CC BY
54
Результаты измерений нагрузок на крепь
Место проведения измерений Средняя нагрузка крепь (10) Па, при которой выработка теряет устойчивость Рт/Рз
С тампонажем закрепного пространства Рт С забутовкой породной мелочью Рз
в кровле 1,66 0,68 2,44
в боках 2,65 1,51 1,77
в почве 1,96 1,09 1,83
по периметру 2,13
щем случае, так как при испытании крепи с забутовкой породной мелочью Л = 0,66. В отличие от модели крепи с забутовкой закрепного пространства породой в данном случае разрушение крепи не наблюдалось даже при приложении к ней нагрузки со стороны массива, превышающей прежнюю на 34 % (максимальные напряжения на контуре выработки в боках составили 3.1-105 Па) без образования зоны неупругих деформаций. Измерение напряжений в крепи показывает, что тампонаж закрепного пространства обеспечивает более равномерное распределение нагрузок по периметру крепи, чем при креплении выработок с забутов-
кой мелкой породой. Графики распределения напряжений в массиве приведены на рис. 1.
Результаты измерений нагрузок на крепь в модели приведены в таблице.
Согласно данным, таблицы, выработка, закрепленная кре-
пью ГТК с забутовкой мелкой породой, теряет устойчивость при нагрузках на крепь в среднем в 2,13 раза меньших, чем при креплении крепью ГТК в сочетании с тампонажом за-крепного пространства
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузнецов, Г. Н. Моделирование проявлений горного давления. - М. : - Недра, 1978.
2. Катков, Г. А. Исследование горного давления с применением фотоупругих элементов. - М. : - Недра, 1978. - 131 с.
3. Техническое описание и инструкция по эксплуатации: Прибор для испытания грунтов на сдвиг П10С. - М. : Внешторгиздат, 25489/75 (4953).
□ Автор статьи:
Росстальной Евгений Борисович - соискатель кафедры теоретической и геотехнической механики
УДК 622.33: 550.372
Е. Б. Росстальной
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМБИНИРОВАННОГО КРЕПЛЕНИЯ ВЫРАБОТОК С ПРИМЕНЕНИЕМ СТАЛЕБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Инъекционное укрепление приконтурного слоя пород приводит к формированию несущего слоя, способного обеспечивать устойчивость выработки. Применение инъекционного упрочнения в сочетании с традиционными видами крепи (бетонной, арочной металлической, анкерной и др.) в целом ряде случаев способствует оптимизации затрат на поддержание выработок в устойчивом состоянии [1].
Технология управляемого
инъектирования горных пород и создания тем самым вокруг выработки несущей оболочки из зацементированного массива включает бурение скважин, определение распределения по скважине поглощающей способности пород, искусственное изменение гидродинамического сопротивления пород пропорционально поглощающей способности и нагнетание цементного раствора в скважины. Данная технология позволяет обеспечить равномерное распро-
странение раствора от нагнетательной скважины в породном массиве с неоднородной трещиноватостью, что способствует повышению качества инъектирования. Данный метод управления состоянием массива трудоемок, поскольку требует большого объема буровых работ, измерений поглощающей способности пород и изменения их гидродинамического сопротивления. При этом тампонирование пород, как правило, ведут параллельно с установкой обыч-
і
Рис. 1. Структура массива, прилегающего к сталебетонной крепи:1 - рамная металлическая крепь; 2 - бетонная оболочка;
3 - слой обломков породы с частично зацементированными пустотами; 4 - зацементированная трещиноватая порода; 5 -незацементированная зона технологической трещиноватости
ной крепи капитальных выработок (бетонной, арочной металлической с затяжкой). Поэтому данная технология приводит к нерациональному расходу цемента в случаях, когда для обеспечения устойчивости выработки не требуется цементировать массив на всю глубину зоны нарушенных пород.
Одним из перспективных технологических решений является крепление горных выработок породобетонной крепью, сочетающее цементацию пород с облегченными конструкциями крепи, включающее установку рамной металлической крепи с затяжкой вслед за подвиганием забоя, монтаж опалубки с нагнетательными патрубками, приготовление смеси на основе цемента, нагнетание смеси в заопалубочное пространство и образование тем самым облицовочно-несущей оболочки путем омоноличивания рам крепи между собой и с горной породой
[2].
Данная технология не требует специального бурения скважин и нагнетания в них скрепляющих растворов, кроме участков со сложными горногеологическими условиями. Тампонажный цементно-
песчаный раствор нагнетают в заопалубочное пространство при минимальном давлении, не превышающем 0,1 МПа. При этом раствор, заполняя пространство между опалубкой и контуром выработки, частично распространяется по трещинам в глубь породного массива. Возведенная таким образом крепь включает следующие основные несущие слои: металлический контур рамной крепи; железобетонная оболочка; зацементированная порода. Данная технология менее трудоемка, а также дает возможность более рационально расходовать строительные материалы (металл и цемент) [3].
Экспериментальные геофизические исследования, проведенные на опытном участке возведения сталебетонной кре-
пи на ш. "Юбилейная" позволили установить особенности структуры техногенного массива (рис. 1).
Несущая способность возведенной крепи в значительной степени зависит от толщины слоя зацементированной породы. В реальных условиях толщина этого слоя изменяется в диапазоне от 0,1 до 1,5 м в зависимости от типа породы и ее естественной нарушенности,
технологии проходки выработки, геомеханического влияния соседних выработок, состава смеси, давления и других факторов. Глубина проникновения цементного раствора определяется трещинной проницаемостью пород. Существующая
технология не позволяет учесть неоднородность горных пород в приконтурной зоне выработки, что приводит в результате к неравнопрочности облицовочно-несущей оболочки и фактическому перерасходу материалов (металла и раствора).
Снижение расхода материалов при сохранении равнопроч-ности облицовочно-несущей
оболочки крепи можно обеспечить за счет учета частичного упрочнения пород при тампонаже заопалубочного пространства. До установки крепи и монтажа опалубки дополнительно измеряют распределение проницаемости трещин породы по нормали к поверхности выработки по всей длине участка
крепления, расчетную нагрузку на облицовочно-несущую оболочку крепи уменьшают пропорционально проницаемости пород, а параметры крепи изменяют в соответствии с уменьшенной нагрузкой.
Разработаны схемы измерения физических параметров приконтурной зоны массива без применения и с применением шпуров (рис. 2).
При бесшпуровой схеме геоконтроля (рис. 2, а) вслед за подвиганием забоя выработки 6 в незакрепленном пространстве измеряют эффективное удельное электросопротивление (УЭС) пород рк путем установки на поверхность выработки электродов АМЫБ параллельно забою 7, подключения их соединительными проводами 4 к прибору 5 и снятия замеров. При указанном расположении электродов АМЫБ радиальные трещины 1 в зоне нарушения пород, ориентированные по нормали к контуру выработки, перпендикулярны к линиям тока, и величина рк пропорциональна коэффициенту трещинной пустотности т (в Ом-м):
р = КВ рП у, (1)
где рП - УЭС породы без трещин, Ом-м; КВ - поправочный коэффициент, учитывающий
влияние поверхности выработки; у - средняя относительная
Рис.2. Схемы измерения физических параметров приконтурного массива четырехэлектродным бесшпуровым электрометрическим (а), двухэлектродным шпуровым (б) и реометрическим (в) методами:1 - радиальные трещины; 2 - накладные электроды; 3 -направление перемещения электродов в поперечном сечении; 4 - соединительные провода; 5 - измерительная установка; 6 - направление перемещения электродов по оси скважины; 7 - забой выработки; 8 - шпур; 9 - шпуровой электрод; 10 - изолирующее устройство (пакер);
11 - нагнетательная установка
площадь скального контакта между берегами трещин, отнесенная к единице площади их поверхности.
Определяют средние значения рк, т результатов измерений по профилю в бортах и кровле выработки, вычисляют средний по сечению (профилю) коэффициент трещинной проницаемости по нормали к поверхности выработки по формуле (в м2)
кпр = 0,043т2,1 •82, (2)
где 8 - среднее раскрытие трещин, принимаемое равным 10-3 м.
При применении шпурового электрофизического метода (рис. 2, б) по контуру выработки бурят 5-10 шпуров 8 глубиной до 0,5 м, в которые устанавливают пружинные или щеточные электроды 9. Измерения УЭС приконтурной зоны массива
производят по двухэлектроднои схеме:
ЯЯ пЯЬ пЬ (и п
Рк =-----*-------= —I----------Я
верстиИ по формуле:
Я „
Ь
сх
т = ■
я,
(4)
скв
(3)
где Я - электросопротивление участка цепи, Ом; Ь - расстояние между измерительными шпурами, м; Я - площадь контролируемого сечения, м2; и -напряжение источника питания, В; I - ток зондирования, А; Ясх
- электросопротивление элементов измерительной схемы, Ом.
Для тарировки электрофизического геоконтроля применяют прямые газодинамические измерения, включающие установку в шпуры изолирующих пакеров 9 и нагнетание в массив сжатого воздуха установкой 11 (рис. 2, в). Коэффициент трещинной пустотности определяют методом эквивалентных от-
где Яэ - площадь эквивалентного отверстия, определяемая по результатам лабораторных испытаний на специальном стенде по скорости падения давления Р после перекрытия нагнетательного шланга (рис. 3); 8ске - площадь поверхности изолированного участка скважины (шпура).
Результаты проведенного геоконтроля позволяют скорректировать параметры крепи с учетом фактической изменчивости проницаемости приконтур-ной зоны массива. Определяют уменьшение расчетной нагрузки на облицовочно-несущую оболочку за счет частичного упрочнения горных пород
а Рн а Ц
ДР =------н пр Ц , (5)
Я
в
где а - гидродинамическая постоянная, м/(МПа-м2); Рн -давление нагнетания цементнопесчаного раствора, МПа; сц -предел прочности при сжатии зацементированной породы, МПа; Яв - приведенный радиус выработки, м.
В соответствии с полученным значением АР изменяют параметры крепи на участке крепления выработки одним из следующих способов: увеличением расстояния А между рамами крепи; уменьшением
среднего расстояния а между опалубкой и поверхностью выработки; снижением прочности ссж (марки) бетона. Значения А, а (в метрах) и ссж (в мегапаскалях) определяют по следующим формулам, разработанным ВНИМИ, ВНИИОМШС [4]:
А = ■
Р-АР
(6)
СБ + 2 ( -АР)
(7)
сБ =(Р -АР ) 2 + ^ ,(8)
где N - несущая способность рамы спецпрофиля, приведенная к 1 м выработки, МПа-м; сБ
- прочность бетона оболочки крепи при одноосном сжатии, МПа; Р - расчетная нагрузка на крепь, МПа.
Описанные выше экспериментальные исследования и расчеты проводят поинтерваль-
Рис. 3. Графики падения давления сжатого воздуха при различной величине эквивалентного отверстия:
1 - 8э = 0,071 мм2; 2 - 0,282 мм2; 3 - 0,785 мм2; 4 - 1,77 мм2; 5 -3,14 мм2; 6 - 4,9 мм2; 7 - 7,070 мм2
но по всему протяжению закрепляемой выработки. Общий вид графиков изменения измеренных и расчетных параметров рк, кпр, АР, а, сБ по длине выработки I приведены на рис. 4.
После проведенных операций на закрепленном участке выработки устанавливают рамную металлическую крепь, опалубку с нагнетательными патрубками, при этом параметры крепи принимают скорректированными. Нагнетательную установку подсоединяют к патрубкам и нагнетают приготовленный цементно-песчаный
раствор в пространство между опалубкой и контуром выработки. Водоцементный раствор, проникая в трещины зоны нарушенных пород, формирует зону цементации, которая после
окончания нагнетания образует дополнительную несущую оболочку из зацементированной породы. Тем самым обеспечивается равнопрочность крепи при облегчении металлической и бетонной части крепи.
В качестве примера реализации рассмотренной выше методики ниже приведены результаты корректирования основных параметров крепи при строительстве главного квершлага гор. +180 м ш. "Нагорная". План расположения выработки, геологическая структура массива и расположение контрольных станций (геофизические исследования проведены ГУ КузГТУ и ОАО "КузНИИ-шахтострой" и описаны в работе [5]) представлены на рис. 5.
Согласно геологическим
Рис. 5. Геологическая структура массива, схема расположения контрольных станций (план по кровле главного квершлага гор. + 180 м шахты "Нагорная"):1 - уголь; 2 - алевролит; 3 - песчаник; 4 - нарушение; 5 - контрольная станция; 6 - зона под руслом реки
Результаты измерений и расчетов параметров рк, т , кпр и АР (в расчетах принято РН = 0,1 МПа; иЦ = 20,0 МПа; ЯВ = 2,6 м).
№ участка 1 2 3
Рк, Ом м 71,3 24,2 95,5
т 0,062 0,021 0,083
knр, м 165-1012 19-10-12 296-10-12
АР, МПа 2,52 0,29 4,56
А, м 0,65 0,51 0,865
данным, вмещающие породы были представлены участком №
1 алевролита слаботрещиноватого средней крепости и устойчивости длиной 72 м, участком № 2 песчаника мелкозернистого крепкого среднеустойчивого длиной 78 м, участком № 3 алевролита с прослоями угля, песчаника и углистого алевролита длиной 70 м.
В закрепляемой выработке сечением в проходке 22,4 м2, в свету - 19,2 м2, шириной 5,5 м по проекту по всей длине должна была применяться рамная металлическая крепь типа СВП-27 с шагом 0,5 м (Ы5 = 330 кН/раму = 5,4 МПа-м), что соответствует расчетной нагрузке на крепь Р = 10,8 МПа. Толщина бетонного облицовочного слоя составляла а = 0,1 м. На основании проведенных измерений было принято решение увеличить расстояние между рамами крепи А.
Таким образом, увеличение шага установки рамной крепи за счет учета эффекта упрочнения приконтурной зоны массива при тампонаже закрепного пространства обеспечивает экономию металла более чем на 21 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.с. 1460290. МКИ Е21Д 1/16. Способ тампонирования горных пород / Хямяляйнен В. А. Макаров Е. Я. Сыркин П. С. - Заявл. 30.06.87; №4271661/23-03; Опубл.23.02.89; Бюл. №7.
2. Руководство по технологии крепления горных выработок с применением опалубки ОМП, основанной на использовании несущей способности упрочненных пород / Ю. В. Бурков, Е. Г. Дуда, Г. И. Комаров, В. А. Хямяляйнен и др. - Кемерово, 1990. - 78 с.
3. Разработки лаборатории проходки горных выработок специальными способами. - Кемерово : Куз-ниишахтострой, 1991. - 45 с.
4. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи / ВНИМИ, ВНИИОМШС. - М. : Строиздат, 1983. - 272 с.
5. Хямяляйнен, В. А. Геоэлектрический контроль разрушения и инъекционного упрочнения горных пород / В. А. Хямяляйнен, С. М. Простов, П. С. Сыркин. - М. : Недра, 1996. - 288 с.
□ Автор статьи:
Росстальной Евгений Борисович
- соискатель кафедры теоретической и геотехнической механики
