CC BY
14
© В.И. Голик, 2013
УДК 622.831.3 В.И. Голик
УПРАВЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТЬЮ ВЫРАБОТОК В СКАЛЬНЫХ МАССИВАХ НА ПРИМЕРЕ РОКСКОГО ТОННЕЛЯ
Статья содержит сведения о геомеханике скальных массивов на примере Рокского тоннеля. Показано, что технологии строительства тоннеля должны учитывать особенности формирования напряжений в массиве и характер взаимодействия крепи с породами. Вмешаюший выработку массив представлен дискретной средой с гравитационно-тектонически-структурным полем напряжений. Сформулирована модель состояния системы массив-выработка состояние которой изменяется в процессе деформирования в зависимости от тектонико-структурных факторов. Рекомендованы способы оптимизации параметров повышения надежности пролетов тоннелей.
Ключевые слова: геомеханика, массив, тоннель, технология, напряжения, дискретность, модель, деформирование, тектонико-структурные факторы, параметры надежности.
Исследования, направленные на разработку технологии поддержания тоннелей в условиях гористой местности, обеспечивающие повышение безопасности движения и увеличение сроков эксплуатационной надежности горных транспортных конструкций, отличаются актуальностью. Технологии строительства тоннеля должны учитывать особенности формирования напряжений в массиве, физико-механические свойства пород, а также характер взаимодействия крепи с породами.
Через Рокский тоннель проходит Транскавказская автомагистраль - единственная круглогодичная дорога, связывающая Россию и Южную Осетию. Расположенный на высоте около двух с половиной тысяч метров над уровнем моря, он функционирует уже более 25 лет[1].
Горные выработки, слагающие комплекс Рокского тоннеля пройдены в скальных и полускальных породах прочных и средней прочности геологического блока крупной геологической провинции. Породный массив представляет собой энергетическую систему, которая находится в сбалансированном состоянии до тех пор, пока ее не нарушают горными работами.
Оптимальное сочетание энергетического потенциала массива и параметров технологических процессов рациональным использованием свойств массивов в процессе проходки выработок. Обеспечивается такое состояние массива, при котором вызываемые концентрации напряжений не препятствуют эксплуатации тоннеля в течение технологически обусловленного времени.
Наибольшей энергетической неоднородностью отличаются сложноструктурные массивы, энергетика которых определяется разрывными структурами. Условия усиливают естественные поля напряжений, осложняя эксплуатацию выработок. Аналогичные Рокскому массивы являются дискретными средами, для которых более приемлемы инженерные методы основанные на зависимости между показателями среды и устойчивостью.
По интенсивности развития геологических структур вмещающие выработки массивы подразделяются на ненарушенные, слабонарушенные, с развитой разломной тектоникой, осложненной инженерно-геологической ситуацией или без нее. Структурные элементы массива: петрогенетические, петротек-тонические и экзогенные - по отношению к размерам массива разделяются на три разновидности: значительно более крупные, соизмеримые, значительно более мелкие.
Разрывные нарушения образуют в массиве блоки, взаимодействие которых определяет состояние массива и пройденной в нем выработки [5]. Показатели структурной блочности: форма, размеры блока и механическая прочность по граням. Крупные макротрещины образуют системы трещин с углами встречи до 90°, из которых две системы крутопадающие трещины и одна - пологопадающая или горизонтальная.
При углах встречи наклонных и крутопадающих крупных макротрещин, значительно меньших 90°, структурные блоки имеют форму ромбов. По размерам структурных блоков массивы подразделяют: с очень мелкой блочностью - 0,01 - 1,0 м; с мелкой блочностью - 1,0 - 2,0 м; со средней - 2,0 - 4,0 м; с крупной - 4,0 - 8,0 м; с очень крупной - 8,0 м.
Сейсмическое воздействие взрывов при проходке выработки образует вокруг нее зону повышенной, а затем мелкой трещиноватости, перерастающей в зону ненарушенных пород. В результате технологического воздействия вмещающий выработку массив представляет собой дискретную среду с гравита-
ционно-тектонически-структурным полем напряжений. Структурные блоки, слагающие массив, целесообразно дифференцировать по отношению к размерам выработки [3].
По положению в массиве системы нарушений подразделяются на вертикальные нарушения (рис.) и горизонтальные нарушения (рис. 1 и 2).
Рис. 1. Соотношение размеров крутопадающих нарушений и выработок: 1 - зона повышенной трещиноватости; 2 - зона повышенной мелкой трещиноватости; 3 - зона ненарушенных пород; I - мелкое нарушение; II -среднее нарушение; III - крупное нарушение
Т лг т7
Рис. 2. Соотношение размеров пологопаааюших нарушений н выработок: 1 - зона повышенной трещиноватости; 2 - зона мелкой трещиноватости; 3 - зона ненарушенных пород; I - мелкое нарушение; II - среднее нарушение; III - крупное нарушение
В связи с этим различают три типа устойчивости выработок:
-пересекающие зоны и повышенной и мелкой трещиноватости на всю их мощность. В этом случае кровля выработки сложена блоками породами ненарушенных пород размерами до 1...2 м, обеспечивающими устойчивость;
- пройденные в зоне повышенной и частично мелкой тре-щиноватости. В кровле находятся структурные блоки зоны мелкой трещиноватости размерами 0,5-0,7 м, обеспечивающие среднюю устойчивость;
- пройденные только в зоне повышенной трещиноватости не всю ее мощность. Оставшиеся в кровле породы зоны повышенной трещиноватости не обеспечивают устойчивости выработки.
Устойчивость выработок определяется величиной структурных блоков. Если крупные и средние блоки несоизмеримо больше размеров выработок, на устойчивость выработок влияют только зоны разломов в контурах выработок. Мелкие разломы и крупные трещины образуют структурные блоки, формирующие своды естественного равновесия.
Мелкие трещины придают массиву мелко- блочное строение, не нарушая его целостности. Эти блоки не участвуют в формировании сводов и способны к выпадению из кровли.
Устойчивость выработок гарантируется, если в породах кровли при достаточной реакции силы распора образуется жесткая трех- шарнирная арка (рис. 3) [4].
Два шарнира А расположены в основаниях свода, третий В - в центре слоя пород над выработкой. Арка устойчива, если кровля нарушена поперечными разломами и трещинами. Если же кровля нарушена продольными и диагональными разломами, то арка недостаточно устойчива вследствие малой реакции силы распора. При прочих равных условиях устойчивость выработок зависит от соотношения горизонтальных и вертикальных размеров структурных блоков.
Нарушенные скальные породы теряют устойчивость без прогиба до критического состояния, как это характерно для осадочных пород. Потеря несущей способности несущего слоя пород наступает при скалывании и разрушении площадки, высотой примерно 1/3 размера структурного блока (рис. 4).
Рис. 3. Схема образования жесткой шарнирной арки: a - безопасное расположение выработки под предельным сводом естественного равновесия пород; 5-угол сдвижения пород; ф - угол внутреннего трения; 2a - пролет предельного свода естественного равновесия пород; h- высота предельного свода естественного равновесия пород; L max - максимально допустимая ширина пролета; б- трехшарнирная арка, загруженная массой пород внутри свода; di и d2 - горизонтальный и вертикальный размеры структурных блоков
Рис. 4. Условие прочности заклинивания несущего слоя структурных блоков
Сохранение плоской кровли выработки становится критерием оптимальности устойчивости пустот.
При проектировании выработок в скальных массивах учитывают:
- размеры структурных блоков в различно нарушенных участках массивов;
- положение кровли выработки относительно подзон ру-довмещающего разлома;
- направление выработки и основных систем нарушенно-
сти;
- возможность образования в кровле трехшарнирной арки.
Модель состояния системы массив-выработка описывает
состояние дискретной среды, жесткость элементов которой изменяется в процессе деформирования в зависимости от перераспределения напряжений, вызванных влиянием тектонико-структурных факторов и потерей несущей способности пород в зонах влияния выработки. Для обеспечения устойчивости выработки создают подпор породам: установкой крепи, инъек-цированием связующих растворов, анкерованием.
Для эксплуатации выработки важно, чтобы кровля выработок сохраняла плоскую форму, т. е. растягивающие и сжимающие напряжения не были критическими. Эта возможность определяется способностью структурных блоков к заклиниванию в нижнем слое:
где а! и а2 - соответственно, горизонтальный и вертикальный размеры структурных блоков, м; К2 - коэффициент запаса; Ясж -прочность пород при сжатии, МПа Для ненарушенных пород (рис. 5):
Осмовчоя
1
Ьо1 а
Рис. 5. Схема к определению пролетов плоских обнажений ненарушенных пород
Сила, действующая на половину пролета:
2 Ь L т
q = ьсу>где и0 = —, отсюда а = ±1_,
3 2 0 2У0 а 6У0
где Ь - длина пролета обнажения, м; ^ - мощность основной
кровли, м; У - объемный вес пород, т/м3; У о - соотношение
вертикального и горизонтального размеров структурного блока пород.
3
Момент силы я относительно точки А: м = ЬоУ .
а 18Уо
10Я'' н
Сила распора: т = сж цо2 .
К2 3
Момент силы Т относительно точки А:
мт = Т1Й02 = 10*Сж«О, ,
6 18К 2
где do2 - вертикальный размер структурного блока пород основной кровли, м;
Из равенства моментов, при Н"сж = й'сж = йсж :
Ь0 = 1,71з/10К сж н22у0 ,
V К 2 У
где Н"сж и И'сж - отношение временного сопротивления пород сжатию в направлении распора свода и в направлении действия массы пород; К2 - коэффициент запаса. Для пород зоны мелкой трешиноватости: Незакрепленные обнажения пород зоны мелкой трещиноватости (рис.6)
Сила, действующая на половину пролета:
ьЬ
ан = ,
где Ь - мощность непосредственной кровли, м. Момент силы ян относительно точки А:
Ь и Ь Ь2ЬУ
м а н = — Ь У — = '
2 4 8
Рис. 6. Схема к определению пролетов незакрепленных обнажений пород зоны мелкой трешиноватости
Т =
Сила распора:
10Я ™ 1 ,
К 2 3
н 2 >
где dн2 - вертикальный размер структурного блока пород зоны мелкой трешиноватости, м;
Момент силы распора Т относительно точки А:
МТ = Т —ёН2 =---— ■
Т 6 Н2 18К2
Из равенства моментов: Ь = 1,49ёт
10Я
! К 2 у Ь
Закрепленные обнажения пород зоны мелкой трешиноватости (рис. 7)
ОсиэБндв
> ДМ
Рис. 7. Схема к определению пролетов закрепленных обнажений пород зоны мелкой трешиноватости
Масса пород, воздействующая на половину пролета:
Чы = ,
где Ь - мощность непосредственной кровли, м. Момент силы ян относительно точки А:
Ь , ь
м а = — Ь у — Ч н 2 4
Сила распора:
Ь2Ь у 8
Т =
10Я
1
К.
3
а н
где dн2 - вертикальный размер структурного блока пород непосредственной кровли, м;
Момент силы распора Т относительно точки А:
мТ = т5аы2 = 1(Ж сж
5а;
6
18К
Из равенства моментов:
Ь = 1,49аы
Ы2
К
10Я
К 2 уЬ
Допустимый пролет закрепленного обнажения: Сила веса пород, воздействующая на половину пролета:
ЬзЬ
Ч з = -уЬ У .
Момент силы я3 относительно точки А:
Ь3 , Ь Ь23Ьу мп = —^Ь у — = 3 . Ч 2 4 8
Сила распора 2
т = 10Я сж
К
х
2
3
а
н2
м
Момент силы распора Т относительно точки А: 5 , = 10Я сж 1оа 22 .
т = тза н2
Из равенства моментов для двух слоев в кровле:
К2 • 9
сж
Нота
Ь = 2,98ё, ' сж
н2л1 К2Ь у
ЬФ <Ь3 = 1,49ан2п 10К сж ,
Ф 3 н2 V К2уЬ
где п - количество скрепляемых слоев кровли (2...12).
Допустимый пролет закрепленного плоского обнажения пород зоны мелкой трещиноватости:
Ь3 = шЬ = 1,49шё н '10К сж
К2ЪГ
где т - коэффициент увеличения пролета в зависимости от количества скрепленных штангами слоев (2...6). Количество скрепляемых слоев:
-0,5
п = Ь Ф зУК2
збоя^2
Площадь кровли, приходящаяся на 1 штангу:
10[^ш ] ^ 8= d2 (п-1) '
где [стщ] - допустимые напряжения материала штанг, кг/см2; Бш -площадь поперечного сечения штанг, м2; - вертикальный размер структурных блоков, м; п - количество скрепляемых слоев; у - плотность пород, т/м3.
Надежность пролетов повышают скреплением отдельных ее слоев штанговой крепью. Чем большее число слоев скрепляется, тем больше допустимый пролет или надежнее закрепляемый пролет одинаковой величины. Это объясняется тем, что за счет мощности скрепляемых штангами слоев образуется конструкция большей высоты, вследствие чего увеличивается момент силы распора [5].
Параметры упрочнения несущего слоя пород выбираются по табл. 1
Параметры анкерования могут быть выбраны по табл. 2.
Скреплено слоев Коэфф. увеличения пролета Вертикальный размер структурных блоков, м
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8
2 2,0 1,0 1,2 1,5 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3
3 3,0 1,0 1,2 1,5 2,0 2,4
4 3,6 1,2 1,6 2,1
5 4,0 1,0 1,5 2,0
6 4,5 1,2 1,8 2,2
7 4,8 1,4 2,1
8 5,2 1,6
9 5,5 1,8
10 5,9 1,0 2,0
11 6,2 1,1 2,2
12 6,5 1,2
Соотношение Ьф и Ьо Соотношение Ь и 1ш Назначение анкерной крепи Площади кровли на единицу крепи
1-Ф < ь0 ь=о Крепление структурных блоков нижнего слоя пород зоны мелкой нарушенно-сти с крш - с102 (п - 1)у
1-Ф < 1-0 1<1ш Подвешивание пород зоны мелкой нарушенное™ к ненарушенным породам с .юкКп кр Ш 1
Ц> > Ь0 ь=о Скрепление слоев ненарушенных пород ю|стш£ш крш ¿02(п-1)у
1-ф > Ьо ь < 1ш Подвешивание пород зоны мелкой нарушенное™ к ненарушенным породам _ Юаш8ш крш ! ¿Н2П1У
Обозначения в формулах: Ь - высота свода в породах основной кровли, м; К' - минимальный коэффициент запаса прочности штанг; 5крш - площадь на штангу при закреплении штангами, м2; [стш] - допустимое напряжение материала штанг, кг/см 2; <7Ш - временное сопротивление материала, штанг, кг/см2; Бщ - площадь поперечного сечения штанг, м2.
Рис. 8. Зависимость предельного эквивалентного пролета обнажения пород Ьвэкв кровли выработки от глубины разработки Н и крепости пород / при высоте этажа Нэ 65 и 75 м. Ключ: А — Б — В ^
ЬвэкВ; Г - Д
Пролет плоского обнажения порол Ьвэкв выработки в зависимости от высоты массива порол ло земной поверхности Н и крепости порол f могут быть опрелелены по номограмме (рис. 8).
Оценка технологий с точки зрения учета гомеханической ситуации позволяет как сократить расхолы на солержание выработок, так и минимизировать риск эксплуатации ответственных объектов, к которым относятся транспортные тоннели [2].
Полный учет и использование свелений о массиве, формируемый при развелке и пополняемый в холе эксплуатации выработок прелоставляет возможность оптимизировать инфраструктуру тоннеля на сталии проектирования и корректировать на основе ланных геофизического мониторинга [6].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алборов И.Д., Голик В.И., Цгоев Т.Ф. Охрана окружающей среды утилизацией отходов горного производства. Владикавказ. ИПО СОИГСИ. 2010.
2. Голик В.И. Приоритетные пути развития горнодобывающего и перерабатывающего комплекса Северо-Кавказского региона / А.Е. Воробьев, В.И. Голик, Д.П. Лобанов. - Владикавказ: Рухс, 1998. - 358 с.
3. Голик В.И. Разработка месторождений полезных ископаемых. - Владикавказ: МАВР, 2006. 950 с.
4. Голик В.И., Гуриев Г. Т., Габараев О.З. Геомеханические аспекты разработки скальных месторождений. Владикавказ. Терек. 2001.
5. Приходько В.В., Уланова Н.П., Кузьменко А.М. Влияние геологического нарушения на напряженное состояние вокруг выработки в массиве, ослабленном трещинами.//ГИАБ. - М.:МГГУ. - 2003. - № 11. - С.167-171.
6. Шестаков В.А. Проектирование горных предприятий. - М.: МГГУ, 1995. - 509 с. ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Голик Владимир Иванович - доктор технических наук, профессор. Центр геофизических исслелований Влаликавказского научного центра РАН и Правительства Республики Северная Осетия-Алания, зав.лабораторией, v.i.golik@mail.ru
