CC BY
40
УДК 622.257.1
Ю.В. Бурков
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНЪЕКЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ
Перспектива освоения больших объемов подземного пространства в сложных горногеологических условиях при сильной нарушенно-сти вмещающих пород предъявляет повышенные требования к рациональному назначению паспортов крепления капитальных горных выработок, что приобретает особое значение при имеющейся тенденции к сокращению трудовых и материальных ресурсов и необходимости повышения эффективности капитальных вложений.
На сегодняшний день достигнуты значительные успехи в развитии механики подъемных сооружений. Однако существующее положение по проектированию и возведению породобетонных крепей горизонтальных горных выработок, проводимых в трещиноватых породах, не имеет достаточного научного обоснования.
Выполненный анализ производственного опыта и проектных решений возведения породобетонных крепей, литературных источников, а так же патентный поиск позволили установить, что:
- объем проведения капитальных горных выработок в зонах геологических нарушений в слабоустойчивых трещиноватых, нарушенных породах только на шахтах Кузнецкого угольного бассейна составляет до 25-30%. В связи с ежегодным увеличением глубины разработки и ухудшением горно-геологических условий в дальнейшем эта цифра будет возрастать;
- традиционные типы крепей с высокой гру-зонесущей способностью (монолитная бетонная, металлобетонная, тюбинговая и т.д.) в этих условиях не всегда обеспечивают нормальную эксплуатацию капитальных горных выработок;.
- в качестве основного средства поддержания выработок в устойчивом состоянии в трещиноватых, нарушенных породах все шире используется упрочнение вмещающего породного массива. Применение породобетонной крепи позволяет значительно облегчить условия работы традиционных типов крепи, а в ряде случаев вообще отказаться от них.
Таким образом, становится очевидной необходимость проведения исследований, направленных на изыскание дополнительных резервов несущей способности породобетонной крепи, возводимой непосредственно в забое при наличии необходимой трещиноватости вмещающего массива, когда вследствие инъекции скрепляющего раствора вокруг выработки образуется оболочка упрочненных пород, механические характеристики которой превышают соответствующие свойства окружающих пород.
В МГГУ совместно с КузНИИшахтостроем была разработана методика определения параметров породобетонных крепей, в основу которой легла расчетная схема в виде неоднородной ли-нейно-деформируемой среды, ослабленной вырезом произвольной формы. Параметры напряжен-
Геотехнология
41
но-деформированного состояния оболочки из упрочненных пород определялись из решения плоской контактной задачи теории упругости. Для реализации методики в автоматизированном режиме была разработана программа для ЭВМ, реализующая метод конечных элементов (МКЭ), которая позволяет проводить многовариантные численные эксперименты по отысканию рациональных параметров породобетонных крепей.
В результате многовариантных расчетов на ЭВМ при варьировании значениями параметров в реальных диапазонах изменения последних, наиболее характерных для условий Кузбасса, их обработки и обобщения были получены графики (рис. 1 и 2), позволяющие определить минимально необходимую в рассматриваемых условиях толщину упрочненной оболочки, обеспечивающую устойчивое состояние выработки.
Исходными данными для определения толщины оболочки упрочненных пород, наряду с ее геометрическими параметрами, являются также значения показателей прочностных и деформационных свойств пород в зоне упрочнения и в глубине массива. Прочностные свойства массива в зоне упрочнения Яу и вне ее Я характеризуются пределом прочности пород на одноосное сжатие, а деформационные - отношением в модулей деформации упрочненных Еу и неупрочненных Е пород. Определение параметров упрочнения производится в два этапа.
На первом этапе необходимо оценить воз-
можность, а так же целесообразность применения способа упрочнения в рассматриваемых условиях. Для этого, определив по известным методикам, например [1], значения Яу и §, надо на графике (рис.1) отыскать точку, отвечающую рассматриваемым условиям, т.е. с координатами (Яу^И, в). Попадание точки внутрь заштрихованной области, ограниченной линиями 2 и 3 (область II), означает, что условия поддержания выработки в устойчивом состоянии могут быть обеспечены путем создания оболочки упрочненных пород, толщина которой лежит в пределах от 0,5 до 3 м.
Область III, ограниченная линиями 3 и 4, соответствует такому сочетанию деформационных и прочностных свойств упрочненных пород, при котором устойчивость выработки может быть обеспечена только упрочнением пород на глубину свыше 3 м. Однако создание упрочненной оболочки с такими параметрами нетехнологично и трудновыполнимо, поэтому не может быть рекомендовано для производства работ по упрочнению и в этой связи не рассматривалось.
Если полученная точка лежит в области IV, то в этом случае устойчивое состояние выработки недостижимо при любой толщине упрочненной оболочки и, следовательно, в этих условиях использование инъекционного упрочнения принципиально невозможно.
В том случае, когда деформированные и прочностные свойства пород таковы, что точка с координатами (Яу/£И, в) лежит в области I, огра-
ниченной линиями 1 и 2, устойчивое состояние выработки может быть обеспечено упрочнением пород на глубину менее 0,5 м. Однако этот случай относится не к инъекционному упрочнению, а скорее к глубинному тампонажу, в связи с чем не является предметом исследований.
Таким образом, на первом этапе помимо информации о целесообразности применения инъекционного упрочнения пород, а так же о возможных путях, делающих этот способ осуществимым, имеется возможность получить ориентировочное представление о необходимой толщине упрочненной оболочки.
В случае возможности применения инъекционного упрочнения на втором этапе уже по другому графику (рис. 2) определяется точное значение необходимой толщины упрочненной оболочки. Поскольку результаты исследований предполагалось использовать в Кузнецком бассейне, где для оценки условий проведения и подержания выработок широко используется коэффициент устойчивости п[2], было признано целесообразным определять толщину зоны упрочнения в зависимости именно от этого показателя. При этом, входящий в него коэффициент структурного ослабления Kc при пустотности менее 10-15% может ориентировочно приниматься равным обратной величине отношения деформационных свойств упрочненных и неупрочненных пород Ь [1]. Замена показателя Ь на Kc позволяет подойти к вопросу определения параметров упрочнения с единых позиций расчета крепей [2] для этого бассейна.
Согласно рекомендациям [2], упрочнение пород целесообразно проводить при значениях коэффициента устойчивости п<0,5. В условиях возможного влияния соседних выработок или очистных работ толщина упрочненной оболочки принимается постоянной по периметру поперечного сечения выработки. При отсутствии пучения пород почвы упрочнение следует производить только в боках и кровле выработки.
Для получения обобщенных зависимостей исследования велись с использованием безразмерного показателя - относительной толщины
упрочненной оболочки ^ представляющей собой отношение реального значения толщины оболочки T к радиусу оболочки г. Относительная толщина упрочнения определяется по графику, изображенному на рис. 2.
Толщину упрочненной оболочки Т определяют в следующей последовательности. На первом этапе вычисляется коэффициент устойчивости п и находится коэффициент структурного ослабления Кс для рассматриваемых условий. Затем из соответствующей точки на оси абсцисс (шкала изменений п) восстанавливается перпендикуляр до его пересечения с перпендикуляром к оси ординат, проведенным из точки с заданным значением коэффициента структурного ослабления Кс. Величина относительной толщины упрочненной оболочки t находится интерполяцией интервала ее значений, соответствующих кривым, расположенным выше и ниже точки пересечения перпендикуляров. По определенной таким образом величине относительной толщины упрочненной оболочки t реальная ее толщина Т рассчитывается по формуле T = t0,63Sп, где Sп - площадь выработки проходке.
Таким образом, в процессе многовариантного численного моделирования на ЭВМ полученные данные, которые были интерпретированы графически (рис. 1 и 2), позволяют оценить возможность эффективного использования упрочнения, а в случае наличия таковой определить оптимальную толщину оболочки упрочненных пород, обеспечивающую устойчивость выработки. Результаты исследований легли в основу методики графического определения толщины упрочненной оболочки пород для наиболее распространенных горно-геологических условий. Следует отметить, что приведенные номограммы (рис. 1 и 2) позволяют определить параметры упрочнения хотя и в широком, но, тем не менее, ограниченном диапазоне условий. При необходимости определения толщины зоны упрочнения в условиях, не ограниченных выше, следует подготовить исходные данные и провести дополнительные расчеты по разработанной программе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бурков Ю.В., Комбинированные инъекционные крепи. / Ю.В. Бурков, В.А. Хямяляйнен, Г.С. Франкевич / КузГТУ, Кемерово, 1999, 298с.
2. Методика автоматизированного проектирования крепей капитальных горных выработок для условий Кузнецкого угольного бассейна - Кемерово / КузНИИшахтострой. 1988.-119с.
□ Автор статьи:
Бурков Юрий Васильевич, докт. техн. наук, проф. каф. теоретической и геотехнической механики КузГТУ Email: byuv.tgm@kuzstu.ru
Геотехнология 43
