CC BY
110
УДК 622.261.27
H.H. Касьян, д-р техн. наук, проф.,
И.Г. Сахно, канд. техн. наук, доц., (Украина, Донецк, ГВУЗ ДонНТУ)
СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ НЕУСТОЙЧИВЫХ ПОРОД
Приведены результаты аналитических и лабораторных исследовании, направленных на формирование вокруг горной выработки, проведенной в неустойчивых породах, несущей конструкции за счет создания сжатой зоны, при помощи саморасширя-ющихся составов.
Ключевые слова: горная выработка, неустойчивые породы, несущая способность, саморасширение
Проведение горных выработок в условиях неустойчивых боковых пород приводит к необходимости их перекрепления и ремонта. При этом на шахтах Украины в подавляющем большинстве случаев практически не применяется техника, позволяющая механизировать процесс ремонта горных выработок, что объясняется отсутствием необходимых размеров поперечного сечения и зазоров в выработках, а также расположением в них транспортного и вспомогательного оборудования. Кроме того, производство ремонтных работ, выполняемое, как правило, вручную, часто сопровождается внезапными обрушениями и вывалами, ликвидация последствий которых приводит к увеличению сроков выполнения, повышению трудоемкости и стоимости ремонтных работ.
Применение конструкций крепей повышенной металлоемкости, повышение плотности их установки не позволяют решить указанную проблему. Традиционные подходы к обеспечению эксплуатационного состояния горных выработок, расположенных в зонах повышенной трещиноватости пород, базирующиеся на силовом противодействии процессам перемещения массивов деструктурированных пород в полость выработки, по мнению авторов, не имеют перспективы.
В горной практике имеется опыт реализации различных способов повышения несущей способности неустойчивых горных пород. Способы упрочнения основанные на нагнетании вяжущих скрепляющих составов в законтурную область [1, 2], требуют значительных вложений, при этом не обеспечивают направленного контролируемого укрепления пород. Известны также способы, основанные на взрывном упрочнении [3], в которых повышение несущей способности пород достигается, как правило, за счет увеличения их плотности. Взрывное упрочнение может быть реализовано только в условиях пород, склонных к пластическим деформациям. Упрочнение разрушенных горных пород с хрупкими свойствами за счет их взрывного нагружения достаточно сложно и практически нереализуемо, так как динамическое воздействие на разрушенный массив приводит к его
повторному дроблению, а после взрыва нет сопротивления обратному движению разрушенных пород в направлении шпура, что снижает, а зачастую и вовсе снимает эффект повышения несущей способности деструкту-рированного массива. Кроме этого известны способы взрывного закрепления трубчатых анкеров [4], в которых эффект укрепления достигается за счет работы анкерной крепи, прижатой к стенкам шпура в результате взрыва, а также за счет сопротивления сдвижению пород в направлении шпура оказываемом трубчатым анкером. Однако при реализации этих способов большая энергия расходуется на деформирование трубчатой анкерной штанги. Применение же анкерной крепи, согласно существующим в настоящее время представлениям, имеет смысл в условиях ненарушенного массива.
Предлагается ресурсосберегающая технология повышения несущей способности трещиноватых пород вокруг горной выработки, основанная на использовании собственной прочности горных пород и сложившегося в окружающем массиве равновесного состояния [5]. Роль дополнительной крепи выполняет искусственно создаваемая из фрагментов пород между трещинами несущая конструкция, формирование которой обеспечивается путем увеличения сил трения между породными отдельностями, что достигается при помощи их силового распора.
По фактическому контуру выработки в массив горных пород бурятся шпуры, в шпуры помещают саморасширяющийся состав, после чего шпуры герметизируют. В результате увеличения в объеме саморасширяю-щегося состава он оказывает давление на стенки шпура и сжимает породы вокруг выработки.
Таким образом, при арочной форме сечения выработки и веерной схеме бурения шпуров вокруг нее создается сжатая сводообразная зона. Предлагаемая схема реализации способа обеспечения устойчивости выработки, основанного на распоре вмещающих пород, представлена на рис. 1.
Основным параметром предлагаемого способа является необходимый с точки зрения обеспечения устойчивости разрушенных пород размер ширины области влияния шпура с распорным элементом (в). Указанный размер зоны влияния шпура позволяет определить необходимое расстояние между шпурами для реализации способа. Проведенные лабораторные исследования [6] передачи давления Р1 от стенок шпура, содержащего саморасширяющийся состав, с радиусом Я1 мелкофракционным дискретным материалом на расстояние Я2 позволили получить эмпирическую зависимость, которая позволяет с коэффициентом корреляции Я =0,95 определить давление на расстоянии Я2 от оси шпура
Я
-0,279—2
Р2 = (1,112е Я1) • Р1, (1)
П
где п - коэффициент снижения давления саморасширения в дискретном материале, определяемый экспериментальным методом.
Для решения приведенного уравнения необходимо знать давление саморасширения р! развиваемое в шпуре.
В качестве рабочего агента для создания давления в шпуре предлагается использовать невзрывчатые разрушающие составы (НРС) на основе оксида кальция, в процессе гидратации которых происходит рост объема и, соответственно, давления на стенки шпура. Лабораторные исследования свойств НРС [7, 8] показали, что эти вещества способны создавать давле-ние на стенки шпура до 80 МПа. Рабочая характеристика НРС при отсутствии предварительного нагружения приведена на рис. 2.
В результате обработки результатов экспериментов при фиксиро -ванном объемном изменении материала [7] был получен график (рис. 3) зависимости давления развиваемого НРС через 24 часа после приготовления состава от его объемных изменений. По сути, приведенный график является одной из основных характеристик изучаемого материала с позиций его применения в шпуровых и скважинных зарядах, он позволяет обоснованно подходить к расчету параметров и выбору схемы расположения шпуров (скважин) в породном массиве.
Рис. 1. Схема создания несущей конструкции изразрушенных пород: 1 - контур выработки; 2 - шпуры с саморасширяющимся составом; 3 - разрушенные породы; 4 - предполагаемая область влияния одного
шпура
л
О 4 8 12 16 20 24
Т, час
Рис. 2. Графикроста давления Р саморасширения НРС во времени Т при отсутствии предварительного нагружения
Анализ графика (рис. 3) показывает, что при увеличении объемных деформаций материала давление, развиваемое им, снижается. Интенсивный рост давления начинается при объемных деформациях состава менее 1,5 %. Поскольку определение давления, развиваемого НРС, проводилось путем измерения смещений плит пресса, то с достаточной точностью удалось установить давления, развиваемые при объемных деформациях до 0,2 %. Величина давления от саморасширения материала при этом составляет около 55 МПа. Характер кривой, приведенной на рис. 3, позволяет с уверенностью сказать, что при ограничении объемных изменений более
0,2 % давление от саморасширения НРС достигнет 80 МПа и более.
При этом видно, что исследуемая зависимость может быть достаточно надежно описана логарифмическим законом. Построена линия регрессии, аппроксимирующая данные экспериментов с коэффициентом корреляции R =0,94, это позволяет с уверенностью сказать о надежной связи показателей.
Таким образом, эмпирическая зависимость величины давления от саморасширения материала НРВ-80 Р24 в возрасте 24 часа от допустимых объемных деформаций У0 имеет вид
Р24 = -6,8371п(У0) + 39,78
Рис. 3. График зависимостиразвиваемого давления саморасширения Р24 от величины объемной деформации У0 через 24 часа после приготовления состава НРС
Таким образом, зная давление, создаваемое на стенки шпура НРС, и пользуясь уравнением регрессии (1), построим области влияния 1 шпуров с саморасширяющимся составом 2 (рис. 4), на которые нанесем эпюры напряжений 3 в дезинтегрированном массиве. Для примера рассмотрим случай, когда породы непосредственной кровли представлены алевролитом с пределом прочности асж =35 МПа при радиусе шпура Я1=0,042 м, давлении
саморасширения в шпуре Р1 = &сж, минимальном давлении на границе
зоны влияния шпура Р2 = 0,05 • асж, принимая п равным 2, можем сказать, что рациональное расстояние между шпурами составит 0,5 м.
Поскольку неустойчивые породы в рассматриваемой задаче могут быть отнесены к дискретной среде с большой долей условности, исследование передачи давления от стенок шпура в глубь массива также было проведено методом конечных элементов [9]. Задача решалась в объемной постановке. Моделирование проводилось в масштабе 1:1. Моделировался шпур, содержащий заряд нрс; на внутреннюю поверхность моделируемого шпура прикладывалась распределенная нагрузка, соответствующая давлению от саморасширения.
Исходные данные для моделирования были взяты из кадастра физических свойств горных пород для условий донецко-макеевского угленосного района. Основные данные о горных породах, вмещающих шпур, используемые при моделировании приведены в таблице. Задача решалась в два этапа - в упругой линейной постановке и в нелинейной постановке с использованием критерия Кулона - Мора, что соответствовало деструкту-рированному массиву.
Рис. 4. Схема взаимодействия областей влияния шпуров с саморасширяющимся материалом и эпюры напряжений в дискретной среде вокруг шпура
Обработка результатов моделирования позволила получить графики, характеризующие изменение коэффициента передачи давления само-расширения через породный массив, где по оси абсцисс отложено отношение расстояния от центральной оси шпура R2 к радиусу шпура R1, по оси ординат - отношение давления P2, возникающего на расстоянии R2 к давлению Pl оказываемому нрс на стенки шпура.
Основные данные о горных породах, вмещающих шпур, используемые
при моделировании
№ п/п Горная порода Прочность на одноосное сжатие стсж, мпа Объемная масса у, кгс/м3 Модуль упругости е, кгс/см2 Угол внутреннего трения (р, 25 град Сцепление с, кгс/см2
1 Алевролит 35 2400 258000 25 95
Задаваясь необходимым давлением на границе зон влияния соседних шпуров, например, 5 % от давления на стенки шпура, можно установить необходимое расстояние между шпурами для моделируемых пород. Указанное расстояние составит 0,4 и 0,6 м при решении задачи в упругой линейной и в нелинейной постановке соответственно, что достаточно удовлетворительно согласуется с результатами лабораторных исследований.
Коэффициент передачи давления снижается при удалении от стенок шпура в глубь массива по зависимости, близкой к экспоненциальной.
Таким образом, разработан новый способ повышения несущей спо-собности разрушенных горных пород, основанный на их сжатии, проведены его лабораторные и аналитические исследования, что позволило определить рациональные параметры способа.
Список литературы
1. Черняк И. Л. Упрочнение пород в подготовительных выработках. М.: Недра, 1993. 256 с.
2. Инъекционное упрочнение горных пород/ Ю.З. Заславский и [др.]. М.: Недра, 1984. 176 с.
3. Сонин С.Д., Шейхет М.Н., Черняк И.Л. Борьба с пучением почвы горных выработок взрыванием камуфлетных зарядов// Шахтное строительство, 1961. №3. С. 8-10.
4. Мельников Н.И. Анкерная крепь. М.: Недра, 1980. 252 с.
5. Cnoci6 змщнення прських порщ: пат. № 51574, МПК(2009) E21D 11/00. № 2010 00011; заявл.11.01.2010, опубл. 26.07.2010. Бюл. №14. 5 с.
6. Сахно И.Г. Лабораторные исследования явления передачи давления от саморасширяющегося состава мелкофракционным дискретным материалом // Проблемы горного давления. Донецк: ДонНТУ. 2009. №17. С. 180-191.
7. Касьян Н.Н., Сахно И.Г. Лабораторные исследование влияния компонентного состава НРВ-80 на его рабочую характеристику при укреплении вмещающего горные выработки массива // Вестник Криворожского технического университета, 2009. №23. С. 31-34.
8. Сахно И.Г. Лабораторные исследования особенностей работы невзрывчатых разрушающих веществ при фиксированном сопротивлении их объемному расширению // Проблемы горного давления. ДонНТУ, 2010. №18. С. 132-146.
9. Касьян Н.Н., Сахно И.Г., Шуляк Я.О. Особенности передачи давления, от стенок шпура, содержащего невзрывчатый разрушающий материал, вглубь породного массива // Сборник научных статей национального горного университета. Днепропетровск, 2010. №34. Т.1. С. 136-143.
N.N. Kasyan, I.G. Sahno
METHOD OF PROVIDING OF STABILITY OF MOUNTAIN MAKING IN THE CONDITIONS OF UNSTEADY ROCKS
The results of analytical and laboratory researches, directed on forming round the mountain making, conducted in unsteady rocks, bearing constructions due to creation of the compressed area are resulted, through self-expansion compositions.
Key words: mountain making, unsteady rocks, bearing ability, self-expansion compositions.
Получено 20.04.11
