CC BY
36
СЕМИНАР 6
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -
МОСКВА, МГГУ, 25.01.99
- 29.01.99
^ Е.А. Сдвижкова, С.Б. Тулуб, ' і: і: і: і В.Г. Агеев, 2000
УДК 622.83 :: :: :: :: ::
Е.А. Сдвижкова, С.Б. Тулуб, В.Г. Агеев
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ АЗИМУТА ПРОВЕДЕНИЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА ИХ УСТОЙЧИВОСТЬ
В................................
практике разработки уголь-ных месторождений не установлено определенной взаимосвязи между интенсивностью проявления горного давления и тектоническими особенностями разработки участка месторождения. Имею-щиеся в технической литературе высказывания на этот счет носят в основном априорный характер, не подкрепленный соответствующими исследованиями. Анализ состояния подготовительных подземных выработок на некоторых шахтах Донбасса (например, Красноармейского и До-нецко-Макеевского районов) показывает, что при прочих равных услови-ях(глубина заложения выработки, геометрические размеры сечения, способ крепления и охраны, физикомеханические свойства пород) более деформированными оказываются те выработки , которые находятся в зоне наибольших разрывных нарушений (микро-сбросов, небольших подвижек, ориентированных под углом к слоистости) . Интересным фактом является и то, что в пределах одной и той же системы трещин выработки, пройденные в противоположных направлениях, оказываются в диаметрально различных с точки зрения устойчивости состояниях. То есть имеются предположения о том, что направление падения трещин оказывает неоднозначное влияние на состояние выработок в зависимости от направления их проведения.
Считать этот факт установленным нельзя исходя только из анализа на-
гтуршх 1 шшлюшшш шош ШШШ
ленных в больших количествах. На состояние горного массива влияет слишком большое число факторов чтобы отделить влияние одного от другого и сделать соответствующие выводы. Поэтому уместно для выявления влияния на механическое состояние массива только направления падения трещин выполнить "чистый'' эксперимент, моделируя интересующие нас ситуации численно, исключив влияние случайных факторов.
Таким образом, в данной работе преследуется цель: исследовать напряженно-деформированное состояние пород вокруг протяженной горной выработки при наличии систем трещин, ориентированных различным образом по отношению к направлению проведения выработки. Анализ различных вариантов расчетных схем, а также учет имеющихся решений задач подобного плана (например о распределении напряжений вокруг выработки в анизотропной среде) приводит к следующим выводам в отношении постановки задачи: 1) различное влияние на напряженное состояние массива вокруг выработок, проводимых в различных направлениях, окажут те плоскости ослабления, которые оставляют след на продольном сечении выработки; 2) для установления этого влияния следует рассмотреть конечное число плоскостей ослабления, след которых составляет с направлением проведения выработки углы а и 1800 - а. В дальнейшем указанный угол будем называть углом встречи трещины с выработкой.
Существенным затруднением при
решении поставленной задачи является то, что она является трехмерной, т.е. продольное сечение выработки не находится в условиях плоской деформации или плоского напряженного состояния. Поэтому, чтобы обоснованно перейти все же к двумерной расчетной схеме рассмотрим некоторую условную полость в массиве, протяженную и в направлении, перпендикулярном к направлению проведения выработки. К сечению такой полости можно применить гипотезу о плоской деформации. Окончательно расчетная схема представляет собой бесконечную плоскость, вмещающую прямоугольный вырез размерами 10х0.5т (т - высота подготовительной выработки), имитирующий описанное выше сечение, а также трещину, примыкающую к границе выработки со стороны кровли. Длина трещины: 3 т .
Решение выполнялось методом граничных элементов в форме разрывных смещений [1]. Контур выработки аппроксимировался 44-мя элементами длиной 0,5 т. Задача о полости в бесконечной пластине с заданными на бесконечности ненулевыми напряжениями относится к так называемым внешним задачам. Традиционно такие задачи решаются в терминах дополнительных напряжений и перемещений. В качестве начальных напряжений, прикладываемых на бесконечности, использовались напряжения нетронутого массива:
Sy = - gH; sz = -^Н; I = п /(1 - п), где g- объемный вес пород; Н -глубина расположения выработки; п - коэффициент Пуассона.
Для элементов, аппроксимирующих контур выработки граничные условия имеют вид: (полное нормаль-
ное напряжение) = 0; ss (полное касательное напряжение) =0. Трещина рассматривалась как "зияющая" т.е. незаполненная глинистым материалом и не имеющая поверхностей контактов. Граничные условия на элементах, принадлежащих трещине также имеют вид: ss = 0 и = 0.
Результатами расчетов являются величины напряжений и перемещений на граничных элементах, а также во внутренних точках области. Предполагается, что компоненты напряжений и деформаций будут меняться в зависимости от положения трещин.
Очевидно, что анализ изменения каждого из компонентов затруднителен, да и бесполезен для оценки состояния массива в целом. Необходимо определиться с некоторым обобщенным показателем устойчивости, который можно было бы охарактеризовать количественно. Воспользуемся предложенной в [2] методикой интегральной оценки устойчивости пород по конфигурации и размерам так называемых "условных" зон неупругих деформаций. Под последними понимают примыкающую к выработке область в упругой модели массива пород, в которой не выполняется условие прочности, вытекающее из той или иной феноменологической теории . В данной задаче в качестве критерия прочности использовалось предложенное в [3] условие перехода пород в неупругое состояние:
у)2+ 4 2^сж2у -(1-у) scж(sx+sy)=0,
(1)
где у = sсж / sр •
При решении задачи численным методом получить уравнение границы условной зоны неупругих деформаций в замкнутом виде не удается. Поэтому применялся следующий приближенный подход. В соответствии с алгоритмом метода граничных элементов в М точках массива, не принадлежащих границе, (они называются "полевыми"), определяются напряжения и перемещения. В каждой из этих точек проверяется выполнение критерия (1). Пусть К точках из М проверенных относится к условной зоне неупругих деформаций. Тогда отношение К/М будет показывать, какая часть при-контурного массива перешла в новое качественное состояние, т.е. в какой части потенциально возможно нарушение сплошности, либо необратимые деформации. Будем называть отношение W=К/М для краткости показателем разрушения пород. Этот показатель определялся для каждого варианта расчета.
Собственно моделирование заключалось в варьировании угла встречи а трещины с выработкой в диапазоне а О [100;1700] , а также числа трещин от одной до пяти.
Наиболее показательные результаты расчетов заключаются в следующем. Наличие одной трещины под углом а = 100 на расстоянии 0,5 т от правой границы полости сущест-
венно изменяет поле вертикальных нормальных напряжений sy по отношению к тому, что имеет место в отсутствие трещин. Нарушается симметрия распределения, значения напряжений меняются скачкообразно, оставаясь, однако, сжимающими. На расстоянии 0.8т от трещины сжимающие напряжения достигают максимума ^Н), затем резко снижаются в непосредственной близости от нее. Неравномерность распределения при таком расположении трещины характерна и для остальных компонентов тензора напряжений. Часть массива в кровле выработки переходит в запредельное состояние. С ростом угла а зона неупругих деформаций возрастает, при а = 40 - 500 достигает наибольшего значения, затем уменьшается, и только при а = 900 зависимость w = f (а ) имеет еще один максимум. Трещина, падающая на выработанное пространство (а >900) не вызывает качественных изменений в породах кровли. Наличие такой трещины даже не вносит существенных изменений в поле напряжений. Ее положение можно считать не ухудшающим устойчивость выработки.
Наличие второй трещины на расстоянии 0,5т от первой повышает концентрацию сжимающих напряжений. Максимум их располагается на расстоянии 0,7 т от второй трещины и достигает значения 17gН. Характер изменения напряжений такой же как и при наличии одной трещины, но амплитуда скачкообразных изменений выше. Однако, такое неравномерное поле напряжений имеет место только при значении угла встречи выработки с трещинами а =100. При этом же значении а наблюдается наибольший размер зоны разрушения. С увеличением угла встречи поле напряжений становится менее скачкообразным и уменьшается площадь пород, перешедших в запредельное состояние. Анализ зависимости показателя разрушения от угла а также свидетельствует о негативном влиянии на устойчивость выработки трещин, угол встречи которых с выработкой меньше 900.
Третья трещина, расположенная на расстоянии 0,5т от второй вызывает появление растягивающих напряжений sy. Вблизи трещины наблюдается резкий скачок напряжений от максимального
сжимающего ^у = 22gH) до максимального растягивающего ^у = -10gй). Неравномерность поля напряжений сопровождается образованием зон неупругих деформаций, наибольший размер которых наблюдается также при а =100. График зависимости показателя разру-шаемости от угла встречи как и в предыдущем случае указывает на большую возможность разрушения пород при падении трещин на массив.
Появление четвертой трещины в расчетной схеме значительно снижает уровень сжимающих напряжений. Их концентрация не превышает 3gH . Растягивающие напряжения имеют такую же концентрацию как и при варианте трех трещин. И, наконец, наличие пятой трещины снижает уровень и сжимающих и растягивающих напряжений, уменьшает скачкообразность их распределения в кровле выработки.
Следует, однако, отметить, что и при пяти трещинах, несмотря на меньшую скачкообразность изменения sy, есть существенные отличия в распределении этих напряжений при а < 900 и а > 900. При а = 10° в кровле выработки имеются растягивающие напряжения, хотя и небольшие по величине, но резко меняющиеся на сжимающие. При противоположном направлении падения трещины (а =1700) напряжения sy почти стабильны, растягивающие напряжения отсутствует.
При наличии пяти трещин неупругие деформации возникает только при а = 200. Дальнейшее увеличение числа трещин, пересекающих выработку, не моделировалось. Уже по имеющимся расчетам можно предположить, что с ростом числа трещин и уменьшением расстояния между ними напряженное состояние будет приближаться к тому, которое характерно для массива без трещин за исключением непосредственной окрестности поверхностей ослабления.
Обобщив вышесказанное можно остановиться на следующих выводах:
1. Наиболее опасной с точки зрения потери устойчивости является ситуация, когда забой выработки пересекает единичную поверхность ослабления, т.е. начальный момент входа в зону трещиноватости либо пересечение локально расположенного нарушения.
2. Наличие 2-х, 3-х, 4-х трещин, расположенных на расстоянии 0.5т (т.е. на расстоянии, меньшем попе-
речных размеров выработки) также создает условия для образования областей потенциального разрушения пород кровли.
3. Наличие 5-ти и более трещин соответствует понятию "регулярная трещиноватость" и значительно снижает концентрацию нормальных напряжений в приконтурной зоне.
4. Во всех перечисленных случаях возможность разрушения значительно больше тогда, кога угол встречи выработки с плоскостями ослабле-
ния меньше 900, а для большинства случаев колеблется в пределах 100500.
5. Из предыдущего пункта вытекает следующий вывод: если в какой-либо литологической разности имеются плоскости ослабления, угол падения которых составляет а =100 - 500, то выработка, проводимая так, что угол встречи ее с этими плоскостями также составляет а =100 - 5000 окажется в неблагоприятных с точки зрения устойчивости
условиях; если в этой же литологической разности выработка будет проводиться в противоположном направлении, то угол встречи ее с имеющимися плоскостями ослабления составит уже на а , а 1800 - а , то есть 1700 - 1300, что для напряженного состояния пород, а, следовательно, и для устойчивости выработки не имеет существенного значения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крауч С., Старфилд А. Метод граничных элементов в механике твердого тела.-М.:Мир,1987. - 324 с.
2. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений.-М:: Не-
дра,1982.-272 .
3. Шашенко А.Н., Сургай Н.С., Парчевский Л.Я. Методы теории вероятности в механике твердого тела. - Киев:Техника,1994. - 216с.
/
*7
Сдвижкова Е.А. кандидаї технических наук, Национальная і орная академия Украины.
Тулуб С.Б. кандида т технических наук, Национальная \ орная академия Украины. Агеев В.Г. Национальная г орная академия Украины.
...СЕМИНАР 6,
::::::::: ДОКЛад на СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ горняка -Ц 99"
МОСКВА, : МГГУ, -25.01 99: - 29 01.99
^ С.Б. Тулуб, В.И. Костогрыз, В.Д. Железняк, 2000
удк 622.83
С.Б. Тулуб, В.И. Костогрыз, В.Д. Железняк І;
ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ Ц
ПАРАМЕТРОВ РАМНЫХ КРЕПЕЙ ДЛЯ УСЛОВИЙ ІІ
ПОДДЕРЖАНИЯ ВЫРАБОТОК В ПУЧАЩИХ ПОРОДАХ І;
..........................оору жепие ' 'ишксплуатацйя ' горных
выработок на угольных шахтах Центрального Донбасса сопряжены с большими объемами ремонтновосстановительных работ. Это объясняется, в первую очередь низкой прочностью вмещающего угольные
пласты массива, представленного в бассейне слабометаморфизированны-ми глинистыми породами. Вторым усугубляющим фактором является склонность пород к резкой потере несущей способности при их влагона-сыщении. Даже небольшое количество воды, например, от промывке шпуров при их бурении, создает в приконтурном массиве пластическую зону, которая не обладает несущими свойствами, а участвует лишь в передаче внешних нагрузок и их перераспределении по контуру крепежных рам. Кроме того, при увлажнении глинистые породы увеличиваются в объеме (набухают), что дополнительно изменяет величину и характер нагрузок на крепь.
В этих условиях к конструкциям крепи предъявляются дополнительные требования, среди которых, наряду с повышенной несущей способностью, обязательным является соответствие формы крепежной рамы -
Рис. 1. Характер деформирования массива в окрестности круглой незакрепленной выработки (а) и изменение его энергетического состояния (б) в почве (1) и кровле (2).
кривой давления на нее, а также увеличенный запас конструктивной податливости. Поэтому, применяющиеся на шахтах бассейна традиционные арочные крепи с прямолинейными или наклонными стойками (АПК, КШПУ) не всегда отвечают этим требованиям.
С целью выбора и оптимизации конструктивных параметров рамных крепей применительно к условиям поддержания выработок на шахтах Центрального Донбасса выполнены лабораторные исследования на моделях из эквивалентных материалов. Это - один из наиболее освоенных методов, который позволяет получить достаточно полную качественную картину процессов, происходящих во вмещающем горную выработку массиве под воздействием внешних нагрузок.
Моделирование выполнено в лаборатории кафедры строительства шахт и подземных сооружений НГА Украины в соответствии с работами [1,2].
В качестве эквивалентного материала выбрана песчано-парафинографитовая смесь с добавлением солидола в соотношениях 90,8: 2: 0,7: 0,5 % соответственно. Такой состав наиболее полно отвечает физико-
следуемых пород в реальных условиях.
Работы по моделированию проводили на специальном стенде, представляющем собой плоскую камеру с передней прозрачной стенкой из оргстекла и систему рычажных домкратов. При испытаниях в камеру закатывали разогретый эквивалентный материал. После его остывания под нагрузкой снимали переднюю стенку, наносили мерную сетку, производили «проходку выработки», в которой устанавливали крепь с замками податливости, изготовленную из алюминиевой фольги. Затем камеру закрывали оргстеклом и с помощью рычажных домкратов загружали моделируемый массив. Нагрузку задавали с интервалом в 5 кг. Возникающие при этом деформации мерной сетки регистрировали на каждом і-м этапе нагружения с помощью фотоаппарата, установленного в одном положении на время всего эксперимента. Качественную картину поведения массива строили на основании изучения измерений фиксированного квадрата мерной сетки на фотоснимках.
Для исследуемых вариантов выбирали шесть основных сочетаний форм крепей и сечений выработок: круглой незакрепленной, арочной формы с вертикальными стенками и незамкнутой крепью, арочной формы с наклонными стенками и незамкнутой крепью, арочной формы с подковообразной незамкнутой крепью, арочной формы с вертикальными стенками и замкнутой крепью, круглой формы с кольцевой крепью.
Графическая зависимость, отражающая характер деформирования породного массива в окрестности одиночной выработки строилась в системе координат «Е - Р», где Е - относительные изменения размеров фиксированного квадрата мерной сетки; Р- нагрузка на конце рычага домкрата (величина, пропорциональная напряжениям, действующим в моделируемом массиве).
Уровень потенциальной энергии в приконтурной части выработки оценивался отношением
П =
механическим характеристикам ис-
Рг-1 - Рг
Еі-1 - Ег
Чем выше уровень потенциальной энергии, тем меньше величина перемещений, вызванных разрушением структурных связей массива.
На рис.1, а показан характер деформирования приконтурного массива в кровле (1) и почве (2) незакрепленной выработки круглой формы в зависимости от величины внешней нагрузки. Отчетливо прослеживаются три характерных области: ОА (ОА ) -упругого деформирования, АВ (А В ) -пластического разупрочнения и разрыхления и ВС (В С ) - пучения пород почвы. Изменение энергетического состояния приконтурного массива в процессе нагружения видно на рис.1,
б. Здесь также выражены три характерные энергетические зоны, совпадающие с соответствующими областями деформирования. Наиболее высокий уровень потенциальной энергии в окрестности выработки отвечает упругой стадии деформирования (I). Затем происходит разрушение прикон-турного массива в пределах области неупругих деформаций. Часть потенциальной энергии при этом расходуется на разрыв структурных связей и уровень ее снижается (II). Вспучивание пород почвы приводит к такому изменению формы выработки, при которой прикон-турный массив не в состоянии содержать прежний уровень потенциальной энергии. Переход в новую энергетическую зону (Ш) сопровождается резким увеличением смещений пород почвы и их уменьшением в кровле выработки.
Следует отметить, что во всех опытах нагрузка прикладывалась ступенчато, с соответствующей регистрацией смещений точек массива. Это способствовало появлению на графике (рис.1, б) ступенчатой диаграммы энергетических состояний. В случае же плавно возрастающей нагрузки и непрерывной регистрации смещений фиксированных точек массива была бы получена некоторая плавная кривая, характеризующая переход из одной энергетической области в другую. Возможный вид ее также показан на этом рисунке.
Аналогичные исследования проводились для остальных выше отмеченных моделей, которые показали, что наиболее высокий уровень устойчивости приконтурного массива обеспечивают замкнутые конструкции крепей.
Наименее благоприятными по устойчивости являются крепи с прямолинейными стойками - арочная с вертикальными стойками и шатрового типа. Смещения контуров выработок, закрепленных такими крепями происходят с боков уже на начальной стадии нагружения моделей. Стойки крепей быстро деформируются, что препятствует срабатыванию замков податливости. В дальнейшем, по мере увеличения нагрузки, появляется пучение и интенсифицируются боковые деформации с заполнением большей части сечения выработки. Формы крепежных рам сильно искажаются и практически не влияют на процессы деформирования пород.
Подковообразная форма крепи по показателю устойчивости занимает некоторое среднее положение между замкнутыми крепями и крепями с прямолинейными стойками. Уменьшение размера поперечного сечения выработки с подковообразной крепью по мере повышения нагрузки на модель происхо-
дит почти без изменения формы крепи и на меньшие, чем у крепей с прямолинейными стойками, значения. Замки податливости срабатывали во всех опытах при их дублировании.
Результирующие графики деформации пород почвы приведены на рис.2. Из их анализа следует, что в исследуемых условиях наиболее радикальным средством борьбы с пучением пород являются замкнутые крепи. Наиболее целесообразно в этом плане применение кольцевой крепи.
Конструкции крепей с прямолинейными стойками практически не влияют на устойчивость пород почвы.
Подковообразные крепи также не обеспечивают полного предотвращения пучения пород почвы, однако несколько уменьшают интенсивность этого процесса и сохраняют форму сечения выработки, а значит и ее расчетную несущую способность, что позволит уменьшить объем подрывок
почвы и перекреплений в выработках. Такой вариант поддержания выработок в условиях пучащих пород может оказаться вполне конкурентоспособ-
ным по отношению к замкнутым крепям, если учесть трудоемкость и стоимость их возведения в нынешних экономических условиях.
С учетом изложенного арочная крепь подковообразной формы рекомендуется для испытаний непосредственно в шахтных условиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Кузнец°в Г.Н. Экспериментальные методы исслед°вания 2. Шашенко А.Н. Устойчивость подземных выработок в неод-
в°пр°с°в горного давлення // Труды совещання по управленню г°р- нородном породном массива./Автореф. „.д-ра. техн. наук.- Днепро-
ным давлением.-М.: Углетехиздат, 1948.- С.9-149. петровск, 1988.-38с.
/
г
Тулуб С.Б. кандида т технических наук, Национальная г орная академия Украины. Костогрыз В.И. кандидат технических наук, Национальная г орная академия Украины.
Железняк В.Д. инженер, Национальная горная академия Украины.
Рис. 2. Характер деформирования пород почвы одиночных выработок:
1 - арочной с вертикальными стойками; 2 - шатровой; 3 - арочной с обратным сводом; 4 -кольцевой; 5 - подковообразной; 6 -незакрепленной
