CC BY
46
предыдущем (67,5 кН) несмотря на большую интенсивность проявления горного давления. Это связано с разгрузкой части анкеров из-за вывалов пород кровли. Снижение сопротивления анкерной крепи способствовало образованию в кровле на расстоянии 2 м от нижней стенки штрека пологой складки типа надвиг. Появление надвига привело к тому, что 100 % анкеров с максимальным натяжением располагались по обе стороны от надвига.
Результаты проведенных замеров и наблюдений показали, что в течение нескольких недель интенсивность проявлений горного давления на отдельных участках штрека № 04 Запад резко повысилась и достигла уровня, который ранее был характерен только для зоны опорного давления очистного забоя, где напряжения в породах в 2-3 раза выше, чем вне зоны влияния очистных забоев. Появление локальных зон с повышенными проявлениями горного давления на участках штрека, где ранее состояние породных обнажений было вполне устойчивым, а анкерная крепь не имела существенного натяжения, позволяет сделать предположение о том, что они вызва-
1. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России. -СПБ, 2000. - 70 с.
2. Беликов В.В., Кулешов Е.С., Мартыненко И.И., Чавкин А.И., Антонов П.И. Определение состояния породных обнажений и фактического
ны действием современных тектонических напряжений.
По данным визуальных наблюдений ИТР шахты «Дальняя» в настоящее время при проходке штрека №08 проявление горного давления аналогично проявлению горного давления при проходке штреках №04. Выявлены локальные зоны повышенного горного давления, вызванные действием современных тектонических напряжений. Проявление горного давления в этих зонах во многом идентично проявлению горного давления в штреке №04.
Для выявленных зон с повышенным проявлением горного давления необходимо разрабатывать паспорта крепления с усовершенствованными параметрами анкерной крепи: применять анкеры с большей несущей способностью и большей длины, увеличивать плотность установки анкеров, использовать усиленные подхваты, а в зонах межслоевого сдвижения применять гибкие канатные анкеры. Внедрение данных мероприятий при проходке штреков позволит в дальнейшем при эксплуатации значительно сократить затраты на поддержание, обойтись без перекреп-ления штреков и возможно без применения усиливающих типов крепи.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
натяжения сталеполимерной анкерной крепи с целью выявления границ зон повышенного горного давления в подготовительных выработках шахты «Дальняя» ОАО «ГуковУголь». Шахты, 2001. -43 с.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------
Крапивин В.А. - аспирант кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (НПИ)
© В.В. Аршавский, 2005
УДК 622.831 В.В. Аршавский
ФОРМИРОВАНИЕ ДИСКРЕТНОЙ БЛОЧНОЙ СРЕДЫ В ЗАКЛАДОЧНОМ МАССИВЕ
Семинар № 3
Формирование структуры закладочного массива - это сложный и интересный процесс, который может рассматриваться с двух сторон. С одной стороны, это завершающий технологический процесс при системе разработки с полной закладкой выемочного пространства. С другой стороны, это техногенный геологический процесс создания нового слоя в горном массиве и, шире, новой структуры всего массива, ибо от поведения "закладочного слоя" зависит формирование мульды сдвижения во всей вышележащей толще.
Закладочный материал встраивается в структуру горного массива, что роднит его с многими естественными процессами, например, с образованием интрузий. Однако формирование закладочного массива имеет черты свои специфические черты, отличающие его от естественных геологических процессов.
Перечислим наиболее важные особенности формирования закладочного массива.
1. Закладочный массив размещается в заранее подготовленной полости, причем в силу особенностей технологии он даже не занимает ее полностью (в условиях рудников Норильского ГМК недозак-лад составляет 0,5-1 м).
2. Закладочный массив обладает существенной сжимаемостью (доходящей до 30-40 % [1, 2]), как за счет наличия газовой фазы, так и за счет выдавливания воды. Лабораторные эксперименты показывают, что необратимые деформации в закладке возникают уже в начальной стадии нагружения, чему способствует возможность расширения образца в перпендикулярном нагрузке направлении. При объемном нагружении характерным яв-
ляется наличие гистерезиса при циклической нагрузке.
3. Закладочный массив постепенно набирает прочность, но даже через 2-3 года после окончания закладочных работ его прочность очень мала и уступает не только прочности выше- и нижележащих пород, но и номинальной прочности бетона соответствующей марки. Несущая способность закладочного массива при нагрузке, в разы превышающей предел прочности, в первую очередь определяется не прочностными, а деформационными свойствами в условиях объемного нагружения.
4. Одновременно с формированием закладочного слоя идут процессы сдвижения и оседания вышележащей толщи, которые оказывают существенное влияние на процессы формирования закладочного массива, и, наоборот, свойства закладочного массива оказывают встречное воздействие на процессы сдвижения.
5. Еще до начала закладки в процессе ведения очистных работ в кровле и в почве рудного тела образуются дополнительные трещины, зоны уплотнения и разуплотнения, которые оказывают влияние на формирование закладочного массива. В первую очередь, краевая часть закладочного массива оказывается в зоне опорного давления очистных выработок.
Все эти особенности определяют неоднородность закладочного массива и его чувствительность к структурным особенностям вмещающих пород. Прежде всего, следует обратить внимание на влияние разрывных нарушений и блочной структуры выше- и нижележащих толщ. Разрывные нарушения оказывают значительное влияние на физико-механические свойства и напряженно-деформированное состояние любых пород, однако при формирова-
нии закладочного массива, обладающего низкой прочностью, большой текучестью и формирующегося уже в условиях существования разрывных нарушений и их активизации, вызванной горными работами, их роль особенно велика. В закладочном массиве блочная структура не вносится в существовавшую ранее структуру массива, деформируя ее, а является одним из основных факторов, который определяет его структуру на самом этапе формирования.
Во-первых, форма выемочного пространства с той или иной точностью повторяет структуру рудного тела, и закладочный массив также воспроизводит эту структуру. При больших амплитудах и/или вариациях мощности рудного тела закладочный массив с момента формирования состоит из блоков, лежащих на разных глубинах и/или имеющих разную мощность (рис. 1).
Во-вторых, процессы сдвижения имеют неравномерный циклический характер, во многом определяемый блочной структурой массива. Поэтому с разных сторон от разлома процессы изменения пригрузки закладочного массива несинхронно, что влияет на процессы набора прочности и выдавливания воды.
В-третьих, процессы обезвоживания закладочной толщи наиболее активно идут именно вдоль швов разрывных нарушений, что обуславливает наличие особых зон с отличающимися свойства вблизи разрывов.
В-четвертых, сами зоны разрывных нарушений отличаются особым напряженным состоянием, что еще в большей степени выделяет краевые зоны. Напряженные зажатые участки разломов препятствуют истечению воды, но вместе с этим за счет высоких на-
Рис. 1. Влияние разрывных нарушений на формирование закладочного массива: 1 - пассивное ядро блока; 2 - дренажная зона (зона массопере-носа); 3 - барьерная зона с повышенной плотностью; 4 - вмещающий массив; 5 - тектонические нарушения
пряжений обуславливают появления участков с высокой плотностью и минимальной пористостью. Наоборот, ослабленные нена-груженные участки разломов и зоны дробления в наибольшей мере служат местами стока воды, способствуют созданию пористых ослабленных зон. Ненагруженные участки разломов могут рассматриваться как псевдовыработки, с обеих сторон которых на некотором отдалении от разлома образуются зоны повышенного ("опор-ного") давления [3], в которых также фор-мируются участки высокой плотности.
Вполне очевидно, что теоретическим путем невозможно оценить вклад различных процессов в формирование структуры закладочных массивов. Поэтому для изучения структуры закладочных массивов на рудниках Норильского ГМК был проведен большой объем исследовательских работ. При проведении экспериментальных исследований использовался большой комплекс методик [4-12].
1. Измерения плотности методами плотностного и селективного гамма-гамма каротажа.
2. Измерения скорости продольных волн с помощью ультразвукового просвечивания и ультразвукового каротажа.
3. Измерения влажности с помощью токового каротажа.
4. Бурение испытательных керновых скважин и измерения процента выхода и средней длины кернов.
5. Механические испытания кернов (прочность при одноосных растяжении и
V У |
V V V / V V / V
[о е\1 I - І2 І 13 |у у\4 Г* ■У5
сжатии, измерения модуля Юнга).
6. Оценки устойчивости выработок, измерения водопритоков и т.д.
В короткой статье невозможно охватить все полученные результаты. Поэтому остановимся лишь на самых важных. Главный результат исследований заключается в экспериментальном подтверждении факта большой неоднородности закладочного массива (таблица). Например, даже такая характеристика как плотность, значения которой у большей части горных пород изменяются в очень узких пределах, в закладочном массиве имеет коэффициенты вариации от 8 до 16 % в пределах одной ленты.
Детальный анализ полученных результатов показал, что возможно выделить по меньшей мере семь типов неоднородностей, отражающихся либо на всех его свойствах, либо на группе свойств. Неоднородности закладочного массива наблюдаются как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях, причем отмечаются как сходства, так и различия неоднородностей в различных направлениях.
Начнем рассмотрение неоднородностей с вертикального направления.
1. Первый самый простой тип неоднородности заключается в ярко выраженной
слоистости закладочного массива. Наибольшее влияние слоистость оказывает на плотность закладочного массива (рис. 2) и его предел прочности на растяжение (рис. 3).
Сопоставление изменений плотности в вертикальном и горизонтальном направлениях (рис. 2) показывает большие различия размаха вариаций и периода их изменений. Как легко видеть, диапазон изменений основного периода вариации свойств закладоч-ного массива (рис. 2 и 3) находится в диапазоне 0,2-1 м. Поэтому естес-твенно связать этот тип неоднородности с технологией возведения закладочного массива. Данные опыты подтверждают вывод, ранее сделанный Л.М. Малетиным и Г.С. Кириченко [1] о том, что перерывы в процессе закладки, превышающие 20 минут, существенно понижают прочность межслойного сцепления. Вариации плотности (рис. 3) показывают, что, по-видимому, основная причина состоит в расслоении, происходящем непосредственно при ее растекании по поверхности предыдущего слоя, и быстром образовании на этой поверхности тонкого прослойка, препятствующего гомогенизации закладочного массива.
Физические свойства закладочного массива *
№№ п/п Характеристики Лента 50 (заложена в 1977 г.) Лента 49 (заложена в 1976 г.) Лента 47 (заложена в 1975 г.) Лента 46 (заложена в 1974 г.)
1. Плотность, т/м3 1,85 1,88 1,93 1,93
2. Влажность весовая, % 38 34 23 18
3. Коэффициент вариации по п. 2, % 8 10 16 11
4. Прочность на сжатие, МПа 3,5 4,0 5,2 6,5
5. Коэффициент вариации по п. 4, % 36 31 28 33
6. Един. х 10-3, МПа - модуль Юнга 2,8 4,1 5,2 5,6
7. Коэффициент Пуассона 0,35 0,33 0,33 0,33
*) Данные по закладке слоевого орта 7/4, рудник “Комсомольский”
2. Второй тип неоднородности заключается в возрастании скорости продольном волн в направлении вышележащей толщи пород (рис. 4). В меньшей степени эти изменения отражаются на плотности закладочного массива. Причины этого возрастания, на наш взгляд, заключаются в сочетании двух явлений. В первую очередь, имеет место затухание деформаций вглубь массива, самый верхний слой принимает на себя самую большую часть нагрузки и деформируется в наибольшей
Рис. 2. Диаграммы селективного (ус) и плотностного (уп) гамма-гамма каротажа для горизонтальной (сверху) и вертикальной (снизу) скважин
степени, соответственно, в следующем слое деформации несколько меньше и т. д. Второй фактор - это просачивание воды вместе с глинистыми частицами (цементно-
жидкостной составляющей) в направлении почвы закладочного массива. Поэтому процентное содержание выхода керна при бурении скважин в большей части случаев ведет себя противоположным образом по отношению к скорости продольных волн - ближе к почве процент выхода керна несколько выше (рис. 5). Таким образом, нижняя часть закладочного массива лучше скрепляется цементом и является более вязкой, а верхняя часть сдавлена высокими деформациями и имеет большую скорость продольных волн.
3. Третий тип - это нелинейный характер тенденций, описанных в предыдущем пункте. Наиболее сильные вариации свойств, как правило, наблюдаются в непосредственной близости от кровли и почвы выработки. Это слой можно назвать активной оболочкой по отношению к его центральной части, отличающейся меньшими вариациями, отражающими менее интенсивное протекание процессов. Структура актив-
Рис. 3. Изменения прочности на растяжение кернов, выбуренных по вертикальной скважине Т-26 рудника "Комсомольский "
4
8. 0,5
О -------1-----1-------1-1--1---1----1---1------------------------------1-1-1-1-1-1-1-1-1-1--1---1--------
О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Ц м
ной оболочки существенно варьирует от одной наблюдательной скважины к другой. В одних скважинах мы видим участки повышенной плотности у границы почва/закладка, за которым следует участок пониженной плотности, в других - активная оболочка включает участки пониженной и повышенной плотности, следующие в противоположном порядке. Несколько более определенную картину показывают изменения процента выхода керна и его средней длины. В большей части скважин на самом контакте с почвой (или кровлей) выход и средняя длина керна имеют минимальные значения (ослабленные участки), а затем на расстояниях 2-5 метров от почвы находятся участки с повышенными значениями выхода керна и его средней длины
Рис. 5. Графики выхода (%) и средней поинтервальной длины керна (жирными линиями показаны кривые, полученные методом скользящего среднего по 4-метровым интервалам с шагом смещения 2 м)
Рис. 4. Скоростные диаграммы продольных волн по данным ультразвукового каротажа вертикальных скважин
(рис. 5). Близкая картину показывают и измерения прочности выбуренных кернов закладочного массива на одноосное сжатие, однако максимум прочности отодвинут вглубь массива не на 2-5, а на 4-6 м (рис. 6).
Нам представляется, что столь сложная картина образуется при взаимодействии нескольких процессов. Во-первых, условия контакта закладки и вмещающих пород варьируют от участка к участку. Около кровли выработки условия контакта определяются исходной формой кровли выработанного пространства, зависящей от нее величиной недозаклада и степенью напряженности пород кровли. Около почвы кроме этих факторов важную роль играет также естественная и техногенная трещиноватость подстилающих пород и возможность дренажа жидкой фазы, выделяемой при формировании закладочного массива. Во-вторых, на некотором отдалении от вмещающих пород образуется барьерный слой, насыщенный глинистыми
частицами и не раздавленный полностью повышенными напряжениями.
4. Четвертый тип неоднородности заключается в просматриваемом на многих графиках "чашеобразном” характере изменений - пониженных значениях средней длины керна в центральной части закладочного массива (между двумя барьерными слоями, рис. 5).
Участок пониженных значений длины керна можно объяснить некоторым сходством (симметрией) процессов, происходящих около кровли и почвы выработанного пространства. На первом этапе образования закладочного массива процессы сдвижения еще не приводят к полной посадке кровли, и, соответственно, нагрузка на массив определяется только его собственным весом, возрастая к его почве. Хотя эти нагрузки существенно меньше нагрузок после посадки кровли, но их действие приходится на самый ранний этап формирования закладочного массива, когда в нем наиболее активно идут сложные физико-механические и физико-химические
процессы (гидролиз, гидратация, обезвоживание и т. д.). Поэтому столь различные по величине нагрузки приводят к сопоставимым между собой эффектам, и изменения некоторых характеристик закладочного массива приобретают "чашеобразный” характер.
Предыдущие типы неоднородности относились к вариации свойств в разрезе закладочного массива. Более ярко выраженный характер имеют изменения свойств закладочного массива в плане. После окончания активной фазы процессов посадки кровли и сдвижения закономерные изменения свойств закладочного массива вглубь выработанного пространства постепенно затухают и остается две группы неоднородностей. Первая группа - это вариации свойств в непосредственной близости от тектонических нарушений, зон повышенной трещиноватости и выработок. Вторая группа - это различия между контактными зонами и остальной частью закладочного масбиваНаиболее интересный тип неоднородностей создается вблизи выработок (и, по-видимому, разломных зон). Его суть состоит в следовании друг за другом нескольких минимумов и максимумов скорости продольных волн (рис. 7). Как правило, наиболее отчетливо наблюдается два максимума - первый на расстоянии 1,5-2 метра от контура выработки, второй - на расстояниях 3,5-6 метров (т.е. соизмеримых с диаметром выработки, пройденной комбайновым способом). Менее отчетливо, но также достаточно определенно эти максимумы и минимумы просматриваются на графиках плотностного гамма-гамма каротажа.
Рис. 6. Прочностные диаграммы поинтервального испытания закладочного керна при одноосном нагружении (пунктирная линия соответствует средним значениям доля 2-метровых интервалов)
Причины столь сложного характера изменений, на наш взгляд, состоят в сочетании двух явлений. Первое явление -это образование барьерных слоев, играющее большую роль для изменений свойств закладки в горизонтальных направлениях, чем вертикальных. Опишем его более подробно. Выдавливаемая вода несет с собой взвесь мелких частичек, которые частично отфильтровываются на наиболее плотных участках закладочного массива, еще в большей степени повышая их плотность. Однако прочность закладочного материала слишком мала, чтобы они могли выдержать ложащуюся на них нагрузку, поэтому через некоторое время они
Рис. 7. Скоростные диаграммы продольных волн вокруг слоевого орта 7.4 рудника "Комсомольский (ленты 46-51) при схемах ультразвукового просвечивания (а) и ультразвукового каротажа (б) горизонтальных скважин
могут раздавливаться весом вышележащей толщи, что приводит к возобновлению процесса выдавливания воды и образованию новых зон опорного давления. Таким образом, в краевых участках блоков закладочного массива формируется чередование зон повышенной и пониженной плотности.
Второе явление - это явление зональной дезинтеграции, ярко проявляющееся в слабом и подвижном материале закладочного массива. Кровля выработки испытывает сложные изгибные деформации, приводящие к чередованию более и менее нагруженных участков в окружающем выработку массиве. Судя по вполне определенной регулярности чередования максимумов и минимумов, явление зональной дезинтеграции является организующим для формирования барьерных слоев, и оба процесса, взаимно усиливая друг друга, приводят к формированию достаточно четкой зональной структуры закладочного массива вблизи выработок.
6. Другой, наиболее важный граничный тип неоднородности связан непосредственно со свойствами пород в прираз-рывных зонах и состоит в формировании ослабленных участков закладочных массивов около больших тектонических нарушений (рис. 8 и 9). Описание этого явления приведено в начале статьи. В дополнение к этому отметим, что в скважи-
Номера
скважин
і;
• 26 *22* 18 «11 • 8*6 34а А27А23А19 А12А9А7
■2ЬИ25И21 В13В10
• 2
А1
: Общее среднее
Рис. 8. Диаграммы средних значений интенсивности рассеянного у-излучения, регистрируемого по геофизическим скважинам вдоль наблюдательной выработки в закладочном массиве при плотно-стных радиометрических измерениях
Рис. 9. Диаграммы средних значений выхода керна для контрольных скважин вдоль наблюдательной выработки
нах, пробуренных около тектонических нарушений, наблюдались значительные водопритоки с интенсивностью около 2 литров в час, не отмечаемые в других участках закладочного массива. В местах наиболее сильных водопритоков выход керна снижался до 5-15 %.
7. За пределами граничных зон находятся участки более плавного изменения свойств закладочного массива. В результате возникает достаточно характерная "чашеобразная” структура блока закладочного массива, о которой шла речь при описании
неоднородностей в вертикальном направлении (рис. 1 и 5). Наиболее отчетливую картину дают изменения пористости и модуля Юнга - внешняя активная зона блока имеет среднюю ширину около 6 м, включающую ослабленный участок шириной около 2 м и барьерный участок с пониженной пористостью и повышенными значениями модуля Юнга шириной около 4 м.
Таким образом, неотъемлемым свойством закладочного массива является неоднородность его плотностных и деформационных характеристик, что сильно усложняет задачу прогнозирования его поведения, особенно в условиях, экстремальных по фактору горного давления. Подтверждением важности неоднородной структуры закладочного массива для прогноза геодинамической ситуации на рудниках Норильского ГМК являются многократно отмечавшиеся достаточно мощные сейсмические события, происходившие не только в кровле и почве закладочного
массива, но и в самом его теле.
Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам ГМОИЦ НГМК В.А. Пахомову, В.С. Соловьеву, С.С. Шаталову, Г.А. Тапсиеву и ИГД СО РАН к.т.н. Г.Г. Матасовой, к.т.н. П.Ф. Морозову и к.ф.-м.н. Л.Д. Потягайло, оказавшим большую помощь при проведении натурных исследований. Также автор благодарен чл.-корр. РАН В.Н. Опарину и докторам техн. наук А.П. Тапсиеву, С.В. Цирелю и А.Н. Шабарову за полезные обсуждения.
1.Кириченко Г.С., Малетин Л.М. Совершенствование управления горным давлением при разработке пологих рудных залежей с закладкой. - В сб.: Исследование параметров технологии подземной разработки руд. - М.: ИПКОН АН СССР, 1987.
2.Курленя М.В., Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Аршавский В.В. Геомеханические процессы взаимодействия породных и закладочных массивов при отработке пластовых рудных залежей. - Новосибирск: Наука, 1997.
3.Шабаров А.Н., Дупак Ю.Н., Батугин А.С. Тектонически напряженные и разгруженные зоны в горном массиве. - Уголь, 1994, № 7.
4. Кораблев А.А. Современные методы и приборы для изучения напряженного состояния массива горных пород. - М.: Наука, 1969.
5.Методические указания по применению метода разгрузки для измерения напряжений в массивах горных пород. - Л.: ВНИМИ, 1972.
6. Техника контроля напряжений и деформаций в горных породах. - Л.: Наука, 1978.
7.Ардашев К.А., Ахматов В.Н., Катков Г.А. Методы и приборы для исследований проявления горного давления. - М.: Недра, 1981.
8.Курленя М.В., Опарин В.Н., Тапсиев А.П. Руководство по применению электрометрического метода оценки нарушенности высокопро-водящих пород. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1979.
9.Курленя М.В., Опарин В.Н. Электрометрический метод диагностики напряженно-деформированного состояния массивов горных пород. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1989.
10. Тарасов Б.Г., Дырдин В.В., Иванов В.В. Геоэлектрический контроль состояния массивов. - М.: Недра, 1983.
11. Турчанинов И.А., Панин В.И. Геофизические методы определения и контроля напряжений в массиве. - Л.: Наука, 1976.
12. Ржевский В.В., Ямщиков В.С. Акустические методы исследования и контроля горных пород в массиве. - М.: Наука, 1973.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------
Аршавский В.В. - кандидат технических наук, директор ГМОИЦ ОАО ГМК "Норильский никель".
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПЬЯННИКОВ Валерий Павлович Повышение эффективности проветривания тупиковых горных выработок при работе погрузочно-доставочных (транспортных) машин с двигателями внутреннего сгорания 25.00.20 к.т.н.
