CC BY
1УДК 622.831.312:552.122
д.т.н. Касьян Н. Н., д.т.н. Петренко Ю. А., к.т.н. Касьяненко А. Л.
(ДонНТУ, г. Донецк, ДНР, [email protected])
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОЧНОГО СЛОЯ В СОСТАВЕ ПОРОД ПОЧВЫ
ВЫРАБОТКИ НА ЕЁ УСТОЙЧИВОСТЬ
Приведены результаты лабораторных исследований на моделях из эквивалентных материалов. Установлено, что деформирование пород почвы с прочным слоем происходит в два этапа: на 1-м этапе складкообразование слоёв происходит только над прочным слоем; на 2-м этапе происходит изгиб и разлом прочного слоя и увеличение смещений пород почвы. При этом если толщина прочного слоя, при ширине выработки B, не превышает 0,Ш, то выработку желательно располагать относительно вмещающих пород так, чтобы прочный слой залегал как можно дальше от контура почвы, но не более 0,5B. При наличии в почве выработки слоя прочных пород толщиной 0,3B наибольший положительный эффект достигается, если располагать выработку относительно вмещающих пород так, чтобы прочный слой залегал как можно ближе к контуру почвы выработки.
Ключевые слова: горная выработка, породы почвы, прочный слой, эквивалентные материалы, зона разрушенных пород, критерий подобия.
Актуальность, цель и задачи исследований. Опыт отработки угольных пластов Донецко-Макеевского района Донбасса показывает, что из-за деформирования пород почвы около 65 % выемочных выработок находятся в неудовлетворительном состоянии и до 43 % затрат по ремонту выработок приходится на их поддирку.
Анализ результатов обследования выемочных выработок угольных шахт Донец-ко-Макеевского углепромышленного региона показал, что при поддирке почвы ежегодно извлекается и выдаётся на поверхность около 10 тыс. м породы, на что затрачивается более чем 5000 чел.-смен в год. Для поддирки и зачистки почвы применяются поддирочные и поддирочнобу-рильные машины, причём их применение эффективно в условиях слабых пород. Анализ состава углевмещающих пород Донец-ко-Макеевского района Донбасса показал, что чередование слоёв в текстуре пород почвы представлено в следующем порядке: в 82 % случаев первым слоем встречаются слабые породы со средним пределом прочности на одноосное сжатие до 40 МПа;
в 32 % случаев вторым слоем встречаются прочные породы с прочностью от 60 до 120 МПа; третий слой почвы в 80 % случаев представлен слабыми породами [1]. Таким образом, при наличии в текстуре почвы прочных слоёв вместо механизированной применяется буровзрывная поддирка, что существенно осложняет ремонтные работы и повышает их стоимость.
Обзор отечественных и зарубежных исследований [2-5] по обеспечению устойчивости выемочных выработок показывает, что вопросу влияния текстуры пород на процесс деформирования почвы выработок уделялось недостаточное внимание. При наличии в текстуре почвы прочного слоя пород их разрушение происходит в результате развития породной складки с образованием крупных породных блоков [4, 5]. В таких условиях производить механизированную поддирку затруднительно, а зачастую и невозможно. При этом прочность пород для механизированной поддирки должна составлять не более 60 МПа. Выше этого предела при поддирке почвы необходимо применять буровзрывные работы, что
повышает энергозатраты на разрушение пород и снижает темпы работ более чем в 5 раз [6]. Кроме того, не рассматривался вопрос использования несущей способности прочного слоя в почве выработки для повышения её устойчивости.
Таким образом, изучение процесса деформирования пород почвы при наличии в их текстуре прочного слоя является актуальной научно-технической задачей.
Постановка задачи. Задачей данных исследований являлось установление особенности процесса деформирования пород почвы выработки при наличии в их текстуре прочного слоя.
Изложение материала и его результаты. Исследования проводились на моделях из эквивалентных материалов с использованием плоского стенда с внутренними рабочими размерами 76x58x16 см, обеспе-
чивающими соблюдение граничных условий при выбранном масштабе моделирования 1:50.
Процессы деформирования моделируемого породного массива изучались в одиночной пластовой выработке, содержащей прочный слой в почве.
Всего было отработано 13 моделей. В первой модели моделировалась почва пласта выработки без прочного слоя, остальные 12 моделей отрабатывались для аналогичных условий, но с наличием прочного слоя различной толщины (тпр), прочности (осж) и глубины залегания от контура почвы ^пр). За прочный слой принимался слой пород, прочность которого на 50 % и более превышает прочность остальных вмещающих пород.
Характеристика данных моделей представлена в таблице 1.
Таблица 1
Характеристика почвы моделируемой выработки
№ модели Ширина выработки, В Приведённая толщина прочного слоя почвы, тпр В Приведённая глубина залегания прочного слоя, Чр В
в натуре, м в модели, мм
почва без прочного слоя
1 5 100 - -
почва с прочным слоем осж = 60 МПа
2 5 100 0,1 0,1
3 5 100 0,1 0,3
4 5 100 0,3 0,1
5 5 100 0,3 0,3
почва с прочным слоем осж = 80 МПа
6 5 100 0,1 0,1
7 5 100 0,1 0,3
8 5 100 0,3 0,1
9 5 100 0,3 0,3
почва с прочным слоем осж = 120 МПа
10 5 100 0,1 0,1
11 5 100 0,1 0,3
12 5 100 0,3 0,1
13 5 100 0,3 0,3
Науки о земле
В модели пневматическими баллонами создавалось двухосное напряжённое состояние при вертикальной и горизонтальной нагрузках, прирост которых синхронно изменялся. Соотношение между вертикальной и горизонтальной нагрузками равнялось 0,5.
Для предотвращения разрушения модели её пригрузка осуществлялась плавно. После снятия опалубки осуществлялось проведение выработки с установкой арочной крепи. Арочная крепь моделировалась конструкцией из трёх элементов — верх-
75
а)
50
25
U, мм
Р, МПа
0.13
0.26
в)
75
50
U, мм
Р, МПа
0,13
0,26
няка и двух стоек. Элементы изготавливались из полосы латунной фольги.
По мере нагружения модели проводились измерения величин смещения почвы выработки методом фотофиксации. Для обработки результатов измерений был использован графический редактор Photoshop.
Результаты исследований обрабатывались в виде графиков смещений величины почвы от вертикального пригруза (рис. 1). Состояние моделей на момент окончания испытаний представлено на рисунке 2.
б)
75
50
25
U, мм
Р, МПа
0.40
0,13
0,26
0,40
г)
75
50
25
0,40
U, мм
Р, МПа
0
0.13
без прочного слоя; со слоем породы прочностью:1 — 80 МПа; • — 120 МПа
0,26
■ — 60 МПа;
0,40
Рисунок 1 Графики зависимостей смещений контура почвы и от величины пригруза Р в моделях с прочным слоем со следующими параметрами: а) тпр = 0,1В и = 0,1В; б) тпр = 0,1В и ^р = 0,3В; в) тпр = 0,3В и ^р = 0,1В; г) тпр = 0,3В и ^р = 0,3В
Науки о земле
а)
б)
. - £1
0 Щ Щ Ь
& ' i * 1
■ Ш Ж..
Щ ' ' $> .. »•ч
Ф ■ Ф ■■ Ü: ' . Р .;
пЭШ ' Ш*
©.в.'.' :Т
, и- .л®- • ® -Ш-. «. & 51'/'' % S - а" з
- ¡Э.
^ ' Er £ §
HbLI *" ■ " *•" г3'
в)
Sput ä: :i ж . „j,
® Ш ? r "WS: Ш t Ж
~ & ? f -а g| ■ ■ r)
rr r. ■ Е- :Ü
Ш ж i
' i ; ¡ÄSafo
t
1Ж ЖЖШШ:
SS . 1*
Рисунок 2 Состояние почвы выработки на момент окончания моделирования на моделях: а) № 7; б) № 8; в) № 11; г) № 12
Влияние прочного слоя и его параметров на смещения контура почвы оценивалось с помощью безразмерного коэффициента:
ku =
Uo - unp u
где ио — смещения пород почвы без прочного слоя, м;
ипр — смещения пород почвы с прочным слоем, м.
Чем больше значение этого коэффициента, тем больше положительное влияние прочного слоя на устойчивость пород почвы.
На рисунке 3 представлены результаты зависимостей коэффициента влияния прочного слоя на контур почвы ки от величины пригруза Р для следующих параметров прочного слоя: осж = 60 МПа, осж = 80 МПа и осж = 120 МПа с различными сочетаниями толщины (тпр) и глубины залегания ^пр) прочного слоя от подошвы выработки.
Науки о земле
прочность слоя:1
■ — 60 МПа; — 80 МПа; —С — 120 МПа
Рисунок 3 Графики зависимостей коэффициента влияния прочного слоя на смещения контура почвы ки от величины пригруза Р в моделях с прочным слоем со следующими параметрами: а) тпр = 0,1В и ^р = 0,1В; б) тпр = 0,1В и ^р = 0,3В; в) тпр = 0,3В и ^р = 0,1В;
г) тпр = 0,3В и ^р = 0,3В
Анализ представленных графиков позволяет выделить два характерных этапа деформирования пород почвы. На первом этапе при увеличении пригруза начинала формироваться складка и наблюдалось равномерное смещение пород почвы. При этом в моделях с прочным слоем складкообразование слоёв происходило только над прочным слоем. На втором этапе при дальнейшем увеличении пригруза наблюдался изгиб и разлом слоёв, в том числе и прочного, и увеличение смещений пород почвы. При этом
смещения почвы в выработке с прочным слоем в 1,5 раза в среднем были меньше, чем в выработке без прочного слоя.
Деформационный процесс почвы с прочным слоем проявлялся в виде прогиба и разлома слоёв. Причём после разлома прочного слоя деформационный процесс имел более возрастающий характер, вовлекающий нижележащие слои в процесс смещений. На момент окончания 1-го этапа наибольший эффект положительного влияния прочного слоя был отмечен в моде-
лях № 7, 8, 11, 12. При этом смещения почвы выработки на момент окончания отработки для слоя прочностью осж = 60 МПа, ссж = 80 МПа и осж = 120 МПа были соответственно в 1,25, 1,34 и 1,55 раза ниже, чем смещения почвы без слоя.
По коэффициенту ки видно, что интенсивность смещений почвы одиночной выработки в модели изменялась скачкообразно по мере роста величины пригруза, при этом следует отметить, что до окончания 1-го этапа прочный слой выполняет функцию элемента обратного свода крепи.
Выводы. Таким образом, проведённые исследования позволили сделать следующие выводы:
1) наличие прочного слоя в почве выработки и его параметры (мощность, прочность, глубина залегания от контура почвы) оказывают влияние на её устойчивость. При этом наибольшее влияние оказывают толщина и прочность;
2) деформирование пород почвы с прочным слоем происходит в два этапа: на 1-м
Библиографический список
этапе складкообразование слоёв происходит только над прочным слоем; на 2-м этапе происходит изгиб и разлом прочного слоя и увеличение смещений пород почвы;
3) при наличии в почве выработки слоя прочных пород толщиной 0,1В наибольший положительный эффект достигается, если располагать выработку относительно вмещающих пород так, чтобы прочный слой залегал как можно дальше от контура почвы, но не более 0,5В;
4) при наличии в почве выработки слоя прочных пород толщиной 0,3В наибольший положительный эффект достигается, если располагать выработку относительно вмещающих пород так, чтобы прочный слой залегал как можно ближе к контуру почвы выработки;
5) с целью уменьшения смещений пород почвы необходимо дополнительное внешнее воздействие на прочный слой для предотвращения его разлома до наступления второго этапа деформирования.
1. Касьяненко, А. Л. Обеспечение устойчивости пород почвы выемочных выработок при наличии в их текстуре прочных слоёв [Текст] : дис. ... канд. техн. наук : 25.00.22 /Касьяненко Андрей Леонидович ; ГОУ ВПО «ДонНТУ». — Донецк, 2017. — 237 с.
2. Brady, H. G. Rock Mechanics for underground mining [Text] / H. G. Brady, E. T. Brown. — Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2004. — 628 p.
3. Экспериментальные исследования пучения пород почвы подготовительных выработок на пологих пластах Донбасса [Текст] : монография / В. И. Бондаренко, И. А. Ковалевская, Г. А. Симанович [и др.]. — Днепропетровск : ООО «ЛизуновПресс», 2014. — 224 с.
4. Бондаренко, В. И. Геомеханика нагружения крепи очистных и подготовительных выработок в слоистом массиве слабых пород [Текст] : монография / В. И. Бондаренко, И. А. Ковалевская, Г. А. Симанович, В. Г. Черватюк. — Днепропетровск : ООО «ЛизуновПресс», 2012. — 236 с.
5. Снигур, В. Г. Закономерности пучения пород почвы пластовых выработок [Текст] / В. Г. Снигур // Уголь Украины. — 2014. — № 7. — С. 3-5.
6. Медведев, И. Ф. Механизация проведения горных выработок в крепких породах [Текст] / И. Ф. Медведев, А. А. Фещенко, С. И. Одинец. — М. : «Недра», 1982. — 166 с.
© Касьян Н. Н.
© Петренко Ю. А.
© Касьяненко А. Л.
Рекомендована к печати д.т.н., проф., зав. каф. УПДонНТУКлочко И. И.,
к.т.н., доц. каф. РМПИ ДонГТУ Леоновым А. А.
Статья поступила в редакцию 15.05.19.
д.т.н. Касьян М. М., д.т.н. Петренко Ю. А., к.т.н. Касьяненко А. Л. (ДонНТУ, м. Донецьк, ДНР, [email protected])
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ М1ЦНОГО ШАРУ У СКЛАД1 ПОР1Д П1ДОШВИ ВИРОБКИ НА II СТ1ЙК1СТЬ
Наведено результати лабораторних до^джень на моделях з е^валентних матерiалiв. Встановлено, що деформування nорiд тдошви з мщним шаром вiдбуваeться в два етапи: на 1-му етат складкоутворення шарiв вiдбуваeться ттьки над мщним шаром; на 2-му етат вiдбуваeться вигин та розлом мщного шару i3 збтьшенням зсувiв порiд тдошви. При цьому як-що товщина мщного шару, при ширит виробки B, не перевищуе 0,1B, то виробку бажано роз-ташовувати вiдносно вмщуючих порiд так, щоб мщний шар залягав якнайдалi вiд контуру ni-дошви, але не бтьше 0,5B. При наявностi у niдошвi виробки шару мщних nорiд товщиною 0,3B найбтьший позитивний ефект досягаеться, якщо розташовувати виробку щодо вмщуючих по-рiд так, щоб мщний шар залягав якомога ближче до контуру тдошви виробки.
Ключовi слова: гiрнича виробка, породи тдошви, мщний шар, е^валентШ матерiали, зона зруйнованих nорiд, критерт nодiбностi.
Doctor of Technical Sciences Kasyan N. N., Doctor of Technical Sciences Petrenko Yu. A., PhD in Engineering Kasyanenko A. L. (SEIHPE «DonNTU», Donetsk, DPR, [email protected]) RESEARCH OF THE INFLUENCE OF A HARD LAYER IN FLOOR ROCKS COMPOSITION ON ITS RESISTANCE
The laboratory results on models of equivalent materials are given. It has been found out that the deformation of floor rocks with a hard layer occurs in two stages: at the 1st stage, the folding of layers occurs only over a hard layer; at the 2nd stage — the bending and breaking of a hard layer occurs as well as the increasing of the floor rock displacement. Herewith, if the thickness of a hard layer do not surpass 0,1B, when the width of tunnel is B, so it's required to locate the tunnel relative to the adjacent rocks, so that the hard layer occur as far as possible from the contour of the floor, but not more than 0,5B. If there is a hard layer with a thickness of 0,3B in the floor rocks, the positive effect is achieved if the tunnel is located relative to the adjacent rocks so that the hard layer occur as close as possible to the contour of the floor tunnel.
Key words: mine tunnel, floor rocks, hard layer, equivalent materials, zone of destroyed rocks, similarity criterion.
