Обоснование геомеханической концепции учета взаимовлияния кровли, боков и почвы на формирование смещений на контуре выработки

Разработан новый подход к расчету смещений на контуре подготовительной выработки, предложен и обоснован новый принцип учета произвольного числа изменений горнотехнической и горно-геологической ситуации в окрестности эксплуатируемой выработки. Выполнено сравнение расчетных данных с экспериментальными...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2016
Автори:	Гладкая, Е.В., Назимко, В.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2016
Назва видання:	Физико-технические проблемы горного производства
Теми:	Прогноз и управление состоянием горного массива
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/140599
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Обоснование геомеханической концепции учета взаимовлияния кровли, боков и почвы на формирование смещений на контуре выработки / Е.В. Гладкая, В.В. Назимко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2016. — Вип. 18. — С. 60-82. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-140599
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1405992018-07-12T01:23:13Z Обоснование геомеханической концепции учета взаимовлияния кровли, боков и почвы на формирование смещений на контуре выработки Гладкая, Е.В. Назимко, В.В. Прогноз и управление состоянием горного массива Разработан новый подход к расчету смещений на контуре подготовительной выработки, предложен и обоснован новый принцип учета произвольного числа изменений горнотехнической и горно-геологической ситуации в окрестности эксплуатируемой выработки. Выполнено сравнение расчетных данных с экспериментальными величинами смещений на контуре выработок в разных горно-геологических условиях. Розроблений новий підхід до розрахунку зміщень на контурі підготовчої виробки, запропонований й обґрунтований новий принцип обліку довільного числа змін гірничотехнічної та гірничо-геологічної ситуації в околиці експлуатаційної виробки. Виконано порівняння розрахункових даних з експериментальними величинами зміщень на контурі виробок в різних гірничо-геологічних умовах. Developed a new approach of the calculation of the displacements on the contour of preparatory mine working, proposed and justified a new principle of accounting for arbitrary number of changes in mining and geological situation in the vicinity of the operated mine working. Compares the calculated data with experimental values of the displacements on the contour of the mine working in various mining and geological conditions. 2016 Article Обоснование геомеханической концепции учета взаимовлияния кровли, боков и почвы на формирование смещений на контуре выработки / Е.В. Гладкая, В.В. Назимко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2016. — Вип. 18. — С. 60-82. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. XXXX-0016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/140599 622.831 ru Физико-технические проблемы горного производства Інститут фізики гірничих процесів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Прогноз и управление состоянием горного массива Прогноз и управление состоянием горного массива
spellingShingle	Прогноз и управление состоянием горного массива Прогноз и управление состоянием горного массива Гладкая, Е.В. Назимко, В.В. Обоснование геомеханической концепции учета взаимовлияния кровли, боков и почвы на формирование смещений на контуре выработки Физико-технические проблемы горного производства
description	Разработан новый подход к расчету смещений на контуре подготовительной выработки, предложен и обоснован новый принцип учета произвольного числа изменений горнотехнической и горно-геологической ситуации в окрестности эксплуатируемой выработки. Выполнено сравнение расчетных данных с экспериментальными величинами смещений на контуре выработок в разных горно-геологических условиях.
format	Article
author	Гладкая, Е.В. Назимко, В.В.
author_facet	Гладкая, Е.В. Назимко, В.В.
author_sort	Гладкая, Е.В.
title	Обоснование геомеханической концепции учета взаимовлияния кровли, боков и почвы на формирование смещений на контуре выработки
title_short	Обоснование геомеханической концепции учета взаимовлияния кровли, боков и почвы на формирование смещений на контуре выработки
title_full	Обоснование геомеханической концепции учета взаимовлияния кровли, боков и почвы на формирование смещений на контуре выработки
title_fullStr	Обоснование геомеханической концепции учета взаимовлияния кровли, боков и почвы на формирование смещений на контуре выработки
title_full_unstemmed	Обоснование геомеханической концепции учета взаимовлияния кровли, боков и почвы на формирование смещений на контуре выработки
title_sort	обоснование геомеханической концепции учета взаимовлияния кровли, боков и почвы на формирование смещений на контуре выработки
publisher	Інститут фізики гірничих процесів НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Прогноз и управление состоянием горного массива
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/140599
citation_txt	Обоснование геомеханической концепции учета взаимовлияния кровли, боков и почвы на формирование смещений на контуре выработки / Е.В. Гладкая, В.В. Назимко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2016. — Вип. 18. — С. 60-82. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Физико-технические проблемы горного производства
work_keys_str_mv	AT gladkaâev obosnovaniegeomehaničeskojkoncepciiučetavzaimovliâniâkrovlibokovipočvynaformirovaniesmeŝenijnakonturevyrabotki AT nazimkovv obosnovaniegeomehaničeskojkoncepciiučetavzaimovliâniâkrovlibokovipočvynaformirovaniesmeŝenijnakonturevyrabotki
first_indexed	2025-07-10T10:49:42Z
last_indexed	2025-07-10T10:49:42Z
_version_	1837256971787436032
fulltext	Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 60 Раздел 2. Прогнозирование и управление состоянием горного массива УДК 622.831 Е.В. Гладкая, В.В. Назимко ОБОСНОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ УЧЕТА ВЗАИМОВЛИЯНИЯ КРОВЛИ, БОКОВ И ПОЧВЫ НА ФОРМИРОВАНИЕ СМЕЩЕНИЙ НА КОНТУРЕ ВЫРАБОТКИ Институт физики горных процессов НАН Украины Разработан новый подход к расчету смещений на контуре подготовительной вы- работки, предложен и обоснован новый принцип учета произвольного числа изме- нений горнотехнической и горно-геологической ситуации в окрестности эксплуа- тируемой выработки. Выполнено сравнение расчетных данных с эксперименталь- ными величинами смещений на контуре выработок в разных горно-геологических условиях. Ключевые слова: породы, разрушение пород, физическое моделирование, смеще- ние, выработка, устойчивость. В последнее время наметилась тенденция к рассмотрению механизма смещений и формирования давления на крепь выработки как единого цело- го, в котором участвуют все вмещающие породы одновременно и происхо- дит взаимовлияние отдельных факторов, таких, например, как параметров зоны разрушения, отпора крепи и конвергенции на контуре выработки [1]. Этот новый подход получил как экспериментальное [2], так и теоретическое подтверждение [3, 4]. Шахтными натурными измерениями показано [2, 4], что зона разрушения пород вокруг выработки увеличивается не одновре- менно во всех направлениях, а поочередно, то в кровле, то в почве, то в бо- ках выработки. При этом данная очередность объясняется взаимовлиянием процессов разрушения и повторного уплотнения пород в кровле, боках и почве выработки. Поэтому при расчете смещений на контуре выработки, це- лесообразно учитывать изменения площади уменьшения сечения выработки, а не отдельных компонент смещений [3, 4]. Подземную выработку можно рассматривать как открытую термодина- мическую систему, которая пропускает через себя поток энергии горного давления [6]. Интенсивность указанного потока тем больше, чем выше уро- вень горного давления и чем меньше средняя прочность вмещающих выра- ботку пород. С достаточной в практике точностью, интенсивность потока энергии горного давления можно положить пропорциональной критерию проф. Заславского, уточненного с учетом концентрации горного давления в Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 61 виде σ/R, где R – средневзвешенная прочность вмещающих пород, а σ – уро- вень действующего горного давления. При этом действующий уровень гор- ного давления может в несколько раз превышать геостатический в зонах по- вышенного горного давления (ПГД). Этим обстоятельством принятый кри- терий отличается от критерия проф. Заславского. В процессе разрушения вмещающих пород и развития зоны неупругих деформаций вокруг подгото- вительной выработки энергия горного давления преобразуется в работу раз- рушения пород и их перемещения в полость выработки. Эта работа может быть в первом приближении связана с величиной потери площади сечения выработки ΔF/F и времени ее эксплуатации. Здесь ΔF и F представляют со- бой потерю площади сечения и ее первоначальную величину соответствен- но. Применив, подход ВНИМИ, хорошо зарекомендовавший себя ранее, можно определять максимально возможное уменьшение площади сечения за длительный срок службы выработки, а затем эмпирическим коэффициентом скорректировать искомую величину на текущий момент времени. Таким приемом уходят от учета времени на первоначальном этапе расчетов, что упрощает их, и делает результаты надежнее. Остальные влияющие факторы, такие как, отпор крепи, упрочнение вмещающих пород могут быть также учтены опосредованно через коррекцию расчетной прочности пород. В ито- ге структурная зависимость относительного уменьшения площади сечения за весь срок службы выработки имеет следующий вид: ΔF/F=f(σ/R) (1) При отсутствии горных ударов и других динамических явлений указан- ный поток можно рассматривать на коротких интервалах времени (несколь- ко суток) как квазистационарный, а открытую систему «выработка – окру- жающий горный массив», как находящуюся в состоянии, близком к динами- ческому равновесию. В таком состоянии открытая термодинамическая си- стема характеризуется минимумом производства энтропии. В данном случае энтропия рассматривается как функция, характеризующая геомеханическое состояние системы «выработка – окружающий горный массив». Для под- держания такого состояния вмещающие выработку породы будут разру- шаться таким образом, чтобы минимизировать работу горного давления на разрушение. С геомеханической точки зрения это означает, что если, напри- мер, в почве выработки залегает слабый аргиллит с пределом прочности на сжатие 45 МПа, а в кровле песчаник с прочностью 70 МПа, то вертикальная конвергенция в выработке реализуется главным образом за счет разрушения пород почвы и ее пучения. Наоборот, если в кровле и почве залегают поро- ды примерно одинаковой прочности, вертикальная конвергенция будет со- стоять из примерно одинаковых смещений пород кровли и почвы. Таким об- разом, величина смещений, например, кровли, при одной и той же ее проч- Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 62 ности должна зависеть от прочности пород боков и почвы, что, как уже от- мечалось в анализе состояния вопроса, не учитывается существующими ме- тодиками. Сказанное иллюстрируется графиками смещений кровли и почвы в оди- ночной выработке на модели из эквивалентных материалов на основе гипсо- песочной смеси рис. 1. Рис. 1. Безразмерное смещение кровли и почвы в круговой выработке при разных прочностях вмещающих пород Физическое моделирование разрушений вмещающих пород и смещений на контуре выработки круглого сечения проводилось в условиях плоской деформации в геометрическом масштабе 1:50 для следующих исходных условий. Глубина заложения выработки изменялась от 200 м до 1800 м, прочность вмещающих пород находилась в диапазоне 40-70 МПа, в выра- ботке использовалась податливая крепь с минимальным отпором. Проводи- лось два эксперимента. В первом прочность пород кровли, боков и почвы была одинаковой и равнялась 45 МПа. Во втором опыте прочность состав- ляла 70 МПа, боков и почвы 45 МПа. Как видим на экспериментальных гра- фиках, смещения кровли и почвы в первом случае примерно одинаковы, причем сечение выработки почти исчезло в результате интенсивных дефор- маций при относительном уровне горного давления 1,2. Во втором случае смещения кровли и почвы неодинаковы, что вполне очевидно. Интереснее тот факт, что во втором эксперименте пучение почвы примерно в 2 раза больше, чем в первом, хотя абсолютная прочность пород была одинакова. Таким образом, экспериментально подтверждена теоретическая предпосыл- Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 63 ка о существенном взаимовлиянии пород кровли, боков и почвы на величи- ну их смещений. На основании данного вывода предложен новый подход к расчету смеще- ний на контуре выработки. Он состоит в том, чтобы вначале рассчитать уменьшение площади сечения выработки, а затем разделить смещения на компоненты в кровле, боках и почве. Как уже отмечалось в термодинамиче- ском анализе, источником работы на разрушение и смещение пород в по- лость выработки является горное давление. Источником сопротивления это- му процессу является прочность вмещающих выработку пород. Ясно, что в уменьшение площади сечения выработки вносят свой вклад все породные слои, которые попадают в зону влияния выработки. Вследствие этого пона- добится какая-то приведенная характеристика прочности, которая отражает вклад всех породных слоев, затронутых данной выработкой. Проще говоря, понадобится средневзвешенная прочность вмещающих пород. Это означает, что проблема приведения прочности к единой величине, которая детально охарактеризована в анализе, требует своего конкретного разрешения. Начнем с того, что средняя прочность R вмещающих выработку пород должна быть собрана из средневзвешенных пород кровли, почвы и боков выработки. Приведения этих трех величин можно осуществить по формуле алгебраического, геометрического или взвешенного среднего. В данной ра- боте был выбран подход на основе среднегеометрического, хотя право на применение имеют и остальные. Были осуществлены оценки для трех случа- ев. Первый, когда породы кровли были представлены весьма прочными раз- ностями, породы боков средними, почвы слабыми. Второй случай соответствовал обратному порядку изменения прочности, то есть кровля слабая, бока средней и почва большой прочности. Третий случай анализировал ситуацию со слабыми кровлей и почвой и прочными боками. Приведение прочности к средней величине с помощью всех трех методов дали примерно одинаковые результаты, причем средне- геометрическая величина почти совпала с взвешенной с учетом площадей зоны влияния выработки. Учитывая, что среднегеометрическую величину рассчитывать гораздо проще и быстрее, последняя была выбрана в качестве рабочей методики. Следует подчеркнуть, что нюансы, связанные с выбором метода приведения, легко будут учтены при определении величин эмпирических коэффициентов и параметров в формулах расчета смещений. После выбора метода приведения прочности необходимо решить пробле- му, связанную с расчетом средневзвешенной прочности пород кровли, боков и почвы [7]. В случае приведения к общей прочности бока, почва и кровля непосредственно примыкают к контуру выработки, а поэтому имеют одина- ковое долевое участие в формировании соответствующих компонент сме- щений. В случае приведения прочности в кровле и почве разные породные Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 64 слои отстоят на разном расстоянии от контура выработки и таким образом оказывают разный вклад в формирование его смещений, о чем уже говори- лось ранее. В связи с этим приведение прочности пород кровли, боков и почвы реше- но было проводить согласно формуле, опубликованной в источнике [6]: МПа yh yhR R n i ii n i iii , )/( / 1 1     (2) где Ri, hi, yi – прочность, мощность и расстояние от центра тяжести от- дельного породного слоя до центра выработки соответственно. Рис. 2 иллюстрирует процесс приведения прочности с учетом расстояния слоя до контура подготовительной выработки. Рис. 2. Схема приведения прочности пород кровли, почвы и боков выработки: А – ширина выработки При этом размеры зоны влияния выработки на окружающие породы при- няты следующими: в кровле и почве 2 и 1,5 ширины выработки, в боках 1,5 ее высоты. Фиксация расстояния слоя относительно контура выработки очень важна, поскольку дает возможность учесть его значимость в общей доли влияния на смещение контура выработки. Чем дальше слой от контура, тем меньше его влияние на смещение. Такой учет местоположения слоя в отличие от существующих методик существенно повышает точность расче- тов смещений на контуре выработки [6]. Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 65 Одним из существенных недостатков отраслевой методики расчета сме- щений на контуре подготовительной выработки является недоучет влияния дальних породных слоев. При использовании формулы 2 можно увеличить размеры зоны влияния выработки до максимально возможных без потери точности расчетов. При этом самые дальние слои будут давать самый малый вклад в средневзвешенную прочность. Поэтому нет опасности потери точ- ности расчетов прочности при некотором завышении размеров зоны влия- ния. С другой стороны, учет местоположения тех слоев, которые располо- жены поближе к контуру выработки, дает существенное увеличение точно- сти оценки средневзвешенной прочности, достигающее при заметной разни- це в прочности смежных слоев 40-50% и даже более. С целью проверки концепции на физической модели и установление вида конкретных зависимостей определялась зависимость уменьшения площади сечения выработки от критерия устойчивости согласно структурной форму- ле (1). Для этого были проведены специальные эксперименты на моделях из эквивалентных материалов по вышеописанной методике. Для полного и равномерного охвата диапазонов возможных величин, входящих в зависи- мость (1) было проведено 36 экспериментов на шести физических моделях. При этом средняя прочность вмещающих пород изменялась в диапазоне 20- 70 МПа, что на 95% отражает практически весь диапазон прочностей угле- носной толщи Украинского Донбасса. Величина горного давления в окрестности моделируемых выработок из- менялась в диапазоне 10-60 МПа. Это соответствует глубине разработки свыше 400 м, и диапазону концентраций горного давления до 3 при глубине разработки 800 м, или до 5, при глубине разработки около 500 м. Другими словами диапазон нагрузки в моделях был подобран так, чтобы перекрыть наиболее часто встречающиеся в практике работы угольных шахт случаи, характеризующие напряженность вмещающих подготовительные выработки пород. При этом критерий σ/R находился в диапазоне 0,14-3,0, что перекры- вает практически все возможные его величины, встречающиеся в практике горного дела. Заметим, что 75% всех экспериментов проводилось при значе- нии критерия 0,14-1,0, которое чаще всего встречается в практике горных работ. Диапазон величин площади поперечных сечений моделируемых вырабо- ток от 13 м2 до 18 м2 также отражал наиболее типичные значения площадей сечений реальных подготовительных выработок, как-то выемочных, примы- кающих к очистным забоям, выработок основного направления, маги- стральных штреков, капитальных уклонных и выработок типа квершлаг. Для ускорения времени моделирования применялась ранее испытанная методика активации процессов сдвижений в модели с помощью вибрации. Измерения конечной величины сечения выработки производилось после стабилизации размеров зоны неупругих деформаций и смещений на ее кон- туре. Обычно при величинах критерия устойчивости до 0,5 испытание одно- Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 66 го сечения заканчивалось за 30-150 минут. При более низких значениях кри- терия на испытание затрачивали до рабочего дня. В целом на проведение данного эксперимента понадобилось несколько месяцев с учетом подготов- ки и испытания исходного материала, закатки и отработки моделей. Моделирование проводилось в геометрическом масштабе от 1:30 до 1:50, что позволило получить данные испытаний с точностью не менее ±25% и объяснить 92% экспериментальных точек при заданной (экспоненциальной) форме зависимости. Выработки моделировались без крепи или в случае тяжелых условий по критерию устойчивости (более 0,6) с легкой податливой поддерживающей крепью, для предотвращения вывалов кровли и плавного уменьшения сече- ния [8], что в большинстве случаев соответствует практике эксплуатации выработок. На рис. 3 приведены характерные состояния некоторых модельных выра- боток в процессе их испытания, показаны исходное (а) и конечное (б) состо- яние модельной выработки при величине критерия устойчивости 0,28. Рис. 3. Состояние сечения выработки при умеренной величине критерия устойчи- вости: а) исходное; б) конечное На снимках видно, что уменьшение сечения выработки произошло в ос- новном за счет пучения почвы. При этом наблюдалось равномерное обжатие податливой арочной крепи. Дальнейшее изучение динамики изменения состояний поперечного сече- ния выработки при величине критерия устойчивости 0,75 (рис. 4) показало, что площадь сечения выработки уменьшилась на 54 %. При этом на конеч- ном этапе деформирования можно заметить его некоторую несимметрич- ность, хотя начальные исходные условия были симметричны. Данная модель отрабатывалась по технологии разложения аммонийной соли. На снимках видны проводники, подводящие электроэнергию к нагре- Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 67 вателю, расположенному внутри сечения выработки и окружающем аммо- нийную соль белого цвета. Рис. 4. Процесс деформирования сечения экспериментальной выработки при вели- чине критерия устойчивости 0,75 Похожая картина деформирования наблюдалась и при величине критерия 0,83 (рис. 5). При этом, площадь сечения уменьшилась на 68% в результате интенсивного пучения почвы и кровли в полость выработки. Следует заметить, что интенсивная деформация обусловлена созданием соответствующих граничных условий, чему в первую очередь способствовал подпор боковых поверхностей модели толстыми стеклами, которые не во всех случаях выдерживали длительную нагрузку во времени. Рис. 5. Картина деформирования сечения модельной выработки при величине кри- терия 0,83 При значении критерия устойчивости 0,9 наблюдалось уменьшение сече- ния на 79-91 % (рис. 6). Потеря устойчивости происходит почти в равной степени, как за счет смещений почвы, так и кровли. Практически полная по- теря сечения наступает при величинах критерия устойчивости 1,0 и более. Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 68 Рис. 6. Деформирование сечения при значении критерия устойчивости 0,9 Снимки на рис. 7 также характеризуют типичное состояние выработок, сдеформированных при подобных условиях. Рис. 7. Полная потеря сечения при величинах критерия устойчивости 1,0 и более Как видно, величина потери площади поперечного сечения изменяется от едва заметной на глаз до полной потери первоначальной площади сечения. Состояние испытуемого сечения определяется критерием устойчивости и временем испытания модели под заданной нагрузкой. Анализ состояния моделей в процессе их испытания показал, что значи- тельная (более 50%) потеря площади сечения, как правило, сопровождается формированием складки в кровле и почве выработки. Такое складкообразо- вание специально исследовалось в работах [9, 10]. В данной работе главное внимание уделялось измерениям потери площади поперечного сечения и измерению соотношения отдельных компонент смещений. Исходные дан- ные, а также результаты измерений конечных величин потери площади се- чения выработок, приведены в таблице 1. Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 69 Таблица 1 Результаты испытаний моделей при различных исходных условиях Напряже- ние, МПа Прочность на одноос- ное сжатие R, МПа Значение критерия sig/R Изменение площади сечения dF, м2 Исходная ве- личина пло- щади сечения F, м2 Относитель- ное уменьше- ние площади сечения 1 2 3 4 5 6 0 20 0,00 0,00 15 0,00 10 20 0,50 0,18 15 0,01 20 20 1,00 0,71 15 0,05 30 20 1,50 1,55 15 0,10 40 20 2,00 2,65 15 0,18 50 20 2,50 3,93 15 0,26 60 20 3,00 5,31 15 0,35 10 30 0,33 6,73 15 0,45 20 30 0,67 8,11 15 0,54 30 30 1,00 9,39 15 0,63 40 30 1,33 10,55 15 0,70 50 30 1,67 11,55 15 0,77 60 30 2,00 12,39 15 0,83 10 40 0,25 11,33 13 0,87 20 40 0,50 11,80 13 0,91 30 40 0,75 12,16 13 0,94 40 40 1,00 12,42 13 0,96 50 40 1,25 12,61 13 0,97 60 40 1,50 12,75 13 0,98 10 50 0,20 12,84 13 0,99 20 50 0,40 12,90 13 0,99 30 50 0,60 12,94 13 1,00 40 50 0,80 12,96 13 1,00 50 50 1,00 12,98 13 1,00 60 50 1,20 12,99 13 1,00 10 60 0,17 17,99 18 1,00 20 60 0,33 18,00 18 1,00 30 60 0,50 18,00 18 1,00 40 60 0,67 18,00 18 1,00 50 60 0,83 18,00 18 1,00 60 60 1,00 18,00 18 1,00 10 70 0,14 0,18 18 0,11 20 70 0,29 0,71 18 0,18 30 70 0,43 1,55 18 0,22 40 70 0,57 2,65 18 0,27 50 70 0,71 3,93 18 0,32 60 70 0,86 0,00 18 0,40 Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 70 Таким образом, было установлено, что относительная площадь сечения в результате проведения испытаний разных сечений выработок на разных мо- делях в широком диапазоне величины критерия устойчивости составляет от 0,1 до 1,0. Минимальные значения уменьшения площади сечения соответ- ствуют малым величинам критерия, полная потеря сечения выработки соот- ветствует величине критерия более 1,0. Регрессионный анализ, дал возмож- ность определить следующий вид зависимости уменьшения площади сече- ния выработки от критерия устойчивости пород: ΔF/ F=1-(exp((σ/R)2/0,823). (3) На рис. 8 приведен вид данной зависимости совместно с нанесенными экспериментальными точками. Рис. 8. Зависимость относительного уменьшения площади сечения от показателя устойчивости Полученная зависимость имеет сложный характер зависимости сложный, а на кривой наблюдается перегиб в диапазоне величин критерия устойчиво- сти 0,5-0,7, что согласно классификации проф. Заславского соответствует тяжелым условиям эксплуатации. До перегиба кривая слабо зависит от кри- терия устойчивости. После перегиба кривая быстро поднимается к величине 0,8-0,9 и приобретает характер, отражающий насыщение деформаций сече- ния. Такое поведение объясняется тем, что до величины критерия устойчи- вости 0,5-0,7 большая часть вмещающих пород находится в устойчивом со- стоянии, а их локальное разрушение в зонах концентраций напряжений не- Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 71 существенно сказывается на росте зоны неупругих деформаций и потере устойчивости выработки. После превышения критерием критического зна- чения происходит массовая потеря устойчивости вмещающих пород и их смещение в полость выработки. Однако этот процесс по мере уменьшения сечения на 80-90% приобретает затухающий характер, что можно объяснить эффектом саморасклинивания пород [8, 9], который неизбежно проявляет себя, особенно при больших смещениях пород в полость выработки с одной стороны, а также эффектом саморазгрузки пород вблизи выработки с дру- гой. Согласно исследованиям, выполненным в Национальной горной акаде- мии [11], размер зоны неупругих деформаций и затраты средств на поддер- жание выработок зависят экспоненциально от критерия устойчивости, что прямо связано с величиной площади потери сечения выработки. Таким об- разом, полученная зависимость не только подтверждается независимыми результатами исследований, но и уточняет механизм насыщения смещений на контуре выработки. Так, если деформированное сечение выработки не возмущать ремонтными работами, смещения после насыщения стабилизи- руются. Это даёт возможность сохранить правильные граничные условия при расчете смещений на контуре выработок в широком диапазоне условий. В практике горных работ часто встречаются случаи, когда выработку не пе- рекрепляют, несмотря на то, что величины смещений превысили допусти- мые. Кроме того, существует способ обеспечения допустимых габаритов выработки, когда ее проходят завышенным сечением, и заранее идут на то, что смещения на контуре будут весьма велики. Для оценки достоверности полученной зависимости был проведен анализ состояния подготовительных выработок по шахтным наблюдениям, а также сопоставление с результатами других авторов. На текущий момент времени размер зоны определяется с помощью корректировочных коэффициентов ВНИМИ [12], дающих долю от максимально возможных смещений в зави- симости от времени эксплуатации выработки. Такой подход является дей- ствительно оправданным, так как в силу саморасклинивания пород по мере уменьшения сечения выработки в процессе деформации смещения во вре- мени всегда экспоненциально затухают и не могут превысить габариты вы- работки. Поэтому подход, при котором вначале рассчитываются максималь- но возможные смещения, а потом определяется доля от них на текущий мо- мент времени, автоматически сохраняет граничные условия, при которых суммарные смещения не могут превысить габариты сечения выработки. Согласно подходу ВНИМИ, при котором компоненты смещения пород на контуре корректируют поправочными коэффициентами в зависимости от угла падения пород и ориентации оси выработки относительно линии про- стирания, а также в зависимости от отпора или несущей способности крепи, влияние угла ориентации выработки относительно линии простирания в данной методике корректировалось на этапе расчета приведенной прочности Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 72 пород (чаще всего боков выработки). Эмпирические коэффициенты в фор- мулах расчета смещений определялись для условий пологого и наклонного залегания, хотя принципиальный подход остается тем же и для условий кру- того падения. Коррекция смещений на контуре выработки проводилась по аналогии с методикой ВНИМИ, в соответствии с которой приведенная прочность вмещающих пород, корректируется, когда отпор крепи эквива- лентен некоторому увеличению прочности пород. Такой подход действи- тельно правомерен и сохраняет физический смысл механизма разрушения пород в окрестности выработки. С целью совершенствования методики расчета смещений на контуре вы- работки были вычислены отдельные компоненты смещений. Для этого по- сле расчета изменения площади сечения на текущий момент времени осу- ществлялся разбор смещений на компоненты по зависимости: ΔUк,п,б = cк,п,б ΔFR/Rк,п,б , (4) где ΔUк,п,б – смещения кровли, почвы и боков соответственно; cк,п,б – эмпирические коэффициенты, зависящие от формы сечения выработки; Rк,п,б – средняя прочность кровли, почвы и боков, вычисленная по формуле (2.2). Идея последней формулы состоит в том, что компоненты сдвижения должны быть обратно пропорциональны величинам приведен- ных прочностей соответствующих частей массива, окружающего данную выработку. Анализ результатов шахтных инструментальных наблюдений, а также данных физического моделирования показали, что эмпирические коэффици- енты зависят главным образом от формы сечения выработки. Конкретные значения эмпирических коэффициентов cк,п,б получены в данной работе для арочной формы сечения выработок, которая применяется в практике горных работ в подавляющем числе случаев. Обработка экспериментальных данных показала, что cк,п,б для арочной формы равны соответственно 84, 110 и 75. Достоверность полученных зависимостей проверялась путем сравнения расчетных и экспериментальных данных, которые не учитывались при уста- новлении регрессионных зависимостей и величин эмпирических коэффици- ентов. В качестве контрольных экспериментальных участков для проверки достоверности расчетных данных были выбраны участки полевых вырабо- ток, эксплуатируемых в течение 15 лет и более за пределами активного воз- действия очистных работ, причем породы не были обводнены. Последнее обстоятельство дает основание принять постоянные граничные условия, при которых эксплуатировалась выработка. Уровень горного давления вокруг выработки сохранялся примерно на одном и том же уровне и соответствовал геостатическому давлению на данной глубине заложения выработки. Проч- ность вмещающих пород также сохранялась практически постоянной. По- Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 73 стоянное значение исходных параметров принималось в соответствии с за- висимостями (2–4). На снимках рис. 9 – 11 показаны характерные состояния полевых маги- стральных штреков в условиях шахт им. Бажанова, им. Поченкова ГП «Ма- кеевуголь» и им. Героев Космоса ПАО «ДТЭК Павлоградуголь». Все три полевые выработки эксплуатировались при весьма неблагоприятной вели- чине критерия устойчивости, находящихся в пределах 0,5 или даже превы- шающим это значение. Указанные участки были выбраны как наиболее представительные и типичные для современных условий разработки. Рис. 9. Характерное состояние полевого магистрального штрека в условиях шах- ты им. Героев Космоса ПАО «ДТЭК Павлоградуголь» Рис. 10. Типичное состояние полевого штрека в условиях шахты им. Поченкова ГП «Макеевуголь» Рис. 11. Обходная выработка западного полевого квершлага гор. 1012 м шахты им. Бажанова ГП «Макеевуголь» Так, шахта им. Героев Космоса ПАО «ДТЭК Павлоградуголь» отрабаты- вает запасы пластов с10 и с11 на глубине 350 м и более. Согласно [13] состоя- Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 74 ние выработок даже за пределами активного воздействия очистных работ в данных условиях характеризуется как неустойчивое. На рис. 12 приведена выкопировка из плана горных работ в окрестности целика больших размеров, оставленного для охраны вертикальных вскры- вающих стволов. Так, восточный полевой штрек расположен фактически на глубине 380 м, что при низком уровне прочности вмещающих пород, не превышающем 20 МПа на одноосное сжатие, создает тяжелые условия для поддержания выработки. На рис. 9 показано состояние штрека, закрепленного арочной металличе- ской рамной податливой крепью без обратного свода. Обследование состоя- ния выработки проводилось через 17 лет после проведения выработки. Вы- работка проходилась комбайном. Вмещающие породы имеют прочность на одноосное сжатие, близкую к 20 МПа. Суммарные смещения на контуре вы- работки оценивались на основании сравнения текущих габаритов с проект- ными ее размерами в момент проходки. Кроме того, результаты этих изме- рений корректировались и сопоставлялись с данными других авторов [13]. Рис. 12. Выкопировка из плана горных работ в окрестности целика больших разме- ров, оставленного для охраны вертикальных вскрывающих стволов Результаты сравнения рассчитанных компонент смещений с фактически- ми на момент обследования выработки представлены в табл. 2. В случаях, при измерении только размеров выработок, разделение вертикальной кон- вергенции на пучение почвы и опускание кровли производилось с помощью измерения величины проскальзывания элементов крепи в замках податливо- сти. Для обеспечения достоверности результатов натурных измерений ком- понент смещений производился обмер 3-5 сечений выработки. Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 75 Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 76 Усредненные данные (табл. 2) показали, что расчетные компоненты сме- щений кровли, боков и почвы равны соответственно 327 мм, 233 мм и 571 мм, тогда как фактические составили 350 мм, 200 мм и 740 мм. Откло- нение расчетных величин от фактических составило + 34 мм – 168 мм, или +14 – 29%. На рис. 10 показано состояние откаточного квершлага шахты им. Почен- кова ГП «Макеевуголь». Выработка пройдена буровзрывным способом для вскрытия пласта l1 на глубине 915 м в породах песчано-глинистого состава с прочностью на одноосное сжатие 37-65 МПа. Разрез толщи в данном месте наблюдений представлен на рис. 13. Рис. 13. Структурная колонка в окрестности полевых выработок шахты им. Поченкова Состояние выработки обследовалось на переходе в западный полевой от- каточный штрек. В данном месте выработки охранялись в массиве угля вне зоны влияния очистных работ (рис. 14). На этой шахте производились длительные шахтные инструментальные наблюдения за конвергенцией на контуре данной и ей подобных выработок. Результаты обобщения проведенных замеров и наблюдений приведены в табл. 2. Фактические смещения кровли, боков и почвы составляют по усреднен- ным результатам измерений 220 мм, 350 мм и 600 мм. Расчетные величины Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 77 этих показателей равны соответственно 251 мм, 337 мм и 494 мм. Абсолют- ные отклонения колеблются в пределах от +31 мм до –106 мм, или в относи- тельных величинах от +13% до –21%. Рис. 14. Выкопировка из плана горных работ по шахте им. Поченкова Достаточно хорошая сходимость расчетных и фактически измеренных смещений наблюдается и на примере шахты им. Бажанова. Обходная выра- ботка западного полевого штрека гор. 1012 м (рис. 11) была пройдена в до- статочно прочных породах и поддерживалась в нетронутом массиве вне зо- ны воздействия очистных работ (рис. 15). Несмотря на большую глубину расположения, конвергенция на контуре выработки стабилизировалась спустя 3-5 лет после ее проведения, в резуль- тате чего выработка сохраняла удовлетворительное состояние. Расчетные смещения кровли, боков и почвы для данных условий равны 280 мм, 275 мм и 310 мм. Как видно из табл. 2, фактически измеренные ком- поненты смещения не существенно отличаются от расчетных, что свиде- тельствует о достоверности установленной зависимости. Еще одним показательным примером оценки достоверности установлен- ной зависимости смещений от исходных условий является случай независи- мой оценки конвергенции на контуре вентиляционного ходка шахты им. Абакумова [14]. Пласт l4 имел мощность 1,6 м и расположен в слабоме- таморфизованных осадочных породах песчано-глинистого состава. После Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 78 отработки пласта в установившейся зоне разгрузки был пройден вентиляци- онный ходок (рис. 16). Отличительной особенностью было то, что выработ- ка проходилась по обрушенным и уплотненным породам. Ценность этого эксперимента состояла в том, что условия его проведения были весьма по- дробно изучены, включая детальные испытания физико-механических свойств обрушенных пород [14]. Кроме того, смещения на контуре выработ- ки тщательно измерялись длительный период времени. Таким образом, были известны не только конечные величины смещений, но и их эволюция во времени. Рис. 15. Выкопировка из плана горных работ на горизонте 1012 м на шахте им. Бажанова Рис. 16. Горнотехническая обстановка в окрестности вентиляционного ходка на шахте им. Абакумова Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 79 После проходки выработки она находилась за пределами воздействия ак- тивных очистных работ. Однако в силу отличительных особенностей строе- ния толщи обрушенных и уплотненных пород на величину конвергенции на контуре выработки существенное влияние оказал слой мелкодробленых по- род. По данным [14] этот слой расположен непосредственно на почве ранее отработанного пласта. При этом было установлено, что характер конверген- ции сильно зависит положением сечения выработки относительно вышеука- занного слоя. В частности, если сечение выработки расположено так, что мелкодробленый слой обрушенных пород находится в боках выработки, преобладают сближения боков, что отчетливо отражено на снимке рис. 17. Рис. 17. Характер деформирования сечения вентиляционного ходка, расположен- ного в обрушенных и уплотненных породах В табл. 2 приведены фактические и расчетные величины смещений пород кровли, боков и почвы выработки, которые равны соответственно 350 мм, 2500 мм, 350 мм и 339 мм, 2423 мм, 394 мм. Расхождения сравниваемых ве- личин не превысило 11%, что свидетельствует об удовлетворительной схо- димости расчетных и экспериментальных данных. Таким образом, выполненные исследования показали, что концепция рас- чета смещений на контуре выработки вне зоны воздействия очистных работ, основанная на подходе, когда сначала определяется потеря сечения как функция критерия устойчивости, а затем полученная величина разделяется на отдельные компоненты обратно пропорционально прочности пород кров- ли, почвы и боков подтвердилась экспериментально. Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 80 Выводы 1. Экспериментально впервые показано, что работу горного давления, расходуемую на разрушение вмещающих подготовительную выработку по- род можно считать пропорциональной площади уменьшения выработки в результате смещения разрушенных пород в полость выработки. 2. Разработан новый подход к расчету смещений на контуре подготови- тельной выработки, отличающийся тем, что вначале определяют потерю площади сечения выработки за максимальный срок ее службы как функцию критерия устойчивости, а затем разбирают полученное уменьшение площа- ди на компоненты смещений в кровле, боках и почве. Экспериментально установлены эмпирические зависимости и коэффициенты для вычленения соответствующих компонент смещений из площади уменьшения сечения. 3. Показано, что приведенную прочность пород кровли, боков и почвы необходимо рассчитывать с учетом расстояния каждого породного слоя от- носительно контура сечения выработки, что существенно повышает точ- ность приведения прочности и достоверность расчетов смещений на конту- ре. 4. Выполнено сравнение расчетных данных с экспериментальными ве- личинами смещений на контуре выработок в разных горно-геологических условиях. Показано, что расчетные данные совпадают с экспериментальны- ми в пределах 30%, что вполне удовлетворяет практику проектирования и геомеханический аудит горных работ. 5. Предложен и обоснован новый принцип учета произвольного числа изменений горнотехнической и горно-геологической ситуации в окрестно- сти эксплуатируемой выработки, который можно назвать, как принцип эк- вивалентного геомеханического состояния. Указанный подход дает возмож- ность состыковать кривые конвергенции одной и той же выработки, попа- дающей в течение срока службы в разные геомеханические ситуации, при которых критерий устойчивости вмещающего массива изменяется. Предло- женный принцип проверен на физических моделях и с помощью шахтных инструментальных наблюдений. Сходимость расчетных данных с экспери- ментальными находится в пределах 29% при доверительной вероятности 90%, что достаточно для практики проектирования. 1. Назимко В.В. Анализ развития зоны разрушения вокруг полевой выработки при влиянии очистных работ / В.В. Назимко // Физико-технические проблемы раз- работки полезных ископаемы». – 1989. - № 2. - С. 45-48. 2. Назимко В.В. Алгоритм расчета смещений на контуре подготовительной выра- ботки / В.В. Назимко, С.В. Кузяра // Известия горного института. – 1995. - №1. - С. 47-49. 3. Назимко В.В. Динамическая модель развития зоны разрушений вокруг горной выработки. / В.В. Назимко, В.В. Лаптеев, С.В. Напрасников // Физика и техника высоких давлений. – 1998. - том. 8. - №3. - С. 137-144. Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 81 4. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов / Монография – М.: «Изд-во иностранной литературы», 1960. – 160 c. 5. Назимко В.В. Новая концепция к расчету смещений на контуре подземной гор- ной выработки в поле переменного горного давления / В.В. Назимко, В.С. Заха- ров // Физика и техника высоких давлений. – 2002. – том 11, №3. – С. 86-93. 6. Суворов Н.Я. Влияние крепости горных пород на устойчивость капитальных выработок, закрепленных мелкоразмерными тюбингами / Н.Я. Суворов, М.И. Чугай // Известия Вузов. Горный журнал. - 1970. - №6. - С. 32-34. 7. Назимко В.В. Фрактальное исследование анизотропии пород / В.В. Назимко, В.С. Захаров, С.В. Напрасников, С.Н. Александров, Е.Е. Гарковенко // Физика и техника высоких давлений. – 2001. – том 11, №2. – С. 125-130. 8. Nazimko V.V. Investigation of a roof fall as an irreversible process of rock mass self- organization / V.V. Nazimko, V.P. Sazhnev, S.S. Peng, V.S. Zacharov, V.S. Grya- znov // Проблемы горного давления. – 2001. – №5. – С. 48–71. 9. Александров С.М. Аналіз закономірностей розвитку зон руйнування навколо підготовчої виробки при впливі очисних робіт з урахуванням ефекту саморозк- линювання порід / С.М. Александров, В.П. Сажнєв, М.І. Красько, С.В. Напрас- ніков // Проблеми гірського тиску. – Донецьк: “СПЕКТР”. – 2001. – №6. – С. 48–72. 10. Александров С.Н. Исследование в лабораторных условиях поведения вмещаю- щих подготовительную выработку пород на образцах в режиме саморасклини- вания / С.Н. Александров // Проблеми гірського тиску. – Донецьк: “Норд- комп’ютер”. – 2002. – №7. – С. 41–50. 11. Шашенко А.Н. Критерий устойчивости в задаче о пучении пород почвы под- земной выработки / А.Н. Шашенко, А.Н. Роенко, М.Е. Каганов // Изв. вузов. Горный журнал. - 1994. - №1. - С. 31-33. 12. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных вы- работок на угольных шахтах СССР. – Л.: ВНИМИ, 1985. –222 с. 13. Кириченко В.Я. Геолого-геомеханическое обоснование параметров способов повышения устойчивости подготовительных выработок га глубоких горизонтах шахт Западного Донбасса. Дисс. ... канд. техн. наук: 05.15.02, 04.00.11. – ДГИ. Днепропетровск. – 256 с. 14. Назимко В.В. Геомеханические основы устойчивости подготавливающих выра- боток в зонах разгрузки при воздействии очистных работ: Дисс. ... докт. техн. наук.05.15.02, 05.15.11. – Днепропетровск, 1990. – 364 с. О.В. Гладка, В.В. Назимко ОБҐРУНТУВАННЯ ГЕОМЕХАНІЧНОЇ КОНЦЕПЦІЇ ОБЛІКУ ВЗАЄМОВПЛИВУ ПОКРІВЛІ, БОКІВ І ПІДОШВИ НА ФОРМУВАННЯ ЗМІЩЕНЬ НА КОНТУРІ ВИРОБКИ Розроблений новий підхід до розрахунку зміщень на контурі підготовчої виробки, запропонований й обґрунтований новий принцип обліку довільного числа змін гір- ничотехнічної та гірничо-геологічної ситуації в околиці експлуатаційної виробки. Физико-технические проблемы горного производства 2016, вып. 18 82 Виконано порівняння розрахункових даних з експериментальними величинами зміщень на контурі виробок в різних гірничо-геологічних умовах. Ключові слова: породи, руйнування порід, фізичне моделювання, зміщення, вироб- ка, стійкість. E. Gladkaya, V. Nazimko SUBSTANTIATION OF THE GEOMECHANICAL CONCEPT OF THE ACCOUNT OF MUTUAL INFLUENCE OF ROOF OF THE MINE WORKING, WALL AND FLOOR INFLUENCE ON THE FORMATION OF DISPLACEMENTS ON THE CONTOUR MINE WORKING Developed a new approach of the calculation of the displacements on the contour of pre- paratory mine working, proposed and justified a new principle of accounting for arbitrary number of changes in mining and geological situation in the vicinity of the operated mine working. Compares the calculated data with experimental values of the displacements on the contour of the mine working in various mining and geological conditions. Keywords: rocks, fracture of rocks, physical modeling, displacements, excavation, stabil- ity.

Обоснование геомеханической концепции учета взаимовлияния кровли, боков и почвы на формирование смещений на контуре выработки

Репозитарії

Схожі ресурси