0,9%:0,5%) – углям.

3.4. Определение влияния коэффициента разрыхления на физикомеханические показатели породного массива Основными показателями при решении вопросов об устойчивости горных выработок являются механические свойства горных пород, отражающие характер зависимости между напряжениями и деформациями угля и углевмещающих пород [61].

Физико-механические параметры пород с различной степенью разрыхления использовались в дальнейшем (см. раздел 4) для обоснования способа борьбы с пучением и определения необходимой степени разрыхления пород демпферной зоны на основе математического моделирования.

Для характеристики механических свойств пород необходимо определить: модули упругости и коэффициенты Пуассона; пределы прочности при одноосном сжатии и растяжении; пределы прочности при срезе. Но так как проведение испытаний по определению физико-механических параметров на образцах глинистых пород является в значительной степени затруднительным, испытания проводились на образцах из эквивалентного материала с соблюдением условия механического подобия (см. п. 3.3) на основе известных методик [65, 66]. Для этого проводились контрольные эксперименты со стандартными монолитными образцами из эквивалентного материала и образцами песчанистого сланца, взятыми в качестве проб из скважин в шахтных условиях. Образцы испытывались на сжатие при отсутствии бокового расширения.

Для обоснования способа борьбы с пучением проведены лабораторные исследования параметров деформирования предварительно нарушенного породного массива на основе эквивалентного материала. Учитывая то, что предел прочности на сжатие и модуль деформации (для пород с ненарушенной структурой – модуль упругости) в значительной степени определяют характер протекания процесса деформирования, так называемой зоны разгружения (зоны разрыхленных пород), целью данных исследований являлось определение данных параметров с целью последующего их использования для аналитического моделирования способа борьбы с пучением пород почвы и определения его эффективности при различной степени разрыхления пород в демферной зоне.

Во время лабораторных экспериментов определялись зависимости изменения продольных деформаций от несущей способности разрушенного породного массива при различном коэффициенте разрыхления. Работы выполнялись на винтовом прессе (рис. 3.1). С помощью индикатора часового типа 1 определялась величина уплотнения разрыхленного материала при соответствующих значениях напряжений, возникающих в материале, которые определялись при помощи тензодатчика 2.

Коэффициент разрыхления нарушенных пород зависит от их гранулометрического состава, поэтому для получения материала с заданной величиной коэффициента разрыхления был использован ситовой метод [65].

Рис. 3.1. Схема винтового пресса для определения степени уплотнения разрыхленного материала без влияния бокового давления

–  –  –

Учитывая то, что с помощью эквивалентного материала моделировались геомеханические ситуации реальных горных пород, которые по развитию процессов деформирования во времени могут отличаться от процессов, наблюдаемых на моделях, для определения характера деформирования во времени были проведены испытания образцов материала и песчанистого сланца. На основе данных исследований построены кривые консолидации для эквивалентного материала (рис. 3.5) и песчанистого сланца (рис. 3.6) при равных условиях нагружения (нагрузка 80% предела прочности на одноосное сжатие). Кривые консолидации показывают как реализуются деформации во времени. Установлено, что кривые консолидации имеют сходный характер по степени реализации деформаций во времени с отличием по длительности данных сроков реализации. Соблюдение подобия в масштабе времени представляется возможным на основе сравнения представленных графических зависимостей. Структурно-нарушенный массив характеризуется различной по времени степенью реализации деформаций.

–  –  –

Представленная на рис. 3.7 сравнительная диаграмма зависимости реализации деформаций эквивалентного материала с различным коэффициентом разрыхления объясняет принцип работы зоны укрепленных пород и зоны разгрузки при разной степени разрыхления пород.

–  –  –

Зависимость между коэффициентом разрыхления и модулем деформации предварительно разрыхленных пород песчанистого сланца определена на основе анализа графической зависимости на рис. 3.8 и представлена на рис.3.9.

–  –  –

3.5. Определение эффективных мер борьбы с пучением пород почвы на моделях из эквивалентных материалов Разработка мероприятий, направленных на обеспечение устойчивости выработок в условиях пучащих пород является сложной и многоплановой задачей, для решения которой необходимо детальное изучение процесса, а также проведение экспериментов по определению оптимальных параметров рассматриваемого способа борьбы с пучением.

Технология проведения испытаний моделей на основе эквивалентных материалов основана на использовании плоского стенда, на котором осуществляются эксперименты (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Стенд для моделирования на эквивалентных материалах

Стенд представляет собой систему домкратно-рычажных механизмов, при помощи которых усилие передается на переднюю стенку. На передней стенке стенда сформирована полость, в которую помещается эквивалентный материал. С лицевой стороны полость закрыта слоем органического стекла, которое позволяет наблюдать за протеканием процесса, а также выполнять необходимые замеры.

Методика моделирования состоит в следующем. Перед загружением материала в экспериментальную область боковые грани модели, а также стекло смазываются графитовой смазкой, что обеспечит снижение влияния сил трения от взаимодействия материала и ограничивающих поверхностей при проведении эксперимента. Модель изготавливают путем наращивания слоев снизу вверх.

При этом для каждого слоя подбирают эквивалентный материал, соответствующий прочностным и деформационным характеристикам породы в натуре. Прогретый материал засыпают в полость послойно, по 5 см. Затем слой выравнивают и уплотняют специальными приспособлениями. Между слоями разных эквивалентных материалов просыпается тонкий слой измельченного мела для обеспечения визуального разграничения слоев. Уплотнение каждого слоя происходит вследствие статического приложения груза массой 20 кг.

После того, как модель сформирована, на вертикальные рычаги стенда загружается статическая нагрузка величиной 10 кг. В таком состоянии модель находится в течение часа. Затем нагрузка снимается и демонтируется стекло.

После этого на открытую часть модели мелом наносят мерную сетку. Для этого используется шаблон, который позволяет наносить сетку с размером ячеек 22 см. Затем в модели создается полость, имитирующая горную выработку (рис.

3.11).

Далее при создании модели в основании выработки моделируются мероприятия по предотвращению пучения. Сначала в почве выработки удаляется материал и моделируется полость в форме полуовала, что соответствует границам зоны разрыхленных пород. В эту полость укладывается предварительно подготовленный эквивалентный материал с различным процентным составом исходных компонентов равномерно перемешанных фракций, за счет чего достигается заданный параметр коэффициента разрыхления. Поверх разрыхленного материала укладывался усеченный эллиптический цилиндр из уплотненного эквивалентного материала (песчаника), что позволило смоделировать слой уплотненных сцементированных пород (рис. 3.12).

Зона I – зона разрыхленных пород; зона II – зона уплотненных пород, создается при помощи уплотненного материала, моделирующего свойства песчаника.

–  –  –

Рис. 3.12. Схема способа борьбы с пучением пород В результате проведенных подготовительных работ по созданию физической модели конечная реализация расчетной схемы имела вид, представленный на рис. 3.13. Выработанное пространство закрепляется устройством, имитирующим работу крепи, с соблюдением необходимых параметров жесткости, упругости и податливости в замковых соединениях. На контуре выработки (кровля, почва, бока) наносят маркеры для регистрации деформаций и смещений в период испытания. Замеры изменения расстояния между точками позволят судить о горизонтальной и вертикальной конвергенции.

Рис. 3.13. Расчетная схема определения параметров способа борьбы с пучением пород почвы

–  –  –

В=6,2 В=6 В=6,25 В=6,5 В=7 В=5,75 В=7 В=8 В=7 Н=2,25 При проведении испытаний параметры зоны уплотненных пород варьировались в диапазоне: по глубине – 1…2,25м; по ширине – 5,75…8м.

Параметры границ зоны разрыхленных пород изменялись в пределах 2,5…4м по глубине и 8,5…13м по ширине. Изменение параметров способа позволяет изменять НДС вмещающего массива, а также влиять на устойчивость выработки за счет обеспечения баланса между напряжениями, возникающими со стороны пород почвы и напряжениями в уплотненной зоне.

Целью данной работы являлось обоснование рациональных параметров способа борьбы с процессами пучения на основе результатов физического моделирования на эквивалентных материалах. Основной задачей при определении данных параметров являлась минимизация расходов, связанныхс выполнением предлагаемых мероприятий. Поэтому при проведении исследований была выбрана схема, по которой выполнялся выбор последующего варианта. Учитывая то, что для получения необходимых данных при стандартном подходе потребовалось проведение значительного количества испытаний, был выбран способ наименьших квадратов. Каждый последующий вариант моделировался с учетом полученных ранее результатов.

В результате создания буферной зоны из разрыхленных пород достигается реализация избыточных напряжений и плавное включение в работу, посредством несущей зоны, боковых пород, с последующим перераспределением напряжений.Таким образом, для данного способа на основе физического моделирования методом эквивалентных материалов определялась качественная картина влияния схем с различной геометрией демпферной и несущей зон на изменение устойчивого состояния выработки при соблюдении равных условий проведения эксперимента.

Значения коэффициента разрыхления демпферной зоны (Кр=1,3) и предела прочности на одноосное сжатие эквивалентного материала зоны уплотненных пород (сж=0,4МПа) были постоянными во время всех испытаний на физических моделях. Исходя из предварительно проведенных испытаний, минимально необходимое количество моделей по каждому варианту было принято равным 3.

3.6. Анализ результатов моделирования методом эквивалентныхматериалов

При проведении экспериментов определялись геометрические параметры уплотненной и разрыхленной зон. Одним из основных влияющих параметров являлась форма обратного свода уплотненной зоны. Предварительными экспериментами установлено, что наибольшей устойчивостью при создании зоны укрепленных пород обладает эллиптическая форма. В начальный период загружения модели происходит перераспределение напряжений. Активно работает демпферная зона, передавая напряжения со стороны пород почвы на несущий слой из укрепленных пород. Вертикальное давление, которое проявляется со стороны пород кровли и боков выработки в данном случае уравнивает нагрузки со стороны пород почвы, обеспечивая необходимую устойчивость системы «кровля-почва». Для обеспечения равновесного состояния породного массива необходимо в первую очередь сохранение несущей способности слоя укрепленных пород. Большое значение при определении размеров данного слоя имело определение рациональных параметров зоны разрыхленных пород, т.к. именно данная зона служит буфером между породами, находящимися в запредельном напряженнодеформированном состоянии и породобетонным слоем, который работает в упругом режиме.

При проведении экспериментов на физических моделях было установлено, что при достижении нагрузок на крепь, равных 6,4кН, в почве выработки, у стоек, образуются трещины, направленные к центральной оси.

При увеличении нагрузок со стороны породного массива трещины в почве развиваются и происходит отрыв слоя пород на глубину 1м. По линии отрыва данный слой имеет эллиптическую форму. При нагрузках свыше 7,2кН активно проявляется процесс пучения – оторванный слой пород, сминаемый по бокам стойками крепи, выдавливается в выработку, в значительной степени уменьшая поперечное сечение. Смоделированная ситуация в значительной степени отражает процессы, характерные для НДС породного массива приконтурной части выработки в условиях шахт Центрального Донбасса. Проведенные подготовительные исследования позволили смоделировать характерные неблагоприятные условия ПАО «ДТЭК Шахта «Комсомолец Донбасса»

(рис.3.14...3.27).

Величина смещений пород по горизонтали и по вертикали позволили обозначить граничные условия, исходя из которых, в дальнейшем, определялась эффективность применяемых мероприятий, а также на основе анализа полученных данных параметры предложенного способа.

В ходе лабораторных экспериментов было установлено, что уже при достижении нагрузки равной 4кН в приконтурном массиве модели, на границе с зоной разрыхленных пород наблюдается изгиб горизонтальных линий сетки и начало процесса закрытия трещин и пустот в демпферной зоне. Вначале активно деформировалась демпферная зона по бокам выработки. Наблюдалось значительное проседание вышележащих и подстилающих пород в этих областях. Затем в работу включалась центральная часть демпферной зоны.

Во многих случаях при значительной ширине и малой глубине укрепленной зоны (см. рис. 3.16) наблюдалось нарушение данной зоны в виде трещины по центру.

–  –  –

При увеличении глубины укрепленной зоны и изменении ее ширины потеря устойчивости проявлялась в обрезании краев данной зоны вышележащими породами по бокам выработки. В результате было установлено влияние формы уплотненной зоны на ее устойчивое состояние – при переходе от круглой формы обратного свода зоны укрепленных пород к эллиптической изменяется угол среза боковых граней данной зоны (рис.3.28).

–  –  –

Рис. 3.28. Углы среза боковых граней в зависимости от формы уплотненной зоны (а – круглая, б – эллиптическая) Величина угла изменяется от 1 до некоторого значения 2, которое, в свою очередь, определяется такими физико-механическими факторами, как предел прочности на сжатие, срез, а также угол внутреннего трения. Данные параметры определяются опытным путем и являются различными для каждого конкретного случая. Учитывая особенности технологии создания укрепленной зоны в шахтных условиях (цементирование нарушенных пород), следует отметить, что определение вышеизложенных параметров может быть проведено на опытных образцах в шахтных условиях. Увеличение величины угла среза позволяет даже при нарушении укрепленной зоны сохранять геомеханическую систему «выработка-приконтурный массив» в устойчивом состоянии. Данная конструкция после обрезания боковых граней имеет призматическую форму с большей стороной по нижнему основанию, за счет чего, находясь в обжатом состоянии, сохраняет свое положение, чего не происходит при форме несущей конструкции в виде усеченной окружности.

Однако необходимо отметить, что даже при соблюдении эллиптической формы процесс может развиваться по II схеме (рис. 3.28, б) если степень разрыхления в разрыхленной зоне изменяется, увеличиваясь от центральной части к бокам (см. рис. 3.20). При сохранении коэффициента разрыхления зоны разрушенных пород постоянным и увеличении несущей способности укрепленной зоны процесс будет проходить по I схеме (рис. 3.28,а).

С увеличением глубины зоны укрепленных пород до 2м и ширине в пределах 6,2…7м зона находится в устойчивом состоянии.

Это объясняется несущей способностью композитной породобетонной конструкции, которая обеспечивает необходимый физический барьер, а также перераспределяет напряжения из центральной части по бокам выработки.

Уплотненная зона работает по принципу консольной балки, защемленной с обоих концов. При меньшей толщине уплотненной зоны после загружения модели нагрузкой, эквивалентной 0,75 в шахтных условиях, происходит разрушение данной зоны.

Уплотненная зона должна выступать за пределы выработки на 0,75…1 м.

При меньших размерах данной зоны происходит обрезание пород в боках выработки. Наличие уплотненной зоны большего размера по ширине негативно сказывается на устойчивости, т.к. избыточные напряжения разрушают уплотненную зону в средней части выработки (при толщине уплотненной зоны равной либо менее 1,75 м) или по краям на уровне боков выработки (при толщине уплотненной зоны менее 1,75 м).

По результатам проведенных исследований определены соотношения для уплотненной зоны: «глубина/ширина» и разрыхленной зоны: «размер по вертикали / размер по горизонтали». Следует отметить, что эллиптическая форма уплотненной и разрыхленной зон обеспечивали наилучшие результаты по сохранению поперечного сечения выработки в результате действия сил горного давления.

На основе проведенных исследований на эквивалентных материалах удалось определить рациональные параметры способа, которые позволяют достичь значительного повышения устойчивости выработки в пучащих породах.

Эффективное использование способа достигается при следующих размерах:

– уплотненная зона по глубине – не менее 2 м, по ширине – не менее 6,5 м;

– соотношение для уплотненной зоны: «ширина/ глубина» - 2,9…3,4 (рекомендуемое 3,25);

– глубина разрыхленной зоны – не менее 3 м, ширина – не менее 10,5 м;

– соотношение «глубина уплотненной зоны/ глубина разрыхленной зоны»

- 0,7…0,5 (рекомендуемое 0,67);

– соотношение «ширина уплотненной зоны/ ширина разрыхленной зоны»

- 0,6…0,7 (рекомендуемое 0,62).

Рекомендуемые соотношения определены по результатам замеров величины поднятия почвы с учетом минимизации объемов вспомогательных работ для конкретных условий.

–  –  –

АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПОСОБА

БОРЬБЫ С ПУЧЕНИЕМ ПОРОД ПОЧВЫ

4.1. Выбор метода исследований Разработка мер, направленных на борьбу с пучением пород почвы, является сложной задачей, для решения которой требуется использование комплексного подхода. На основе проведения физического моделирования получена качественная картина, однако, для подтверждения адекватности результатов, полученных на моделях из эквивалентных материалов, и получения количественных данных, характеризующих процессы, происходящие в массиве и на контуре выработки, необходимо проведение математического моделирования процесса пучения и определение с помощью численных методов параметров способа борьбы с пучением почвы.

В качестве аналитических методов для исследования механических процессов в породных массивах наиболее широко используются методы механики сплошной среды: механики твердого деформируемого тела (теории упругости, теории пластичности, теории ползучести, статистические методы), механики сыпучих, вязких и жидких тел, а также методы строительной механики.

Вопросу изучения процесса пучения аналитическими методами посвящено значительное количество работ, в которых используются разные подходы для описания сходных процессов.

В зависимости от используемых физических моделей все методы оценки явления выдавливания пород в горные выработки можно разделить на четыре группы, в зависимости от используемого подхода:

- применение уравнений статики сыпучих сред (П.М. Цимбаревич [31], В.Д. Слесарев и др. [21]);

- использование реологических уравнений (В.А. Лыткин [42], А.П. Максимов [28] и др.);

- уравнения теории упругопластической устойчивости (А.Н. Шашенко [46]);

- эмпирические зависимости (Ю.З. Заславский [36], И.Л. Черняк [20] и др.).

На основе обзора существующих методов исследования напряженнодеформированного состояния (НДС) породного массива выберем наиболее эффективный из них для оценки НДС массива вокруг выработок, с применением мер борьбы с пучением пород почвы.

Исследование НДС массива горных пород, вмещающего выработку, является довольно сложной задачей. Это обусловлено тем, что существует ряд факторов, оказывающих влияние на НДС породного массива, учесть которые в аналитических исследованиях довольно трудно.

Все многообразие существующих методов расчета НДС дает возможность использовать такой, который при оптимальных затратах времени, минимальных допущениях и упрощениях позволит с максимальной степенью реальности отразить процессы, происходящие в породном массиве вокруг горной выработки. Имеется большое количество работ, связанных с применением классических механических моделей к задачам геомеханики [86…88 и др.].

Упругая сплошная среда впервые была использована в качестве механической модели массива горных пород в работах Леона А., Динника А.Н., Савина Г.Н., Лехницкого С.Г. [90, 91 и др.]. Впоследствии эти допущения были использованы при разработке модели взаимодействия породного массива с крепью выработки. Используя упругую модель для изучения взаимодействия пород с крепью выработок, Савин Г.Н. установил зависимость нагрузки на крепь от геометрических параметров крепи и модуля упругости материала.

В изучении упругой модели взаимодействия пород и крепи большое методологическое значение имеют работы Родина И.В. [92], предложившего различать природное поле напряжений, существовавшее до проведения выработок, и снимаемое поле напряжений, образовавшееся вследствие проведения выработок. Последнее, накладываясь на природное поле, и образует искомое поле напряжений.

Упругая модель также эффективно использовалась при исследовании взаимодействия крепи с неоднородным массивом пород и при изучении характера взаимодействия с вмещающим массивом крепи выработок некруглого сечения.

Исследование упругой модели положено в основу методик расчета крепи, предложенных Фотиевой Н.Н. [93]. При этом следует отметить, что упругие решения дают результат, идущий в запас прочности крепи, т.к. неравномерность распределения контактных нагрузок здесь больше, чем в неупругих решениях.

Обобщая исследования упругой модели взаимодействия крепи с массивом горных пород, следует отметить существенную зависимость нагрузки на крепь от глубины расположения выработки, от толщины крепи и соотношения упругих характеристик крепи и пород. Поскольку смещения в упругой постановке малы, решить задачу об условиях установки несущей крепи и выбрать ее конструкцию не представляется возможным. Величины нагрузки на крепь, полученные из упругого решения, завышены, т.е. получаются с запасом, во многих случаях большим, чем того требуют реальные условия.

Исторически решение задач геомеханики началось с использования известных в теории упругости решений [94, 95]. Например, в работе Миренкова В.Е. [96] выработка представляется разрезом в пространстве и строится аналитическое решение. Исследуемый массив представлялся однородной изотропной средой.

Методы теории пластичности используются в механике горных пород тогда, когда напряженное состояние некоторой области породного массива превосходит соответствующее предельное линейно-деформируемое состояние.

В работе Березанцева В.Г. [97] используется решение осесимметричной задачи теории предельного равновесия.

Методы теории ползучести дают возможность изучить механические процессы в породных массивах как пространственно-временные процессы. Однако учет временной координаты помимо пространственной координаты значительно осложняет решение задач механики горных пород. Работы [98, 99] посвящены исследованию поведения приконтурного массива как упруго-вязко-пластического тела с неограниченной ползучестью и способностью к релаксации.

Статистические методы дают возможность получить качественно новые результаты и объяснить некоторые явления и толкования, которые в рамках детерминистического подхода затруднены. Решения некоторых статистических задач механики горных пород приводятся в работах [100, 101].

Для исследования механических процессов породных массивов, где существуют области в ненарушенном линейно-деформируемом состоянии и области предельного равновесия пород, следует решать смешанные упругопластические задачи. Полученные решения упругопластических задач дают возможность наиболее точно определить основные параметры НДС массива и крепи горных выработок.

Общий недостаток решений задач геомеханики на основе соотношений теории упругости состоит в том, что число видов полостей в пространстве (имитация выработки), которые имеют простейшую геометрическую форму, весьма ограничено. Кроме того, чтобы исключить влияние дневной поверхности для применения известных решений теории упругости выработки рассматриваются на определенной глубине, а почти все решения пространственной задачи относятся к однородному изотропному пространству. Если же неоднородная среда все же рассматривается, то в этом случае на нее накладываются сильные ограничения.

Для устранения выше сказанных недостатков большие возможности открывает применение численных методов решения пространственных задач, которые с появлением быстродействующих персональных ЭВМ широко используются для решения задач механики горных пород.

Среди численных методов решения пространственных задач можно отметить метод конечных элементов, метод граничных элементов, метод сеток и прямые методы математической физики.

Цырульниковым М.Н. использован довольно простой для численной реализации метод (метод Галеркина), в котором компоненты напряжений и перемещений представляются в виде двойных сумм тригонометрических и экспоненциальных функций [102]. Однако в этой работе рассматривается только однородный массив.

Эверлингом Г. [103] предложен метод сетчатой модели для исследования картины распределения напряжений в массиве горных пород, вызванных ведением горных работ. Метод предусматривает дискретизацию области массива на конечное число прямоугольных элементов с размерами 10х10 м и решение системы уравнений равновесия сил, действующих на каждый элемент.

Надаши Н. совместно с коллегами предложен усовершенствованный метод расчета НДС с помощью пространственной решетки [104]. В отличие от метода сеток здесь учитывается собственный вес элементов, на которые разбивается область, что дает значительные преимущества этому методу по сравнению с другими методами, используемыми для решения задач геомеханики.

Метод граничных элементов (МГЭ) детально рассмотрен в работах Векслера Ю.А., Колоколова С.Б., Жданкина Н.А. [105 и др.], Новиковой Л.В. [106], Сдвижковой Е.А. [107], Петухова И.М., Зубкова В.В. [108].

Применение метода конечных элементов (МКЭ) к решению задач механики горных пород подробно описано в работах Амусина Б.З. и Фадеева А.Б.[109, 110], Ержанова Ж.С. и Каримбаева Т.Д. [111].

Аппарат МКЭ позволяет моделировать различные горно-геологические условия (слоистость, трещиноватость, ослабление физико-механических свойств в результате фильтрации). Это позволяет реализовывать неограниченные возможности в достижении подобия численной модели породному массиву. В частности, для моделирования сцепления слоев на контактах используются специальные «контактные» элементы [109]. Методом конечных элементов можно без препятствий рассматривать задачу с вырезом любой формы, а также конечное число вырезов в плоскости моделирования [112]. Наличие обрушенных пород в приконтурной части выработки моделируется в рамках метода заданием специальных упругих характеристик обрушенных неуплотненных пород соответствующим элементам данной группы на основе дополнительных исследований.

Решения в нелинейной постановке, в случае, когда наблюдается запредельное деформирование пород, предполагают пластические деформации или хрупкое разрушение. При этом нелинейное решение получают как сумму последовательных упругих решений.

Проведенный анализ методов, применяемых для решения геомеханических задач, позволяет сделать вывод о целесообразности применения МКЭ для исследования НДС породного массива в окрестностях выработки при использовании мероприятий по борьбе с пучением.

4.2. Описание принятой расчетной схемы и рассматриваемой мате-матической модели

Математическая модель должна отображать основные явления, возникающие вследствие возникновения концентрации напряжений и возможного сопутствующего изменения физико-механических свойств вмещающих пород в окрестности местных нарушений сплошности. Вследствие резкого повышения уровня напряжений в окрестности выработки горная порода может достигнуть своего предела прочности на сжатие. При этом происходит разрыхление слагающих ее материалов, сопровождаемое значительным увеличением объема.

Это явление способствует релаксации (т.е. снижению уровня) напряжений в окрестности выработки. Таким образом, устанавливается новое состояние равновесия, соответствующее минимуму потенциальной энергии для данной конфигурации.

Геометрические параметры этой конфигурации не могут быть известны предварительно и обычно подлежат определению в процессе решения. Такая проблема называется задачей с неизвестной границей. Подобные задачи возникают, например, в ситуации, когда граничные условия задаются в неравенствах.

Для их решения необходимо сформулировать некоторый функционал, являющийся модификацией функционала полной энергии деформации. Минимизация данного функционала производится численными методами. Подробное рассмотрение ряда таких задач имеется, в частности, в основополагающих работах [113, 114]. Значительные дополнения можно найти в работе [115].

При решении практических проблем эффективным является использование итерационных процедур. Формулируются некоторые исходные условия, для которых производится решение задачи. Затем производится проверка полученного решения на соответствие необходимым критериям. В данном случае подобным критерием является сформулированное в напряжениях условие разрыхления материала. После этого исходные данные задачи видоизменяются, согласно найденному решению, и процедура повторяется. Процесс можно считать законченным, когда интересующие нас геометрические характеристики области разрыхления становятся неизменными в процессе дальнейших итераций.

Более конкретно решения подобной задачи представлено в работах Шашенко А.Н., Амусина Б.З., Фадеева А.Б., [46, 109, 110]. Так, например, в работе [46] дано следующее описание. Пусть существует некоторая мера напряжений (эквивалентные напряжения), которую обозначим через e. При одноосном нагружении вдоль оси 1 (2=3=0) эффективные напряжения численно равны напряжению 1. Предположим, что экспериментальным путем определен некоторый предел прочности при одноосном нагружении Rс, так что разрушение наступает при 1=Rс. В механике разрушения принято, что для многоосного напряженного состояния процесс потери несущей способности материала начинается, когда в некоторой точке достигается равенство e=Rc.

При достижении предельного значения Rс в некоторых точках области, прилежащей к зоне нарушения сплошности, начинается процесс разрыхления горной породы. Экспериментально и теоретически показано [116], что нагружение в глубине массива можно считать управляемым по деформациям, так что диаграмма «напряжение-деформация» имеет два различных ярко выраженных участка. На первом из них материал деформируется упруго, так что имеет место закон Гука. В частности, при одноосном нагружении вдоль оси 1 имеем 1 Е11 1, где Е11 – модуль Юнга в данном направлении. По достижении предела разрушения с, имеет место переход на ниспадающий участок диаграммы «i–i» (i1/E11) рис. 4.1. На этом участке с ростом деформаций напряжение постепенно уменьшается вплоть до некоторого предела r (предельного остаточного напряжения). Обычно данный предел весьма мал (rRc) и с достаточной степенью точности может быть принят равным нулю [117].

–  –  –

i Рис. 4.1. Полная диаграмма сжатия образца горной породы Также экспериментально установлено [117], что коэффициент Пуассона, который на участке упругого нагружения для большинства горных пород имеет значение от 0,16 до 0,35, на ниспадающем участке диаграммы «напряжения-деформации» принимает значения порядка = 0.5, что соответствует состоянию полной несжимаемости материала.

Итак, на уровне соотношений связи между напряжениями и деформациями исходная формулировка задачи выглядит следующим образом.

Решение производится для плоского деформированного состояния. Пусть существует некоторая полость с границей – выработка, окруженная “бесконечным” породным массивом, деформирование которого подчиняется закону Гука.

Наличие полости приводит к возмущению начального поля напряжений и образованию вокруг выработки зоны концентрации напряжений. На определенном этапе расчета вокруг выработки формируется область разрушенных пород, размеры которой определяются ее границей. На этой границе эквивалентные напряжения равны предельному значению прочности породы на одноосное сжатие. Вне этой границы упругие свойства среды по-прежнему задаются законом Гука, а в ее пределах – некоторыми соотношениями, описывающими состояние пород на ниспадающем участке полной диаграммы деформирования. Наличие этого участка свидетельствует о процессах необратимых изменений, в том числе и разрушении. Деформация при этом процессе заведомо является неупругой.

Однако в первом приближении принимаем, что горная порода подчиняется закону нелинейной упругой деформации, так что в любой текущий момент времени соотношение “напряжения-деформации” задается соответствующим участком диаграммы (см. рис. 4.1), а предельное напряжение при котором происходит разрушение определяется по усредненным экспериментальным результатам.

Переход приконтурного породного массива из одного энергетического состояния в другое, сопровождается пластическим течением среды. Породный массив в пластической области разупрочняется и разрыхляется, приобретая в результате некоторую остаточную прочность и соответствующую ей величину относительного увеличения объема, которые обеспечивают перемещения контура выработки.

В качестве способа решения граничной задачи о НДС массива в окрестности выработки используется метод конечных элементов (МКЭ). Этот метод достаточно широко апробирован и на практике доказал свою применимость в самых различных областях. Его суть заключается в том, что исследуемая область разбивается на множество подобластей (элементов). Внутри каждого элемента перемещения аппроксимируются некоторыми функциями, порядок которых зависит от числа узлов в элементе. В плоском 4-х узловом элементе перемещения задаются линейной функцией. Для каждого элемента формируется локальная матрица жесткости, связывающая перемещения и нагрузки в его узлах.

Элементы стыкуются по узлам. В конечном итоге, формируется глобальная матрица жесткости и глобальный вектор нагрузок для всей исследуемой области. При этом жесткость каждого узла является суммой локальных жесткостей тех элементов, которым данный узел принадлежит.

Существует значительное количество программ, позволяющих выполнять расчет с использованием МКЭ. При этом процесс решения геомеханических задач методом МКЭ включает в себя две стадии. На первой выполняется подготовка исходных данных для численного решения граничных задач механики и физики. На второй стадии – осуществляется представление полученных результатов в виде, удобном для проведения сравнительного анализа. Одним из наиболее удачных пакетов для оценки НДС в окрестности выработок является пакет прикладных программ CosmosM for OS Windows (Structure Research and Analysis Corp.).

Программа предполагает выполнение следующих этапов:

1. Выбирается сетка разбивки и в соответствии с этим, исследуемая область представляется в виде конечного множества простейших элементов. Назначение сетки, т.е. выбор размеров элементов, производится с учетом неоднородности строения породного массива. В районе ожидаемых наибольших градиентов напряжений (например, вблизи контура выработки) используется более мелкое разбиение, на участках, где ожидается плавное изменение напряжений – более крупное.

2. Каждому элементу ставятся в соответствие физико-механические характеристики среды, заключенной внутри элемента, координаты узлов, условия нагружения и т.д.

3. Формируются матрицы жесткости элементов, матрица жесткости системы (МЖС) и, в соответствии с условиями нагружения, - вектора действующих внешних усилий.

4. На основе решения программой систем уравнений определяются неизвестные перемещения узловых точек.

5. По найденным значениям перемещений узлов вычисляются относительные деформации и напряжения в каждом элементе.

Процедура решения реализована в виде последовательности итераций. На первом этапе предполагается, что окружающий выработку массив является полностью упругим.

Задаются его физико-механические параметры: предел прочности на сжатие Rс = 30 МПа; предел прочности на растяжение Rp = 3 МПа; модуль Юнга E = 8,0·103 МПа; коэффициент Пуассона = 0,23; объемный вес = 2,3·тм3.

Затем решается линейная статическая задача теории упругости и определяется НДС для данного этапа. Найденное НДС используется для определения границы области разрыхления на данной итерации. При этом необходимо иметь критерий разрушения, определяемый равенством эквивалентного и предельного напряжений.

После того, задача решена в упругой постановке и найдено первое приближение к геометрическим параметрам области разрыхления, изменяем исходные параметры задачи для решения на второй итерации (потери упругоплатической устойчивости). Для этого формируется специальный командный файл для ППП CosmosM. Программа сканирует базу данных CosmosM и определяет зону разрыхления (т.е. те элементы, для которых на данном этапе решения характерно состояние потери устойчивости). Для этих элементов видоизменяются свойства материала (ниспадающий участок диаграммы рис 4.1, на котором напряжения достигают своего предельного значения).

Затем процедура решения повторяется с использованием метода секущих модулей. Совершается второй шаг итерации. Решается линейная упругая задача, для которой при составлении матрицы упругих свойств вместо модуля Е0, вводится секущий модуль Е1, определяемый по диаграмме (рис. 4.1). Дальнейший процесс итерации продолжается аналогичным образом до достижения заданной точности. Линейные задачи на каждом шаге приближения решаются с матрицей жесткости системы, составленной на основе секущих модулей. Секущие модули у элементов модели изменяются по-разному, в зависимости от уровня их нагружения.

С целью проверки правильности решения поставленной проблемы была рассмотрена тестовая задача (рис. 4.2). Выработка в виде круглого отверстия подвергается гидростатическому давлению. Механические параметры окружающей горной породы приняты теми же, что и выше. Ввиду наличия зоны концентрации напряжений некоторая прилегающая к выработке часть породы переходит в состояние разрыхления. Необходимо определить радиус зоны разрыхления прилегающих к выработке пород.

Различные цвета соответствуют разным зонам напряжений: синим цветом обозначена область, где диаграмма деформирования задается своей ниспадающей ветвью (см. рис. 4.1). Эта область является зоной разрыхления. Переход части элементов в разрыхленное состояние, и последующее сохранение нового устойчивого НДС означает завершение расчета. В соответствии с решением задачи, ее радиус rl, отнесенный к радиусу выработки r0, равен rl/r0 = 2,8. Сходимость была достигнута на второй итерации.

Рис. 4.2. Определение зоны разрыхления на тестовой задаче

На основании результатов, полученных при решении упругопластической задачи, исследуется НДС горных пород в окрестности капитальной выработки арочной формы в условиях слабых пород почвы. Расчетная схема представлена на рис.4.3, где приведены мощность угольного пласта, геологическая ситуация в окрестности выработки. Данный рисунок фактически определяет граничную задачу, которая служит для нахождения зоны разрыхления. В дальнейшем расчет выполняется для второй задачи. Определяются значения напряжений возникающих в приконтурном массиве, а также перемещения пород в сторону выработанного пространства для случая, когда используются мероприятия по борьбе с пучением почвы. Обеспечение необходимой устойчивости выработки достигается в результате снижения вертикальной конвергенции и изменения общего напряженно-деформированного состояния выработки.

–  –  –

Рис. 4.3. Расчетная схема выработки на контрольном участке После получения первоначальных данных и качественной картины перемещений во всей области прилегающего к выработке горного массива, в том числе на контуре, изменения площади поперечного сечения выработки, напряжений и деформаций к расчетной схеме были добавлены еще две элементные группы: зона разрыхленных пород (зона разгрузки) и зона уплотненных пород (рис. 4.4).

H

–  –  –

Рис. 4.4. Расчетная схема способа борьбы с пучением пород Для этого был использован командный файл, с помощью которого производилось “наложение” геометрии и свойств новых групп на уже существующие в программе. В результате программа прописывает все изменения и произодит решение новой ситуации.

Путем добавления элементов по двум последним элементным группам определяли эффективность способа при данных параметрах зоны разрыхленных и зоны уплотненных пород. Область 1 – зона разрыхленных пород, область 2 соответствует зоне уплотненных пород.

4.3. Исследование НДС горных пород в окрестности капитальной выработки арочной формы Первоначально определяли НДС массива вмещающих пород для случая, когда выработка просто закреплена арочной крепью. Были определены перемещения, напряжения и деформации. При расчете были использованы физикомеханические свойства пород тестовой задачи.

Элементная реализация расчетной схемы дана на рис. 4.5. Выработка шириной – 5 м и высотой – 3,5 м, помещена в центр массива с размером 5050 м.

Для разбиения области применяются плоские линейные четырехугольные элементы. Первоначально существует четыре группы КЭ.

Рис. 4.5. Конечно-элементная реализация расчетной схемы В ходе расчетов принято, что выработка расположена на глубине 418 м, соответствующей горному давлению (принятому гидростатическим), примерно, 10,5 МПа. Необходимые для расчета параметры представлены в табл. 4.1.

–  –  –

При описанных выше условиях производится решение задачи в рамках линейной упругости и определяются те элементы, в которых выполняется начальные условия: eRc. Если условие не соблюдается и напряжения, которые возникают в элементе, превышают предел прочности – порода в этой области подвергается разрыхлению (рис. 4.6).

Исследования проводились на основании определения элементов, для которых соблюдается условие потери устойчивости породного массива:

Rk k у c c 1, е где kу – коэффициент устойчивости, kс – коэффициент структурного ослабления горных пород, позволяющий учитывать наличие пустот и трещин в реальном массиве горных пород.

Чем меньше показатель kу, тем больше интенсивность пучения, т.е. элементы, соответствующие породам в данной области, переходят из устойчивого состояния – в неустойчивое. Из 8872 КЭ в указанное состояние перешло 812.

Эти элементы сформировали новые (пятую, шестую и седьмую) группы, которые соответствуют разрушенным породам. В области концентраторов напряжений (по углам) зона разрыхления характеризуется минимальными размерами. Относительный радиус зоны разрыхления rL/r0 равен 2,3…2,8, что подтверждает правильность выполненных расчетов.

На рис. 4.6 показаны результаты математического моделирования НДС выработки, закрепленной арочной крепью. Смещения пород кровли составили 35,4см, почвы – 32,7см. Для дальнейших расчетов данные параметры приняты в качестве исходных для определения эффективности способа при различных геометрических и физико-механических параметрах зон разрыхленных и уплотненных пород. Зона разрыхления достигает максимальных значений в почве выработки (центральной части), а также по контуру.

–  –  –

Рис. 4.6. Модель 1: (а) – зона разрыхления, (б) – картина смещений пород, (в) – картина результирующих напряжений по Ван-Мизесу

4.4. Исследование НДС горных пород в окрестности капитальной выработки при использовании способа борьбы с пучением Далее для проведения моделирования параметров разрыхленной и укрепленной зон был написан специальный файл обращения. В данном файле были заданы две новые зоны (разрыхленная и укрепленная), а также указывалась геометрия новых зон с заданием параметров элементам, входящим в состав данных зон. При последующих решениях изменялись только геометрические размеры зон и физико-механические параметры зоны разрыхления (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Фрагмент новой расчетной схемы с указанием зоны укрепленных пород (1) и зоны разрыхленных пород (2)

–  –  –

Остальные параметры 4-х элементных групп являлись неизменными при всех последующих расчетах.

Таким образом, на основе выполненных испытаний физических моделей (п.3.3) были определена качественная картина изменения НДС породного массива при различных размерах двух зон. На основе численных исследований рассматривалась количественная характеристика защитного действия способа при каждой конкретной ситуации. Анализировались такие параметры, как размер зоны разрушенных пород (на основе использования критерия ПарчевскогоШашенко), величины смещений пород и размера эквивалентных напряжений.

Для упрощения выполнения математического моделирования и представления полученных результатов расчетная схема сходных параметров была сведена к следующему виду (рис.4.8).

–  –  –

Уплотненная зона Были проведены исследования методом конечных элементов по 25 ситуациям. По каждой из ситуаций рассмотрено 4 варианта (моделировались условия с Кр=1,1; 1,2; 1,3 и 1,4). Всего испытано 100 моделей.

В процессе решения задачи были выделены дополнительные группы плоских четырехугольных элементов (с 7-ой по 12-ую), для которых соотношения связи между напряжениями и деформациями нелинейны. Набор таких элементов, как уже сказано выше, определяет искомую зону разрыхления (рис. 4.10…4.13).

Рис. 4.10. Модель 6.2: зона разрыхления при Кр=1,2 Рис. 4.11. Модель 12.2: зона разрыхления при Кр=1,2 Рис. 4.12. Модель 18.2: зона разрыхления при Кр=1,2 Рис. 4.13. Модель 24.2: зона разрыхления при Кр=1,2 Установлено, что с увеличением размеров разрыхленной и укрепленной зон при одинаковом значении (Кр=1,1) количество разрушенных элементов снижается от 749 (модель 18) до 730 (модель 19). Определено, что зона с наименьшим количеством разрушенных элементов наблюдалась на модели 20 (725 элементов). Таким образом, с использованием расчетов по критерию устойчивости Парчевского-Шашенко [118] является возможным выделение из рассмат

–  –  –

Происходит активная реализация деформаций и перераспределение напряжений в почве выработки. Увеличение размеров демпферной и укрепленной зон существенно снижают смещения пород со стороны почвы, за счет чего изменяется характер смещений кровли. Однако величина опускания кровли является незначительной в сравнении со степенью снижения перемещений пород со стороны почвы выработки.

Наименьшие смещения получены на моделях рассмотренных ситуаций с параметрами а больше 0,6м и d более 1,2м при Кр=1,3…1,4.

Далее представлены характерные картины разрушенных элементов, смещений пород и результирующих напряжений полученные на моделях 8, 9, 13 и 14 при коэффициенте Кр=1,3 (рис. 4.18…4.21).

Картины результирующих напряжений показывают характер изменения эпюры напряжений в приконтурном массиве при различной геометрии зон и степени разрыхления пород в зоне разгрузки. По картинам смещений пород можно судить об эффективности отдельных мероприятий. В результате выполнения расчетов установлено, что при снижении количества разрушенных элементов подстилающих пород и максимальном задействовании элементов демпферной зоны происходит снижение перемещений элементов укрепленной зоны, а также снижение напряжений на контуре. Проведенные исследования позволили выделить модели с параметрами а (от 0,6м и более), d (от 1,2м и более) при Кр=1,3…1,4, для которых получены удовлетворительные результаты по обеспечению устойчивости пород почвы. Анализ состояния укрепленной зоны модели 25 свидетельствует о недогруженности элементов данной зоны. Основная цель данных исследований определить минимально необходимые параметры, при которых сохраняется устойчивость пород почвы.

–  –  –



Pages:   || 2 |

Похожие работы:

«КОЗЛОВ А.С. УПРАВЛЕНИЕ ПОРТФЕЛЕМ ПРОГРАММ И ПРОЕКТОВ: ПРОЦЕССЫ И ИНСТРУМЕНТАРИЙ (МОНОГРАФИЯ) МОСКВА — 2010 г. УДК 005.8 ББК 65.050 К 592 Козлов А.С. К 592 Управление Портфелем Программ и Проектов: процессы и инструментарий. Монография. – М.: ЗАО "Проектная ПРАКТИКА", 2010. – 350 с. Для практического внедрения программно–целевого...»

«Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" Актюбинский региональный государственный университет имени К. Жубанова Центр научного...»

«Д. В. Зеркалов ПРОДОВОЛЬСТВЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Монография Электронное издание комбинированного использования на CD-ROM Киев „Основа” УДК 338 ББК 65.5 З-57 Зеркалов Д.В. Продовольственная безопасность...»

«О.А. Бояркина ВОДНЫЕ КОНФЛИКТЫ В МИРОВОЙ ПОЛИТИКЕ: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ Монография Москва УДК 327.56 ББК 66.4 Б86 Рецензенты: З.А. Дадабаева, д-р полит. наук, А.Г. Задохин, д-р полит. наук, проф. Бояркина, Оксана Александровна. Б86 Водные конф...»

«Э.С. Абдулаева, К.В. Хадисова СПЕЦИФИКА СОЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ МОЛОДЕЖИ И ДЕТЕЙ В РОССИИ Монография Москва УДК 316 ББК 60.5 А13 Авторы: Э.С. Абдулаева, доцент кафедры теории и технологии социальной работы Чеченского государственного университета, канд. филос. наук, К.В. Хадисова, ст. преподаватель...»

«И.В. Жежеленко, А.К. Шидловский, Г.Г. Пивняк, Ю.Л. Саенко, Н.А. Нойбергер Электромагнитная совместимость потребителей Монография Москва Машиностроение УДК 537.53 ББК 31.211 Э45 Рецензенти: В. В. Зорін, д-р техн. наук, проф. (Національний технічний університет України "КПІ", м. Київ, Укра...»

«ГУ р ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ Ка й ри о Монография ит Том 17 з по Ре Москва УДК 08 ББК 94 В74 Редакционная коллегия: Бабаева Ф.А., канд. пед. наук, Кернесюк Н.Л., д-р мед. наук, Беляева Н.В., д-р с.-х. наук Китиева М.И., канд. экон. наук, Беспалова О.Е., ка...»

«НЕГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ Moscow Technological МОСКОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ Institute ИНСТИТУТ О. А. Ханчич АНИЗОТРОПНЫЕ СТРУКТУРЫ В ПОЛИМЕРАХ И ИХ ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОМ МАЛОУГЛОВОГО РАССЕЯНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА монография Москва УДК 541.64:539.2 Утверждено к печати Ученым Советом НО...»








 
2017 www.kniga.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.