Научная статья на тему 'Закономерности зонального деформирования и разрушения массива вокруг горных выработок в сильно сжатом массиве горных пород и совершенствование технологии строительства подземных сооружений'

Закономерности зонального деформирования и разрушения массива вокруг горных выработок в сильно сжатом массиве горных пород и совершенствование технологии строительства подземных сооружений Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
97
15
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЗОНАЛЬНОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ / ZONAL DESTRUCTION OF STRONGLY COMPRESSED ROCK MASS / РАЗРУШЕНИЕ СИЛЬНО СЖАТОГО МАССИВА / БЛОЧНАЯ ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СРЕДА / ПЕРИОДИЧНОСТЬ / THE BLOCK HIERARCHICAL ROCK / ROCK MASS

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Макаров Владимир Владимирович, Опанасюк Николай Александрович, Ксендзенко Людмила Степановна, Голосов Андрей Михайлович

Показана закономерность периодического осцилляционного деформирования сильно сжатых горных пород, определенная в результате натурных исследований.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Макаров Владимир Владимирович, Опанасюк Николай Александрович, Ксендзенко Людмила Степановна, Голосов Андрей Михайлович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Regularities of zonal character of deformation and failure near the openings in high stressed rock mass and perfect technology of the underground constructions building

Regularities of periodical structures of deformation and failure of the rock mass near the openings in high stressed rocks have been determined. Method of natural experimental research had been developed to determine the structure.

Текст научной работы на тему «Закономерности зонального деформирования и разрушения массива вокруг горных выработок в сильно сжатом массиве горных пород и совершенствование технологии строительства подземных сооружений»

--© В.В.Макаров, H.A. Опанасюк,

Л.С. Ксендзенко, А.М. Голосов, 2013

УДК 622: 510.67

В.В.Макаров, Н.А. Опанасюк, Л.С. Ксендзенко, А.М. Голосов

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЗОНАЛЬНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ МАССИВА ВОКРУГ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В СИЛЬНО СЖАТОМ МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Показана закономерность периодического осцилляционного деформирования сильно сжатых горных пород, определенная в результате натурных исследований.

Ключевые слова: зональное деформирование, разрушение сильно сжатого массива, блочная иерархическая среда, периодичность.

ж я еханизмы зонального разрушения массива вокруг вы_

1 работок все еще остаются малоизученными [1]. Одним из вопросов, до настоящего времени не нашедших удовлетворительного ответа, является вопрос об условиях появления зональной структуры разрушения. Является ли это некоторой аномалией реакции массива на создание обнажений - или мы имеем дело с закономерностью, обусловленной состоянием сильного сжатия пород?

Прояснение этого вопроса могло бы быть при появлении зон разрушения вокруг выработок, где в обычных условиях зо_ нальность не проявляется, но после некоторого, заранее известного как сильное, воздействия, массив вокруг подверженных такому воздействию выработок приобрел бы структуру зонального разрушения.

*Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гранты Г/К 14.740.11.1214 от 14.06.11 и №14.А18.21.1980) и Гранта Минобрнауки РФ №7.8652.2013 в рамках Государственного задания.

Зональное разрушение массива вокруг выработки, подвергшейся воздействию горного удара, свидетельствует о наличии в сильно сжатом массиве мезотрешинных структур периодического типа, аналогичных установленным на образцах горных пород. Поэтому исследования деформаций вокруг выработок и скважин в массиве может быть также отнесено к методам прогноза геодинамических явлений, если система деформационных критериев, разработанных для разрушения образца, адаптирована к разрушению массива [2].

Это подтверждают исследования деформаций вмешаюших пород вокруг выработок на большой глубине на Николаевском месторождении, разрабатываемом на расстояниях до земной поверхности, превышающих 500 м, что в условиях тектонически активного района обусловливает высокое напряженное состояние массива горных пород и опасность возникновения горных ударов. Оценка степени опасности пород месторождения по условиям проявления горных ударов в горных выработках является одной из основных целей геомеханических исследований месторождения.

Исследование зональной структуры разрушения массива в натурных условиях осложняется большими трудностями обеспечения требований соблюдения чистоты эксперимента: отсутствия влияния соседних выработок и очистных работ, однородности массива в окрестности выработки как со стороны почвы, так и со стороны кровли, наличие водопритоков в выработку и других. Поэтому выбор мест установки наблюдательных станций диктуется не только конкретной производственной ситуацией и заданиями соответствующих НИР, но и условиями максимально возможного исключения влияния побочных факторов на результаты наблюдений.

Формирование зональной дефектно-деформационной структуры массива

Исследование закономерностей зонального деформирования и разрушения горных пород в массиве вокруг одиночных капитальных выработок было проведено в однородных породах на больших глубинах.

Методика проведения экспериментальных исследований, проводимых с использованием глубинных реперов, предусматривала бурение глубоких скважин в борта и кровлю выработки непосредственно после ее проведения.

3

Рис. 1. Схема установки наблюдательных станций: 1 - выработка; 2 -скважина; 3 - глубинные реперы

Условия установки наблюдательных станций, методы обработки результатов наблюдений соответствовали ранее проводимым исследованиям [3]. Наблюдения за деформациями вмешаюших пород проводились методом установки глубинных реперов в скважинах, пробуриваемых в массиве на различных горизонтах. Свод выработок закреплен анкерами с шагом от 1 до 1,5 м. В настоящее время на руднике Николаевском смонтированы шесть замерных станций, установленные попарно на горизонтах -265 м, -390 м и -406 м (рис. 1, 2).

Место установки реперных станций согласовано с руководством рудника «Николаевский» и расположено непосредственно вблизи ведения горных работ, что сушественно влияет на динамику развития деформационного процесса в сильно сжатом массиве. Так на горизонте -265 реперная станция находится вблизи очистного блока.

В противоположные борта выработки на высоте 1,5 м. были пробурены скважины глубиной 10 м и диаметром 105 мм. В эти скважины установлены глубинные репера клиновой конструкции, которые представляют собой деревянную трубку с помешенным в ее конце со стороны забоя скважины металлическим конусом. Реперы имеют жесткое сцепление с массивом горных пород.

С - место установки наблюда тельных станций

Рж. 2. План ropHbix BbipaôoToK рудника «Hикoлaeвcкий»

Рис. 3. Схеме измерения показаний. Датчик часового типа

Они устанавливаются на расстоянии одного метра друг от друга. От каждого репера к устью скважины протянута стальная проволока, на которую подвешивается груз. На контуре выработки в устье скважины установлен базовый неподвижный репер, необходимый для фиксации показаний. Величина смешений реперов фиксировались датчиками часового типа с ценой деления 0,01 мм (рис. 3).

Ст-265-2010_ Скв.1_

Деформирвоание участков 2-5-6-8-10

Рис. 4. Закономерности деформирования вмещающих пород по скважине 1, горизонт -265 м рудника Николаевский для участков массива на расстоянии от контура 2, 5, 6, 8 и 10 метров

Ст.265-2010_ Скв.1_

Деф-ии участков 1-3-4-7-10

Рис. 5. Закономерности деформирования вмещающих пород по скважине 1, горизонт -265 м рудника Николаевский для участков массива на расстоянии от контура 1, 3, 4, 7 и 9 метров

Периодичность наблюдений составляла 10 суток. После установки в необходимом месте скважины привязанная к конусу проволока натягивается, и конус входит в трубку, расклинивая ее в скважине. В результате наблюдений получен массив данных результатов измерений смешений реперов по всем станциям. На основе этих данных построены графики смешений и деформаций породного массива в зависимости от времени. Установлено, что деформирование вмешаюших пород носит незатухаюший, знакопеременный характер. Это свидетельствует о процессах разрушения, происходяших в массиве, чередовании процессов уплотнения и разуплотнения вмешаюших пород, о нахождении пород массива в состоянии динамической неустойчивости (рис. 4, 5).

На рис. 6 показан характер деформирования массива вдоль скважины в отдельные моменты наблюдения. Хорошо видно, что деформирование носит зональный характер: в контурной части массива преобладают деформации сжатия, затем отмечена ярко выраженная зона относительного растяжения, за которой вновь отмечена зона сжатия. В целом по скважине длиной 10 м отмечено три пары таких зон, что соответствует аналогичной картине, установленной для условий Приморья [3].

Ст.-265-2010_

Скв.2 (=10 и 14 сут

Рис. 6. Зональный характер деформирования вмещающих пород по скважине 2, горизонт -265 м рудника Николаевский на 10 и 14 сутки после установки

Рис. 7. Зональный характер деформирования вмещающих пород по скважинам 1 и 2, горизонт -265 м рудника Николаевский на 10 сутки после установки

Это объясняет причину на первый взгляд хаотичного деформирования массива: на отдельных участках массива деформации носят либо положительный, либо отрицательный характер, строго чередуясь по длине скважины

Хорошо виден периодический характер деформирования массива, где зоны относительного уплотнения и разуплотнения чередуются с удалением от контура выработки. Зональный характер деформирования позволяет соотнести появление макроструктуры зонального разрушения с подготовкой на уровне развития мезотрещинной структуры массива в условиях высоких действующих напряжений.

Рассмотрение закономерностей деформирования отдельных участков массива по длине скважины в сравнении делает картину зонального характера этих процессов еще более ясной (рис. 8 и 9).

Эти рисунки ясно показывают, что деформирование массива в соседних областях расширения и сжатия носит разно-знаковый характер во времени.

Ст.265-2010_

Скв.1_ Участки 6 и 7 Зоны сжати и расширения в сравнении

600

600

Бремя, сут.

Рис. 8. Характер деформирования вмещающих пород в соседних зонах сжатия и расширения по скважине, горизонт -265 м рудника Николаевский во второй паре зон

Ст.265-2010_ Скв.1_

2 и 3 Учасжи наблюдения Зона сжати и расширения

600 400

о 200

X 0

? -200 ■в"

-400

СП

-600

Л

А

2 ) 4 1 6 ) I 8 Ег—- 11 В 11 0 20

~-- -Л

1

Время, сут

Рис. 9. Характер деформирования вмещающих пород в соседних зонах сжатия и расширения по скважине 1, горизонт -265 м рудника Николаевский в первой паре зон

Рис. 10. Характер деформирования вмещающих пород во второй зоне расширения по скважинам 1 и 2, горизонт -265 м рудника Николаевский

Сравнение С кв.1 -2_ Зоны сжатияб во времени

Рис. 11. Характер деформирования вмещающих пород во второй зоне сжатия по скважинам 1 и 2, горизонт -265 м рудника Николаевский

Кроме того процессы деформирования по обеим скважинам, пробуренным в противоположные борта выработки, на одинаковом расстоянии до контура качественно совпадают (рис. 10 и 11). На рис. 10 показаны зоны деформаций расширения, а на рис. 11 - деформаций сжатия.

Развитие зональной дефектно-деформационной структуры массива во времени

Помимо разнознакового характера деформирования вмещающих пород в массиве вокруг выработки наблюдается эффект однократной на каждом из участков вдоль скважины смены знака деформаций во времени. Этот эффект имеет повторяющийся характер, причем такие «всплески» деформаций начинаются у контура выработки и закономерно распространяются вдоль скважины в массиве (рис. 12). Это свидетельствует о прохождении в массиве от контура выработки волн разрушения. Эти волны возникают самопроизвольно, что может быть обусловлено состоянием сильного сжатия массива.

500 ■Л 400 ■ ® 300 5 200 100 1 о] §■ -100 "1" -200 И -300 Развитие деформаций во времени, Ст.-265-2010_ Скв.1_0-1 м (контур)

А

\ / \

\ / \

Л к. \

I N \

V | 1 з \ 1 } 9 \ /1 ю г н* >0 I 0 и 0 V 0 2< ю

/ V

Расстояние отконтура, м

Рис. 12. Характер деформирования вмещающих пород в контурной зоне выработки (скважина 1, горизонт -265 м рудника Николаевский)

Зависимость интервала разрушения от времени Ст.-265_Скв.1._ Конт зона (0-1 м)

30 -I----------I

0 2 0 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Бремя,сут

Рис. 13. Зависимость интервала между возникновением волн разрушения вмещающих пород в контурной зоне выработки (скважина 1, горизонт -265 м рудника Николаевский)

Между возникновением очередной водны и прохождением предшествующей существует временной интервад, который также изменяется с развитием зонадьной структуры во времени (рис. 13). Видно, что ведичина интервада уведичивается ддя каждой сдедующей водны от 35 до 49 суток.

Таким образом, зонадьное деформирование и разрушение массива горных пород вокруг подземных выработок имеет свои закономерности, закдючающиеся в том, что параметры зонадьной структуры имеют однозначно опредедяемые тенденции изменения от контурной части массива в его гдубинную часть, а сама структура от момента формирования претерпевает закономерные изменения во времени, обусдовденные са-мопроизводьно возникающими процессами прохождения водн разрушения в массиве.

Установдение таких закономерностей требует разработки метода опредедения параметров зонадьной структуры разрушения массива вокруг поземных выработок, позводяющего прогнозировать эти параметры, основываясь на данных геодо-

горазведочных работ. Совершенствование технодогии строи-тедьства подземных сооружений также доджно происходить с учетом установденных закономерностей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Куксенко B.C., Гузев М.А., Макаров В.В., Рассказов И.Ю. Концепция сильного сжатия горных пород и массивов.- Вестник Дальневосточного гос. Технич. ун-та. Дальн. гос. тех. ун-т. Владивосток 2011. - №3/4 (8/9). С. 145.

2. Гузев М.А., Макаров В. В. Деформирование и разрушение сильно сжатых горных пород вокруг выработок. - Владивосток: Дальнаука, 2007. -

3. Макаров В.В., Емельянов Б.И., Звонарев М.И. О зональном деформировании массива горных пород вокруг выработок. Механика подземных сооружений. Тула: ТПИ, 1989. С. 116-126.

4. Опарин В.Н. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок /В.Н.Опарин, А.П. Тапсиев, М.А. Розенбаум, В.Н. Рева, Б.П. Бадтиев, А.И. Чанышев. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. -280 с. ГГГТЭ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Макаров Владимир Владимирович - доктор технических наук, профессор, e-mail: vlmvv@mail.ru

Ксендзенко Людмила Степановна - кандидат физико-математических наук, доцент, e-mail: ksendzenko@mail.ru;

Опанасюк Николай Александрович - старший преподаватель, e-mail: neksan@mail.ru

Голосов Андрей Михайлович - аспирант, e-mail: a-dune@mail.ru Дальневосточный федеральный университет, Владивосток;

232 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.