CC BY
40
Проф. Б.А. Картозия, д.т.н., Московский государственный горный университет
МЕХАНИКА ПОРОДНЫХ мАССИВОВ С ИСКУССТВЕННОЙ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ - ОСНОВА ГОРНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НОВОГО уРОВНЯ
В горнотехнической литературе по проблемам освоения подземного пространства все чаще говорится о необходимости внедрения высоких технологий, т.е., технологий основанных на использовании результатов фундаментальных научных исследований и обеспечивающих достижение таких технических, экономических и социальных результатов, которые по своему уровню либо значительно превосходят все аналогичные показатели в данной отрасли производства, либо вообще недостижимы при существующих технологиях [6]. В подземном строительстве это технологии проведения выработок, основанные на использовании закономерностей влияния горностроительных работ на напряженно-деформированное состояние породного массива. Используя данные непрерывного контроля, они позволяют гибко реагировать на поведение окружающей среды и путем оперативного регулирования технологических параметров поддерживать оптимальный режим производственного процесса в системе “горная выработка -породный массив ".
Иными словами, высокие технологии подземного строительства это технологии, в которых производственный процесс разработан для единой системы “горная выработка - породный массив", а его параметры оперативно регулируются в зависимости от изменений состояния этой системы. Разумеется, что неотъемлемыми составляющими подобных технологий являются ее экологическая чистота, полная механизация трудоемких работ, автоматизация контроля и обработки результатов наблюдений, высокий уровень безопасности и комфортности условий труда. Прообразом
таких технологий может служить новоавстрийский метод строительства тоннелей, наглядно демонстрирующий возможности получения качественно новых результатов при органическом сочетании теории напряженно-деформированного состояния породного массива с передовой техникой и мониторингом.
Для разработки методов управления технологическими параметрами в зависимости от напряженно-деформированного состояния массива необходимы фундаментальные знания о закономерностях влияния горных работ на механическое состояние породного массива, вмещающего выработку. Исследования этих закономерностей являются целью механики породных массивов с искусственной (технологической) неоднородностью как одного из разделов механики подземных сооружений
[1, 2, 5].
Ее главная научная задача состоит в установлении качественного и количественного соответствия закономерностей формирования механического состояния породных массивов технологическим условиям их разработки и эксплуатации выработанного пространства. Иными словами, технология проведения горных выработок рассматривается как особый фактор, позволяющий активно влиять на качественную и количественную сторону проявлений механических процессов в породных массивах и, следовательно, управлять их механическим состояние м .
В основу теории механики породных массивов с искусственной неоднородностью положена концепция области технологического воздействия [4].
Под технологическим воздействием на массив горных пород,
его свойства и состояние понимается механическое, термическое, химическое и любое другое воздействие, сопутствующее ведению горных работ или носящее преднамеренный характер. В первом случае мы имеем дело с непреднамеренным технологическим воздействием, а во втором -с целенаправленным
К непреднамеренным технологическим воздействиям относятся такие, которые сопутствуют процессу строительства и эксплуатации выработки: разрушительное действие буровзрывных работ и сил горного давления, влияние шахтной атмосферы, колебания температуры и т.п.
В свою очередь, целенаправленное технологическое воздействие служит для искусственного изменения физико-механических свойств породного массива и позволяет в известных пределах регулировать характер и интенсивность проявлений механических процессов: искусственное замораживание водоносных пород, цементация, тампонаж, химическое закрепление .
Рис.1. Схема формирования области технологического воздействия вокруг выработки:
і-выработка; 2-область технологического воздействия; 5-нетронутый массив.
За область технологического воздействия принимается огра-
ниченная часть породного массива, в пределах которой среднее значение некоторого признака А , характеризующего свойства пород, становится отличным от его значений А1 в остальной части породного массива.
Важнейшей закономерностью любого технологического воздействия является то, что его интенсивность представляет некоторую функцию координат точки опробования.
Так, при проведении выработок буровзрывным способом наибольшая интенсивность технологического воздействия соответствует контуру образуемой выработки: степень трещиноватости здесь наивысшая. При проведении выработок с применением способа искусственного замораживания такая граница расположена по контуру замораживающих колонок, где температура охлаждения пород наиболее низкая и т.д.
Теоретические и экспериментальные исследования [3] свидетельствует о том, что интенсивность технологического воздействия с удалением от источника уменьшается. Таким образом, в пределах области технологического воздействия представляется возможным выделение границы наибольшей интенсивности технологического воздействия и границы, на которой это воздействие практически отсутствует. Интенсивность технологического воздействия определяет степень изменения свойств породного массива. Например, чем выше интенсивность трещиноватости горных пород, тем ниже значения характеристик их прочностных и деформационных свойств; более низкой температуре замораживания соответствует более высокая прочность водонасыщенных пород и т.д.
Следовательно, сформулированная выше особенность технологического воздействия является причиной того, что в пределах области воздействия формируется технологическая неоднородность свойств породного массива. Причем в отличие от неупорядоченной неоднородности, когда свойства массива являются случайными
функциями координат точки опробования в данном случае мы имеем дело с неоднородностью упорядоченной, при которой свойства пород становятся детерминированными функциями координат точки опробования, т.е.
А = f (x, y, z ), (1)
где А - среднее значение признака, характеризующего определенное свойство породного массива в точке опробования с координатами x, y, z.
С точки зрения механического состояния область технологического воздействия в зависимости от вида последнего представляет собой область упрочнения (искусственное замораживание пород, химическое упрочнение, тампонаж), разупрочнения (буровзрывные работы) или комбинацию первого и второго (образование подземных выработок камуфлет-ными взрывами).
Наличие в породном массиве областей с деформационными свойствами, отличными от смежных областей, является в свою очередь, причиной формирования неоднородности поля напряжений и деформаций. В областях с пониженными значениями характеристик деформационных свойств (области разупрочнения) происходит снижение концентрации напряжений. При этом имеется в виду некоторая дополнительная концентрация (деконцентрация) напряжений по отношению к напряженному состоянию в окрестности выработки расположенной в однородном массиве, характеризуемая коэффициентом дополнительной концентрации (деконцентрации) напряжений Д. Он представляет собой отношение максимального напряжения в точке исследуемого массива с координатами (x,y,z) при наличии искусственной неоднородности стнотах к максимальному напряжению в той же точке однородной среды ст °max
Д = ст H°max / CT°max . (2)
При Д > 1 область является концентратором напряжений, а при Д <1 - деконцентратором.
Таким образом, образующаяся в результате технологического воздействия область разупрочне-
ния, в пределах которой выполя-ется условие
Е < Е1 (3)
где Е - модуль упругости (деформации) в любой из точек области технологического воздействия; Е1- модуль упругости (деформации) в остальной части массива, является деконцентратором напряжений (Д < 1). Наоборот, область упрочнения характеризующаяся условием
Е > Е1 (4)
является концентратором на-пряжений,т.е. Д>1.
Формирование в породном массиве неоднородности деформационных свойств определяет главнейшую специфическую особенность области технологического воздействия: в зависимости от временной последовательности, в которой происходит формирование неоднородности деформационных свойств и образование породного контура выработки, область технологического воздействия может играть активную или пассивную роль в формировании поля напряжений в окрестности выработки.
Если искусственная неоднородность формируется до образования породного контура, т.е. до того как сформировалось дополнительное поле напряжений, вызванное выведением породного массива из состояния естественного равновесия, то она оказывает активное влияние на его механическое состояние. В этом случае искусственная неоднородность является формирующей напряженно-деформированное состояние породного массива.
Если же технологическая неоднородность формируется после образования породного контура выработки (последующее упрочнение пород образование областей разрушения), то такая неоднородность является формирующейся под воздействием уже установившегося поля напряжений. Поэтому основной принцип управления напряженно-деформированным состоянием породного массива заключается в том, чтобы придать ему необходимые свойства до того как сформировалось дополнитель-
ное поле напряжений. Это возможно реализовать либо до образования породного контура, либо после того как он образован, но только в непосредственной близости от забоя выработки.
Исследования процессов формирования искусственной неоднородности в породных массивах при их разупрочнении.
Исследования проводились применительно к буровзрывному способу сооружения выработок. Они включали бурение скважин с последующим отбором кернов и тщательным их описанием, изготовление образцов для определения предела прочности на одноосное сжатие асж и модуля деформации Е. Затем производилось аналитическое описание закономерностей распределения асж и Е в породном массиве. Объектами исследований были капитальные горизонтальные горные выработки, сооружаемые в песчаниках с f = 6^8. Скважины диаметром 42мм и глубиной до 2,5 м бурились на расстоянии до 3,0 м от забоя выработки.
Визуальный осмотр и описание полученных кернов показали, что распределение структурной нару-шенности массива находится в прямой зависимости от интенсивности технологического воздействия, причем возможно выделение характерных зон: дробления, хаотической трещиноватости, системной трещиноватости и естественного состояния.
Из отобранных в породном массиве кернов после их тщательного описания и маркировки изготовлялись цилиндрические образцы и производились статические испытания по определению асж и Е. Методическую основу испытаний составляли рекомендации ИГ Д им. А. А. Скочинского и ВНИМИ.
Обработка результатов испытаний образцов позволила установить две особенности: во-первых, распределение стсж и Е в окружающем выработку массиве носит волновой характер и, во-вторых, параметры стсж и Е вблизи контура выработки имеют повышенные значения, что противоречит здравому смыслу, так как нарушен-
ность массива здесь наивысшая. Дальнейший анализ этих особенностей на основе специальной рабочей гипотезы показал, что в механических испытаниях не учитывались структурные ослабления в виде макротрещин, возникающие при ведении взрывных работ и разбивающие керн на отдельности. В связи с этим дальнейшей задачей исследований явилось отыскание коэффициентов структурного ослабления, позволяющих осуществлять переход от значений стсж и Е, полученных из испытаний образцов, к их значениям в массиве. При определении коэффициента структурного ослабления для стсж использовался метод И. Хансаги, модернизированный нами в части порядка обработки результатов. Определение коэффициента структурного ослабления для модуля деформации выполнено на основе метода К. В. Руппенейта, основанного на замене реального массива моделью с эквивалентными характеристиками. В результате проведенных исследований было установлено, что в отличие от сложившихся представлений коэффициент структурного ослабления в пределах области технологического воздействия является переменной величиной. После наложения зависимостей распределения коэффициентов структурного ослабления на распределение стсж и Е, полученное из испытания образцов, был выявлен действительный характер распределения этих параметров в массиве, который описывается степенной зависимостью вида
А(г) = А м (1 - а г -п ), (5)
где Ам - значение соответствующей механической характеристики вне области технологического воздействия; а, п - параметры аппроксимации кривой распределения; г - текущая координата.
В главе даны рекомендации по определению параметров аппроксимации а и п в зависимости от размеров области технологического воздействия, а также приведены некоторые практические примеры построения кривых распределения Gсж и Е в породных массивах.
Исследования процессов формирования искусственной неоднородности в породных массивах при их упрочнении.
Исследования проводились применительно к сооружению выработок способом искусственного замораживания пород, упрочняющего тампонажа и образованию емкостей методом внутренних взрывов. Результаты этих исследований позволили установить, что в упрочненных массивах искусственная неоднородность формируется в результате неравномерного уменьшения структурной нарушенности в отдельных частях массива (залечивание трещин, уменьшение пористости и т. п.).
Особенности технологии образования ледопородных ограждений приводят к формированию в них неоднородного поля температур, которое, в свою очередь, формирует неоднородность механических свойств. Распределение предела прочности пород на одноосное сжатие и модуля деформации в стенке ледопородного ограждения может быть описано выражением вида
А (г) = аг2 + Ьг + с, (6)
где А (г) - соответствующая механическая характеристика; а, Ь, с -параметры аппроксимации.
При сооружении выработок с применением тампонажа трещиноватого массива изменение его механических характеристик происходит прежде всего за счет снижения структурной нарушенности при заполнении макротрещин тампонажным раствором. Степень заполнения трещин (или пор при химическом закреплении несвязанных грунтов) различна в зависимости от расстояния до инъек-тора, а следовательно, различными будут и значения механических характеристик упрочненного массива. Так, исследованиями автора с мелкозернистыми песками установлено, что при изменении коэффициента заполнения пор раствором смолы МФ-17 от к=1 до к=0,4 прочность снижается более чем в 4 раза. Эти, равно как и исследования других авторов, позволяют предложить следующие выражения для характеристики
закономерностей распределения механических свойств в массиве:
• для несвязанных грунтов при изменении соответствующей характеристики от значения на контуре выработки до значения в естественном состоянии
А(г) = Аа г -п (7)
• для затампонированных трещиноватых пород
А(г) = Ам (1 - а г -п ) (8)
Обобщение и анализ результатов исследований прочностных свойств пород в окрестности емкостей, образуемых методом внутренних взрывов (В. И. Смирнов), а также собственные исследования влияния плотности пород на их деформационные свойства позволили автору предложить следующие выражения для описания вида искусственной неоднородности:
• при наличии одновременно зон разупрочнения и упрочнения
А(г)=А м[1 + (с - dг -т/1 г-к)], (9)
где с, d, ^ м, к - параметры аппроксимации;
• при наличии только зоны упрочнения может быть использовано выражение (8).
На основе сформулированных выше теоретических положений разработан аналитический метод прогнозирования механических процессов в породных массивах, испытывающих различные технологические воздействия. Он позволяет производить расчет устойчивости незакрепленных выработок, смещений породного контура и величин нагрузки на крепь с учетом влияния на породный массив буровзрывных работ, цементации, искусственного замораживания и т.п.
Практическое использование этого метода подтвердило его научную обоснованность и позволило в одних случаях выявить резервы несущей способности породных массивов и тем самым сократить расходы на крепление выработок, в других - своевременно предпринять меры по ограничению вредных проявлений механических процессов и обеспечению безопасного состояния горных выработок и подземных сооружений. Однако наиболее значительным результатом этих исследований является возможность подойти к разработке горно-
строительных технологий нового уровня.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баклашов И.В., Картозия Б.А.. Механика горных пород. М.: Недра, 1975.
2. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Учет технологической неоднородности и анизотропии породного массива в решении вопросов горного давления// Шахтное строительство, 1978. -№ 2. С.13-16.
3. Картозия Б.А. Исследование механических процессов в породных массивах с искусственной неоднородностью и разработка методов их прогнозирования в подземном строитель-стве.Дис. д-ра техн. Наук. - М.: МГИ,1979.
4. Картозия Б.А. Теоретические основы механики породных массивов с искусственной неоднородностью -фундаментального раздела строительной геотехнологии/ В сб.: Научные основы проектирования и строительства шахт и подземных сооружений. -М.: МГИ, 1982, С.17-22.
5. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений.-М.: Недра,1984
6. Картозия Б.А. Строительная геотехнология -М.: МГГУ, 1998.
© Б.А. Картозия
