CC BY
9
УДК 622.831.3
А.М.КОЗЕЛ, д-р техн. наук, главный научный сотрудник, тел. (812) 328-84-08 Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)
A.M.KOZEL, Dr. in eng. sc., chief research assistant, tel. (812) 328-84-08 Saint Petersburg State Mining Institute (Technical University)
НЕКОТОРЫЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ МЕТОДИК РАСЧЕТОВ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В КАПИТАЛЬНЫХ
ВЫРАБОТКАХ
Рассматриваются особенности напряженно-деформированного и механического состояния окружающих капитальные горные выработки пород, которые необходимо учитывать при разработке и совершенствовании норм и расчетных методик по обеспечению устойчивости этих выработок.
Ключевые слова: капитальные горные выработки, напряженно-деформированное состояние пород, учет в рекомендациях.
SOME GEOMECHANICAL ASPECTS IN THE DEVELOPMENT OF CALCULATION METHODS OF ROCK PRESSURE IN PERMANENT
MINE WORKINGS
The paper deals with the particular features of the stress-strain state and mechanical condition of the rocks surrounding the permanent mine workings; they should be taken into account in the development and updating of standards and calculation methods to ensure the stability of these workings.
Key words: permanent mine workings, stress-strain state of rocks, be taken into account in recommendations.
Проектирование капитальных горных выработок базируется на результатах исследований и практики прошлого периода, которые нашли отражение в СНиП 11-94-80 «Подземные горные выработки» и др. В настоящее время возникает немало новых сложных проблем, связанных с увеличением глубин разработок, с повышением напряженного состояния горных пород, с усложнением гидрогеологической обстановки. В указанных документах некоторые важные положения устарели. Так, исходное значение бокового давления в массиве горных пород считалось упругим боковым распором, равным (V / 1—у)уН, согласно решениям проф. СПбГУ О.Д.Хвольсона (Курс физики, 1897 г.) и др., или с учетом ползучести и пластичности пород принимался единичный
коэффициент распора X. Этой гравитационно-статической модели отвечает, в основном, применяемый для оценки устойчивости породы показатель типа JH/R. Сегодня уже хорошо известно, что реальное поле напряжений в массиве коренных пород весьма различно и нет прямой пропорциональности между напряжениями в нем и глубиной современного залегания пород.
Практика подтверждает отсутствие прямой связи состояния выработок с глубиной в целом [1]. Найденные эмпирические связи имеют частный характер. В ряде рекомендаций не учтены в должной мере различия в напряженном состоянии пород. Используются преимущественно решения плоских задач. Для адекватных оценок можно использовать фактическую прочность дан-
ной породы «в массиве», определяемую кругом Мора на фронте ее разрушения по паспорту ее прочности в реальном поле напряжений. В частности, в плоскости поперечного сечения выработки в равномерном поле боковых напряжений в массиве координатой центра круга является величина этих напряжений. Диаметр указанного круга Мора и некоторые связанные с ним соотношения напряжений оказываются функционально связанными с размерами предельных зон в породах. Определение же размеров последних как размеров «условных зон разрушения породы» приводит к ошибке до сотен процентов [2]. Горные породы обычно трещиноваты и часто слоисты. Это учитывают коэффициентом ослабления прочности Но он может быть применен обоснованно лишь к породам весьма и беспорядочно нарушенным. В других случаях этот коэффициент изменчив и, как правило, неизвестен. Следует принимать во внимание элементы ослабления прочности пород непосредственно по имеющимся методикам [1, 3] и совершенствовать их по современным данным.
Не учитывается ряд важных характеристик напряженного и деформированного состояний пород. Исследования распределения видов напряженного состояния вокруг выработки круговой формы поперечного сечения (например, в условиях равномерного распределения напряжений аг в массиве) показали, что вид напряженного состояния меняется для каждого из отношений этого радиального напряжения к осевому симметрично. В окрестности выработки характерны такие виды напряженного состояния как обобщенное растяжение и чистый сдвиг, а также промежуточные между ними состояния. Изменения вида напряженного состояния пород у выработки создают условия для реализации разных типов деформирования и разрушения пород по мере удаления от контура выработки и изменения отношений напряжений в нетронутом массиве.
В неравномерном поле радиальных напряжений в массиве осевая симметрия отсутствует (см.рисунок). Картина расположения разных видов напряженного состояния пород чрезвычайно усложняется. В связи с этим следует поставить под сомнение
0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 3,4 3,8 4,2 4,6 5,0 г/а
_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_!_I_|_|_
0
0,4 -0,8 1,2 -1,6 2,0 -2,4 -2,8 -3,2 -3,6 4,0 4,4 -4,8
Изменение вида напряженного состояния горных пород в окрестности незакрепленного шахтного ствола по оси, параллельной направлению максимальных радиальных напряжений в массиве при соотношении ъу /ъх = 0,5: а -радиус ствола; г - текущие координаты; ц = -1 (прямая линия); ц = 0 (пунктир); ц = +1 (штрихпунктирная линия)
преимущественное использование оценки устойчивости пород, поскольку в них не учитывается реальное напряжение в осевом для выработки направлении. Проведенные расчеты с учетом этого напряжения в целом дают результаты, которые значительно отличаются от результатами решения плоской задачи. Исключением является область единичного отношения бокового давления к осевому и вблизи нее.
Пока в практических рекомендациях нормативно-методических документов не отражены широко обсуждаемые явления формирования вокруг выработок одиночных или серии дифференцированных структур, развитие которых связывают больше с условиями больших глубин. Уже довольно давно замечено образование опоясывающих выработку трещин в породах, что логично объясняли деформациями удлинения в породах в радиальном направлении в процессе образования подземной выработки.
Это соотносили с вертикальным отколом при испытании горных пород, в том числе в опытах применительно к условиям открытой стенки А.Фёпля, Ф.А.Белаенко и др. Появление серии таких трещин тракто-
41
Санкт-Петербург. 2010
Ъх/Ъ
вали как последовательное разрушение пород на «ложных» контурах, образуемых трещинами. В ряде случаев при расширении выработок вокруг них обнаруживалась «чашеобразная» система ясно различимых слоев пород. В частности, по свидетельству Г. Шпакелера ^Шкаи£ 1929, № 51) на шахте «Генерал Блюменталь» такие слои пород имели толщину 20-30 см независимо от природного напластования твердых пород. Похожие слои представляют и некоторые современные исследователи [7]. Но вряд ли можно объяснить все эти явления только статическим отколом пород, тем более в выработках, пройденных буровзрывным способом, в том числе и на объектах исследований работы [7].
Как установлено исследованиями [6], вокруг выработки, пройденной буровзрывным способом, образуются зоны кольцевых трещин, которые разделяют массив на отдельные слои. Наши исследования в вертикальных шахтных стволах в Донбассе [5] включали изучение приствольной зоны наведенной трещиноватости пород, испытания прочности пород, удельных весов, плотности, петрографические исследования, статистические оценки результатов. Породы отбирались из вертикальной осевой скважины до проходки ствола и из радиальных скважин в процессе проходки в 30-40 м выше его забоя, глубина до 440 м. В радиальных скважинах определялись и напряжения в породах. Глубина зондирования до 10 м. Установлено формирование в окружающих ствол породах чередующихся зон повышенной и пониженной прочности и, соответственно, повышенных и пониженных напряжений. Породы прочных зон имели повышенную плотность, меньшую пористость и уменьшенное содержание цемента. Расчеты в контактной задаче с условием волнообразного изменения сцепления пород показывают, что наличие зон упрочненных пород существенно сдерживает развитие предельных областей пород [5]. Это может быть использовано при разработке и совершенство-
вании норм и рекомендаций. Наличие в породах трещин расслоения и окаймляющих структур может коренным образом менять работу анкерной крепи, что также необходимо учитывать в расчетах [4].
ЛИТЕРАТУРА
1. Козел А.М. Геомеханические вопросы проектирования и поддержания шахтных стволов. Т.1. СПб: Недра, 2001. 216 с.
2. Козел А.М. Об оценке прочности и устойчивости пород в выработке // Горный вестник. 1998. № 5. С. 40-48.
3. Козел А.М. Устойчивость пород в вертикальном стволе при усложнении горно-геологических условий рудников // Горный журнал. 1994. № 4. С. 49-53.
4. Козел А.М. Работа анкеров в системе крепи // Горный журнал. 2003. № 11. С. 31-35.
5. Козел А.М. Горное давление и способы поддержания вертикальных стволов / А.М.Козел, В.А.Борисо-вец, А.А.Репко М.: Недра, 1976. 293 с.
6. Контурное взрывание в угольных шахтах / П.Я.Таранов, Е.М.Гарцуев, А.Г.Гудзь и др./ Донецк: Донбасс, 1972. 88 с.
7. Курленя М.В. Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок / М.В.Курленя, В.Н.Опарин // Механика горных пород. Горное и строительное машиностроение. Технология горных работ /ИГД СО РАН. Новосибирск, 1993. С. 58-61.
REFERENCES
1. Kozel A.M. Geomechanical Aspects of Designing and Maintenance of Mine Shafts. Book 1. Saint Petersburg: Nedra, 2001. 216 p.
2. Kozel A.M. On Assessment of Strength and Stability of Rocks in the Mine Working // Gorny Vestnik. 1998. N. 5. P.40-48.
3. Kozel A.M. Stability of Rocks in the Vertical Shaft under Complicated Geological and Mining Conditions at Ore Mines // Mining Journal. 1994. N.4. P.49-53.
4. Kozel A.M. Performance of Anchors in the Support System // Mining Journal. 2003. N. 11. P.31-35.
5. Kozel A.M. Rock Pressure and Methods for Maitenance of Vertical Shafts / Kozel A.M., Borisovets V.A., Repko A.A. Moscow: Nedra, 1976. 293 p.
6. Contour Blasting in Coal Mines / Taranov P.Ya, Gartsuev E.M., Gudz A.G., Lavrinenko S.M., Afendikov S.M. Donetsk: Donbass, 1972. 88 p.
7. KurleniaM.V. Phenomenon of Zonal Disintegration of Rocks around the Underground Workings / Kurlenia M.V. and Oparin V.N. // Rock Mechanics. Mining and Industrial Machine-building. Mining Technology / Novosibirsk, 1993. P. 58-61.
