Оценка влияния водонасыщенности пород на их напряженно-деформированное состояние и проявления горного давления в выработках
Розглянуто особливості гідрогеологічного моніторингу стану масиву порід сучасними комп’ютерними технологіями для достовірного вирішення задач стійкості підготовчих виробок в складних гірничо-геологічних умовах. The features of hydrogeological monitoring of rock massif state with modern computer tec...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Геотехническая механика |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2009
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33282 |
| 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: | Оценка влияния водонасыщенности пород на их напряженно-деформированное состояние и проявления горного давления в выработках / Е.А. Слащева // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 83. — С. 114-121. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859627192815714304 |
|---|---|
| author | Слащева, Е.А. |
| author_facet | Слащева, Е.А. |
| citation_txt | Оценка влияния водонасыщенности пород на их напряженно-деформированное состояние и проявления горного давления в выработках / Е.А. Слащева // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 83. — С. 114-121. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Розглянуто особливості гідрогеологічного моніторингу стану масиву порід сучасними
комп’ютерними технологіями для достовірного вирішення задач стійкості підготовчих виробок в складних гірничо-геологічних умовах.
The features of hydrogeological monitoring of rock massif state with modern computer technologies for reliable solution of problems of stability of development workings in difficult geological conditions.
|
| first_indexed | 2025-11-29T12:38:01Z |
| format | Article |
| fulltext |
114 Выпуск № 83
УДК 622.831
Е.А. Слащева, канд. техн. наук
(ИГТМ НАН Украины)
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВОДОНАСЫЩЕННОСТИ ПОРОД НА ИХ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОЯВЛЕНИЯ
ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ВЫРАБОТКАХ
Розглянуто особливості гідрогеологічного моніторингу стану масиву порід сучасними
комп’ютерними технологіями для достовірного вирішення задач стійкості підготовчих виро-
бок в складних гірничо-геологічних умовах.
ESTIMATION INFLUENCES OF WATER-SATURATION OF ROCKS AT
THEIR STRESS-STRAIN STATE AND OF ROCK PRESSURE
MANIFESTATIONS IN THE MINE WORKINGS
The features of hydrogeological monitoring of rock massif state with modern computer tech-
nologies for reliable solution of problems of stability of development workings in difficult geologi-
cal conditions.
В настоящее время по технологическим причинам, в основном из-за выбро-
сов, подготовительные выработки проводятся в породах средней и слабой
прочности, при этом часто пренебрегают влиянием увлажнения пород на их ус-
тойчивость, что приводит к значительным экономическим потерям. Гидрогео-
логические процессы способствуют интенсивному неуправляемому деформи-
рованию подготовительных выработок, которые в свою очередь становятся до-
полнительными контурами разгрузки водоносных горизонтов. Говорить об ак-
туальности решения данного вопроса нет необходимости, так как известны и
основные причины и негативные их последствия.
Вместе с тем, весьма затруднительно заранее определить степень влияния
влагонасыщенности пород на устойчивость конкретной выработки по ряду объ-
ективных причин. Во-первых, недостаточно изучены закономерности измене-
ния напряженно-деформированного состояния трещиноватых влагонасыщен-
ных пород в условиях предельных критических нагрузок, которые возникают
вокруг подготовительных выработок в период их эксплуатации. Во-вторых, не-
смотря на многочисленные серьезные исследования данных вопросов [1-3], не-
достаточно разработаны методы учета влагонасыщения в итерационных ком-
пьютерных технологиях, которые, на сегодняшний день, являются наиболее
перспективными для анализа сложных геомеханических и фильтрационных
процессов.
Техногенный режим подземных вод, обусловленный проведением горных
работ в сложных гидрогеологических условиях, как правило, характеризуется
изменением направлений и интенсивности водных потоков по трещинам,
вследствие чего происходит существенное снижение прочностных свойств ув-
лажненных пород. Многочисленными визуальными наблюдениями и инстру-
ментальными измерениями смещений контура подготовительных выработок
угольных шахт Украины установлено, что в таких условиях потеря их устойчи-
вости, в основном, обусловлена интенсивным поднятием почвы выработок, по-
"Геотехническая механика" 115
роды которых как правило, состоят из глинистых компонентов: глин, глини-
стых, песчано-глинистых и песчанистых сланцев. Эти породы даже в дрениро-
ванном состоянии характеризуются относительно низкими прочностными по-
казателями, а при неравнокомпонентном нагружении под влиянием обводнен-
ности полностью теряют свою несущую способность.
Чисто теоретические модели, лежащие в основе гипотез пучения, чрезмерно
идеализированы, сложны для практического применения и плохо поддаются
математическому описанию даже в случае сплошной и однородной среды. Ре-
альный породный массив имеет сложную структуру, выраженную слоистость,
проявляет свойства пластичности, что и определяет трудность описания меха-
нических процессов деформирования. Сложность и многофакторность таких
задач требуют использования для их решения упругопластических геомехани-
ческих моделей, которые могут быть реализованы с помощью современных
компьютерных технологий, основанных на совмещении методов механики
сплошной среды (решения реализуются методом конечных элементов [4]) с
теорией предельных состояний горных пород (реализуются методом начальных
напряжений [5]) при соблюдении дискретных аналогов закона сохранения
энергии для каждого элемента в отдельности и расчетной схемы в целом. Такой
подход к решению задач оценки напряженно-деформированного состояния вла-
гонасыщенного породного массива, как одной из наиболее сложных геосистем,
был реализован в вычислительном комплексе ГЕО-РС v. 6.0, разработанном
ИГТМ НАН Украины при участии автора [6].
При моделировании геомеханических процессов не удается воспроизвести
весь комплекс факторов, влияющих на деформации пород, поэтому очевидно,
что необходимо определить наиболее действующие на данный процесс пара-
метры. Это, прежде всего, относится к физико-механическим свойствам горных
пород, которые необходимо учитывать отдельно для каждого литологического
слоя пород с поправочными коэффициентами, зависящими от степени влияния
доминирующих факторов на напряженно-деформированное состояние массива.
Так как горные породы, сформированные на глинистом цементе, в воде факти-
чески полностью размокают за 20 суток, а песчаники снижают свою прочность
примерно в 1,5-2,0 раза, то наличие воды в порах горных пород в количестве,
близком к водонасыщению, кардинально изменяет их поведение в массиве, на-
рушенном горными работами. Влияние водонасыщения также сказывается на
изменении характера связи между частицами пород, при этом у скальных, по-
лускальных или осадочных цельных пород, кроме уменьшения прочности,
снижаются силы сцепления между блоками и слоями при неупругом деформи-
ровании.
Установлены общие закономерности снижения прочности водонасыщенных
пород в зависимости от их исходной прочности в естественном состоянии [1].
Для прочных песчаников и известняков справедлива корреляционная зависи-
мость:
сж
w
сж
σσ 67,0924,1 += , (МПа), (1)
116 Выпуск № 83
где
сж
σ - предел прочности породы в естественном состоянии.
Если принять для области сжатия массива водонасыщенных глинистых по-
род в зоне влияния выработки остаточную прочность аналогично разрушенным
породам, то для них обобщенная корреляционная зависимость принимает вид:
сж
w
сж
σσ 785,049,2 +−= , (МПа). (2)
где
сж
σ - предел прочности породы в естественном состоянии.
При насыщении водой у осадочных пород значительно снижается сцепле-
ние. Это, как правило, относится фактически ко всем углевмещающим поро-
дам: песчаникам, известнякам, аргиллитам и алевролитам. Набухание пород
(увеличение объема при смачивании) зависит от тех же факторов, что и пла-
стичность. Оно растет с повышением степени дисперсности, особенно с увели-
чением содержания фракций тонких глинистых и коллоидных частиц.
Основными причинами увеличения влажности глинистых пород в почве и
кровле выработок являются фильтрационные потоки по магистральным трещи-
нам в нарушенном горными работами породном массиве, которые распростра-
няются при неупругом деформировании пород, а также технологические про-
цессы, требующие использования технических жидкостей в достаточно боль-
шом объеме, в частности, бурение скважин, тампонирование, бетонирование и
орошение горных выработок.
При оценке фильтрационных свойств слабопроницаемых пластов следует
иметь в виду то, что определяющим фактором в формировании проницаемости
пород является их трещиноватость, поэтому наибольшая проницаемость на-
блюдается в зонах разрывных нарушений, где раскрытие трещин возрастает
под влиянием очистных работ. Прогноз проявлений горного давления в таких
условиях может быть основан на геомеханических моделях, позволяющих оце-
нить этапы развития техногенной трещиноватости.
Деформации глинистых пород обычно необратимы, зависимость деформа-
ций от напряжений носит резко выраженный нелинейный характер уже в не-
больших диапазонах нагружения. Для них характерны низкая прочность, высо-
кая выдавливаемость, малая сжимаемость, низкая проницаемость и большая
влагоемкость. В свою очередь горные выработки в зависимости от их формы,
способа проведения, исходного напряженного состояния массива, в каждом
конкретном случае, по-разному влияют на состояние влагонасыщенного масси-
ва пород.
Способы решения гидрогеологических задач разделяются на прямые и об-
ратные. В прямых задачах определяются прогнозные показатели напряжений и
деформаций в зависимости от изменения расходов и уровней воды в области
фильтрации. При этом должны быть известны и заданы все размеры области
фильтрации, параметры среды, граничные и начальные условия. В этом заклю-
чаются задачи прогноза водопритоков в горные выработки и работа данных
"Геотехническая механика" 117
инженерных сооружений в исследуемых условиях. В обратных задачах изуча-
ются и уточняются гидрогеологические и геомеханические условия по данным
мониторинга состояния выработок. При решении такой задачи неизвестными
являются некоторые элементы условий однозначности, заключающиеся, преж-
де всего, в уточнении данных моделирования (размеров зон неупругих дефор-
маций, величин фильтрационного питания и др.). Для их определения должна
быть известна реакция породного массива на задаваемое возмущение (проходка
выработки, подпор, откачка, опыт эксплуатации инженерного сооружения), то
есть показатели, характеризующие процесс изменения состояния породного
массива.
Так как управление процессом освобождения внутренней энергии породно-
го массива тесно связано с его напряженно-деформированным состоянием, то
управление горным давлением можно производить технологическими способа-
ми: выбором типа крепи, направлений отработки пластов и проходки подгото-
вительных выработок, рационализацией схем ведения горных работ, форм под-
готовительных выработок и конфигурации забоев. Оптимизация технологиче-
ских процессов с точки зрения геомеханики теоретически возможна, при этом
энергия горного массива может быть расходована на разрушение пород, что
приводит к снижению себестоимости добычи. Однако на практике это много-
факторный трудно управляемый процесс, поддающийся только частичной реа-
лизации.
Согласно действующим нормативным документам выбор мер охраны выра-
боток и конструкций крепи производят на основе сравнения ожидаемых сме-
щений контура выработки с допускаемыми деформациями крепи по условиям
эксплуатации. В зоне влияния очистных работ предусматривают податливые
конструкции крепи либо меры по их локальной или региональной разгрузке,
учитывающие гидрогеологические параметры имеющихся водоносных гори-
зонтов путем снижения расчетного сопротивления пород на коэффициент рав-
ный 0,4-0,8 в зависимости от типа пород. При этом указывается только тип по-
род. Однако глинистые породы реагируют на обводнение по-разному. Несмот-
ря на то, что гидрогеологические данные должны содержать комплекс сведений
о расположении и мощности водоносных горизонтов, степени обводненности
пород в местах предполагаемого размещения проектируемых выработок, гид-
ростатических и гидродинамических напорах, характеристике химической аг-
рессивности вод, расположении и характеристике водоупоров, условиях пита-
ния и дренажа водоносных горизонтов, показателях их фильтрационной спо-
собности и связи с поверхностными водотоками и водоемами, расположении и
характеристике плывунов, при проведении горных работ, фактически все ис-
ходные параметры, определенные на стадии геологической разведки, изменя-
ются. Поэтому отличие проектных смещений контура выработок, зачастую,
существенно отличается от реальных смещений пород в подготовительных вы-
работках эксплуатируемых угольных шахт.
Визуальные наблюдения и измерения проведены сотрудниками ИГТМ НАН
Украины в 535 сборном штреке пласта С5 шахты «Самарская». Несмотря на не-
118 Выпуск № 83
большую глубину разработки угольного пласта (130 м), горно-геологические
условия разработки сложные. Кровля и почва представлены аргиллитом и алев-
ролитом с прочностью 10-20 МПа. В непосредственной почве залегают слабые
алевролиты ( 0,158,11 −=
сж
σ МПа). При водонасыщении породы весьма неус-
тойчивые, склонны к внезапным обрушениям. Уголь прочностью ≈ 40 МПа. В
кровле зонально расположен водонасыщенный песчаник (11-14 МПа). Пласт
имеет сложную гипсометрию, изменения расстояния от почвы до угольного
пласта по длине штрека составляет ~0,6-1,6 м.
Используя корреляционные соотношения (1, 2) были проведены исследова-
ния изменений напряженно-деформированного состояния породного массива
при влагонасыщении. Для возможности определения влияния фактора водона-
сыщения на проявления горного давления и устойчивость подготовительной
выработки расчеты выполнены в условиях обводненных и сухих пород. Оценка
распределения максимальных главных напряжений (рис. 1, а) показала, что
краевая часть угольного пласта испытывает нагрузку 2,1-3,6γН. В связи с тем,
что угольный пласт в ≈ 2-3 раза прочнее боковых пород, в зонах обводнения
происходит интенсивное выдавливание пород кровли и почвы угольного пласта
в выработку. Почва выработки, напротив, разгружена от напряжений. Это сви-
детельствует о реализации деформаций и поднятии почвы.
Наблюдения показали, что вывалы боковых пород, в основном, приурочены
к зонам обводненности. Например, в районе ПК 62 наблюдается выделение во-
ды, происходит размокание вмещающих пород в боках выработки. Как показа-
но на рис. 1, б, максимальные изменения напряжений в породном массиве при
водонасыщении происходят в предельно напряженных породах непосредствен-
ной и основной кровли над краевой частью угольного пласта (на высоту
≈ 14 м), а также в боку выработки в зоне стационарного опорного давления (на
≈ 17 м). В боку выработки со стороны угольного целика и над выработанным
пространством в результате активизации деформаций обводненного массива
пород максимальные главные напряжения снижаются на 0,3-1,1 МПа. В выше-
лежащих породах напряжения, напротив, увеличиваются на 0,1-0,4 МПа. Эти
негативные последствия обводнения приводят к интенсивному распростране-
нию зоны неупругих деформаций. В результате в верхних углах штрека разви-
ваются продольные протяженные трещины (рис. 2). При этом водонасыщенная
кровля выработки коржится и отслаивается (рис. 2, а), а местами обваливается
(рис. 2, б). Очевидно, что такие проявления горного давления необходимо про-
гнозировать и заблаговременно применять дополнительные мероприятия по
поддержанию выработки.
"Геотехническая механика" 119
а)
б)
а – распределение максимальных главных напряжений вокруг штрека, МПа;
б – изменение напряженно-деформированного состояния породного массива при его обвод-
нении (рассчитано по разности максимальных главных напряжений с использованием физи-
ко-механических свойств водонасыщенных и дренированных пород), МПа.
Рис. 1 – Закономерности изменения напряженного состояния водонасыщенного массива
горных пород вокруг 535 сборного штрека пласта С5 шахты «Самарская»:
120 Выпуск № 83
а)
б)
а – разрушение верхних углов выработки (ПК64-ПК67);
б – боковой отжим влажных пород и вывалы стен выработки (ПК 73+6 м, ПК 36).
Рис. 2 – Проявления горного давления при водонасыщении пород:
По результатам наблюдений и расчетов был определен характер деформи-
рования увлажненных пород в кровле, боках и почве выработки, рис. 3. Уста-
новлено, что интенсивные деформации начинаются в боках штрека и проявля-
ются в виде отжима слабых пород в кровле и почве угольного пласта. Наиболее
опасными местами являются верхние боковые углы выработок, которые под
влиянием влажности склонны к вывалам, а система анкерного крепления теряет
опору.
"Геотехническая механика" 121
Рис. 3 – Характер деформаций увлажненных пород 535 сборного штрека пласта С5 шахты
«Самарская», реконструированный по результатам расчетов и шахтных наблюдений
Таким образом, установлены закономерности изменения напряженно-
деформированного состояния массива в зависимости от обводненности подго-
товительной выработки, которые позволили для условий шахты «Самарская»
оценить степень влияния увлажнения пород на их напряженно-
деформированное состояние и проявления горного давления в подготовитель-
ных выработках. На основе математического моделирования установлено, что
осуществление комплекса мероприятий, направленных на снижение поступле-
ния воды в выработку повышает ее устойчивость, а именно: снижает размеры
зоны неупругих деформаций в боках и кровле выработки в зоне стационарного
опорного давления, уменьшает деформации контура выработки, величину гори-
зонтальной и вертикальной конвергенции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Усаченко, Б.М. Исследование и экспресс-оценка фильтрационных процессов в трещиноватых массивах /
Б.М. Усаченко, Е.А. Слащева // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2005. – Вып. 59. –
С. 34 – 44.
2. Садовенко, И.А. Научные основы управления геофильтрационным состоянием породного массива во-
круг горных выработок: дис… д-ра техн. наук: 05.15.04; 05.15.11 [Текст] / Садовенко Иван Александрович;
[Днепропетровский горный ин-т]. – Днепропетровск, 1992. – 455 с.
3. Слащева, Е.А. Разработка методики экспресс-оценки напряженно-деформированного состояния пород-
ного массива вокруг геотехнических объектов: дис… канд. техн. наук: 05.15.11 [Текст] / Слащева Елена Ана-
тольевна; [Ин-т геотехнической механики НАНУ]. – Днепропетровск, 2007. – 204 с.
4. Галагер, Р. Метод конечных элементов. Основы : пер. с англ. / Р. Галагер. – М. : Мир, 1984. – 428 с.
5. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич – М. : Мир, 1975. – 238 с.
6. Слащева, Е. А. Особенности ввода и обработки исходной информации при решении геомеханических задач с
помощью персональных ЭВМ / Е.А. Слащева // Геотехническая механика. – Днепропетровск : ИГТМ НАНУ,
2004. – Вып. 51. – С. 296-304.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33282 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-29T12:38:01Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Слащева, Е.А. 2012-05-27T13:44:04Z 2012-05-27T13:44:04Z 2009 Оценка влияния водонасыщенности пород на их напряженно-деформированное состояние и проявления горного давления в выработках / Е.А. Слащева // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 83. — С. 114-121. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33282 622.831 Розглянуто особливості гідрогеологічного моніторингу стану масиву порід сучасними комп’ютерними технологіями для достовірного вирішення задач стійкості підготовчих виробок в складних гірничо-геологічних умовах. The features of hydrogeological monitoring of rock massif state with modern computer technologies for reliable solution of problems of stability of development workings in difficult geological conditions. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Оценка влияния водонасыщенности пород на их напряженно-деформированное состояние и проявления горного давления в выработках Estimation influences of water-saturation of rocks at their stress-strain state and of rock pressure manifestations in the mine workings Article published earlier |
| spellingShingle | Оценка влияния водонасыщенности пород на их напряженно-деформированное состояние и проявления горного давления в выработках Слащева, Е.А. |
| title | Оценка влияния водонасыщенности пород на их напряженно-деформированное состояние и проявления горного давления в выработках |
| title_alt | Estimation influences of water-saturation of rocks at their stress-strain state and of rock pressure manifestations in the mine workings |
| title_full | Оценка влияния водонасыщенности пород на их напряженно-деформированное состояние и проявления горного давления в выработках |
| title_fullStr | Оценка влияния водонасыщенности пород на их напряженно-деформированное состояние и проявления горного давления в выработках |
| title_full_unstemmed | Оценка влияния водонасыщенности пород на их напряженно-деформированное состояние и проявления горного давления в выработках |
| title_short | Оценка влияния водонасыщенности пород на их напряженно-деформированное состояние и проявления горного давления в выработках |
| title_sort | оценка влияния водонасыщенности пород на их напряженно-деформированное состояние и проявления горного давления в выработках |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33282 |
| work_keys_str_mv | AT slaŝevaea ocenkavliâniâvodonasyŝennostiporodnaihnaprâžennodeformirovannoesostoânieiproâvleniâgornogodavleniâvvyrabotkah AT slaŝevaea estimationinfluencesofwatersaturationofrocksattheirstressstrainstateandofrockpressuremanifestationsinthemineworkings |