Исследование способов борьбы с пучением почвы в горных выработках методом конечных элементов
В статье представлены результаты исследований по разработке новых способов борьбы с пучением пород почвы в горных выработках. Показано, что существующие способы борьбы с этим явлением для различных горно-геологических условий реализованы только частично, их эффективность низкая. Для установления дом...
Gespeichert in:
| Datum: | 2017 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2017
|
| Schriftenreihe: | Геотехнічна механіка |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138712 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Исследование способов борьбы с пучением почвы в горных выработках методом конечных элементов / А.А. Яланский, А.И. Слащев, А.М. Селезнев // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 133. — С. 239-249. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-138712 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1387122025-02-10T01:28:42Z Исследование способов борьбы с пучением почвы в горных выработках методом конечных элементов Дослідження способів боротьби зі здиманням підошви в гірничих виробках методом скінченних елементів Study of methods for controlling the floor swelling in the mine workings with the help of finite-element methods Яланский, А.А. Слащев, А.И. Селезнев, А.М. В статье представлены результаты исследований по разработке новых способов борьбы с пучением пород почвы в горных выработках. Показано, что существующие способы борьбы с этим явлением для различных горно-геологических условий реализованы только частично, их эффективность низкая. Для установления доминантных факторов, которые влияют на снижение пучения почвы выработок, проведено моделирование методом конечных элементов разработанных способов борьбы с пучением и выполнен их сопоставительный анализ. С использованием современного программного обеспечения проведена оценка сценариев развития геомеханических процессов с учётом особенностей деформирования геологической среды и способов поддержания горных выработок. Установленные параметры напряжённо-деформированного состояния пород позволили обосновать преимущества новых способов борьбы с пучением с применением технологий крепления на основе сталеполимерных анкеров. У статті представлені результати досліджень з розробки нових способів боротьби зі здиманням порід підошви в гірничих виробках. Показано, що існуючі способи боротьби з цим явищем для різних гірничо-геологічних умов реалізовані тільки частково, їх ефективність низька. Для встановлення домінантних чинників, які впливають на зниження здимання підошви виробок, проведено моделювання методом скінченних елементів розроблених способів боротьби зі здиманням і виконано їх порівняльний аналіз. З використанням сучасного програмного забезпечення проведена оцінка сценаріїв розвитку геомеханічних процесів з урахуванням особливостей деформування геологічного середовища та способів підтримання гірничих виробок. Встановлені параметри напружено-деформованого стану порід дозволили обґрунтувати переваги нових способів боротьби зі здиманням із застосуванням технологій кріплення на основі сталеполімерних анкерів. The article presents the results of research on the development of new methods for controlling the floor swelling in the mine workings. It is shown, that the existing methods for controlling the floor swelling depending on various geological conditions are only partially realized, and their efficiency is low. For the purpose of establishing the dominant factors, which would decrease the floor swelling, the newly developed methods were simulated with the help of method of finite elements, and the results were compared. Special software was developed, which estimated different scenarios of geomechanical processes dynamics with taking into account the particularities of geological environment deformations and different ways of supporting the mine workings. The established parameters of the rocks allowed validating advantages of the new methods for controlling the floor swelling with the help of support setting technologies which use the steel-polymer anchors. 2017 Article Исследование способов борьбы с пучением почвы в горных выработках методом конечных элементов / А.А. Яланский, А.И. Слащев, А.М. Селезнев // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 133. — С. 239-249. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138712 622.831.312 : 622.862.3 ru Геотехнічна механіка application/pdf Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
В статье представлены результаты исследований по разработке новых способов борьбы с пучением пород почвы в горных выработках. Показано, что существующие способы борьбы с этим явлением для различных горно-геологических условий реализованы только частично, их эффективность низкая. Для установления доминантных факторов, которые влияют на снижение пучения почвы выработок, проведено моделирование методом конечных элементов разработанных способов борьбы с пучением и выполнен их сопоставительный анализ. С использованием современного программного обеспечения проведена оценка сценариев развития геомеханических процессов с учётом особенностей деформирования геологической среды и способов поддержания горных выработок. Установленные параметры напряжённо-деформированного состояния пород позволили обосновать преимущества новых способов борьбы с пучением с применением технологий крепления на основе сталеполимерных анкеров. |
| format |
Article |
| author |
Яланский, А.А. Слащев, А.И. Селезнев, А.М. |
| spellingShingle |
Яланский, А.А. Слащев, А.И. Селезнев, А.М. Исследование способов борьбы с пучением почвы в горных выработках методом конечных элементов Геотехнічна механіка |
| author_facet |
Яланский, А.А. Слащев, А.И. Селезнев, А.М. |
| author_sort |
Яланский, А.А. |
| title |
Исследование способов борьбы с пучением почвы в горных выработках методом конечных элементов |
| title_short |
Исследование способов борьбы с пучением почвы в горных выработках методом конечных элементов |
| title_full |
Исследование способов борьбы с пучением почвы в горных выработках методом конечных элементов |
| title_fullStr |
Исследование способов борьбы с пучением почвы в горных выработках методом конечных элементов |
| title_full_unstemmed |
Исследование способов борьбы с пучением почвы в горных выработках методом конечных элементов |
| title_sort |
исследование способов борьбы с пучением почвы в горных выработках методом конечных элементов |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2017 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138712 |
| citation_txt |
Исследование способов борьбы с пучением почвы в горных выработках методом конечных элементов / А.А. Яланский, А.И. Слащев, А.М. Селезнев // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 133. — С. 239-249. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Геотехнічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT âlanskiiaa issledovaniesposobovborʹbyspučeniempočvyvgornyhvyrabotkahmetodomkonečnyhélementov AT slaŝevai issledovaniesposobovborʹbyspučeniempočvyvgornyhvyrabotkahmetodomkonečnyhélementov AT seleznevam issledovaniesposobovborʹbyspučeniempočvyvgornyhvyrabotkahmetodomkonečnyhélementov AT âlanskiiaa doslídžennâsposobívborotʹbizízdimannâmpídošvivgírničihvirobkahmetodomskínčennihelementív AT slaŝevai doslídžennâsposobívborotʹbizízdimannâmpídošvivgírničihvirobkahmetodomskínčennihelementív AT seleznevam doslídžennâsposobívborotʹbizízdimannâmpídošvivgírničihvirobkahmetodomskínčennihelementív AT âlanskiiaa studyofmethodsforcontrollingthefloorswellinginthemineworkingswiththehelpoffiniteelementmethods AT slaŝevai studyofmethodsforcontrollingthefloorswellinginthemineworkingswiththehelpoffiniteelementmethods AT seleznevam studyofmethodsforcontrollingthefloorswellinginthemineworkingswiththehelpoffiniteelementmethods |
| first_indexed |
2025-12-02T11:36:18Z |
| last_indexed |
2025-12-02T11:36:18Z |
| _version_ |
1850396249285459968 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2017. № 133
Статья посвящена 50-летию со дня основания Института геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН
Украины
239
УДК 622.831.312 : 622.862.3:
Яланский А.А., д-р. техн. наук, ст. науч. сотр.
Слащев А.И., канд. техн. наук, мл. науч. сотр.
Селезнев А.М., магистр
(ИГТМ НАН Украины)
ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С ПУЧЕНИЕМ
ПОЧВЫ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ*
Яланський А.О., д-р. техн. наук, ст. наук. співроб.
Слащов А.І. , канд. техн. наук, мол. наук. співроб.
Селезньов А.М., магістр
(ІГТМ НАН України)
ДОСЛІДЖЕННЯ СПОСОБІВ БОРОТЬБИ ЗІ ЗДИМАННЯМ
ПІДОШВИ В ГІРНИЧИХ ВИРОБКАХ МЕТОДОМ СКІНЧЕННИХ
ЕЛЕМЕНТІВ
Yalanskiy A.A., D.Sc. (Tech.), Senior Researcher
Slashchev A.I., Ph.D. (Tech.), Junior Researcher
Seleznev A.M., M.S. (Tech.)
(IGTM NAS of Ukraine)
STUDY OF METHODS FOR CONTROLLING THE FLOOR
SWELLING IN THE MINE WORKINGS WITH THE HELP OF
FINITE-ELEMENT METHODS
Аннотация. В статье представлены результаты исследований по разработке новых спосо-
бов борьбы с пучением пород почвы в горных выработках. Показано, что существующие спо-
собы борьбы с этим явлением для различных горно-геологических условий реализованы
только частично, их эффективность низкая. Для установления доминантных факторов, кото-
рые влияют на снижение пучения почвы выработок, проведено моделирование методом ко-
нечных элементов разработанных способов борьбы с пучением и выполнен их сопоставитель-
ный анализ. С использованием современного программного обеспечения проведена оценка
сценариев развития геомеханических процессов с учётом особенностей деформирования гео-
логической среды и способов поддержания горных выработок. Установленные параметры
напряжённо-деформированного состояния пород позволили обосновать преимущества новых
способов борьбы с пучением с применением технологий крепления на основе сталеполимер-
ных анкеров.
Ключевые слова: пучение почвы, моделирование напряжённо-деформированного состо-
яния, породный массив, анкерное крепление, метод конечных элементов.
Известно, что пучение почвы горных выработок – это выдавливание пород,
обусловленное действием горного давления. Оно характеризуется увеличением
объёма пород, их набуханием, растёт с увеличением влажности и содержания в
них тонких фракций глинистых частиц, а также с увеличением притоков воды
техногенного или естественного характера. При выдавливании пород пучение
тем больше, чем слабее породы почв по сравнению с породами в боках и кровле
выработки. При незначительной разнице свойств пород происходит их деформи-
* © Яланский А.А., Слащев А.И., Селезнев А.М., 2017
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2017. № 133
240
рование по всему периметру выработки. Величина смещений пород в любом слу-
чае зависит от соотношения прочности пород к возникающим напряжениям. При
залегании в почве водонепроницаемых глинистых пород пучение в виде набуха-
ния встречается реже, чем в виде выдавливания. Набухание горных пород при-
водит к повышению их пластических свойств.
Как показывают исследования, пучат все разновидности глинистых пород,
причём наиболее склонен к пучению аргиллит, менее – песчаник. Отмечается
усиление пучения с увеличением мощности слабых пород. Например, при повы-
шении мощности аргиллита до 5 м пучение возрастает от 0,2 м до 2 м в год, даль-
нейшее увеличение мощности практически не влияет на пучение. Одним из ос-
новных факторов, определяющих интенсивность пучения пород, является прове-
дение очистных работ, которое влияет на напряжённо-деформированное состоя-
ние породного массива, окружающего выработки. Способ проходки выработок
существенного влияния на устойчивость почвы не оказывает. При буровзрывном
способе проведения происходит более интенсивная разгрузка породного массива
и уже на расстоянии (60-70) м от забоя породный массив приходит в состояние
устойчивого равновесия. При комбайновой проходке разгрузка массива прохо-
дит более медленно и уравновешивается на расстоянии (90-100) м. При этом пу-
чение практически отсутствует. Использование замкнутых крепей замедляет
темпы проходки выработки, но не всегда обеспечивает устойчивость почвы и
вызывает необходимость привлечения дополнительных (25-30 %) материальных
и трудовых ресурсов, как на крепление, так и на ремонт [1].
Основные методы исследования пучения: аналитические, натурные
наблюдения и моделирование. Аналитические методы базируются на гипотезе
выдавливания пород из-под штампов с использованием теории пластичности и
ползучести. В выработках, находящихся под влиянием очистных работ, где пу-
чение достигает трёх метров и более, применяют вероятностно-статистические
методы прогноза пучения на основе экспериментально-аналитических исследо-
ваний. Уменьшение вредного влияния пучения осуществляют путём снижения
напряжений в массиве пород или его упрочнения. Упрочнение пород почвы за-
трудняет последующий её подрыв, поэтому его применение ограничено.
Поскольку для большинства горно-геологических условий пучение опре-
деляется в основном напряжённо-деформированным состоянием массива пород,
то остановимся на расчётах и моделировании пучения методом конечных эле-
ментов. Для исследования процессов разрушения породного массива вокруг гор-
ных объектов и моделирования возможных предельных геотехнических ситуа-
ций использована упругопластическая модель среды с разупрочнением за преде-
лом прочности. Основные положения численной реализации модели заключа-
ются в следующем. В основе алгоритма решения упругопластической задачи
объединены две теории – теория упругости и теория предельного состояния [2-
5]. Условия совместности деформаций для сплошной среды:
x
x
du
dx
ε = , y
y
du
dy
ε = , yx
xy
dudu
dy dx
γ = + , (1)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2017. № 133
241
где εx, εy, – полные относительные деформации по осям x, y; ux, uy – осевые пере-
мещения; γxy – деформации сдвига.
Связь между напряжениями и деформациями в упругой среде, представля-
ется в виде:
21
yx
x
duE du
dx dy
σ µ
µ
= + −
; 21
y x
y
duE du
dy dx
σ µ
µ
= + −
, (2)
где Е – модуль упругости, Па; µ – коэффициент Пуассона.
Условия совместности деформаций и напряжений имеют вид:
( ) ( ) ( )
2 2 2
2 2 2 1x y y x xyd d d
dx dy dxdy
σ µσ σ µσ τ
µ
− −
+ = + , (3)
где τxy – касательная компонента тензора напряжений;
Если напряжения в элементе расчётной схемы не превышают предельного
уровня, связь напряжений и деформаций рассчитывается как линейная. Решение
достигается итерационным процессом повторения упругих решений с сохране-
нием исходной матрицы жёсткости системы. Предельные напряжения в области
сжатия определяются по критерию Кулона-Мора. Используется значение оста-
точной прочности σ1
ост = σ1/3. Предел прочности породы на растяжение принят
С/5 и в программном комплексе рассчитывается автоматически.
Расчёты проведены на вычислительном комплексе «GEO-RS» (разработка
ИГТМ НАН Украины [4-7]. Новая архитектура информационной системы, реа-
лизованная в новой версии «GEO-RS» v 8.2 позволила существенно повысить
скорость и точность обработки исходных данных и расчёта параметров геомеха-
нических процессов [7, 8]. Для описания физико-механических свойств пород
использованы усреднённые показатели модуля упругости Е, коэффициента
Пуассона ν, объёмного веса γ, сцепления С и угла внутреннего трения φ для всех
элементов каждого типа пород [9]. Устойчивые упругопластические решения с
учётом остаточной прочности для осадочных горных пород обычно достигаются
за 50-100 циклов вычислений. Число циклов итерации указывается в выводимой
информации. Если итерационный процесс не сошёлся за 100 циклов, то надежды
на сходимость в дальнейшем нет, и программа прекращает работу.
Исследования проведены на основе автоматизированных расчётных схем
слоистой структуры, которые разбиты на 2500 или 6400 треугольных элементов,
рис. 1. Сначала рассмотрены варианты, когда прочные слои песчаника различ-
ной мощности находятся в глинистых породах на разных расстояниях от почвы
угольного пласта или его кровли. Рассмотрена устойчивость горных выработок
в слабых и обводнённых породах (свойства задаются при моделировании). Нали-
чие в массиве прочного газоносного слоя песчаника во многих случаях представ-
ляет опасность не только как источник динамических подвижек пород при его
хрупком разрушении, но и как источник выделения газа метана в выработку.
На схемах, показанных на рис. 1, а, б, крепкий песчаник сдерживает и рас-
пределяет давление вышележащих пород (расстояние определялось от кровли
выработки до почвы слоя песчаника). Так как слой песчаника на этих схемах не
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2017. № 133
242
разрушен, его роль
можно приравнять к
функции балки с за-
щемлёнными кон-
цами. Поэтому кровля
выработки испыты-
вает нагрузку, в основ-
ном, от веса раздроб-
ленных кусков более
слабого алевролита.
То есть, песчаник, рас-
положенный над вы-
работкой, рис. 1, а, б,
выполняет функцию
защитного пласта,
снижая величины
опорного давления,
зоны сдвиговых и раз-
рывных деформаций в
кровле и боках выра-
ботки. На схеме, пока-
занной на рис. 1, в,
слой песчаника распо-
ложен в зоне влияния
выработки. Он прак-
тически полностью
воспринимает на себя
нагрузку вышележа-
щих пород в кровле
выработки, поэтому её
кровля не разрушена и
находится в защищён-
ной зоне. Схема, пока-
занная на рис. 1, г, от-
личается наименьшими деформациями сдвига и наибольшими разрывными де-
формациями кровли выработки. Это происходит вследствие того, что выработка
проведена в более прочном, но менее пластичном слое, состоящем из песчаника
и угля. При всех других вариантах заложения выработки нижний слой алевро-
лита, расположенный вблизи выработки над пластом угля, разрушается на ши-
рину до трёх метров вследствие его раздавливания о более прочный уголь. Проч-
ный песчаник, расположенный в глубине почвы выработки, в отличие от слабого
аргиллита также является защитным слоем для выработки, предотвращающем
пучение почвы, рис. 1, д, е.
Способы борьбы с пучением пород почвы в горных выработках, с точки
зрения основных причин его возникновения, можно разделить на способы:
а) б)
в) г)
д) е)
– зоны разрушений от сдвигающих сил;
– зоны разрыва при растяжении
Рисунок 1 – Распространение зон неупругих деформаций при
изменении условий залегания слоя прочных пород с его удале-
нием от кровли выработки: а – на 7,0 м; б – на 3,5 м; в – на
1,0 м; г – на -1,0 м; д – на -4,0 м; е – на -8,5 м
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2017. № 133
243
борьбы с вынужденным
увлажнением пород; повыше-
ния прочности слабых пород
почвы; снижения нагрузки на
почву выработки от горного
давления, а также создания ло-
кальных пустот в почве для
обеспечения дополнительной
разгрузки массива от напряже-
ний. Отдельно выделяются
способы борьбы с внезапными
динамическими поднятиями
прочных пород почвы, кото-
рые связаны с повышенной га-
зоносностью подстилающего
породного массива и принад-
лежат к газодинамическим яв-
лениям. Разработаны два спо-
соба, в основе которых лежит
нарезание щелей в почве выра-
ботки (пат. № 94762 и № 96742). Способ борьбы с пучением почвы горных вы-
работок (пат. № 94762) предполагает нарезание в почве щелей, отличающийся
тем, что щели нарезают между боковыми стенками выработки под углом к боко-
вым стенкам участками, которые повторяются в продольном направлении выра-
ботки. Другой способ отличается тем, что один из концов каждого следующего
участка щели размещают напротив средины предыдущего участка в перпенди-
кулярном направлении выработки.
Способ борьбы с пучением почвы горных выработок (пат. № 96742) пред-
полагает нарезание в почве продольных щелей и формирование в щелях про-
дольных монолитных заполнений, отличающийся тем, что между продольными
щелями нарезают поперечные щели, в которых формируют поперечные моно-
литные заполнения с присоединением продольных монолитных заполнений.
Проведенные расчёты показали, что нарезание щелей в почве уже изна-
чально только увеличивает размеры незакреплённого пространства, что резко
ухудшает начальные горно-геологические условия. Заполнение щелей упругим
податливым материалом частично улучшает обстановку, но требует весьма тща-
тельного подбора его свойств. В то же время, установка хотя бы одного ряда ста-
леполимерных анкеров в бока выработки возле её кровли или почвы снижает
смещения почвы выработок, поскольку это простое стандартное мероприятие
позволяет перенести зону опорного давления в сторону от выработки в глубину
массива, рис. 2.
Поэтому разработан способ борьбы с пучением почвы горных выработок
(пат. № 96311), который предусматривает установку анкерного крепления. Спо-
соб отличается тем, что используется анкерное стяжное крепление, которое уста-
навливается в боках выработки с размещением концов анкеров возле почвы и
Рисунок 2 – Расчётная схема слоистой структуры, за-
креплённая рамной крепью и дополнительными анке-
рами в почве выработки (максимальные главные сжи-
мающие напряжения указаны в МПа, черные эле-
менты – зоны разрушения)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2017. № 133
244
кровли. Необходимо также учитывать, что на участках, имеющих понижение, на
почве пласта возможно постоянное скопление большого количества воды. В этой
связи, не следует применять металлические анкеры с замками распорного типа.
Опыт показывает, что вода, попадая в шпуры, пробуренные для установки анке-
ров, размягчает породу на контакте с замками крепи, в результате чего анкеры
теряют несущую способность. В таких условиях целесообразно применять ста-
леполимерные анкеры, поскольку в этом случае доступ воды в шпур будет прак-
тически невозможен. Следует помнить, что эффективность применения таких
анкеров непосредственно в почве выражается в уменьшении интенсивности пу-
чения всего на 10 %, а наличие сталеполимерных анкеров вызывает дополни-
тельные трудности по проведению работ при подрыве почвы. Щелевая разгрузка
почвы посредством нарезания одной или нескольких параллельных щелей также
позволяет снизить абсолютную величину пучения почвы лишь на 10-15 %. Это
не окупает затраты, вложенные в создание щелей. Щели, пройденные в углах
почвы выработки или на расстоянии ближе 0,5 м от стоек выработки, являются
причиной опускания стоек рамной поддерживающей крепи в почву выработки,
то есть приводят к потере её сечения. Удаление почвенных щелей на расстояние
большее 0,5 м от боков выработки приводит к образованию блоков большой
длины, имеющих не менее трёх поверхностей обнажения, что способствует ин-
тенсификации процессов разрушения пород, их размоканию и набуханию.
Более эффективным приёмом для борьбы с пучением почвы оказалась
нарезка щелей в боках выработки. Разработан «Способ борьбы с пучением почвы
горных выработок» (пат. № 97445), который предполагает нарезание в массиве
продольных щелей и формирование в щели монолитного заполнения, отличаю-
щийся тем, что продольную щель нарезают хотя бы в одном из боков выработки,
а монолитное заполнение формируют в щели с образованием открытой полости
между монолитным заполнением и низом щели. Способ также отличается тем,
что продольную щель нарезают наклонно от бока выработки вглубь массива и
что открытую полость выполняют с расширением щели. Однако данный способ
технологически весьма сложен в исполнении.
Менее трудоёмким в исполнении является «Способ борьбы с пучением
почвы горных выработок» (пат. № 98480), который предполагает нарезание в
массиве продольной щели и формирование в щели монолитного заполнения, от-
личающийся тем, что нарезают две параллельные щели, хотя бы на одном из бо-
ков выработки, монолитное заполнение формируют в щели, которая в будущем
будет верхней, а после этого нарезают нижнюю щель на глубину меньшую, чем
глубина верхней щели и на расстоянии от монолитного заполнения, которое
меньше высоты нижней щели.
Опыт проведения, поддержания и эксплуатации подготовительных горных
выработок показывает, что технологическая операция установки анкеров менее
трудоёмкая, чем проведение и формирование монолитного заполнения в щели.
Поэтому разработаны три способа борьбы с пучением на основе анкерного креп-
ления и нарезания продольных щелей в боках выработок. Способ борьбы с пуче-
нием почвы горных выработок (пат. № 98407) предусматривает установку анке-
ров, отличается тем, что анкера устанавливают хотя бы в одном боку выработки
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2017. № 133
245
в ряд вдоль длины выработки,
а под анкерами нарезают про-
дольную щель на глубину
меньшую, чем длины анкеров,
рис. 3.
«Способ борьбы с пуче-
нием почвы горных вырабо-
ток» (пат. № 99606) предпола-
гает нарезание продольной
щели хотя бы в одном боку вы-
работки и установку анкеров.
Способ отличается тем, что ан-
керы устанавливают на днище
щели с промежутком между
ними и низом щели, а между
анкерами и верхом щели фор-
мируют монолитное заполне-
ние, например, в виде плит.
«Способ борьбы с пуче-
нием почвы горных вырабо-
ток» (пат. № 100829) предпо-
лагает хотя бы на одном боку
выработки нарезание продольной щели, размещение в ней плит, установку анке-
ров. Способ отличается тем, что анкеры устанавливают после размещения плит
в щели выше плит с заведением внутренних концов анкеров в зону массива, ко-
торая не разрушена, а после этого нижние концы анкеров соединяют стяжками с
внешними концами плит и подтягивают последние стяжками вверх. Как с техно-
логической точки зрения, так и результаты математического моделирования по-
казывают, что наиболее эффективным является «Способ борьбы с пучением
почвы горных выработок» (пат. № 98407).
Опыт применения скважинной и щелевой разгрузки показывает, что
можно ожидать уменьшения пучения на (20-40) %. Однако работы по их образо-
ванию являются трудоёмкими, поэтому данные способы следует применять
лишь при наличии в боках выработки слабых пластов угля или пород. Резание
породной толщи боков выработки щелями способствует снижению действую-
щих напряжений, что уменьшает интенсивность пучения, но при этом наблюда-
ется значительная потеря сечения выработки.
В качестве примера рассмотрим сценарий изменения напряжённо-дефор-
мированного состояния пород и влияния его на устойчивость горной выработки
в целом для условий применения анкерного крепления и нарезки разгрузочных
щелей в боках выработки, проведенной на глубине 1250 м, рис. 4 (локальные вы-
резки из моделей). Первоначально для сравнения влияния разных способов креп-
ления на устойчивость породного массива был проведен расчёт напряжённо-де-
формированного состояния пород вокруг выработки без дополнительного креп-
ления, рис. 4, а, после чего выполнена серия расчётов при размещении анкеров в
Рисунок 3 – Изменения максимальных главных
напряжений при применении системы поддержания
горной выработки, включающей рамную крепь, ан-
керы и разгрузочные щели в боках выработки (глу-
бина 1000 м, напряжения указаны в МПа, обработка
вычислений проведена в программе Mathcad)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2017. № 133
246
кровле, боках и возле
почвы выработки. По-
скольку разрушения
пород в верхней части
выработки большие,
то анкеры, располо-
женные по бокам, но
вверху выработки,
оказали на состояние
вмещающих пород су-
щественное влияние
(рис. 4, в). Вместе с
тем, анкеры, располо-
женные по бокам вы-
работки, но возле
почвы, в зоне
наименьших деформа-
ций, картину разруше-
ний практически не
изменяют (рис. 4, а
и г).
Расположение
анкеров по бокам вы-
работки возле кровли
(в зоне больших де-
формаций) приводит к
уменьшению неупру-
гих сдвиговых дефор-
маций над анкерами
на 20-30 % и смеще-
ний кровли на 10 %.
Зона разрывных нару-
шений по объёму не
изменяется, но углуб-
ляется и концентриру-
ется в центре кровли,
при этом состояние
почвы выработки не
улучшается. Анкеры, установленные по нижним бокам выработки (в зоне
наименьших деформаций) менее эффективны, но их применение снижает разру-
шения от сдвигающих сил, то есть снижает пучение за счёт выдавливания почвы.
Однако, несмотря на кажущуюся бесполезность применения в данных
условиях анкеров в нижней части боков выработки, при одновременном добав-
лении анкерной крепи в верхних частях боков выработки напряжённо-деформи-
рованное состояние её кровли и боков кардинально улучшается, рис. 4, д. Этот
а) б)
в) г)
д) е)
– зоны разрушений от сдвигающих сил;
– зоны разрыва сплошности
Рисунок 4 – Прогнозирование разрушений массива пород во-
круг горной выработки (глубина 1250 м) при различных спосо-
бах её крепления: а – без дополнительного крепления (рамная
крепь); б – рамная крепь и анкеры в кровле; в – рамная крепь и
анкеры в боках сверху; г – рамная крепь и анкеры в боках
снизу; д – рамная крепь и стяжные анкеры в боках сверху и
снизу (пат. № 96311); е – рамная крепь, анкеры и разгрузочные
щели в боках выработки (пат. № 98407)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2017. № 133
247
способ оказывается эффективным в плане повышения устойчивости кровли пу-
тём крепления боков выработок. Кроме того, происходит дополнительное умень-
шение смещений кровли (относительно крепления без стяжки, рис. 4, в, г) ещё
на (5-15) %, неупругих сдвиговых деформаций – на 10 %. Зона разрывных нару-
шений в кровле сокращается в три раза, а состояние почвы выработки не изме-
няется. Для улучшения состояния почвы выработки, оставив анкера возле кровли
с целью её укрепления, дополнительно в боках над угольным пластом были смо-
делированы разгрузочные щели, рис. 4,е.
Разгрузочные щели способствуют смещению максимумов напряжений
вглубь массива в нижней части выработки. При этом в 2,5 раза увеличилась
нагрузка на анкеры в верхней части выработки, что кардинально улучшает со-
стояние почвы, но ухудшает состояние кровли. Исчезла зона разрывных наруше-
ний в почве, смещение почвы стало близким к нулевым. Однако зона разрывных
нарушений в кровле выросла до 70 %, зона неупругих сдвиговых деформаций
увеличилась до 40 %. В результате состояние почвы прогнозируется хорошее,
но, вместе с тем, возникает необходимость в дополнительном креплении кровли.
Таким образом, известные способы борьбы с пучением пород применимы
в узких пределах горно-геологических условий и, если и решают задачу раз-
грузки массива в почве выработки, то одновременно активизируют разрушение
пород непосредственной кровли. Чаще всего они технически сложны, энерго- и
материалоёмки и, в конечном итоге, не оправдывают вложенных в них средств.
Это приводит к тому, что в практике разработки угольных месторождений ос-
новным способом борьбы с пучением пород остаётся их подрывка, то есть, лик-
видируются только последствия явления, а не его причины. Более перспективны
способы борьбы с пучением на основе сталеполимерной анкерной крепи высо-
кой несущей способности. Это связано с тем, что технологически проще и эко-
номически дешевле добавить в уже существующий паспорт крепления один или
несколько рядов сталеполимерной анкерной крепи в бока выработки, чтобы пе-
ренести нагрузку на значительное расстояние от её контура. На распределение
напряжений вокруг горной выработки существенное влияние имеет наличие
прочных слоёв песчаника в её кровле и почве, конкретные параметры их залега-
ния, с учётом которых необходимо определять способы поддержания выработок
в рабочем состоянии. Паспорт крепления выработок необходимо рассчитывать
только для конкретных горно-геологических условий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Николаенко, Н.Н. Борьба с пучением пород почвы горных выработок шахт Карагандинского
бассейна / Н.Н. Николаенко, М.А. Байкеджин, Р.И. Загурская // Изд-во вузов. – Горн. ж., 1988, №4, с.
18-21.
2. Галагер, Р. Метод конечных элементов. Основы: пер. с англ. / Р. Галагер. – М.: Мир, 1984. –
428 с., ил.
3. Zienkiewicz, О.С. (1971) Тhе Finite Element Method in Engineering Science, McGraw-Hill, New
York.
4. Моделирование и контроль динамических процессов в задачах оценки состояния геотехниче-
ских систем : монография / Н.А. Иконникова, В.И. Корсун, А.И. Слащев и др. ; М-во образования и
науки Украины, Нац. горн. ун-т. – Днепропетровск: НГУ, 2015. – 279 с.
5. Булат, А.Ф. Разработка компьютерных систем математического моделирования геомеханиче-
ских процессов / А.Ф. Булат, И.Н. Слащев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. трудов /
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2017. № 133
248
ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2012. – Вып. 99. – С. 16-27.
6. Математическое моделирование в задачах оценки эффективности и безопасности горных работ:
монография / М.Ю. Иконников, Ю.Р. Иконников, Е.А. Слащева и др. ; М-во образования и науки Укра-
ины, Нац. горн. ун-т. – Днепропетровск: НГУ, 2015. – 215 с.
7. Слащев, А.И. Повышение вычислительной эффективности алгоритма визуализации результатов
решения сложных геомеханических задач / А.И. Слащев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч.
трудов / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2010. – Вып. 90. – С. 142-149.
8. Шевченко, В.Г. Обоснование параметров и разработка информационной системы безопасности
ведения подземных горных работ с учетом геомеханических факторов / В.Г. Шевченко, А.И. Слащев /
Геотехническая механіка: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2016. – Вып.
128. – С. 70-78. (на англ.)
9. Обоснование исходных параметров для моделирования геомеханических процессов в задачах
оценки безопасности поддержания горных выработок / А.А. Яланський, И.А. Сапунова, А.И. Слащев,
Л.А. Новиков, // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. трудов / ИГТМ НАН Украины. – Дне-
пропетровск, 2014. – Вып. 119. – С. 282-295.
REFERENCES
1. Nikolayenko, N.N. (1988), “Controlling the floor swelling in the mine workings of the mines of the
Karaganda basin”, Mining Journal, vol. 4, pp. 18-21.
2. Gallager, R. (1984), Metod konechnykh elementov. Osnovy [Finite Element Analysis. Fundamentals],
Translated by Kartvelishvili, V.M., in Banichuk, N.V. (ed.), Nauka, Moscow, RU.
3. Zienkiewicz, О.С. (1971) Тhе Finite Element Method in Engineering Science, McGraw-Hill, New
York.
4. Ikonnikova, N.A., Korsun, V.A., Slashchev, A.I., Yalanskiy, Aleks.A. and Yalanskiy, A.A. (2015),
Modelirovaniye i kontrol dinamicheskikh protsessov v zadachakh otsenki sostoyaniya geotekhnicheskikh sis-
tem [Mathematical modeling in solving problems of evaluating the efficacy and safety of mining operations],
Natsionalnyy gornyy universitet, Dnipropetrovsk, UA
5. Bulat, A.F. and Slaschev, I.N. (2012), “Development of computer systems mathematical modeling ge-
omechanical processes”, Geotekhnicheskaya Mekhanika [Geo-Technical Mechanics], no. 99, pp. 16-27, UA.
6. Ikonnikov, M.YU., Ikonnikov, YU.R., Slashcheva, Ye.A., Slashchev I.N. and Yalanskiy A.A. (2015),
Matematicheskoye modelirovaniye v zadachakh otsenki effektivnosti i bezopasnosti gornykh rabot [Mathemat-
ical modeling in solving problems of evaluating the efficacy and safety of mining operations], Natsionalnyy
gornyy universitet, Dnipropetrovsk, UA.
7. Slashchev, A.I. (2010), “Increasing computational efficiency of the visualization algorithm for the so-
lution of difficult geomechanical tasks”, Geotekhnicheskaya Mekhanika [Geo-Technical Mechanics], no. 90,
pp. 142-149, UA.
8. Shevchenko, V.G. and Slashchev, A.I. (2016), “Validation of parameters and design of information
system on the underground mining job safety with taking into account geomechanical factors”, Geotekhnich-
eskaya Mekhanika [Geo-Technical Mechanics], no. 128, pp. 70-78, UA.
9. Yalanskiy, A.A., Sapunova, I.O., Slashchev, A.I. and Novikov, L.A. (2014), “Justification of the initial
parameters for geomechanical processes modeling in problems of safety assessment of mine workings mainte-
nance”, Geotekhnicheskaya Mekhanika [Geo-Technical Mechanics], no. 119, pp. 282-295, UA.
Об авторах
Яланский Анатолий Александрович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, ве-
дущий научный сотрудник в отделе Механики горных пород, Институт геотехнической механики
им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепропетровск,
Украина, anat.yalanskiy@gmail.com
Слащев Антон Игоревич, кандидат технических наук, младший научный сотрудник, Институт
геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАН
Украины), Днепропетровск, Украина, AISlashchov@nas.gov.ua
Селезнев Анатолий Михайлович, магистр, ведущий специалист в отделе механики горных пород,
Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ
НАН Украины), Днепропетровск, Украина, office.igtm@nas.gov.ua
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online), Геотехнічна механіка. 2017. № 133
249
About the authors
Yalanskiy Anatoliy Aleksandrovich, Doctor of Technical Sciences (D.Sc.), Senior Researcher, Principal
Researcher in Rock Mechanics Department, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics, National
Academy of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine, anat.yalanskiy@gmail.com
Slashchev Anton Igorevich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D.), Junior Researcher, M.S. Polyakov
Institute of Geotechnical Mechanics, National Academy of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dneprope-
trovsk, Ukraine, AISlashchov@nas.gov.ua
Seleznev Anatoliy Mikhaylovich, Master of Science, Principal Specialist in Rock Mechanics Department,
M. S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics. National Academy of Sciences of Ukraine (IGTM NAS
of Ukraine), Dnepropetrovsk, Ukraine, office.igtm@nas.gov.ua
Анотація У статті представлені результати досліджень з розробки нових способів боротьби зі зди-
манням порід підошви в гірничих виробках. Показано, що існуючі способи боротьби з цим явищем для
різних гірничо-геологічних умов реалізовані тільки частково, їх ефективність низька. Для встанов-
лення домінантних чинників, які впливають на зниження здимання підошви виробок, проведено моде-
лювання методом скінченних елементів розроблених способів боротьби зі здиманням і виконано їх
порівняльний аналіз. З використанням сучасного програмного забезпечення проведена оцінка сцена-
ріїв розвитку геомеханічних процесів з урахуванням особливостей деформування геологічного сере-
довища та способів підтримання гірничих виробок. Встановлені параметри напружено-деформованого
стану порід дозволили обґрунтувати переваги нових способів боротьби зі здиманням із застосуванням
технологій кріплення на основі сталеполімерних анкерів.
Ключові слова: здимання підошви виробок, моделювання напружено-деформованого стану, по-
родний масив, анкерне кріплення, метод скінченних елементів.
Abstract. The article presents the results of research on the development of new methods for controlling
the floor swelling in the mine workings. It is shown, that the existing methods for controlling the floor swelling
depending on various geological conditions are only partially realized, and their efficiency is low. For the
purpose of establishing the dominant factors, which would decrease the floor swelling, the newly developed
methods were simulated with the help of method of finite elements, and the results were compared. Special
software was developed, which estimated different scenarios of geomechanical processes dynamics with tak-
ing into account the particularities of geological environment deformations and different ways of supporting
the mine workings. The established parameters of the rocks allowed validating advantages of the new methods
for controlling the floor swelling with the help of support setting technologies which use the steel-polymer
anchors.
Keywords: floor swelling, simulation of stress-strain state, rocks, roof bolting, finite elements method
Статья поступила в редакцию 15.06.2017
Рекомендовано к печати д-ром техн. наук, проф. С.П. Минеевым
|