CC BY
36
УДК 622.235:622.831.232 Тюпин Владимир Николаевич,
д.т.н., профессор, ЗабИЖТ филиал ИрГУПС Михайловский Александр Викторович,
директор по производству ОАО ППГХО
ВЛИЯНИЕ ВЗРЫВА НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТРЕЩИНОВАТОГО МАССИВА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ
V.N. Tyupin, A. V. Mikhailovsky
EFFECT OF EXPLOSION ON THE STRESS STATE OF MASSIF DURING THE HANDLING OF MINING OUTPUT AND RAILWAY TUNNELING
Аннотация. Изучен механизм действия взрыва при проходке выработок и железнодорожных тоннелей в трещиноватых напряженных горных массивах. Рассмотрены зоны действия взрыва. Зона заколов обеспечивает снижение устойчивости массива на контуре выработки. Зона взрывных остаточных напряжений (служит «сжатой пружиной») принимает участие в обрушении породы на контуре выработки и разрушении обделки тоннеля. Для снижения вредного влияния взрыва необходимо принять специальную технологию или проходить выработки и тоннели механическим способом.
Ключевые слова: взрыв, горные массивы, тоннели.
Abstract. The mechanism of action on the crumbling stressed mine massifs during the handling of mining output and railway tunneling is presented. The areas of explosion action are considered. The driving area provides the decreasing of massif stability on the working contour. The area of explosive residual stresses (serves as «compressed spring») takes part in the rock caving on the working contour and in the tunnel lining destruction. It is necessary to adopt a special technology or drive a working and tunneling mechanically to decrease a harmful effect of explosion.
Keywords: explosion, mine massifs, tunnels.
В работах [1, 2] описываются принципы строительства железобетонных обделок в железнодорожных тоннелях. Расчеты обделок проводились на основании положений строительной меха-
ники с учетом горного и гидростатического давления, сейсмического действия землетрясений и особенностей возведения обделок. Воздействия на обделку тоннеля, приводящие к ее разрушению, в [1] разделены на три категории: транспортные нагрузки, механические и физико-химические воздействия горной геомеханики, обводненность тоннеля.
Следует отметить, что помимо этих нагрузок установлен эффект остаточного изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) трещиноватого массива после проведения взрывных работ при проходке горных выработок и тоннелей. Ниже приведен анализ литературных источников, экспериментальное доказательство образования зон деформирования массива, теоретические и численные расчеты остаточного напряженного состояния массива в бортах и кровле горных выработок и тоннелей.
Напряженно-деформированное состояние массива вблизи проводимой выработки существенно влияет на устойчивость и удароопасность обнажений горного массива. НДС не нарушенного горными работами массива определяется гравитационными и тектоническими силами [3]. При проведении выработок в неоднородном горном массиве, вблизи обнажений возникают зоны концентрации напряжений [4]. Причиной концентрации напряжений считается изменение начального НДС за счет выемки отрабатываемой части массива и формирование нового НДС за счет перераспределения напряжений. В настоящее время накопилось
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
достаточно много фактического материала, чтобы дополнить сложившееся мнение.
В данной статье приводится доказательство эффекта изменения НДС трещиноватого массива вблизи проводимой буровзрывным способом выработки не только за счет перераспределения напряжений, но и за счет действия взрыва.
Промышленными экспериментальными (карьеры комбината «Ураласбест») [5], 1979 г., и теоретическими [6], 1983 г., исследованиями установлено, что при взрывании в законтуренной части массива за зонами дробления отдельностей и заколов имеется зона трещинных деформаций, в которой естественные трещины закрываются, и массив находится в остаточном напряженно-деформированном состоянии.
В работе [7], 1987 г., с помощью гамма -гамма каротажа установлено изменение плотности массива после каждой серии взрывов, предложена модель блочного массива, описывающая реакцию пород на взрывные воздействия, представленная комбинацией элементов сухого трения и упругих элементов. Элемент среды способен запасать и отдавать внутреннюю потенциальную энергию.
Для оценки влияния действия взрыва на НДС трещиноватого массива в условиях подземных горных работ ОАО Приаргунское горнохимическое объединение (ППГХО) были проведены несколько серий экспериментальных исследований. Исследования проводились на глубине 630...690 м от поверхности земли в горных выработках диаметром 3-4 м.
I серия. Массив представлен гранитами с размером отдельности 0,05.0,4 м, количество систем трещин - 3, трещины не заполнены -с раскрытием 0,1.0,2 мм или имеют заполнитель - кальцит, мощностью 1.3 мм. В борта выработки пробурили 8 шпуров, длиной 1,5.1,8 м на расстоянии 2 м.
До взрывов в шпурах с помощью прибора ЗП-5 определялась частота акустической эмиссии (АЭ), которая относительно характеризует напряжения в массиве. Затем производилось заряжание и взрывание двух шпуров зарядами аммонала массой 0,2 и 0,4 кг. Через 0,5.1,0 часа производились замеры частоты АЭ в течение 15.20 мин. Эксперименты показали, что до взрывов средняя частота АЭ составляет 4,5-10"3 сек-1, после взрывов 78,5 10 3 сек-1, что указывает на факт создания напряженного состояния в трещиноватом массиве при взрывании.
II серия. Массив представлен гранитами с размером отдельности 0,4.1,0 м. Количество систем трещин - 3, заполнитель трещин - кальцит
и хлорит мощностью 1.3 мм. Шпуры бурили длиной 1,5 м на расстоянии 0,5 м друг от друга. Число шпуров - 10.
Замеры относительного напряженного состояния проводились прибором АЭ ЗП-5 и прибором горного мастера. Частота АЭ замерялась по всем шпурам в течение 15 мин до и после взрыва аммонала массой 0,8 кг в центральном шпуре 5. Замеры частоты АЭ после взрыва проводились через 0,5.1,0 часа. Анализ результатов эксперимента показывает, что взрыв заряда ВВ с коэффициентом заполнения шпуров более 0,5 обеспечивает разгрузку массива в радиусе 0,75. 1,25 м. На расстояниях 1,0.3,0 м от заряда происходит нагрузка массива - формирование поля остаточных напряжений.
III серия экспериментов проводилась с целью определить изменение напряженного состояния массива по мере проходки выработки. Для этого в борту бурили наблюдательные шпуры длиной 1,5.1,8 м на расстоянии 2 м друг от друга. Ближайший шпур находился на расстоянии 3 м от забоя, в качестве наблюдательных также использовались шпуры проходческого цикла. Замеры частоты АЭ проводились в наблюдательных шпурах до и после взрыва всего комплекта зарядов на проходке. Анализ результатов показывает, что с увеличением расстояния от забоя до наблюдательных шпуров частота АЭ снижается. Частота АЭ через 8 часов после взрыва проходческих шпуров в несколько раз меньше, чем частота сразу после взрыва (через 1,0.1,5 часа). На расстоянии 10 м и более от забоя частота АЭ стремится к минимальной постоянной величине. Это указывает на то, что помимо релаксации напряжений во времени сейсмическое действие технологических взрывов приводит к снижению напряженного состояния приконтурной части массива.
Проведенные экспериментальные исследования и анализ литературы по деформированию трещиноватого массива взрывом позволили разработать механизм формирования зон заколов и остаточных напряжений в трещиноватом массиве при взрыве заряда ВВ, параллельного открытой поверхности (рис. 1).
Под действием давления продуктов детонации (ПД) трещиноватый массив начинает смещаться во все стороны от взрываемых зарядов ВВ, что сопровождается дроблением отдельностей в зоне 3, деформациями и трением на берегах естественных трещин, а также упругими деформациями отдельностей в зонах 4 и 5. Движение части массива 2 в сторону выработанного пространства 1 сопровождается выбросом отдельностей.
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
3 4 5 е
Рис 1. Развитие процесса деформирования трещиноватого массива взрывом во времени. а - до взрыва, б - во время взрыва, в - после взрыва, г - после сейсмического воздействия очередного взрыва. 1 - выработанное пространство, 2, 3, 4, 5 - соответсвенно зоны выброса, дробления, заколов, остаточных напряжений. 6 - зона естественного состояния массива
После падения давления в зарядных полостях реакция упруго деформированных взрывом отдельностей и горное давление в зонах 3 и 4 приводят к смещению массива в сторону пространства 1. Причем запас упругой энергии в зонах 3 и 4 превышает энергию, расходуемую на трение, возникающую между отдельностями, что сопровождается смещением массива и падением напряжения в этих зонах с образованием заколов. Возвращению упруго деформированных отдельностей в зоне 5 в первоначальное НДС до взрыва препятствуют силы трения на берегах естественных трещин, создаваемые горным давлением. Массив за пределами зоны заколов как бы «запрессовывается», и его напряженное состояние в зоне 5 увеличивается. При воздействии взрывной нагрузки силы трения обеспечиваются боковым распором от-дельностей в направлении, перпендикулярном сжимающей нагрузке, а также статическим горным давлением.
Таким образом, за зоной дробления отдель-ностей в трещиноватом массиве находятся зоны с измененными физическими свойствами, что выражается в образовании заколов в зоне 4 и уменьшении ширины раскрытия естественных трещин
в зоне 5 с изменением напряженного состояния отдельностей массива в зонах 4 и 5.
Проведение следующего цикла буровзрывных работ на расстоянии от зоны 5 при проходке выработки приводит к практически мгновенному приращению величины напряжений в зоне 5, что обеспечивает превышение сил трения в ней и разгрузку массива за счет сейсмического действия взрыва, в результате чего максимум напряжений смещается вглубь массива, а напряжения в зоне максимума уменьшаются (рис. 2).
I
К .у
/1 / / 1 / N •—
V 1 1 1 и-- 1 1 1
0 Коз й
Рис. 2. Зависимость остаточных напряжений а с расстоянием г от борта выработки: 1 - вблизи забоя выработки, 2 - на расстоянии от забоя, после разгрузки массива сейсмическим действием взрывов на проходке
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Основные параметры НДС массива при проведении способом БВР одиночной выработки в условиях горного давления, разработанные на основе изложенного механизма, даны в формуле (1). Общий вид кривых приведен на рис. 2.
/у 3г Ф) = 2Ер--
а{г) =
1 -у с Бр с ~8 гКФ
Л
8т2 Д, при 0 < г < Rз
-3 1
1 -
/у
1-У
Кп1 К±( N) Кот +
(1)
+ -/), при г > где г - текущее расстояние от контура выработки вглубь массива; Я3 - расстояние от контура выработки до максимума в зоне остаточных напряжений на любом удалении от забоя; И^, Кс - расстояние от контура выработки до максимума в зоне остаточных напряжений вблизи забоя выработки и показатель, учитывающий сейсмическое действие взрыва; О, рв, С3 - скорость детонации, плотность и диаметр заряда ВВ; Е , с, у, / - модуль разгрузки, скорость продольной волны, коэффициент Пуассона отдельности массива, коэффициент трения между отдельностями соответственно; 3, Се, к, Д, Ф - раскрытие трещин, размер отдельности, количество систем трещин, угол наклона 7-й системы трещин к обнажению, показатель трещиноватости; Кп±, К (N),Кот - показатели, учитывающие взаимодействие зарядов ВВ и открытую поверхность; Р - величина горного давления в ненарушенном массиве.
Многочисленные промышленные экспериментальные исследования, проведенные на рудниках № 1, 2, 4, 6, 8 ОАО ППГХО, позволили установить зависимости радиуса зоны заколов (расстояние от контура выработки до дальнего закола, рис. 3). Исследования проводились по обнажению горного массива после врезки выработки в борт, перпендикулярно оси существующей выработки. Типовые параметры буровзрывных работ при про-
ходке выработок на рудниках ОАО ППГХО: диаметр шпуров 42 мм, ВВ - аммонал 200, взрывание - электроогневое.
Промышленные экспериментальные исследования по определению зависимости радиуса зоны остаточных напряжений от среднего размера отдельности в массиве проводились методом кернов, параллельных скважин, методом разгрузки и ультразвуковым методом. Результаты приведены на рис. 4. Анализ рис. 3 и рис. 4 показывает, что ширина (Ш) зоны остаточных напряжений (Ш= Иост- Ив) при размере отдельности de = 0,1 м, составляет 2-3 м, при de = 0,4 м Ш = 1 - 2 м, при de = 1,0 м Ш = 0,5 - 1,0 м.
Максимальное значение величины остаточных напряжений в горном массиве очевидно находится на расстоянии И^. Определим, например, для Северо-Муйского тоннеля максимальную величину взрывных остаточных напряжений и величину горного давления в ненарушенном массиве. Величина сг(г) определена по второй части формулы (1).
Средняя величина горного давления определяется в зависимости от глубины расположения тоннеля, объемной массы вышележащих пород и угла внутреннего трения массива (коэффициента трения между отдельностями массива /) по формулам [8]. Данные приведены в табл. 1. Численные значения параметров в формуле (1): О = 4,2• 103 м/с, р= 0,8• 103 кг/м3, d3 = 0,04 м, с = 4 -103 м/с, у =0,25, Кп±= 2,
К (N) = 2(3), Кот = 0,7, Кс2 = 1,33. Остальные параметры приведены в табл. 1.
Анализ табл. 1 показывает, что величина остаточных напряжений после проведения взрывных работ на дальней границе зоны заколов (в зоне максимума остаточных напряжений) в 1,5-3 раза превышает среднюю величину горного давления в глубине массива. Со временем, за счет времен-
Рис. 3. Зависимость расстояния менаду контуром выработки и границей зоны заколов (Яоз) от размера естественных отдельностей ()
Рис. 4. Зависимость расстояния менаду контуром выработки и границей зоны остаточных напряжений (Яост) от размера отдельности( йе)
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
Таблица 1
Расчетные значения максимальной величины остаточных напряжений и средней величины горного давления в Северо-Муйском тоннеле на глубине 500 м
de,M Ф, м Рср,106, Па Ro3, м o(r) , 106, Па
< 0,05 > 12 < 0,2 > 13,3 > 2,0 <19,6
0,05-0,15 12-10 0,2-0,3 13,3-15 2,0-1,1 19,6-30,6
0,15-0,40 10-8 0,3-0,45 15-18 1,1-0,7 30,6-48,2
0,40-1,0 8-6 0,45-0,6 18-22 0,7-0,6 48,2-69,3
> 1,0 < 6 > 0,6 > 22 <0,6 > 69,3
Примечание: d - средний размер отдельности, Ф - показатель трещиноватости, р - коэффициент трения по граням отдельностей, Рср - величина среднего горного давления (среднеарифметическое между вертикальной и двумя горизонтальными компонентами).
ной релаксации напряжений, за счет сейсмического действия землетрясений и вибродинамического воздействия подвижного состава величина максимума остаточных напряжений уменьшается и смещается вглубь массива. При этом величина напряжений на контуре выработки, и крепи выработки или обделки железнодорожного тоннеля увеличивается и может достигать 0,3-0,5 от напряжения в максимуме, то есть 6,0-35,0 МПа.
Это приводит к нарушению обделки, так как величина прочности неповрежденного бетона составляет 40,5 МПа. Явление интенсивного нарушения обделки железнодорожного тоннеля обнаружено в Северо-Муйском тоннеле [2]. Предварительный анализ схемы трещин в тоннеле показал, что в менее трещиноватых породах интенсивность нарушения обделки более существенна, что соответствует табл. 1. Кроме того, анализ рис. 6 в [2] показал, что преимущественными являются горизонтальные и слабонаклоненные системы трещин в обделке тоннеля. Это с точки зрения неоднородных горных массивов указывает на наличие субгоризонтальных напряжений - взрывных остаточных напряжений, участвующих в деформировании и разрушении обделки тоннелей.
Таким образом, в настоящей работе доказано появление эффекта формирования зоны остаточных напряжений в горном массиве. В последующем напряженные породы зоны остаточных напряжений деформируют породы зоны заколов и железобетонную обделку, принимая участие в ее разрушении. Уровень напряжений на контуре выработки превышает среднее горное давление в 1,2-1,5 раза и сопоставим с пределом прочности железобетонной обделки на сжатие (10-40 МПа). Это говорит о существенном влиянии пород зоны остаточных напряжений и зоны заколов на устойчивость обнажений и крепи горных выработок или железобетонной обделки тоннеля.
Для снижения влияния взрывных работ при проходке выработок и тоннелей на НДС законтур-
ного массива разработана специальная технология ведения БВР. Наилучшим способом проходки тоннелей и выработок можно считать механический - с помощью горнопроходческих комплексов, комбайнов, тоннелепроходческих машин, которые не создают неустойчивые зоны заколов и активные зоны взрывных остаточных напряжений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Быкова Н.М. Особенности работы Северо-Муйского тоннеля в условиях активной геодинамики // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - ИрГУПС, 2005. - № 4 (8). - С. 169-174.
2. Быкова Н.М., Шерман С.И. Северо-Муйский тоннель из XX в XXI век. - Новосибирск : Наука, 2007.
- 185 с.
3. Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок / А.И. Турчанинов, Г.А. Марков, В.И. Иванов, А.А. Козырев. - Л. : Наука, 1978. - 255 с.
4. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах. - М. : Недра, 1986. -270 с.
5. Тюпин В.Н. Исследование средств и способов взрывания трещиноватых горных пород с целью увеличения зоны регулируемого дробления : дисс. ... канд. техн. наук. - М. : МГИ, 1979. - 133 с.
6. Кутузов Б.Н., Тюпин В.Н. Определение размеров зон деформирования трещиноватого массива взрывом заряда ВВ. // изв. вузов. Горный журнал. - 1983.
- № 4. - С. 53-58.
7. О некоторых особенностях реакции горных пород на взрывные воздействия в ближней зоне / М.В. Курленя, В.Н. Опарин, А.Ф. Ревуженко, Е.И. Шемякин. - Докл. АН ССР. - 1987. - Т. 293. - № 1. -С. 67-70.
8. Тюпин В.Н. Повышение эффективности геотехнологии с использованием энергии взрыва при деформировании трещиноватых напряженных массивов горных пород : дисс. . доктора техн. наук. - М. : ВНИПИПТ. - 2002. - 267 с.
