Геомеханічні основи розробки і вибору комбінованих способів кріплення вертикальних стовбурів у структурно неоднорідних породах

Для аналітичних досліджень використано континуальну модель, у відповідності з якою кріплення стовбура та регульований елемент моделюються суцільними неоднорідними циліндрами змінної товщини, а породний масив - суцільним шаруватим середовищем з циліндричним отвором. На верхній межі розрахункової області задано граничні умови, що враховують вагу налягаючих порід, а на боковій та нижній поверхні прийнято умову відсутності нормальних переміщень та дотичних напружень. Особливості взаємодії поверхонь кріплення зі стовбуром та прошарків між собою враховуються 3-ма типами граничних умов: повного зчеплення, двохстороннього контакту з тертям Кулона та одностороннього гладкого контакту.

Для опису процесу пружнопластичного деформування всіх елементів досліджуваної системи використано деформаційну теорію пластичності. Необхідні розрахункові параметри отримано в процесі обробки діаграм повного деформування зразків матеріалів на жорсткій випробувальній установці (розділ 3).

Задача розрахунку напружено-деформованого стану системи «кріплення - регулятивний елемент - масив» полягає в визначенні полів переміщень та напружень, що задовольняють в розрахунковій області ? рівнянню рівноваги, геометричним співвідношенням Коші, положенням деформаційної теорії пластичності, граничним умовам на зовнішній поверхні та внутрішніх контактних поверхнях.

З використанням принципу можливих переміщень одержано варіаційне формулювання задачі в вигляді квазіваріаційної нерівності, для лінеаризації якої використано метод змінних пружних параметрів. Дискретизація задачі виконана на основі методу кінечних елементів, кількість яких складає порядка 10000, а мінімальний розмір 0,1 м.

По даних натурних спостережень в стовбурах найменш стійкими є ділянки на межі породних шарів з суттєво відмінними властивостями. Розглянуто два характерні випадки: тонкий шар слабких порід між двома потужними та навпаки - невеликий міцний породний шар між двома слабкими шарами значної товщини.

Для першого варіанту характерно різке локальне збільшення навантаження на кріплення в межах слабкого шару та зменшення навантаження на прилягаючі ділянки напроти потужних шарів. Слід відмітити слідуючі особливості: гіперболічна залежність розміру зони непружних деформацій в слабкому породному шарі від співвідношення R_t./Н; практична незалежність розміру зони непружних деформацій в слабкому породному шарі від міцності стискуючих шарів; при виконанні співвідношення для слабкого шару R_t./Н 0,67 розмір зони непружних деформацій залежить від потужності шару, а при R_t./Н 0,67 практично визначається граничними умовами на контактах шарів; максимальний розмір зон відривних явищ в міцних шарах фіксується при повному зчепленні шарів.

Для другого розрахункового варіанту встановлено слідуючі закономірності: взаємодія міцного породного шару з кріпленням викликає в ньому деформації згину; розмір зони непружних деформацій в слабких шарах практично не залежить від потужності міцного прошарку, а визначається співвідношенням R_t./Н для слабких шарів; при товщині міцного шару до 0,8 м його вплив на стійкість кріплення незначний; максимальне значення розмірів зон відриву в міцному шарі досягається при повному зчепленні його зі слабкими породами.

В обох випадках, незважаючи на розбіжності в природі виникнення локальних перенапружень, механізм руйнування кріплення аналогічний: виникнення деформацій згину внаслідок локальної осьової нерівномірності навантаження на кріплення з боку структурно неоднорідного масиву з різко відмінними властивостями шарів.

Керуючі впливи, що здатні підвищувати стійкість, можна розділити на слідуючі групи: підвищення міцності та жорсткості кріплення стовбура; підвищення залишкової несучої здатності приповерхневих шарів породного масиву; введення регулятивного піддатливого елемента, що здатний поглинути надлишкові позитивні переміщення породного масиву; комбіноване застосування перелічених вище впливів.

Перший шлях підвищення жорсткості кріплення стовбура полягає в збільшенні товщини бетонної стіни без зміни її міцності. Згідно розрахунків, збільшення товщини кріплення з 0,4 м до 1,2 м приводить до зменшення зони непружних деформацій в слабких шарах на 30 - 40%, а відповідної зони в кріпленні - на 20 - 40%.

Другий шлях полягає в підвищенні міцності кріплення при незмінній товщині кріплення. Для кріплення товщиною 0,4 м підвищення міцності на розтяг від 2 МПа до 5 МПа підвищує запас міцності кріплення на 30 - 70%. При цьому розмір зони деформацій в слабких породних шарах практично не змінюється.

Практична реалізація керуючих впливів, що підвищують залишкову несучу здатність приповерхневих шарів масиву полягає в використанні анкерного кріплення чи тампонажу ослаблених зон в глибині масиву чи на контурі стовбура. Виконані розрахунки показали, що підвищення залишкової міцності приконтурної зони є доцільним, коли для шара слабких порід виконується співвідношення R_t./Н 1 для першого з розрахункових випадків і R_t./Н 1,5 для другого.

На практиці широке застосування знаходить багатошарове піддатливе кріплення, здатне до гасіння деформацій, зокрема реалізоване з застосуванням шлакових блоків. Розглянуто дві схеми укладки: довгою стороною по контуру кріплення та торцем до контуру. При розрахунках вибрано слідуючі параметри геомеханічної системи: товщина бетонного кріплення - 0,4 м; межа міцності блоку - 20 МПа, розмір зони ослаблених порід - 0,8 м.

Для першого з розрахункових випадків при товщині штучного підатливого шару 0,2 м допустиме зниження міцності слабкого прошарку, при якій починаються помітні деформації, становить 0,25 Н при товщині 4 м.

Для другого розрахункового випадку при товщині піддатливого шару 0,2 м порогове значення міцності слабких порід становить 0,75 Н, при товщині міцного прошарку 0,4 м і 0,66 Н при товщині 4,0 м. Подвоєння товщини піддатливого шару приводить до можливості підтримувати стійкість системи аж до зниження міцності слабких порід до 0,5 Н практично незалежно від потужності міцного прошарку.

Таким чином, використання регулятивного елемента в вигляді піддатливого шару з шлакоблоків є ефективним засобом підвищення стійкості коли для слабких порід масиву виконується співвідношення R_t/Н < 1.

В процесі аналізу результатів розрахунків отримано залежності розмірів зони пластичності та розмірів подовжених ділянок кріплення стовбура від співвідношення міцностних показників порід суміжних шарів, потужності слабкого прошарку, міцності кріплення і залишкової міцності піддатливого шару в якості регулятивного елемента. Зокрема, розмір зони пластичності в слабких породах визначається з похибкою не вище 16% (корелятивне відношення рівне 0,821) слідуючим чином:

,

де R_t довготривала міцність; а₀ = 0,018 0,031; b₀ = 1,60 2,13 для потужності пласта в межах т = 1,2 4,0 м.

Експоненціальний вигляд має також залежність вказаного параметра від залишкового опору регулятивного елемента . Аналогічно виглядає і залежність розмірів пластичної зони в кріпленні від його опору .

Розмір зони впливу на кріплення стовбура з похибкою, що не перевищує 14% (корелятивний коефіцієнт рівний 0,873) визначається залежністю

,

де а₁ = -3; b = 0,5 7,6 для потужності пласта т = 1,2 4,0 м.

Розділ 6. Геомеханічне обгрунтування, розробка і впровадження комбінованих способів кріплення шахтних стовбурів в структурно неоднорідних породах

Геомеханічні основи розробки і вибору способів кріплення шахтних стовбурів в неоднорідних породах базуються на комплексному підході, який передбачає: визначення, з використанням літолого-геомеханічного тренду, умов прохідки, оцінку напруженого стану системи «кріплення породний масив», вибір конструкції основного кріплення та обгрунтування, згідно запропонованих принципів регулятивних засобів керування гірським тиском, забезпечуючих в сукупності підвищення несучої здатності системи і зменшення величини та асиметрії навантажень на стовбур. Технологічні передумови у цьому пов'язані з формуванням обмежено-піддатливих та високої несучої здатності охоронних конструкцій за умов керованого використання властивостей породного масиву і зміни деформаційно-силових характеристик указаної системи. Досягається це використанням принципів попередньої, чи сумісної реалізації керуючих впливів, поєднання активних і пасивних регулятивних елементів з застосуванням їх на різних етапах підтримання стовбурів. Розроблено діаграму диференційованого вибору способів кріплення з урахуванням характеристик поводження масиву порід на ранніх стадіях його оголення та довготривалому стані.

Враховуючи результати шахтних і аналітичних досліджень, обгрунтовані параметри комбінованих схем охорони стовбурів: формуванням в геомеханічно активних (штучно створених) зонах піддатливої (хімтампонаж), а в закріпному просторі вантажонесучої (неорганічні в'яжучі) оболонок; формуванням в місцях підвищеного порушення порід в напрямку «підйом падіня» пластів, орієнтованих зміцнених зон масиву для підвищення його квазіоднорідності, рівноміцності по контуру і зменшення асиметрії навантажень на стовбур. Розроблені схеми застосування в якості регулятивних елементів анкерного та анкерного натяжного кріплення. В першому випадку обгрунтовані параметри різноглибинного анкерування, при яких створюються умови для формування консолідованої порідної оболонки на контурі стовбура. У разі застосування анкерного натяжного кріплення створюються умови його активної примусової дії з масивом порід. Моделюючи натяжне анкерне кріплення, як гнучку нитку, знайдені аналітичні вирази для розрахунку шагу його зведення, необхідного опору та попереднього зусилля натягу. Розглянуто застосування цього кріплення на циліндричній частині стовбура та його сполучення з горизонтальною виробкою як гнучкого регулятивного елементу, забезпечуючого автономне деформування кріплень виробок.

Обгрунтовані параметри і розроблені комбіновані конструктивно-технологічні рішення по застосуванню багатошарових кріплень з використанням анкерних систем та піддатливих регулятивних елементів. Підвищення рівня їх прогресивності пов'язане з забезпеченням малонапруженості в основному кріпленні в першу чергу за рахунок чергування зміни стану матеріалів піддатливих елементів в режимах деформаційного розміцнення і зміцнення.

Розроблено спосіб комбінованого кріплення стовбурів в обводнених породах с формуванням протифільтраційних запон, виконано обгрунтування технології і типу кріплення для прохідки гирла стовбурів у структурно нестійких пливунних породах.

Порівняльними шахтними експериментами (ш. им. О.Г. Стаханова, «Жовтневий рудник», «Зоря») доказана ефективність покращення роботи системи «кріплення стовбура масив» при використанні регулятивних елементів різної жорсткості і піддатливості (анкери, шлакоблоки, розчини, їх комбінації): коефіцієнт асиметрії навантажень на основне кріплення зменшується з 1,4 до 1,03-1,07.

Для економічної експресоцінки вартості спорудження одного метра стовбура розроблена методика; виконані техніко-економічні розрахунки ефекту від впровадження розробок на шахтах Донбасу. Показано, що їх використання дозволило зменшити капітальні витрати на 10-15%, підвищити продуктивність праці на 15-25%, зменшити обсяги використання дорогого залізобетонного і розширити застосування анкерного та штучного бетонного кріплення в складних геотехнічних умовах. Отримано економічний ефект 972,5 тис. крб (в цінах 1984 г.).

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій дане теоретичне узагальнення і вирішена науково-технічна проблема, яка містить геомеханічне обгрунтування, вдосконалення та розробку комбінованих способів кріплення шахтних вертикальних стовбурів у структурно неоднорідних породах, впровадження яких вносить значний внесок в розвиток науково-технічного прогресу в галузі шахтного будівництва і забезпечує підвищення продуктивності праці, економії матеріальних ресурсів, скорочення термінів і вартості кріплення стовбурів при підготовці нових горизонтів і реконструкції вугільних шахт.

Основні наукові і практичні результати, висновки і рекомендації виконаних досліджень полягають в наступному:

Підвищення рівня ефективності і технологічности кріплення вертикальних стовбурів вугільних шахт в складних гірничо-геологічних умовах пов'язане з великими витратами, а іноді і труднощами технічного порядку. Обгрунтуванням показано, що перспективним є комбіновані способи кріплення стовбурів з забезпеченням керованого використання властивостей породного масиву, із застосуванням елементів різної піддатливості і жорсткості.

Для оцінки, прогнозування умов прохідки і кріплення вертикальних стовбурів введені нові показники для характеристики структурної і міцнісної неоднорідності породного масиву, а для визначення його стійкості у відслоненнях розроблено на основі імовірносно-статистичних моделей літолого-геомеханічний тренд, що має табличну відображеність та аналітичний вираз для розрахунку кількісних показників категорій стану масиву, використання якого підвищує повноту і достовірність вихідних даних для проектування і будівництва стовбурів та дає можливість вибрати напрями розробки конструктивно-технологічних рішень їх охорони.

Аналізом і статистичною обробкою даних про структурно-механічну неоднорідність масивів порід установлено експоненційний розподіл шарів порід по коефіцієнту міцності і шарів, що підпали під вивали, обернено-експоненційний розподіл потужності шарів в товщі. Виявлено, що статистична закономірність зменшення частотності вивалів із зростанням потужності пластів підпорядковується розподілу Парето. Для трьох виділених категорій порід (І f 21, ІІ f 12, ІІІ f 6) значення імовірності вивалів в залежності від потужності шарів змінюються в межах: 0,33-0,67; 0,16-0,67; 0,72-0,92 і від міцності 0,11-0,47; 0,29-0,56; 0,81-0,92 відповідно. Інтенсивність вивалів в потужних слабких породах збільшується вдвічі, зберігаючи нерегулярний характер залежності імовірності вивалів від потужності пластів.

Установлена кореляційна залежність оцінки відносної величини вивалів на кожні 100 м поглиблення стовбура. Із зростанням глибини і міцності порід вона зменшується обернено пропорційно.

Основні закономірності, особливості та фізико-механічна суттєвість взаємодії системи «кріплення стовбура регулятивний елемент неоднорідний породний масив» полягають в наступному.

При явному впливі структурно міцнісної неоднорідності порід, типу кріплення та регулятивних елементів довготривала взаємодія системи «кріплення стовбура породний масив» характеризується негативним впливом виражено асиметрією розподілу навантажень на стовбур з орієнтацією максимумів напружень (К_а = 1,2-1,4) в напрямі «падіння підйом» шарів із зростанням ступіня асиметрії на ділянках з більш слабкими породами, яка і є визначальною причиною деформування стовбурів.

Установлено, що в глибину породних масивів на незакріплених ділянках стовбурів спочатку формуються дві зони підвищеного тріщиноутворення в таких межах: перша 0-0,8 м; друга 1,2-1,6 м. При довготривалій взаємодії кріплення стовбурів і породних масивів має місце формування активних трибогеомеханічних зон в межах: І 1,4-1,6 м; ІІ 1,8-2,2 м; ІІІ більше 2,2 м. Викладена фізико-механічна суттєвість цих процесів, а їх кількісні показники використані при обгрунтуванні параметрів способів кріплення стовбурів та принципів керування гірським тиском в них.

Виявлено, що взаємний вплив вертикального стовбура і примикаючої до нього горизонтальної виробки проявляється в квазіхвильовій зміні рівня напружень в приконтурних породах останньої, при цьому з віддаленням від стовбура амплітуда осциляції показників зменшується, а відстань між суміжними екстремумами зростає: для першої пари відношення максимума до мінімума рівня електромагнітної емісії складає 1,15-1,33 (середнє 1,23), для другої пари 1,1-1,24 (середнє 1,16), для третьої пари 1,1-1,16 (середнє 1,13). Відстань між першими двома екстремумами різних знаків приблизно рівна 4,0 м. Таким чином, визначені кількісно зону впливу стовбура на горизонтальну виробку: наявність мінімума напружень на відстані, рівній діаметру стовбура і зони безпосереднього його впливу, яка дорівнює двом його діаметрам з відліком від контуру кріплення стовбура.

Визначені характерні зони деформування порід над сполученнями стовбурів з горизонтальними виробками; розкрито механізм геомеханічних процесів біля стовбура з різним кріпленням з врахуванням основних взаємновпливаючих факторів.

На основі безпосередніх довготривалих вимірювань зміщень кріплення і порід в вертикальних стовбурах вугільних шахт отримана залежність, яка має експоненційний вигляд (кореляційне відношення 0,758, похибка розрахунків не перевищує 20%) і дозволяє їх прогнозувати з врахуванням часу, радіуса стовбура, опору кріплення та властивостей порід.

По результатах рішення задачі про взаємодію багатошаруватої товщі, складеної різнопотужними і різноміцносними породами, з кріпленням стовбура виявлено механізм цього процесу, який проявляється в варіації параметрів зони непружних деформацій (пластичності) і зони кріплення, що знаходиться під дією контактуючого масиву: параметри першої нелінійно залежать від потужності шарів слабких порід і рівня їх навантаженості (R_t/Н), а другої обернено пропорційно від тих же чинників.

На основі комплексних досліджень обгрунтовані науково-технічні принципи розробки і вибору комбінованих способів кріплення стовбурів, які регламентують види, рівні і послідовність реалізації основних і регулятивних елементів керування гірським тиском. Фізико-механічна суттєвість принципів пов'язана з попередньою послідовною чи сумісною реалізацією керуючих впливів на масив, застосуванням піддатливих, жорстких та гнучких регулятивних елеметів, забезпечуючих кероване використання несучої здатності масиву порід та підвищення стійкості стовбурів.

Розроблені комбіновані способи кріплення стовбурів в неоднорідних породах і технологічні схеми їх застосування. Запропонованою методикою економічної оцінки кріплення, перевіреною на декількох шахтах, виконані розрахунки економічних показників різних типів кріплення. Промислова перевірка і впровадження технологічних розробок показали ефективність рішень автора по застосуванню різних комбінацій регулятивних елементів з основним монолітним, бетонним, залізобетонним, тюбінговим кріпленням. Забезпечується зниження величини і асиметрії нагрузок (з К_а = 1,4 до К_а = 1,03-1,07) на стовбур, чим підвищується його стійкість. Впроваджені розробки автора на 10 шахтах Донбасу забеспечили зменшення на 10-15% капітальних витрат, підвищення продуктивності праці на кріпленні до 15-25%, отримання економічного ефекту в обсязі 972,5 тис. руб. (в цінах 1984 р.).

На основі результатів виконаних робіт розроблено технологічні карти реалізації комбінованих способів кріплення шахтних стовбурів, «Руководство по геофизической диагностике состояния системы «крепь породный массив» вертикальных стволов (дополнение к РД.12.18.073-88)», «Руководство по производству работ способом опускной крепи в тиксотропной рубашке при проходке вертикальных стволов шахт и сооружений неглубокого заложения», затверджених на рівні галузі як нормативних документів.

Сукупність отриманих результатів складає необхідні геомеханічні та технічні основи розробки, вибору і застосування комбінованих способів кріплення вертикальних шахтних стовбурів в неоднорідних породах продуктивних товщ Донбасу.