CC BY
33
УДК 622.831
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИ УСТОЙЧИВЫХ РАЗМЕРОВ ОБНАЖЕНИЙ ТРЕЩИНОВАТОГО ГОРНОГО МАССИВА НА СОПРЯЖЕНИЯХ ВЫРАБОТОК И ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ
METHOD FOR DETERMINING THE DYNAMIC STABILITY SIZE STRIPING FRACTURED ROCK MASSIF ON CONJUGACY DEVELOPMENTS AND RAILWAYS TUNNELS
В. H. Тюпин, Забайкальский институт железнодорожного
транспорта, г. Чита
tyupinvn@mail.ru
V. Tyupin, Transbaikal Institute of Railway Transport, Chita
Выявлено, что геомеханические процессы, происходящие в горных массивах при проходке выработок, железнодорожных тоннелей и их сопряжений, существенно влияют на себестоимость и безопасность работ. Неверно выбранные геомеханические параметры, такие как устойчивые пролеты обнажений и устойчивые размеры целиков приводят к повышению себестоимости горно-подготовительных работ и снижению уровня безопасности за счет возможного непредсказуемого обрушения горных пород из обнажений или целиков. Для установления динамически устойчивых размеров обнажений проведен анализ технической литературы. Установлено, что при расчете устойчивых размеров обнажений, как правило, учитывается горное давление и прочностные характеристики горных пород. Не на должном уровне учитываются параметры трещиноватости, а также динамическое действие взрыва при создании выработок и сейсмическое действие удаляющихся взрывов.
Приведена теоретическая формула по определению динамически устойчивых размеров обнажений при проходке горных выработок и их сопряжений, полученная на основе закона сохранения энергии. Подстановка в теоретическую зависимость незначительно меняющихся параметров позволила получить инженерные формулы для определения устойчивых горизонтальных пролетов обнажения в зависимости от параметров трещиноватости и коэффициента трения между отдельностями в массиве. Получена инженерная формула расчета динамически устойчивых размеров обнажений в зависимости от коэффициента крепости породы. Инженерные формулы получены для рудников ПАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (ППГХО). Даны численные значения динамически устойчивых пролетов обнажений. Предложен способ проходки выработок на сопряжениях, защищенный патентом на изобретение.
Приведенные исследования могут служить основой для проектирования горно-подготовительных работ при различных вариантах систем отработки месторождений в различных горно-геологических и горнотехнических условиях, снижать себестоимость добычи руд подземным способом, повышать уровень безопасности работ
Ключевые слова: геомеханика; динамически устойчивые размеры обнажений; горные выработки; железнодорожные тоннели; сопряжения выработок; горизонтальные пролеты; трещиноватый напряженный массив; взрывные остаточные напряжения; формулы расчета пролетов обнажений; геомеханические процессы
The author has determined that geomechanical processes, occurring in mountain ranges when drifting through railway tunnels and their conjugacies, significantly affect the cost and work safety. Invalid selected geomechanical parameters: sustainable spans outcrops and dimensionally stable pillars lead to an increase in the cost of mining-preparatory works and reduce the level of security due to possible unpredictable collapse of rocks from outcrops or pillars. Technical analysis of the literature was conducted to establish the size of dynamically stable exposures. It is found that the calculation of stable dimensions exposures usually considers mining pressure and rock strength
© В. H. Тюпин, 2016
30
characteristics. Not up to standard fracturing parameters are taken into account, as well as the dynamic effect of the explosion to create openings and seismic action removes of the explosions.
In this article the theoretical formula on defining dynamically stable outcrops when drifting through mine workings and their conjugacies, developed on the basis of the law of energy safety is given. The substitution into the theoretical dependence slightly varying parameters, has led to the development of engineering formulas for determining the stability of horizontal spans of exposure, depending on the fracture parameters and the coefficient of friction between the parts in the massif. The engineering formulas for calculating dynamically stable exposures sizes depending on the ratio of the fortress rock are obtained for mines of PJSC «Priargunsk Industrial Mining and Chemical Union» (PIMCU). The numerical values of dynamically stable flown outcrops are given. The method of drifting through mine workings and their conjugacies, protected by a patent for an invention are suggested.
These studies may provide a basis for the design of mining and preparatory work in different types of systems' work on the deposits in various geological and mining conditions, reduce the cost of ore mining by underground methods, and improve the level of safety of operations
Key words: geomechanics; dynamically stable size of exposures; mining developments; railway tunnel; mine workings; horizontal spans; fractured tight massif; explosive residual stresses; formula for calculating spans outcrops; geomechanical processes
Естественное поддержание кровли выработок и их сопряжений (на пересечениях и ответвлениях) является важной задачей, так как обеспечивает минимум затрат на крепление. Однако проведение выработок без крепи возможно только в устойчивых породах, причем степень устойчивости пород зависит от многочисленных инженерно-геологических, физико-технических и технологических параметров.
При строительстве подземного комплекса для железнодорожного тоннеля проводятся выработки для транспортного тоннеля, дренажные штольни, стволы и околоствольные выработки, которые при определенных горно-геологических условиях вначале могут не крепиться. Наиболее неустойчивой является кровля выработок и сопряжений выработок, основные виды которых представлены на рис. 1.
Рис. 1. Виды сопряжений выработок и геометрические размеры пролетов обнажений при: а - проведении выработки; б - ответвлении; в - пересечении выработок
Fig. 1. Types of conjugacies' workings and dimensions of spans' exposures at: a - conducting production;
b - branch; v - intersection of workings
В работе С. В. Ветрова [3] указано, что существующие методы расчета параметров обнажений не охватывают всего многообразия взаимосвязанных свойств горных массивов, технологических факторов и параметров напряженного состояния массива. С. В. Ветров главным фактором устойчивости считает блочность массива [3]. Вместе с тем в работах Н. С. Булычева, Н. Н. Фотиевой, Е. В. Стрельцова [1] отмечено, что для более детальной оценки устойчивости массива необходимо помимо блочности учитывать количество систем трещин в массиве, шероховатость поверхности трещин, раскрытие, заполнитель трещин и ориентировку относительно обнажения.
Аналитическое определение устойчивых параметров кровли сопряжений рассмотрено Б. Г. Писляковым, А. П. Широковым [8], где из геометрических соображений определен эквивалентный пролет и площадь кровли. Однако авторы пользуются известными методиками расчета пролетов для одиночных выработок, не учитывающими перечисленных параметров трещиноватости массива. Такие авторы, как Р. Ш. Азимов, В. Д. Беляков, М. Е. Ерофеев, М. А. Иофис и др. указывают на влияние сейсмики взрывов на устойчивость обнажений, но их расчетные формулы не учитывают это влияние (или учитывают введением коэффициента) при определении устойчивых размеров обнажений кровли, так как это весьма сложный вопрос [4; 5; 6; 7; 9].
В настоящей методике на основе работ автора приведена зависимость и определены допустимые размеры обнажений выработок, железнодорожных тоннелей и их сопряжений в различных горно-геологических и горнотехнических условиях с учетом параметров трещиноватости массива и действия взрывных нагрузок.
Устойчивый размер обнажения определяется на основе исследований автора из энергетического уравнения, согласно которому обрушение пород кровли выработок или их сопряжений будет происходить в случае, если потенциальная энергия упру-
гих деформаций в зоне максимума напряжений в массиве будет превышать энергию, обеспечиваемую трением между отдель-ностями в зоне обрушения. Напряжение в зоне максимума состоит из статической и динамической компонент. Статическое напряжение определяется через гравитационное давление, с учетом концентрации вблизи обнажения и остаточное взрывное напряжение, формируемое при взрыве зарядов ВВ за счет перемещения и запрессовки отдельностей в окружающий массив. Динамическая компонента представляет собой периодически действующее напряжение от сейсмовзрывных волн при проходке выработок. Решение данной задачи приведено в одной из работ автора данной статьи.
Устойчивый пролет выработки или сопряжения выработок равен
8аД06Ф[2£Р МУ 8 £81п"2 Л - - м)] г-
Аг=-^^-М , (1)
- ^ )кп,к,{щкоткс * *
1-у
Кс=1 + (Г-1)^[2(-^-)2-
1 — у
1-У Коз
где КС — показатель, учитывающий сейсмическое действие взрыва;
Е , с, V, р, ¡л — соответственно модуль разгрузки (Ер =Е — модуль упругости), скорость продольной волны, коэффициент Пуассона, объемная масса горного массива, коэффициент трения между отдельностя-ми;
3, de, Ф, А — соответственно раскрытие трещин, размер отдельностей, количество систем трещин, угол наклона системы трещин к обнажению, показатель трещино-ватости, величина смещения отдельностей, достаточная для их обрушения;
а — расстояние между контурными шпурами в группе;
Кп1, К М), КОТ — соответственно показатели, учитывающие взаимодействие зарядов в группе, взаимодействие групп за-
рядов при взрывании проходческих шпуров и коэффициент отдачи;
N Г, М — соответственно число групп зарядов при проведении выработки ^ =3), количество выработок, расходящихся от охраняемого обнажения (Г>1), число циклов взрывания при проведении выработки (М=6), обеспечивающие существенное деформирование кровли;
Р — величина горного давления в зоне максимума напряжений;
D, рв, d3 — соответственно скорость детонации, плотность и диаметр заряда ВВ;
Rоб Rоз, 1Г — соответственно допустимый размер обрушения (Rоб =de), расстояние от контура выработки до максимума напряжений (размер зоны заколов), величина уходки за взрыв (¡у = 1,5 м).
Формула (1) может быть использована для определения устойчивых пролетов обнажений в любых горно-геологических и горнотехнических условиях при проходке разведочных, эксплуатационных горных выработок, транспортных тоннелей и их сопряжений.
Численный анализ (1), проведенный на ЭВМ Искра-1255, позволил установить степень влияния каждого из параметров на устойчивые пролеты обнажения для рассматриваемой группы месторождений Стрельцовского рудного поля и получить научно обоснованные инженерные формулы расчета. Анализ показал, что наиболее существенное влияние на пролет обнажения оказывают параметры трещиновато-сти, коэффициент трения между отдель-ностями, расстояние между взрывными оконтуривающими шпурами, а также сейсмическое действие взрыва.
Инженерная формула для расчета допустимого пролета обнажения выработки или сопряжения выработок при заданном размере обрушения, не превышающем размера отдельности, имеет вид
Аг = 12/иаФс1еК(
-1
с
(2)
Формула (2) и приведенные далее таблицы расчетов применимы для группы месторождений Стрельцовского рудного поля
при разработке пород магматического или метаморфического происхождения на глубине 300...500 м.
Численные значения коэффициента трения (т) и размера естественных отдель-ностей (de) приведены в табл. 1. Расстояние между оконтуривающими шпурами а приведено в соответствии с опытом проходки выработок на рудниках ПАО «ППГХО». Показатель сейсмического действия взрыва Кс определен по формуле (1) и равен: при проходке одиночной выработки Яс=1,14; при проходке выработки под углом к первичной — Л"с=1,32; при пересечении двух выработок — Яс=1,56.
Размеры и площади допустимых пролетов обнажений выработки или сопряжений выработок на срок их проходки в различных инженерно-геологических условиях приведены в табл. 1, 2.
Площадь допустимых обнажений кровли равна S=0,5АГ2. На рис. 1 показаны виды сопряжений выработок и геометрические параметры пролетов обнажений. Анализ табл. 1, 2 показывает, что в породах 1—11 категорий для обеспечения устойчивости необходимо либо крепить кровлю выработок и сопряжений, либо применять специальные технологические решения.
Формулу расчета (2) устойчивого размера обнажения можно переписать в зависимости от коэффициента крепости пород f (по М. М. Протодьяконову). Исследованиями автора настоящей статьи установлена аналитическая зависимость в виде
М = 0ЛГ'5. (3)
Подставляя (3) в (2), получим Аг=1,2аФ(^е/0'5К-\ (4)
Численные расчеты по (4) при d =0,4 м, Ф =8, а = 0,65 м, f = 10, КС =1,14; 1,32; 1,56 дают АГО =6,9 м; АГГ =5,9 м; АГ+ =5,0 м.
Настоящая методика утверждена главным инженером ППГХО 05.09.1988 г. и используется на предприятии как нормативная документация.
Таблица 1
Допустимые параметры обнажений выработок и на сопряжениях (для массивов с трещинами без заполнителя) Possible options of outcrop workings and conjugacies (for massifs with cracks without filler)
Категория трещино-ватости Размер отдельности de' М Коэффициент трения m Расстояние Допустимые параметры обнажений, м/м2
между проходческими шпурами а, м АГО ^гг * SIT Лч *
I <0,05 <0,2 >1,2 <1,5 <1,3 <1,0 <ц <1,6
II 0,05...0,15 0,2.0,3 1,2.0,9 1,5.4,5 1,3-3,5 1,0-6,0 1,3-3,5 1,0-6,0
III 0,15...0,40 0,3.0,45 0,9.0,65 4,5.10,0 3,5-8,4 6,0-35,0 3,2-7,9 5,0-26,0
IV 0,4.1,0 0,45.0,6 0,65.0,55 10,0.20,0 8,4-18,0 35-160 8,0-5,0 26-75
V >1,0 >0,6 <0,55 >20,0 >18,0 >160 >15,0 >110
* — в числителе — допустимый пролет, в знаменателе — допустимая площадь обнажения кровли; Аго, Агг, Аг+ — соответственно допустимые пролеты обнажений кровли одиночной выработки, на ответвлении, на пересечении выработок.
Большей величине среднего размера отдельности ёе соответствует большее значение допустимого размера (Аг) или площади (5г) обнажения.
Таблица 2
Допустимые параметры обнажений выработок и на сопряжениях (для массивов с трещинами, имеющими заполнитель)
Possible options of outcrop workings and conjugacies (for massifs with cracks having a filler)
Допустимые параметры обнажения кровли, м/м2, при заполнителе трещин
Категория трещино- Размер отдельности d , м e рыхлом, не прочном - глинка трения, хлорит, каолинит твердом, прочном - кальцит, флюорит гематит,
ватости д ^гг * * д го ^гг * * sr+
I <0,05 <1,5 <1,3 <1,0 <1,1 <0,6 <2,2 <2,0 <2,0 <1,6 <1,2
II 0,05.0,15 1,5.2,8 1,3-2,5 1,0-3,0 1,1-2,1 0,6-2,0 2,2.4,2 2,0-3,8 2,0-7,0 1,6-3,2 1,2-5,0
III 0,15.0,40 2,8.4,4 2,5-3,8 3,0-7,0 2,1-3,2 2,0-5,0 4,2.6,6 3,8-5,5 7,0-15,0 3,2-4,8 5,0-11,0
IV 0,4.1,0 4,4.7,0 3,8-6,0 7,0-18 3,2-5,1 5,0-13 6,6.10,0 5,5-9,0 15-40 4,8-7,8 11-30
V >1,0 >7,0 >6,0 >18 >5,1 >13 >10,0 >9,0 >40 >7,8 >30
Учитывая трудоемкость и материалоемкость крепления выработок на сопряжениях, и с целью снижения переборов породы, предлагается научно обоснованное техническое решение по обеспечению устойчивости кровли сопряжений выработок в породах П—Ш категорий по трещиноватости.
Поскольку напряженное состояние приконтурной зоны выработок отчасти формируется взрывом, то управлять кровлей сопряжения можно, располагая окон-туривающие заряды вблизи кровли на определенном расстоянии Re от проектного устойчивого контура кровли сопряжения при проходке первичной выработки. Это создает возможность при проведении ответвляющихся от сопряжения выработок обеспечить обрушение неустойчивой, нарушенной заколами части кровли за счет сейсмического действия технологических взрывов при проходке выработок. Тогда вновь образованная кровля на сопряжении будет обладать более высокой степенью устойчивости. Для эффективного обрушения неустойчивой части кровли необходимо придавать ей плоскую форму при проходке первичной выработки.
Расстояние от оконтуривающих шпуров до устойчивого контура при проходке первичной выработки в месте сопряжения R равно
R, =-
КгРёН
Д'
1 -v d.
(5)
где Яоз — размер зоны заколов.
Расчеты по (5) при параметрах, приведенных ранее, дают зависимость Re от параметров трещиноватости и приведены в табл. 3.
На указанный «Способ буровзрывной проходки ответвлений и пересечений горных выработок» автор имеет патент РФ № 1633883, приоритет от 28.06.88 г. Рациональная область применения способа по сохранению устойчивости кровли сопряжения выработок — породы П—ГУ категории по трещиноватости. В процессе проведения выработок от сопряжения необходимо тщательно осматривать и своевременно обирать заколы на сопряжении. Ожидаемый эффект от применения способа достигается за счет снижения затрат на буровзрывные работы и крепление.
Таблица 3
Расстояние от оконтуривающих зарядов ВВ до проектного контура Re на сопряжении
(массив с трещинами без заполнителя), м e
Distance from contouring explosive charges to project contour at the junction Re (massif with cracks without filler)
Категория трещиноватости Размер отдельности R 03 R =0,43 R е ' оз
АГО=3,25 Агг=4,0 Аг+=4,4
II 0,05...0,15 2,0.1,0 1,0.0,5 1,1.0,6 1,3.0,7
III 0,15...0,4 1,0.0,9 0,5.0,45 0,6.0,5 0,7.0,6
IV 0,4.1,0 0,9.0,8 0,45.0,4 0,5.0,45 0,6.0,55
V >1,0 >0,8 >0,4 >0,45 >0,55
Проведенные исследования могут быть использованы на горных предприятиях, а также при строительстве комплекса подземных сооружений железнодорожных тоннелей [2] и позволяют решить следующие задачи:
— разработать методические указания для определения устойчивых размеров об-
нажений при проходке горных выработок и на их сопряжениях с расчетами в программе <^ЕХСЕЬ>;
— определить допустимые динамически устойчивые размеры обнажений при проходке горных выработок и на их сопряжениях в любых горно-геологических и горнотехнических условиях;
— снизить себестоимость крепления — повысить уровень безопасности ра-
выработок и их сопряжений; бот.
Список литературы_
1. Булычев Н. С., Фотиева Н. Н., Стрельцов Е. В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. М.: Недра, 1986. 288 с.
2. Быкова Н. М., Шерман С. И. Северо-Муйский тоннель — из XX в XXI век. Новосибирск: Наука, 2007. 186 с.
3. Ветров С. В. Допустимые размеры обнажений горных пород при подземной разработке руд. М.: Наука, 1975. 232 с.
4. Ерофеев М. Е. Повышение эффективности горных работ на рудниках. М.: Недра, 1988. 249 с.
5. Певзнер М. Е., Иофис М. А., Попов В. Н. Геомеханика. М.: Московский государственный горный университет, 2005. 438 с.
6. Слепцов М. Н., Азимов Р. Ш., Мосинец В. Н. Подземная разработка месторождений цветных и редких металлов. М.: Недра, 1986. 206 с.
7. Строительство и эксплуатация рудников подземного выщелачивания / авт. В. Н. Мосинец, Д. П. Лобанов, М. Н. Тедеев и др. М.: Недра, 1987. 328 с.
8. Широков А. П., Писляков Б. Г. Расчет и выбор крепи сопряжений горных выработок. М.: Недра, 1978. 303 с.
9. Юрьевич Г. Г., Беляков В. Д., Севастьянов Б. Н. Охрана горных выработок от воздействия взрывов. М.: Недра, 1972. 280 с.
List of literature_
1. Bulychev N. S., Fotieva N. N., Streltsov E. V. Proektirovanie i raschet krepi kapitalnyh vyrabotok [Design and calculation of roof support capital developments]. Moscow: Nedra, 1986. 288 p.
2. Bykov N. M., Sherman S. I. Severo-Muyskiy tonnel — iz XX v XXI vek [North Muya tunnel — from the twentieth to the twenty-first century]. Novosibirsk: Science, 2007. 186 p.
3. Vetrov S. V. Dopustimye razmery obnazheniy gornyh porodpripodzemnoy razrabotke rud [Dimensions of the accepted outcrops of rocks in underground mining of ore]. Moscow: Science, 1975. 232 p.
4. Yerofeyev M. E. Povyshenie effektivnosti gornyh rabot na rudnikah [Increase of mining operations efficiency at mines]. Moscow: Nedra, 1988. 249 p.
5. Pevzner M. E., Iofis M. A., Popov V. N. Geomehanika [Geomechanics]. Moscow: Moscow State Mining University, 2005. 438 p.
6. Sleptsov M. N., Azimov R. Sh., Mosinets V. N. Podzemnaya razrabotka mestorozhdeniy tsvetnyh i redkih metallov [Underground mining of non-ferrous and rare metals]. Moscow: Nedra, 1986. 206 p.
7. Stroitelstvo i ekspluatatsija rudnikov podzemnogo vyshhelachivaniya (Construction and operation of mines); Authors: V. N. Mosinets, D. P. Lobanov, M. N. Tedeyev et al. Moscow: Nedra, 1987. 328 p.
8. Shirokov A. P., Pislyakov B. G. Raschet i vybor krepi sopryazheniy gornyh vyrabotok [Calculation and choice of mates lining of mine workings]. Moscow: Nedra, 1978. 303 p.
9. Yuryevich G. G., Belyakov V. D., Sevastyanov B. N. Ohrana gornyh vyrabotok ot vozdeystviya vzryvov [Protection from the effects of mining explosions]. Moscow: Nedra, 1972. 280 p.
Коротко об авторе _ Briefly about the author
Ъопин Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, Забайкальский институт железнодорожного транспорта, г. Чита, Россия. Область научных интересов: геотехнология, геомеханика, разрушение горных пород взрывом, физические процессы горного производства tyupinvn@mail.ru
Vladimir Tyupin, doctor of technical sciences, professor, Transbaikal Institute of Railway Transport, Chita, Russia. Sphere of scientific interests: geotechnology, geomechanics, destruction of rocks by explosion, physical processes of mining
Образец цитирования _
Тюпин В. Н. Методика определения динамически устойчивых размеров обнажений трещиноватого горного массива на сопряжениях выработок и железнодорожных тоннелей // Вестн. Забайкал. гос. ун-та. 2016. Т. 22. № 12. С. 30-36.
