Научная статья на тему 'Изучение структуры приконтурной зоны массива, прилегающего к металлобетонной крепи'

Изучение структуры приконтурной зоны массива, прилегающего к металлобетонной крепи Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
94
18
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СТАЛЕБЕТОННАЯ КРЕПЬ / ПРИКОНТУРНАЯ ЗОНА МАССИВА / ТРЕЩИНОВАТОСТЬ / ЗАКРЕПНОЕ ПРОСТРАНСТВО. STEEL-CONCRETE TIMBERING / NEAR-TO-CONTOUR MASSIF ZONE / CRACKING / BEYOND THE TIMBERING SPACE

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Росстальной Е. Б., Простов С. М., Хямяляйнен В. А.

Приведены результаты экспериментальных исследований процессов трещинообразования и цементации на опытном участке.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Росстальной Е. Б., Простов С. М., Хямяляйнен В. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The results of experimental researches of cracking and cementation processes on an experimental area are resulted

Текст научной работы на тему «Изучение структуры приконтурной зоны массива, прилегающего к металлобетонной крепи»

© Е.Б. Росстальной, С.М. Простов, В.А. Хямяляйнен, 2009

УДК 622.33: 550.375

Е.Б. Росстальной, С.М. Простое, В.А. Хямяляйнен

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПРИКОНТУРНОЙ ЗОНЫ МАССИВА, ПРИЛЕГАЮЩЕГО К МЕТАЛЛОБЕТОННОЙ КРЕПИ

Приведены результаты экспериментальных исследований процессов трещинообразова-ния и цементации на опытном участке.

Ключевые слова: сталебетонная крепь, приконтурная зона массива, трещиноватость, закрепное пространство.

Семинар № 3

E.B. Rosstalnoj, S.M. Prostov,

V.A. Hjamjaljajnen STUDYING NEAR-TO-CONTOUR MASSIF ZONE STRUCTURE ADJACENT TO STEEL-CONCRETE TIMBERLING

The results of experimental researches of cracking and cementation processes on an experimental area are resulted

Key words: steel-concrete timbering, near-to-contour massif zone, cracking, beyond the timbering space.

Гехнология возведения сталебетонной крепи предусматривает установку арок металлической крепи, навешивание на нее металлической опалубки, укладку бетона или нагнетание цементно-песчаной смеси в заопалубоч-ное пространство. Тем самым образуется облицовочно-несущая оболочка путем омоноличивания рам крепи между собой и с горной породой. В процессе тампонажа заопалубочного пространства цементный раствор частично проникает в трещины приконтурной зоны массива, что способствует формированию дополнительного несущего слоя из зацементированной породы.

Исследование процессов трещинооб-разования и цементации проведено на опытном участке путевого квершлага гор. — 260 ш. «Юбилейная». На данном

участке выработки длиной 10,5 м возводилась сталебетонная крепь по проекту ОАО «КузНИИ-Шахтострой» с использованием следующего оборудования: металлической навесной опалубки и нагнетательной установки для укладки бетона.

Г орно-геологические условия проходки выработки в районе опытного участка и схема расположения скважин приведена на рис. 1.

Для контроля состояния породного массива были проведены электрометрические измерения методом эффективного удельного электросопротивления (УЭС). Контрольные шпуры были пробурены веерообразно в двух сечениях в бортах выработки: 4 шпура в средней части участка крепления (№ 1—4), 2 шпура за его пределами на расстоянии 6 м от границы участка крепления (№ 5— 6). После твердения бетонной смеси были дополнительно пробурены 2 шпура через бетонную оболочку (№ 7—8).

Физической основой электрометрического контроля параметров трещиноватости является линейная зависимость эффективного УЭС породы при естественной влажности от коэффициента трещинной пустотности, обоснованная теоретически и экспериментально в ряде работ [1]:

ПК 100

ПК 101

ПК 102

ПК 103

ПК 104

1. Алевролит темно-серый среднезернисты й крепкий 2. Пл. 23 (11=1,05 м) Уголь с линзами колчедана 3. Алевролит слабо трещиноватый среднезернистый средней устойчивости ( т^= 0,008) 4. Песчаник мелкозернистый серый прерывистый слабо трещиноватый по наслоению

I

Путевои\квершлаг гор.-260м .. |_.

Рис. 1. Геологический разрез по северо-западной стенке (а) и план расположения скважин опытного участка

Рк(Г)= Р

т

( г )

£

(1)

пользованием данных геологической службы:

где рк — эффективное (кажущееся) УЭС трещиноватой породы с одной системой трещин, плоскость который нормальна к вектору плотности тока, Ом-м; р — УЭС породы без трещин, Ом-м; т

— коэффициент трещинной пустотности (относительная величина пустот в единичном объеме); £ — средняя относительная площадь контактирования берегов трещин; г — координата точки замера от контура выработки.

Поскольку параметры р и £ изменяются в широких пределах, целесообразно оценивать величину т (г) с ис-

т

( г ) =

т

гРк (Г)

Ря

(2)

где тн, Рн — значения т и Рк вне зоны технологической трещиноватости (в ненарушенном массиве).

Вмещающие породы боков выработки на опытном участке представлены алевролитом темно-серым, слабо трещиноватом средней устойчивости и прочности, тн = 0,008. Почва выработки пройдена по угольному пласту, на начало наблюдении в зоне контакта алевролита с угольным пластом наблюдались отслоения на глубину, дости-

Рис. 2. Распределение параметров трещиноватости породного массива вокруг выработки до заполнения заопалубочного пространства

гающую 0,6—0,7 м, более ярко выраженные в юго-западном борту.

По результатам измерений в шпурах

строили графики зависимостей Рк(г) и

т ( г), а также определяли интегральные

параметры зоны технологической нару-шенности вокруг контура выработки, предложенные в работе [2]:

- глубину зоны технологической

нарушенности Кя (расстояние от контура выработки до точки замера, где значение Рк убывая, приближается к величине Рн);

- среднее значение т в контролируемом из шпура объеме зоны технологической нарушенности т по формуле

к я

| т (гуг;; (3)

1я 0

- суммарный объем пустот в секторе контрольного сечения, отнесенный к 1 м выработки по формуле

0 кя

П = | | т (Кв + г V« 2RRяm0,

0 0

_ 1

т = —

к

где Rв — приведенный радиус выработки, 0 — центральный угол сечения, относящийся к контрольному шпуру, рад.

Результаты контроля процессов тре-щинообразования в приконтурной зоне вы работки до образования облицовочно-несущей сталебетонной оболочки и после цементации трещин при бетонировании представлены соответственно на рис. 2 и 3.

Из графика изменения Кя в сечении вокруг контура выработки на рис. 2 следует, что максимальный размер прогнозируемой зоны цементации при заполнении бетоном заопалубочного пространств составит 0,6 ... 1,0 м от породного контура. Более интенсивно трещи-нообразование (т = 0,024) происходит в нижней части юго-западного борта квершлага, т.е. в зоне, прилегающей к контакту породного слоя алевролита с верхней границей угольного пласта. Распределение объемов пустот П также неравномерно, большая ось эллипса пустотности ориентирована параллельно напластованию. Общий прогнозируемый объем пустот в породном

Рис. 3. Развитие зон нарушенности в сечении, прилегающем к участку крепления выработки сталебетонной крепью

массиве в пределе зоны технологической нарушенности на экспериментальном участке составил УП = 5,0 м3. Низкие значения , а также незначительные отличия т от значения, соответствующего ненарушенной породы тн, связаны с тем, что на момент измерений с даты проходки выработки прошло менее 1 мес.

Экспериментальные исследования на опытном участке продолжались более 7 мес. С целью оценки интенсивности развития процессов трещинообразова-ния вне зоны возведения сталебетонной крепи (в выработке установлена рамная металлическая крепь СВП с шагом 0,5 м и железобетонной затяжкой) были проведены серии измерений в скв. № 5, 6. Обработка результатов измерений (рис. 3) позволила установить, что за период наблюдений в течение 8 мес с даты проходки выработки произошло увеличение размера зоны трещиноватости с 0,6 до 1,25 м в северо-восточном борту и с 1,0 до 1,5 м — в юго-западном. Среднее значение трещинной пустотности в пределах этой зоны увеличилось весьма незначительно и составило т — 0,009— 0,011. Объем пустот П возрос с 0,04 до

0,1 м3/м выр. в северо-восточном борту и с 0,07 до 0,12 м3/м выр. в югозападном. Полученные данные дают ос-

нования для вывода о том, что процессы трещинообразования в однородном слое алевролита происходят равномерно, следует ожидать сохранения устойчивого состояния выработки.

Результаты электрометрических измерений в веерах скважин, пробуренных на участке возведения сталебетонной крепи представлены на рис. 4. Анализ графиков показывает, что интенсивность геомеханических процессов в прикон-турном массиве весьма неравномерна: в сводовой части выработки, расположенной в середине слоя алевролита заметного роста трещин не произошло; в нижней части боков на контакте алевролита и угольного пласта развитие технологических трещин было более интенсивным. Заполнение закрепного пространства бетонным раствором сопровождалось частичной цементацией при-контурных трещин.

Сопоставление графиков т(г) до и после бетонирования (рис. 5) свидетельствует о наличии зональной структуры приконтурной зоны породного массива, прилегающего к сталебетонной крепи. За металлической рамой 1 и бетонной оболочкой 2 толщиной 0,25 ... 0,4 м следует зона 3

Рис. 4. Результаты контроля состояния пород на участке возведения сталебетонной крепи:

1 — за 3 мес до бетонирования, скв. 1—4; 2 — непосредственно до бетонирования, скв. 1—4; 3 — после бетонирования, скв. 7—8

Рис. 5. Структура техногенного породного массива, прилегающего к сталебетонной крепи: 1

— рамная металлическая крепь; 2 — бетонная оболочка; 3 — зона контакта бетонной оболочки с породным контуром, заполненная сцементированными обломками; 4 — зона попутной цементации зоны технологической трещиноватости; 5 — естественный массив; I — график т(г) до бетонирования заопалубочного пространства; II — то же после бетонирования

контакта бетона с породным контуром, в отслоившаяся порода, удерживаемая

которой до заливки бетона находилась защитной сеткой. Установлено, что це-

ментный раствор лишь частично заполняет пустоты между кусками отделившейся породы, при этом монолитного слоя в данной зоне не образуется, т.к. величина т здесь в 2—3 раза выше, чем в бетонном слое. В юго-западном борту на интервале г = 0,67 ... 1,0 м от бетонного контура четко прослеживается зона цементации трещиноватой породы 4. Расчетный коэффициент заполнения трещин цементным камнем составляет К3 = 0,487. Размер зоны цементации составляет: в боках выработки при высоте от почвы Ъ < 0,5 м, при 0,5^ < Ъ < 0,8 Къ гц=(0,2 ... 0,7)Л№ в кровле вы работки гц = 0,05 ... 0,1 м.

1. Хямяляйнен, В.А. Геоэлектрический контроль разрушения и инъекционного упрочнения горных пород / В.А. Хямяляйнен, С.М. Простов, П.С. Сыркин. — М.: Недра, 1996. — 288с.

2. Простов С.М. Контроль физических процессов в породном массиве при цементации / С.М. Простов, В.А. Хямяляйнен // Экологические проблемы горного произ-

Проведенные экспериментальные исследования позволили не только расширить знания о процессах тампонирования пустот в закрепном пространстве, но и усовершенствовать методику расчета крепи подобного типа [3]. Поскольку зацементированные слои 3 и 4 имеют вполне определенную несущую способность, то нагрузка на крепь может существенно снижаться. Корректировка расчетных параметров крепи с учетом экспериментальных данных позволит снизить материальные и трудовые затраты на ее возведение при условии сохранения срока ее службы.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

водства, переработка и размещение отходов: Докл. II науч. -техн. конф. — М. Из-во МГГУ, 1995. — С. 590—593.

3. Руководство по технологии крепления горных выработок с применением опалубки ОМП, основанной на использовании несущей способности упрочненных пород / Ю.В. Бурков, Е.Г. Дуда, Г.И. Комаров, В.А. Хямяляйнен и др. — Кемерово, 1990. — 78 с. ЕШ

— Коротко об авторах

Росстальной Е.Б. — соискатель кафедры теоретической и геотехнической механики, Простов С.М. — доктор технических наук, профессор кафедры теоретической и геотехнической механики,

Хямяляйнен В.А. — доктор технических наук, профессор, первый проректор,

ГУ КузГТУ, kuzstu@kuzstu.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.