CC BY
8
УДК 622.831.312:552.124
СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПОРОД ПОЧВЫ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БЛАГОПРИЯТНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
Ю.А. Петренко, Г. И. Соловьев, А. Л. Касьяненко
Приведены результаты лабораторных исследований на моделях из эквивалентных материалов. Установлено, что деформирование пород почвы с прочным слоем происходит в два этапа: на 1-м этапе - складкообразование слоев происходит только над прочным слоем; на 2-м этапе - происходит изгиб и разлом прочного слоя и увеличение смещений пород почвы. При наличии в почве выработки шириной В слоя прочных пород толщиной 0, Ш наибольший положительный эффект от него достигается, если располагать выработку относительно вмещающих пород так, чтобы прочный слой залегал как можно дальше от контура почвы, но не более 0,5 B, а при толщине слоя 0,3 В, чтобы прочный слой залегал как можно ближе к контуру почвы выработки. С целью уменьшения смещений пород почвы необходимо дополнительное внешнее воздействие на прочный слой до наступления второго этапа деформирования.
Ключевые слова: горная выработка, породы почвы, прочный слой, эквивалентные материалы, зона разрушенных пород, критерий подобия.
Обзор отечественных и зарубежных исследований [1-5] по обеспечению устойчивости выемочных выработок показывает, что вопросу влияния текстуры пород на процесс деформирования почвы выработок уделялось недостаточное внимание. При наличии в текстуре почвы прочного слоя пород их разрушение происходит в результате развития породной складки с образованием крупных породных блоков [3, 4]. В таких условиях производить механизированную поддирку затруднительно, а зачастую и невозможно. При этом прочность пород для механизированной поддирки должна составлять не более 60 МПа. Выше этого предела при поддирке почвы необходимо применять буровзрывные работы, что повышает энергозатраты на разрушение пород и снижает темпы работ более чем в 5 раз [5]. Кроме того, не рассматривался вопрос использования несущей способности прочного слоя в почве выработки для повышения её устойчивости.
Целью данных исследований являлось установить особенности процесса деформирования пород почвы выработки при наличии в её текстуре прочного слоя и обосновать способ обеспечения устойчивости почвы.
Исследования проводились на моделях из эквивалентных материалов с использованием плоского стенда с внутренними рабочими размерами 76x58x16 см, обеспечивающими соблюдение граничных условий при выбранном масштабе моделирования 1:50.
Процессы деформирования моделируемого породного массива, изучались в пластовой выработке шириной В, содержащей прочный слой в почве с мероприятиями и без них. Всего было отработано 25 моделей.
Состояние моделей на момент окончания испытаний представлены на рис. 1.
Рис. 1. Состояние почвы выработки на момент окончания моделирования со следующими параметрами прочного слоя: а - осж = 80 МПа; тпр = 0,1В; Нпр = 0,1В; б - осж = 80 МПа; тпр = 0,3В; Нпр = 0,3В; в - Осж = 120 МПа; тпр = 0,1В; Нпр = 0,3В;г - Осж = 120 МПа;
тпр = 0,3В; Нпр = 0,1В
В первой модели моделировалась почва пласта выработки без прочного слоя, остальные 12 моделей отрабатывались для аналогичных условий, но с наличием прочного слоя различной толщины тпр, прочности осж и глубины залегания от контура почвы h^. Затем отрабатывались еще 12 моделей с предлагаемыми мероприятиями. За прочный слой принимался слой пород, прочность которого на 50 % и более превышает прочность остальных вмещающих пород.
В модели пневматическими баллонами создавалось двухосное напряженное состояние при вертикальной и горизонтальной нагрузках, прирост которых синхронно изменялся. Соотношение между вертикальной и горизонтальной нагрузками равнялось 0,5.
По мере нагружения модели проводились измерения величин смещения почвы выработки методом фотофиксации. Для обработки результатов измерений был использован графический редактор Photoshop.
Влияние прочного слоя и его параметров на смещения контура почвы оценивалось с помощью безразмерного коэффициента:
k = ^, (1)
где Uo - смещения пород почвы без прочного слоя, м; Uпр - смещения пород почвы с прочным слоем, м.
Чем больше значение этого коэффициента, тем выше положительное влияние прочного слоя на устойчивость пород почвы.
Результаты исследований обрабатывались в виде графиков смещений поднятия почвы от величины вертикального пригруза (рис. 2), а на рис. 3 представлены результаты зависимостейкоэффициента влияния прочного слоя 1 на контур почвы kU от величины пригруза Р для следующих параметров прочного слоя: асж=60 МПа, асж=80 МПа и асж=120 Мпа, с различными сочетаниями толщины тпр и глубины залегания Ипр прочного слоя от контура почвы выработки.
Анализ представленных графиков позволяет выделить два характерных этапа деформирования пород почвы. На первом этапе при увеличении пригруза начинала формироваться складка. При этом в моделях с прочным слоем складкообразование слоев происходило только над прочным слоем, на втором этапе при дальнейшем увеличении пригруза наблюдались изгиб и разлом слоев, в том числе и прочного, и увеличение смещений пород почвы. При этом смещения почвы в выработке с прочным слоем в 1,5 раза в среднем были меньше, чем в выработке без прочного слоя.
Деформационный процесс почвы с прочным слоем проявлялся в виде прогиба и разлома слоёв (см. рис. 1). Причем после разлома прочного слоя деформационный процесс имел более возрастающий характер, вовлекающий нижележащие его слои в процесс смещений. На момент окончания 1-го этапа наибольший эффект положительного влияния прочного слоя был
отмечен в моделях со следующими параметрами прочного слоя: тпр=0,1Б, ^пр=0,3Б и тпр=0,3Б, ^пр=0,1Б с прочностью ссж=80 МПа и асж=120 МПа. При этом смещения почвы выработки на момент окончания отработки для слоя прочностью ссж=60 МПа, ссж=80 МПа и асж=120 МПабыли соответственно в 1,25; 1,34 и 1,55 раза ниже, чем смещения почвы без слоя.
Из рис. 3 видно, что интенсивность смещений почвы одиночной выработки в модели изменялась скачкообразно по мере роста величины пригруза, при этом следует отметить, что до окончания этапа 1 прочный слой выполняет функцию элемента обратного свода крепи.
а б
Рис. 2. Графики зависимостей смещений контура почвы и от величины пригруза Р в моделях со следующими параметрами прочного слоя: а -тпр = 0,1Б и Нпр = 0,1Б; б -тпр = 0,1Б и Нпр = 0,3В; в -тпр = 0,3Е и Нпр = 0,1Б; г -тпр = 0,3Е и Нпр = 0,3В (без прочного слоя - —; с прочностью осж: —Ф— 60 МПа; - 80 МПа; —■—120 Мпа)
а
б
0,40
Рис. 3. Графики зависимостей коэффициента влияния прочного слоя на смещения контура почвы киот величины пригруза Р в моделях с прочным слоем со следующими параметрами: а -тпр = 0,1В и Нпр = 0,1В; б-тпр = 0,1В и Нпр = 0,3В; в -тпр = 0,3В и Нпр = 0,1В;
г - тпр = 0,3В и Нпр = 0,3В (с прочностью осж: —♦— 60 МПа; - 80 МПа; -я—120 Мпа)
Полученные результаты позволяют сделать вывод, что в почве выработки шириной В при наличии слоя прочных пород толщиной 0,3B наибольший положительный эффект достигается, если располагать выработку относительно вмещающих пород так, чтобы прочный слой залегал как можно ближе к контуру почвы выработки, в случае невозможности расположения выработки близко к контуру с целью уменьшения смещений пород почвы, необходимо дополнительное внешнее воздействие непосред-
в
г
ственно на прочный слой для предотвращения его разлома до наступления второго этапа деформирования.
Наиболее перспективным направлением обеспечения устойчивости почвы горных выработок является механические силовые воздействия на прочный слой, позволяющие максимально использовать его несущую способность [6-8]. Исходя из вышесказанного был предложен способ [9, 10], заключающийся в создании системы «прочный слой - крепь усиления -рама основной крепи» с помощью упорно-лежневой крепи усиления.
Для исследования эффективности предложенного способа были отработаны 12 моделей со следующими параметрами прочного слоя: толщина тпр = 0,1Б и тпр = 0,3Б; глубина залегания кпр = 0,1Б и кпр = 0,3Б; прочность а сж = 60 МПа, асж = 80 МПа и асж = 120 МПа.
Состояние выработок без мероприятий и с их применением на момент начала моделирования показаны на рис. 4.
Рис. 4. Общее состояние выработок в начале моделирования: а - без мероприятий; б - с мероприятиями; 1 - упорно-лежневая крепь усиления, контактирующая с прочным слоем почвы
Результаты исследований обрабатывались в виде графиков смещений величины поднятия почвы от вертикального пригруза, показанных на рис. 5.
Сравнивая результаты исследования, приведенные на рис. 2 и 5, можно сделать вывод, что при использовании предлагаемого способа величина смещений поднятия почвы выработки снизилась в 1,5...2 раза. При этом путем разборки модели по срезам почвы (рис. 6) было установлено, что без предложенных мероприятий при деформировании пород почвы происходит разлом прочного слоя за счет складкообразования нижележащих слоев 1 (см. рис. 6, а). После разлома прочного слоя охранное сооружение начинает воздействовать на породы почвы как штамп, спровоциро-
вав дальнейший рост их смещений. Создание системы «прочный слой -крепь усиления - рама основной крепи» стабилизировало и уменьшило процесс складкообразования 2 (см. рис. 6, б), вызванный нижележащими породами, что позволило сохранить целостность прочного слоя и обеспечило устойчивость пород почвы.
а
б
75
50
25
и, мм
Л
у Р, МПа
75
50
25
0,13
0,26
в
и, мм
И Р. МПа
75
50
25
О
0,40 0 75
50
25
0,
и, мм
Л У
Р, МПа
о
0,13
0,26
0,40
0
0,
0,26
0,40
и, мм
И Р, МПа
0,26
0,40
Рис. 5. Графики зависимостей смещений контура почвы и от величины пригруза Р в моделях со следующими параметрами прочного слоя: а -тпр = 0,1В и Нпр = 0,1В; б - тпр = 0,1В и Нпр = 0,3В; в - тпр = 0,3В и Нпр = 0,1В; г - тпр = 0,3В и Нпр = 0,3В (без прочного слоя - —, с прочностью осж: ♦ 60 МПа; - 80 МПа; —■—120 Мпа)
Эффективность предлагаемого способа оценивалась с помощью коэффициента кЭ, определяемого по формуле:
г
к _ ттБ / ттМ (2)
Лэ ^ пр' ^ пр ■>
пр' ^ пр чвы с
обеспечению устойчивости почвы выработки и без их применения.
ТТМ ТТБ
где иПР, иПР - смещения пород почвы с применением мероприятий по
Рис. 6. Общее состояние выработок в виде срезов моделей в конце моделирования: а - без мероприятий; б - с мероприятиями; складкообразование пород почвы: 1 - нижележащих слоев; 2 - от внешнего воздействия
На рис. 7 представлены графики зависимостейкоэффициента эффективности предлагаемого способа кЭ (2) от величины пригруза Р со следующими параметрами прочного слоя: толщина тпр = 0,1Б и тпр = 0,3Б; глубина залегания Ипр = 0,1Б и Ипр = 0,3Б; прочность осж = 60 МПа, осж = 80 МПа и осж = 120 МПа.
Приведенные результаты показывают, что величина смещений контура почвы на первом этапе деформирования для моделируемой прочности слоя осж = 60 МПа уменьшилась в 1,17.1,77 раза, при осж = 80 МПа - в 1,15.2,10 раза, при осж = 120 МПа - в 1,11.1,98 раза по сравнению с моделями без предложенного способа. На втором этапе деформирования величина смещений контура почвы для моделируемой прочности слоя осж = 60 МПа уменьшилась в 1,11.1,50 раза, при осж = 80 МПа - в 1,21.1,56 раза, при осж = 120 МПа - в 1,32.1,93 раза по сравнению с моделями без предложенного способа.
Из рис. 7 видно, что при кЭ>1 предлагаемый способ эффективен. При этом для условий тпр = 0,1 В и = 0,1 Б; тпр = 0,3 В и = 0,3 Б эффект наблюдается на всех этапах деформирования пород почвы для всех прочностей. Для условий тпр = 0,1 В и Ипр = 0,3 Б; тпр = 0,3 В и Ипр = 0,1 Б при прочности слоя 60 МПа положительный эффект от данного способа
наблюдается только на этапе 2 деформирования пород почвы. При ^<1 отсутствие эффекта от применения данного способа объясняется нарушением сплошности прилегающих к контуру выработки пород почвы в процессе установки лежня и крепи усиления, что вызывает увеличение смещений на первом этапе деформирования.
2,50
а
б
2,50
0,40
0,50
в
2,50
2,00
1,00
0,50
2,50
2,00
0,50
Рис. 7. Графики зависимостей коэффициента эффективности kЭ от величины пригруза Р в моделях с прочным слоем со следующими параметрами: а -тпр = 0,1В и Нпр = 0,1В; б -тпр = 0,1В и Нпр = 0,3В; в - тпр = 0,3В и Нпр = 0,1В; г - тпр = 0,3В и Нпр = 0,3В (с прочностью осж: —60 МПа; - 80 МПа; -ш—120 Мпа)
Таким образом, проведённые исследования позволили сделать следующие выводы:
г
1) наличие прочного слоя в почве выработки и его параметры (толщина, прочность, глубина залегания от контура почвы) оказывают влияние на её устойчивость. При этом наибольшее влияние оказывают толщина и прочность;
2) деформирование пород почвы с прочным слоем происходит в два этапа: на этапе 1 - складкообразование слоев только над прочным слоем; на этапе 2 - изгиб и разлом прочного слоя и увеличение смещений пород почвы;
3) при наличии в почве выработки шириной В слоя прочных пород толщиной 0,1B наибольший положительный эффект от него достигается, если располагать выработку относительно вмещающих пород так, чтобы прочный слой залегал как можно дальше от контура почвы, но не более 0,5 B;
4) при наличии в почве выработки слоя прочных пород толщиной 0,3 B наибольший положительный эффект достигается, если располагать выработку относительно вмещающих пород так, чтобы прочный слой залегал как можно ближе к контуру почвы выработки;
5) с целью уменьшения смещений пород почвы необходимо дополнительное внешнее воздействие на прочный слой для предотвращения его разлома до наступления этапа 2 деформирования;
6) в качестве дополнительного мероприятия было предложено создавать систему «прочный слой - крепь усиления - рама основной крепи» путем установки крепи усиления, контактирующего с прочным слоем через продольный лежень;
7) применение разработанного способа оказывает наибольший эффект на первом этапе деформирования пород почвы, при этом смещения контура почвы уменьшились в 1,5...2 раза по сравнению с моделями без мероприятий;
8) оптимальной областью применения разработанного способа являются следующие условия: прочный слой с толщиной тпр = 0,1 B и глубиной залегания от контура почвы Нпр = 0,1 B и прочностью асж = 60 МПа и более.
Список литературы
1. Brady H.G.,Brown E.T. Rock Mechanics: For underground mining //
rd
3 edition. SpringerNetherlands, 2007. 628 p.
2. Экспериментальные исследования пучения пород почвы подготовительных выработок на пологих пластах Донбасса: монография / В.И. Бондаренко [и др.]. Днепропетровск: ЛiзуновПрес, 2014. 224 с.
3. Геомеханика нагружения крепи очистных и подготовительных выработок в слоистом массиве слабых пород: монография / В.И. Бонда-
ренко, И.А. Ковалевская, Г.А. Симанович, В.Г. Черватюк. Днепропетровск: ООО «ЛизуновПресс», 2012. 236 с.
4. Снигур В. Г. Закономерности пучения пород почвы пластовых выработок // Уголь Украины. 2014. №7. С. 3 - 5.
5. Бабиюк Г.В. Управление надежностью горных выработок: монография. Донецк: «Свгг книги», 2012. 420 с.
6. Касьяненко А.Л., Соловьёв Г.И., Малышева Н.Н. Исследование особенностей деформирования пород почвы выработки, вмещающих прочный слой // Сб. науч. ст. Междунар. науч.-практ. конф. «Инновационные перспективы Донбасса»: г. Донецк, 27 мая 2016 г. Т. 1: Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве. Донецк, 2016. С. 63-70.
7. Касьяненко А. Л. Обеспечение устойчивости пород почвы выемочных выработок при наличии в их текстуре прочных слоев: дис. ... канд. техн. наук. Донецк, 2017. 237 с.
8. Обеспечение устойчивости пород почвы путем использования несущей способности прочного слоя / Г. И. Соловьев, А.Л. Касьяненко, Г. П. Стариков, Ю. А. Петренко // Научный вестник НИИГД «Респиратор», 2019. № 4(56). С. 105-112.
о
9. Спошб шдтримання прничих виробок; пат. 99028; Украша, МПК E21D 11/14. Заявник i власник Донецький нащональний техшчний ушвер-ситет. № a201015254; заявл. 25.06.2012; опубл. 10.07.2012. Бюл. № 13. 2 с.
10. Спо^б охорони вшмкових виробок у шаруватих породах
о
тдошви, схильних до здимання; пат. 103110; Украша, МПК E21D 11/00, E21D 20/00, Е21С 41/18. Заявник i власник Донецький нащональний техшчний ушверситет. № a201203091; заявл. 16.03.2012; опубл. 10.09.2013. Бюл. № 17. 8 с.
Петренко Юрий Анатольевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, rpmamine.donntu. org, ДНР, Донецк, Донецкийнациональныйтехническийуниверситет,
Соловьев Геннадий Иванович, канд. техн. наук, доц., gisolovievagmail.com, ДНР, Донецк, Донецкий национальный технический университет,
Касьяненко Андрей Леонидович, канд. техн. наук, доц., kasianencoagmail.com, ДНР, Донецк, Донецкий национальный технический университет
STABILIZA TIONMETHOD FOR FLOOR ROCKS BY USING FAVORABLE GEOLOGICAL CONDITIONS
Yu. A. Petrenko, G. I. Soloviev, A. L. Kasyanenko
The results of laboratory studies on equivalent materials models are given. We have found that the deformation of floor rocks with a strong layer occurs in two stages: at the 1st stage, the folding of layers occurs only over a strong layer; at the 2nd stage - the bending and breaking of the strong layer occurs and the displacement of the floor rocks increases. Besides, if the thickness of the strong layer, the tunnel with the width B, less 0,1B, for achieve efficien-
cy is necessary to locate the tunnel relative to the contain rocks so that the strong layer occur as far as possible from the contour of the floor, but not more than 0,5B. If there is a strong layer with a thickness of 0,3B in the floor rocks, effectively is achieved if the tunnel is located relative to the contain rocks so that the strong layer occur as close as possible to the contour of the floor tunnel. In order to reduce the displacement of floor rocks, an external impact should be applied on a strong layer before the second deforming stage occurs.
Key words: mining tunnel, floor rocks, strong layer, equivalent materials, zone of destroyed rocks, similarity criterion.
Petrenko Yuri Anatolyevich, doctor of technical science, professor, head of chair, rpmamine. donntu. org, DPR, Donetsk, Donetsk National Technical University,
Soloviev Gennady Ivanovich,candidate of technical science, docent, gisolo-vievagmail. com, DPR, Donetsk, Donetsk National Technical University,
Kasyanenko Andrey Leonidovich, candidate of technical science, docent, kasianen-co@gmail.com, DPR, Donetsk, Donetsk National Technical University
Reference
1. Brady H.G., Brown E.T. Rock Mechanics: For underground mining // 3rd edition. Springer Netherlands, 2007. 628 p.
2.experimental studies of soil heaving of subsurface developments on gentle strata of Donbass: monograph / V. I. Bondarenko [et al. ]. Dnepropetrovsk: Lizunovpress publ., 2014, 224 P.
3.Bond-Renko V. I., Kovalevskaya I. A., Simanovich G. A., Chervatyuk V. G. geo-mechanics of loading Crepes of cleaning and preparatory works in a layered array of weak breeds: a monograph. Dnepropet-rovsk: LLC "Lizunovpress", 2012. 236 p.
4. Snigur V. G. regularities of heaving of layers of plastovykh virobotok soil // coal of Ukraine. 2014. №7. pp. 3-5.
5. Babiyuk G. V. reliability management of mining operations: monograph. Donetsk: Mir kniga publ., 2012, 420 p.
6.Kasyanenko A. L., Solovyov G. I., Malysheva N. N. research of features of deformation of soil species of production containing a strong layer. science. art. mezhdunar. science.- practice. conf. "Innovative prospects of Donbass": Donetsk, May 27, 2016 Vol. 1: problems and prospects in mining and construction. Donetsk, 2016, Pp. 63-70.
7. Kasyanenko A. L. ensuring the stability of soil species of high-water developments in the presence of strong layers in their texture: dis. ... Kand. technical sciences Donetsk, 2017, 237 P.
8. Solovyov G. I., Kasyanenko A. L., Starikov G. P., Petrenko Yu. a.ensuring the stability of soil breeds by using the load-bearing capacity of a strong layer // scientific Bulletin of the NIIGD "respirator", 2019. № 4(56). P. 105-112.
9. method of maintaining mine workings; PJSC. 99028; Ukraine, IPK8 E21D 11/14. applicant and owner Donetsk National Technical University. no. a201015254; application form. 25.06.2012; publ. 10.07.2012. Byul. № 13.2 p.
10. method of protection of excavation workings in layered rocks of the sole, prone to heaving; Pat. 103110; Ukraine, MPK8 E21D 11/00, E21D 20/00, E21C 41/18. applicant and owner Donetsk National Technical University. no. a201203091; application form. 16.03.2012; publ. 10.09.2013. Byul. № 17.8 p.
