Керування стійкістю підготовчих виробок регулюванням ефекту саморозклинювання уміщуючих порід

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

УДК 622.834:622.26

Спеціальність 05.15.11 - "Фізичні процеси гірничого виробництва"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

КЕРУВАННЯ СТІЙКІСТЮ ПІДГОТОВЧИХ ВИРОБОК РЕГУЛЮВАННЯМ ЕФЕКТУ САМОРОЗКЛИНЮВАННЯ УМІЩУЮЧИХ ПОРІД

Александров Сергій Миколайович

Дніпропетровськ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Гірничому інституті Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Назимко Віктор Вікторович, завідувач лабораторії Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Ширін Леонід Никифорович, завідувач кафедри рудникового транспорту Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Скіпочка Сергій Іванович, провідний науковий співробітник відділу механіки гірських порід Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ)

доктор технічних наук Анциферов Андрій Вадимович, директор Українського державного науково-дослідного і проектно-конструкторського інституту гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України (м. Донецьк)

Провідна установа: Державне підприємство "Комплексний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут з проблем Центрального району Донбасу" Міністерства палива та енергетики України (м. Горлівка)

Захист дисертації відбудеться " 25 " червня 2004 р. о 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19) З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19) Автореферат розісланий " 21 " травня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 кандидат технічних наук, доцент В.І. ТимощукАнотації

Александров С.М. Керування стійкістю підготовчих виробок регулюванням ефекту саморозклинювання уміщуючих порід. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - "Фізичні процеси гірничого виробництва". - Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України. - Дніпропетровськ: 2004.

У роботі визначені умови виникнення ефекту саморозклинювання зруйнованих порід навколо підготовчої виробки, зрушення породних блоків, що характеризуються одночасністю в радіальному відносно центра виробки напрямку і стискаючою компонентою напружень в тангенціальному відносно контуру виробки напрямку; встановлені причини зникнення ефекту саморозклинювання, що полягають у черговості зміщення сусідніх породних блоків в зоні непружних деформацій; визначена найбільш вірогідна форма порушення саморозклиненого стану порід - породної складки; уточнений механізм розвитку зони непружних деформацій навколо виробки у вигляді фронту розущільнення, за яким формується зона відносного стиснення; встановлені мінімальні величини бокового підпору зруйнованих порід (порядку 2-5 МПа), при яких значення зміцнюючого ефекту саморозклинювання максимальне; розроблені нові принципи збереження стійкості виробки в зоні активного впливу очисних робіт, що засновані на забезпеченні одночасності радіальних зрушень зруйнованих порід в поперечному перерізі виробки і збільшенні стискуючих напружень з одночасним вирівнюванням головних нормальних компонент в критичних зонах, де найбільш ймовірно виникнення ефекту саморозклинювання; розроблені нові ефективні способи і технології збереження стійкості підготовчої виробки; розроблені "Рекомендації…" з управління ефектом саморозклинювання вміщуючих виробку порід для застосування на шахтах України при відробці запасів в складних гірничо-геологічних умовах.

Ключові слова: масив, виробка, саморозклинювання, стійкість.

Alexandrov S.N. Control of a roadways stability by regulation of containing rocks self-supporting effect. Manuscript.

Doctorate thesis (engineering) according. Specialty 05.15.11. - "Physical processes in mining". - National mining university of Ministry educational and science of Ukraine. - Dnipropetrovsk: 2004.

The basic scientific and practical results of operation: the conditions of occurrence of self-supporting effect of broken grounds in a vicinity of a roadway are determined which are characterized by a simultaneity of displacement of rock-blocks in a radial direction (concerning the center of a roadway) and cramping unit of stresses in a horizontal direction (concerning a contour of a roadway); the reasons of disappearance of self-supporting effect are established which consist in serial displacement of the next rock-blocks in a zone of not elastic deformations; the most probable form of failure of the revealed condition of soils - rock fold is determined; the mechanism of development of a not elastic deformations zone around of a roadway as dilation front is specified, behind which the zone of relative compression is formed; the minimal sizes lateral support of broken grounds (2-5 MPа) are established, at which the value of solid self-supporting effect is maximum; the new principles of preservation of a roadways stability in a zone of active influence of coal-face works are developed.

They are based on maintenance of a simultaneity radial displacement of broken rocks in cross section of a roadway and increase of cramping stresses (with simultaneous leveling the main normal component) in zones of occurrence of self-supporting effect; the new effective ways and technologies of preservation of a roadways stability are developed; the "Instruction…" on control of rocks self-supporting effect for application on mines of Ukraine is developed at improvement of reserves in difficult geological conditions.

Key words: a rock-mass, roadway, self-supporting, stability.

Александров С.Н. Управление устойчивостью подготовительных выработок регулированием эффекта саморасклинивания вмещающих пород. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.11 - "Физические процессы горного производства". - Национальный горный университет Министерства образования и науки Украины. - Днепропетровск: 2004.

Проблема обеспечения устойчивости подготовительных выработок продолжает обостряться из-за роста глубины разработки и интенсивности горных работ. Сохранение устойчивости выработок путем использования естественной прочности и несущей способности вмещающих пород является одним из наиболее экономичных, технологически простых и доступных методов. Автором обоснована и развита новая концепция сохранения устойчивости подготовительной выработки путем управления эффектом саморасклинивания окружающих ее разрушенных пород, которая дает возможность вскрыть значительные резервы повышения устойчивости.

Целью работы являлось управление устойчивостью подготовительной выработки регулированием эффекта саморасклинивания вмещающих пород. Основная идея работы состоит в избирательном воздействии на вмещающий массив горных пород для создания и поддержания эффекта их саморасклинивания.

В работе решены следующие основные задачи: исследование кинематики и динамики сдвижений вмещающих выработку пород с учетом механизма их саморасклинивания на физических моделях; изучение механизма саморасклинивания вмещающих выработку пород с помощью натурных инструментальных наблюдений (глубинными, контурными реперами и по рассечкам); проведение численного компьютерного моделирования механизма саморасклинивания пород в окрестности подготовительной выработки; исследование упрочняющего эффекта на образцах горных пород; разработка геомеханических принципов обеспечения устойчивости выработки на основе применения эффекта саморасклинивания вмещающих пород; разработка новых и совершенствование существующих способов и технологий обеспечения устойчивости подготовительных выработок; осуществление промышленной проверки новых способов и средств крепления, основанных на активном применении эффекта саморасклинивания.

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем: 1) впервые экспериментально определены условия для возникновения эффекта саморасклинивания разрушенных пород в окрестности подготовительной выработки, которые характеризуются одновременностью смещений блоков пород в радиальном относительно центра выработки направлении и сжимающей компонентой напряжений в тангенциальном относительно контура выработки направлении; 2) впервые установлена причина исчезновения эффекта саморасклинивания, которая заключается в поочередности смещения соседних породных блоков в зоне неупругих деформаций (при этом положительно влияющие на устойчивость выработок зоны сжатия склонны к рассеиванию во времени за пределами активного воздействия горных работ вследствие ползучести и релаксации напряжений, а их сохранение во времени требует специальных мероприятий); установлено, что наиболее вероятной формой нарушения саморасклинившегося состояния пород является образование породной складки в кровле (почве) выработки и реже в ее боках; 3) на основе шахтных натурных экспериментов существенно уточнен механизм развития зоны неупругих деформаций вокруг выработки в виде фронта разуплотнения, за которым формируется зона относительного сжатия. При этом продвижение границы зоны разрушений протекает скачкообразно в пространстве и времени, и поочередно в разных направлениях; 4) впервые экспериментально доказано, что при самых минимальных величинах бокового подпора разрушенных пород (порядка 2-5 МПа) значение упрочняющего эффекта саморасклинивания максимально, причем оно увеличивается с ростом исходной прочности вмещающих пород; 5) разработаны новые принципы сохранения устойчивости выработки в зоне активного воздействия очистных работ, основанные на обеспечении одновременности радиальных сдвижений разрушенных пород в поперечном сечении выработки и увеличении сжимающих напряжений с одновременным выравниванием главных нормальных компонент в критических зонах, где наиболее вероятно возникновение эффекта саморасклинивания; 6) разработаны новые и усовершенствованы известные эффективные способы и технологии сохранения устойчивости подготовительных выработок; 7) показано, что основные средства крепления подземных выработок должны обеспечивать локальность и избирательность распределения усилий и средств на крепление (например, анкерные крепи и породные болты, средства усиления стационарных крепей с помощью стоек и направленное упрочнение пород путем нагнетания укрепляющих смесей); 8) разработаны рекомендации по обеспечению устойчивости подготовительных и очистных выработок а зонах активного проявления горного давления. для применения на шахтах Украины при отработке запасов в сложных горно-геологических условиях. Потенциальный экономический эффект от использования разработок данной диссертации составляет 5_8 млн. гривен в год.

Ключевые слова: массив, выработка, саморасклинивание, устойчивость.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Незважаючи на значний прогрес, досягнутий в геомеханіці гірського масиву, проблема забезпечення стійкості підготовчих виробок продовжує загострюватися через зростання глибини розробки і інтенсивності гірничих робіт. Збереження стійкості виробок шляхом використання природної міцності і несучої здатності вміщуючих порід є одним з найбільш економічних, технологічно простих і доступних методів. Однак резерви цього напряму вивчені недостатньо, що приводить до подорожчання технологій підтримки виробок. Автором обґрунтована і розвинена нова концепція збереження стійкості підготовчої виробки шляхом керування ефектом саморозклинювання оточуючих її зруйнованих порід, яка дає можливість розкрити значні резерви підвищення стійкості. У більшості випадків підземні підготовчі виробки підтримуються в таких складних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умовах, коли вміщуючі їх породи, як правило, знаходяться в позаграничному стані на відстані від контуру виробки 1,5_5 м і більше. Така тенденція буде згодом тільки посилюватися. Це означає, що забезпечення стійкості підготовчих виробок потрібно орієнтувати на управлінні механізмом деформування зони зруйнованих уміщуючих порід, а не запобіганні цьому руйнуванню, оскільки останній традиційний підхід енергоємний і вельми дорогий.

Таким чином, актуальною є науково-прикладна проблема керування стійкістю підготовчих виробок регулюванням ефекту саморозклинювання уміщуючих порід.

Зв'язок роботи з науковими програмами і темами. Протягом чотирьох останніх десятиріч одним з головних наукових напрямів Донецького політехнічного інституту, а потім ДонНТУ, є розробка нових і вдосконалення існуючих способів охорони і підвищення стійкості підготовчих виробок при розвитку очисних робіт на великих глибинах. Дисертація виконана в рамках цього напряму (номери держреєстрації тем 0193U007494 і 0101U001109).

Мета роботи - керування стійкістю підготовчих виробок регулюванням ефекту саморозклинювання уміщуючих порід.

Основна ідея роботи - виборчий вплив на уміщуючий масив гірських порід для створення і підтримки ефекту їх саморозклинювання.

Об'єкт досліджень - масив гірських порід, що вміщує підготовчу гірничу виробку.

Предмет досліджень - процес активізації зміщень навколо підготовчої виробки в зоні динамічного гірського тиску.

Основні задачі досліджень:

фізичне моделювання кінематики і динаміки зрушення вміщуючих підготовчу виробку порід з урахуванням механізму їх саморозклинювання;

шахтні інструментальні спостереження за механізмом уміщуючих підготовчу виробку порід (глибинними, контурними реперами і по розсіченням);

проведення чисельного комп'ютерного моделювання механізму саморозклинювання порід навколо підготовчої виробки;

дослідження зміцнюючого ефекту на зразках гірських порід;

розробка геомеханічних принципів забезпечення стійкості виробки на основі застосування ефекту саморозклинювання вміщуючих порід;

здійснення промислової перевірки нових способів і засобів кріплення, заснованих на активному застосуванні ефекту саморозклинювання.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої в роботі мети використані: шахтні інструментальні спостереження за зрушенням порід навколо підготовчої виробки за допомогою глибинних і контурних реперів; геологічне обстеження структури вміщуючої товщі; лабораторні випробування фізико-механічних властивостей порід; статистична обробка результатів експериментів; фізичне моделювання (на еквівалентних матеріалах) кінематики і динаміки зрушення вміщуючих підготовчу виробку порід; математичне комп'ютерне моделювання (метод скінченних елементів і метод динаміки дискретних зернистих середовищ) перерозподілу напружень навколо підготовчої виробки в процесі виникнення та розвитку зони непружних деформацій.

Наукові положення, що виносяться на захист.

Зростання області непружних деформацій навколо підготовчої виробки в зонах динамічного гірського тиску відбувається стрибками через 1_86 діб на обмежених дільницях периметра області довжиною 1_2 ширини виробки начорно для пластичних порід і 0,1_0,8 довжини периметра для крихких порід.

Встановлений ефект саморозклинювання раніше зруйнованих порід на активній стадії безповоротних зрушень навколо підготовчої виробки, що породжує самозміцнення зруйнованих порід навпроти дільниці стрибкоподібного розширення зони непружних деформацій під дією одночасного безповоротного радіального переміщення зруйнованих порід до центра виробки, причому чим ближче до ядра зони саморозклинювання, тим вище міра зміцнення. Перший стійкий ефект саморозклинювання порід спостерігається після утворення зони непружних деформацій розміром 0,4_0,6 радіуса перерізу виробки. При цьому інтенсивність зміщень різко затухає за принципом Ле Шателье-Брауна, зменшуючись в декілька разів.

Розкритий механізм розсіювання зон саморозклинювання раніше зруйнованих порід, який міститься у доруйнуванні порід в ядрі зони, черговості зрушення суміжних породних блоків, їх повзучості, а також релаксації напружень. При цьому один з блоків збільшує інтенсивність зміщення, а сусідній сповільнює, пропускаючи перший до центра перерізу виробки.

Новизна наукових положень складається в наступному.

Уперше експериментально встановлено ефект саморозклинювання зруйнованих порід навколо підготовчої виробки, що виникає при одночасному зміщенні блоків в радіальному напрямі до центра виробки і генеруванні стискуючої компоненти напружень в тангенціальному відносно контуру виробки напрямі. Відносне стиснення раніше зруйнованої товщі в період активізації зрушень становить 0,003-0,0157 (3_15,7 мм/м), а нормальні компоненти напружень збільшуються в 2 і більше разів.

Уперше встановлені умови самочинного розсіювання і загасання ефекту саморозклинювання, що характеризуються доруйнуванням блоків в ядрі області саморозклинювання і асинхронністю (черговістю) зміщення сусідніх породних блоків навколо вказаного ядра. Позитивно впливаючі на стійкість виробки зони стиснення схильні до деградації у часі за межами активного впливу гірничих робіт внаслідок повзучості порід і релаксації напружень.

Уперше встановлено причинно-слідчий зв'язок між деградацією області саморозклинювання і утворенням породної складки в покрівлі (підошві) виробки і, рідше, в її боках для пологого залягання порід.

Уперше експериментально доведено, що при мінімальному підвищенні бокового підпору зруйнованих порід (не більше за 2_5 МПа) значення приросту зміцнюючого ефекту саморозклинювання максимальне, причому воно збільшується із зростанням початкової міцності уміщуючих порід і зменшенням вмісту глинистих мінералів. Приріст бокового підпору від 0 до 1 МПа збільшує міцність вугілля на 7_9 МПа, аргіліта на 25_30 МПа, алевроліта і пісковика на 25_80 МПа, причому, в процесі подальшого збільшення бокового підпора приріст міцності зруйнованих порід зменшується за експонентою, і він тим вище, чим ближче блоки зруйнованої породи до ядра зони саморозклинювання.

Отримав подальший розвиток і пояснення механізм зростання зони непружних деформацій навколо підготовчої виробки. Доведено, що зони саморозклинювання порід є природними бар'єрами (у вигляді тимчасових стійких склепінь), що перешкоджають розвитку зони руйнування навколо виробки. Тому утворення зони або сегмента саморозклинювання порід приводить до зупинки зростання області руйнування породи навпроти вказаного сегмента, ширина якого коливається в межах 1_2 ширини виробки начорно, а товщина складає біля 1 м. Цим пояснюється яскраво виражена асиметрія процесу розвитку зони руйнування навколо виробки, яка стрибкоподібно розширяється на дільницях, довжина яких становить 1_2 ширини виробки начорно для пластичних порід і досягає 0,7 периметра зони непружних деформацій в крихких породах, причому дільниці розширення приурочені до областей, де зони саморозклинювання відсутні, або зазнають максимальну міру деградації. Таким чином, кожне стрибкоподібне розширення області непружних деформацій на її обмеженій дільниці супроводжується автоматичною генерацією зони саморозклинювання, яка зупиняє подальше зростання в даному напрямі, внаслідок чого граничний стан порід виникає на іншій дільниці незайманого масиву, що примикає до сектора зруйнованої зони, на якому ефект саморозклинювання максимально деградував (виник раніше усього). Це зумовлює стрибкоподібний у часі і асиметричний в площині поперечного перерізу виробки характер розширення зони непружних деформацій за рахунок черговості її зростання в різних напрямах. Черговість руйнування масиву навколо зони непружних деформацій приводить до відновлення її симетрії відносно центра виробки після завершення активної стадії зрушення.

Уточнені місцеположення областей, де відбувається зближення абсолютних величин головних нормальних стискуючих компонент напружень: на відстані радіуса виробки арочного перерізу в покрівлі і 1,7_2 радіусів у підошві на первинному етапі руйнування вміщуючих порід. У таких місцях порода самозаплішується, що підвищує її міцність і, як наслідок, стійкість виробки. При подальшому розвитку процесу руйнування виникають нові кільця або сегменти саморозклинених порід, де внаслідок перерозподілу напружень відбувається зближення головних нормальних стискуючих компонент.

Уперше встановлене, що зони саморозклинювання раніше зруйнованих порід навколо підготовчої виробки виникають багато разів і переміщаються в межах області непружних деформацій, причому місцеположення зон і напрям їх переміщення визначається взаємним положенням очисних робіт і підготовчої виробки, стратиграфією і міцністю вміщуючих порід, а також параметрами заходів щодо підтримки виробки.

Наукове значення роботи полягає у встановленні механізму саморозклинювання зруйнованих порід навколо підготовчої виробки і розробці принципів управління цим механізмом.

Практичне значення роботи:

розроблені нові ефективні способи і технології збереження стійкості підготовчих виробок.

показано, що основні засоби кріплення підземних виробок повинні забезпечувати локальність і вибірковість розподілу зусиль і засобів на кріплення (наприклад, анкерне кріплення і породні болти, засоби посилення стаціонарного кріплення за допомогою стояків і направлене зміцнення порід шляхом нагнітання зміцнювальних сумішей).

із використанням механізму саморозклинювання порід забезпечена стійкість магістральної виробки на шахті "Західнодонбаська" ДП "Павлоградвугілля".

на основі нової технології зміцнення вміщуючих порід з використанням ефекту саморозклинювання забезпечена стійкість сполучення бункера з польовим конвеєрним штреком при їх надробці на шахті "Південнодонбаська №1".

внаслідок застосування на шахті "Південнодонбаська №1" нового способу кріплення примикаючої до лави підготовчої виробки анкерним кріпленням забезпечена стійкість цієї виробки та її сполучення з лавою.

розроблені "Рекомендації по забезпеченню стійкості підготовчих та очисних виробок в зонах активного прояву гірського тиску" щодо управління ефектом саморозклинювання вміщуючих виробки порід для застосування на шахтах України при відробці запасів в складних гірничо-геологічних умовах.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи підтверджена: застосуванням випробуваних методик проведення досліджень; коректністю постановки шахтних і лабораторних експериментів; застосуванням методів математичної статистики для аналізу експериментальних даних; застосуванням сучасних обчислювальних засобів і програмних пакетів при комп'ютерному моделюванні і обробці даних; задовільним збігом експериментальних і розрахункових даних (20%); позитивними результатами промислової перевірки запропонованих принципів і розроблених способів забезпечення стійкості підготовчих виробок.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. При забезпеченні стійкості магістральної виробки на шахті "Західнодонбаська" ДП "Павлоградвугілля" отримано фактичний економічний ефект в розмірі 960 тис. грн. При забезпеченні стійкості сполучення бункера з польовим конвеєрним штреком при їх надробці на шахті "Південнодонбаська №1" отримано прибуток 1,7 млн. грн. Внаслідок забезпечення стійкості примикаючої до лави підготовчої виробки на шахті "Південнодонбаська №1" отримано фактичний економічний ефект 509,25 тис. грн. Потенційний економічний ефект від використання розробок даної роботи становить 5_8 млн. гривень на рік.

Запропоновані автором принципи забезпечення стійкості підготовчих виробок в складних геотехнологічних умовах були прийняті на технічних радах ДП "Донвугілля" і ДП "Павлоградвугілля" як базові для впровадження на шахтах цих підприємств.

Особистий внесок автора складається в: формулюванні мети, основної ідеї та наукових положень роботи, постановці задач досліджень, зборі і аналізі початкових даних з проведенням математичного і фізичного моделювання, постановці і проведенні натурних експериментів, проведенні статистичної обробки експериментальних даних, розкритті і описі природи ефекту саморозклинювання порід, розробці нових принципів управління ефектом саморозклинювання, розробці нових способів кріплення виробок анкерним кріпленням, проведенні промислової перевірки нових способів кріплення виробок із здійсненням контролю за їх станом, формулюванні висновків та рекомендацій.

Апробація роботи. Основні результати роботи обговорювалися і були схвалені на: Міжнародній науково-практичній конференції з механіки гірських порід (Нью-Йорк, США, 29 червня - 2 липня 1997); Міжнародній науково-практичній конференції з управління станом масиву гірських порід і підземних конструкцій (Воллонгонг, Австралія, 14_17 липня 1998); Міжнародній конференції "Шахтне планування і вибір обладнання. Економічні проблеми" (Дніпропетровськ, Україна, 15_18 червня 1999); Першому міжнародному симпозіумі з геотехнології використання надр (Тула, 25_28 вересня 2000); IV міжнародній школі-семінарі "Імпульсні процеси в механіці суцільних середовищ" (Миколаїв, Україна, 20_22 серпня 2001); Міжнародній конференції "Форум гірника-2002" (Дніпропетровськ, Україна, 16_19 жовтня 2002); Міжнародній науково-практичній конференції з розробки підземних родовищ (Краков, Польща, 21_23 лютого 2002); Міжнародній конференції "Геотехнічна механіка освоєння надр" (Дніпропетровськ, Україна, 20_21 травня 2003); 30-й Міжнародній конференції з безпеки в шахтах (Йоханесбург, ПАР, 5_9 жовтня 2003).

Крім того, окремі частини роботи докладалися на науково-технічних нарадах ДП "Павлоградвугілля", ДП "Донецьквугілля", ДХК "Макіїввугілля", шахті "Південнодонбаська №1", шахті "Південнодонбаська №3" і шахті "Дзержинська".

Публікації. За темою дисертації автором опубліковано 48 наукових праць, 27 з яких у фахових виданнях ВАК України і зарубіжних країн.

Об'єм і структура роботи. Дисертація містить вступ, висновки, 7 розділів, 108 рисунків, 2 таблиці, список використаних джерел із 237 найменувань, 2 додатки. Робота представлена на 255 сторінках машинописного тексту, загальний об'єм 328 сторінок.

Основний зміст роботи

Проблема забезпечення стійкості підготовчих виробок є однією з основних у вугільній промисловості. Її рішенню присвячені багато фундаментальних наукових праць і дисертацій. Найбільший внесок в розкриття питання стійкості підземних виробок внесли такі відомі вчені, як А.В. Анциферов, М.С. Буличьов, В.В. Віноградов, В.Т. Глушко, Є.Б. Дружко, Ю.З. Заславський, М.П. Зборщик, А.Н. Зорін, В.М. Каретніков, Б.А. Картозія, М.М. Касьян, І.Г. Косков, К.В. Кошелєв, Г.Г. Литвинський, О.П. Максимов, Л.Я. Парчевський, С.І. Скіпочка, Б.М. Усаченко, А.М. Шашенко, Л.Н. Ширін та інші. Однак, у зв'язку з постійним ускладненням та зміною умов експлуатації виробок, проблема продовжує залишатися актуальною.

Аналіз виконаних раніше досліджень показав, що на відміну від випадку із зоною зрушення навколо очисної виїмки, вивчення кінематики зрушень навколо підготовчої виробки практично не проводилося. Відомі механізми руйнування і зрушення порід навколо підготовчої виробки базуються на детермінованих принципах механіки. При цьому дослідників цікавить, в основному, положення в просторі границі зони руйнування. Яким чином рухаються окремі блоки порід, що руйнуються, або окремі точки вміщуючого масиву, не досліджувалося.

Практика показує, що вельми типовим випадком при втраті стійкості є розвиток породної складки в покрівлі і підошві виробки при пологому заляганні вміщуючих порід і в боках при крутому. Механізм утворення і розвитку складки не вивчався. Окремими авторами фіксується лише факт утворення таких складок, але не враховується їхня роль у втраті виробкою стійкості і не пояснюється механізм цього явища. Разом з тим, автор даної дисертації вважає роль складки, що розвивається поблизу контуру виробки, критичною для її стійкості. Більш того, вивчення механізму виникнення і розвитку породної складки, що безпосередньо пов'язаний з ефектом саморозклинювання порід в зоні непружних деформацій, може відкрити нові істотні особливості деформування вміщуючих виробку порід.

Пояснимо суть ефекту саморозклинювання (самозаплішування) за допомогою схеми. Породи навколо підготовчої виробки прагнуть під дією сил гірського тиску зміщатися, головним чином, в радіальному напрямі до центра виробки. Вектори цих зрушень на порядки перевищують локальні тангенціальні, відносно до контуру виробки, переміщення порід. У переважному числі випадків підземні підготовчі виробки експлуатуються в таких гірничо-геологічних і гірничотехнічних умовах, коли навколишні породи знаходяться в позаграничному стані, причому зона непружних деформацій має розміри, порівнянні з діаметром виробок. У такій геомеханічній ситуації, незалежно від напружено-деформованого стану порід, одночасні радіальні переміщення всіх об'ємів навколишніх порід неможливі, що ясно з простих геометричних міркувань.

Виділимо уявну границю навколишнього масиву у вигляді кола 1. Якщо забезпечити одночасне радіальне переміщення порід до центра виробки, вони перемістяться в положення 2. При цьому довжина кола 2 скорочується на 2рдR, де дR - радіальне переміщення блоків породи. При радіусі зони 6 м, в межах якої розглядаються переміщення, і переміщенні всього на 0,01 м, вздовж границі 2 виникають тангенціальні деформації порядку 0,002. Навіть в зруйнованих породах, модуль деформації яких зменшується до 0,1_0,5 ГПа, такі деформації створять додаткові тангенціальні напруження 2-10 МПа, що сумірне з міцністю масиву, зміцненого цементною сумішшю або полімерною смолою. Незважаючи на ряд допущень про рівномірне зміщення порід і спрощену схему міркувань потрібно зазначити, що ефект саморозклинювання приховує вельми істотний резерв, який раніше не враховувався. У реальному масиві зрушення відбуваються нерівномірно, що істотно ускладнює картину ефекту.

Фізичне моделювання кінематики і динаміки зрушення уміщуючих підготовчу виробку порід з урахуванням механізму їх саморозклинювання виконане на моделях з еквівалентних матеріалів. При цьому проведені детальні дослідження кінематики і динаміки зрушення уміщуючих порід. Характерні розміри перерізу виробок становили 4_6 м, що відповідало типовим розмірам штреку з площиною перерізу у світлі 13_15 м 2. Глибина закладання виробок змінювалася від 400 м до 600 м. Для активізації процесу руйнування порід і утворення зони непружних деформацій здійснювалася пригрузка моделі шляхом збільшення навантаження на її верхній границі в 1,5 рази. порода саморозклинювання деформація

Відробка групи моделей показала, що при загальній тенденції радіальних траєкторій зміщень реперів, протягом всього експерименту відмічена явна нерівномірність зрушень. Вектори зрушень часто відхиляються від радіального напряму, причому має місце і тимчасова нерівномірність. Іншими словами окремі суміжні блоки порід рухаються в просторі і часі нерівномірно, що можна пояснити періодичним виникненням і ослабленням ефекту саморозклинювання. У тих місцях, де він виявляється, траєкторії відхиляються від радіального зрушення, а саме зрушення сповільнюється.

З метою виділення нерівномірності компонент приростів зрушень в чистому вигляді було проведене диференціювання зрушень контурних реперів з навантаження і побудовані графіки залежності приростів повних зрушень (dU) від приростів навантаження (dP). На графіках відмічена непропорційність зміни приростів повних зрушень реперів під навантаженням, що включає істотні відмінності в напрямі і темпі зростання зрушень. Так, на початковому етапі пригрузки моделі має місце різке зростання градієнта зміщень контурних міток, причому в середньому воно становить 3 мм/кН. Потім у основній частини реперів спостерігається різке зменшення зростання градієнта зміщень (від 3 до 1,75 мм/кН), що свідчить про виникнення саморозклинювання зруйнованих порід. Іншими словами, більшість точок пересувалась в радіальному напрямі у бік порожнини виробки, що, природно, привело до саморозклинювання порід. Зазначимо, що цей процес протікав вже за межами пружності уміщуючих порід. За даними чотирьох моделей, перший момент саморозклинювання виникає після утворення навколо виробки зони непружних деформацій порядку 0,2_0,6 радіуса перерізу. При менших розмірах зони ефект саморозклинювання реєструвався, однак надійність результатів вимірювань при цьому була нижчою за 70%. З цього витікає, що ефект саморозклинювання може виникати на будь-якій стадії утворення і розвитку зони непружних деформацій навколо виробки, однак він нестійкий при розмірах зони менше за 0,2_0,6 радіусу перерізу виробки. При великих значеннях цей ефект виявляється вельми стійко.

Детальна комп'ютерна обробка отриманих даних і ретельний аналіз механізму зрушення показали, що частина реперів рухалася в протифазі у відношенні один до одного. Протифазне зрушення реперів на цьому етапі не було випадковим, оскільки вони знаходилися в сусідніх блоках змодельованих порід. Протифазність їх зрушень однозначно підтверджує об'єктивність виникнення ефекту саморозклинювання порід в цих місцях. Це означає, що система "кріплення-навколишні породи" сама відбирає критичне місце, в якому сусідні блоки дають один одному можливість рухатися в обмежених умовах по черзі, періодично створюючи розклинюючий ефект, який розповсюджується на суміжні породи. Звідси витікає локальність цього ефекту, яка вказує на конкретне місце його виникнення. У нашому випадку це місце знаходиться на відстані 1,3 м від початкового положення перерізу виробки в правому замку зведення покрівлі. Таким чином, саме в цьому блоці зароджується ефект саморозклинювання, який запускає процес формування сегментів і кілець раніше зруйнованих порід, що охоплюють переріз підготовчої виробки. Протифазність (черговість) зрушення блоків масиву відмічена також в підошві і боках виробки.

На переконання автора, однією з основних особливостей прояву ефекту є підвищена напруженість масиву в місці його виникнення. З метою підтвердження даного висновку були проведені спеціальні вимірювання додаткових напружень, виникаючих при інтенсивному деформуванні виробки, що моделюється на моделі з парафіно-каніфольно-піщаної суміші. Моделювалася ситуація подальшої надробки виробки при її потраплянні у пік опорного тиску з коефіцієнтом концентрації 2,5 і розташуванні на глибині 800 м. Коефіцієнт динамічної подібності підбирався так, щоб імітувати вміщуючі породи середньої міцності (30-50 МПа).

Аналіз результатів моделювання показав, що спочатку формується концентрація підвищеного тиску в правому боці виробки на рівні її покрівлі. Після цього відбувається накопичення тиску в лівому боці. Потім в правому боці область підвищеного тиску витягується у напрямі контуру виробки, що свідчить про відновлення ефекту саморозклинювання раніше зруйнованих порід практично на контурі виробки. Однак цей ефект довго не зберігається і зазнає релаксації на четвертому етапі випробувань.

При цьому важливо відмітити явний почерговий характер локальних змін напруженого стану навколо виробки. Як правило, істотні зміни напруженого стану реалізуються по черзі на локальних дільницях породної товщі, що примикає до контуру виробки. При цьому на симетричних дільницях масиву (відносно до перерізу виробки) відповідні прирости тиску відрізнялися в 2_3 рази. Це може бути пояснено тільки періодичним виникненням ефекту саморозклинювання порід на окремих дільницях масиву, де він чергується у часі з локальними розвантаженнями.

Викладені чинники є очевидним свідченням виникнення ефекту саморозклинювання порід. Достовірність даного висновку не нижче за 95%, оскільки похибка вимірювань напружень застосованими датчиками за результатами їх тарування не перевищувала 0,15 бар (10_13% від максимального зареєстрованого значення) при довірчому інтервалі 90%.

Таким чином, на моделі з еквівалентних матеріалів експериментально показано, що кінематично зафіксований ефект саморозклинювання вміщуючих порід дійсно супроводжується підвищенням напружень в місці розклинювання, принаймні, в 2 рази.

Інструментальні спостереження за механізмом саморозклинювання вміщуючих виробку порід проводилися в умовах глибоких вугільних шахт в зонах активного впливу очисних робіт. Стійкість польового штреку вивчалася за допомогою комплексної спостережної станції на глибині 820 м при впливі на виробку очисних робіт в умовах шахти ім. М.І. Калініна ДП "Донецьквугілля". Відстань закладання польового штреку відносно верхньої границі суміжної лави становила 40 м. Довжина суміжної лави дорівнювала 220 м, швидкість її посування - 50 м/міс. Потужність пласта h10 в районі експериментальної станції становила 1,4 м. Пласт залягав в породах піщано-глинистого складу середньої стійкості. У основній підошві розташований могутній шар пісковика, в якому на відстані 15_18 м від пласта проведений польовий штрек перерізом 13,8 м 2. Виробка закріплена арковим піддатливим кріпленням, встановленим через 0,8 м під дерев'яне затягування і на початку експерименту знаходилася в задовільному стані.

У комплекс спостережень входили вимірювання структурних характеристик (зокрема тріщинуватості) масиву на оголенні боків і покрівлі виробки. Перед встановленням глибинних реперів був проведений електрокаротаж свердловин, який дозволив визначити початкове положення зони первинного руйнування навколо виробки, що експлуатувалася протягом 6 років після проходження. У результаті встановлено, що в покрівлю границя зони руйнування розповсюдилася на 2,4 м або 0,93 ширини виробки, в підошву - на 1,25 ширини штреку, в боки - на 0,6 його висоти.

З керна, отриманого із свердловин, були виготовлені зразки, які випробовувалися в об'ємному напруженому стані на деформаційні і міцністні властивості. Таке комплексне вивчення початкових гірничо-геологічних умов дало можливість правильно проаналізувати і оцінити результати вимірювання зрушень глибинних реперів.

У свердловинах було встановлено 25 глибинних реперів і чотири датчики тиску. Під час проведення експерименту вимірювалися відносні зрушення глибинних реперів, конвергенція порід на контурі виробки і здійснювалося нівелювання кондукторів в субвертикальних свердловинах.

Помітний вплив суміжної лави був зареєстрований після проходу спостережної станції. Вплив суміжної лави виразився в зростанні додаткового тиску, який досяг, приблизно, двократного рівня геостатичних напружень в незайманому масиві після віддалення лави на 100 м від створу зі станцією. Такий приріст напружень викликав інтенсивний розвиток зони руйнування навколо штреку. Руйнування фіксували за критичними деформаціями розтягнення, що становили, в цьому випадку, 0,006.

Загальні закономірності кінетики зрушень уміщуючих виробку порід полягають в наступному. Зростання зони руйнування навколо виробки протікає у вигляді фронту розтягуючих позамежних деформацій. За цим фронтом виникає зона відносно стислих раніше зруйнованих порід. Підкреслимо, що на відміну від раніше встановлених закономірностей зональної дезінтеграції фронт руйнування просувався по всій площі навколишніх порід. Саме завдяки цьому виникала область відносного стиснення раніше зруйнованих порід позаду фронту руйнування. Стислі зони формують сегменти і кільця в породах навколо виробки, що сприяє стабілізації її стійкості. У цьому випадку працює механізм самостабілізації процесу зрушення порід за принципом Ле Шателье-Брауна, коли в середовищі виникають структури, перешкоджаючі зовнішнім силам, що порушують її рівновагу. Задача дослідника, таким чином, полягає в тому, щоб максимально зберегти, а можливо й посилити цей позитивний ефект. Даний висновок автор дисертації розглядає як найбільш істотний і новий.

Нажаль, позитивно впливаючі на стійкість виробок зони стиснення схильні до розсіювання у часі за межами активного впливу гірничих робіт. Це розсіювання є прямим наслідком повзучості і релаксації напружень. Для підтримки цих зон у часі необхідно застосовувати спеціальні заходи. Найбільш вірогідна форма втрати ефекту саморозклинювання пов'язана з утворенням породної складки в покрівлі (підошві) виробки і рідше в її боках.

Просування кордону зони руйнування протікало стрибкоподібно і по черзі в різних напрямках. Кожному такому стрибку передував період затишшя, протягом якого область, де очікувався стрибок, зазнавала наростаючих деформацій розтягнення. При цьому відбувалися коливання абсолютних величин деформацій. Однак на відміну від раніше встановлених непередбачуваних флуктуацій зон дезінтеграції спостерігалася чітка тенденція до зростання компоненти напружень розтягування. Чим довше тривав період затишшя, тим ймовірніше був стрибок границі зони руйнування і тим легше було передбачити його напрям щодо зростання деформацій розтягнення. При цьому розвиток зони руйнування спостерігався, по-перше, у бік більш слабких порід і, по-друге, в ту сторону, яка збільшувала б симетрію сумарної зони руйнування. Це означає, що однобокий розвиток зони руйнування, навіть у бік слабких порід, рано або пізно припинявся і міняв напрям у бік симетрії сумарної зони.

Сказане виразно видно із наведеної діаграми переміщення границі зони руйнування. Спочатку розвиток зони відбувався у бік підошви в напрямі падіння порід, тобто з боку суміжної лави. Потім зона руйнування вирівнялася до симетрії відносно субвертикальної площини, а, в кінцевому результаті, стрибок зруйнованої області в породи покрівлі відновив симетрію і відносно субгоризонтальної площини. Деяке витягування зони в породи покрівлі пояснюється дією сили тяжіння.

Таким чином, напрямок і момент розвитку зони руйнування навколо підготовчої виробки можна передбачити досить надійно за комплексним аналізом міцнісних, структурних характеристик масиву, діючих в ньому напружень і деформацій розтягнення-стиснення, що розвиваються. Даний висновок має велике прикладне значення для розробки способів підвищення стійкості виробок. У зв'язку з тим, що зростання зони руйнування відбувається не одночасно по всьому фронту, а по черзі, є принципова можливість виборчого керування станом навколишніх порід, що може істотно знизити зусилля і витрати з підтримки виробок в складних умовах.

Як один з нових напрямків підвищення стійкості виробок потрібно розглядати заходи щодо активного формування, збереження і посилення відносно стислих кілець і сегментів раніше зруйнованих порід навколо перерізу підготовчої виробки.

Чисельне комп'ютерне моделювання механізму саморозклинювання навколо підготовчої виробки проводилося з використанням методу тонкої плити на неоднорідній основі, методу скінченних елементів і методу динаміки дискретних зернистих середовищ.

За допомогою першого методу була виконана класифікація характерного планування гірських робіт із визначенням типових умов, за яких реалізується ефект саморозклинювання і визначений просторовий інтервал, на якому цей ефект максимально виражений. Крім того, результати аналізу розподілу гірського тиску навколо очисних робіт використані для обґрунтування граничних умов при подальшому моделюванні.

Методом скінченних елементів досліджено процес зародження зон саморозклинювання порід навколо підготовчої виробки. Початкові умови моделювання напруженого стану навколо виробки арочного перерізу наступні. Ширина виробки 5 м, висота 3,5 м. Виробка була розташована в піщано-глинистих породах горизонтального залягання. Модуль пружності 30_10 ГПа, коефіцієнт Пуассона 0,26, міцність на одновісне стиснення 30_50 МПа. Зчеплення становило 1,5 МПа, кут внутрішнього тертя 30_400, глибина закладання виробки становила 800 м. Розрахункова схема була розбита на 900 скінченних елементів, сітка розбиття складалася з 1115 вузлів. Таке роздрібнення дозволило провести аналіз напружено-деформованого стану з достатньою точністю. Відстань границь розрахункової схеми від контуру виробки складала в підошву і боки 3 діаметра виробки, в покрівлю - 4 діаметра. Це дало можливість усунути вплив границь розрахункової області на розподіл напружень навколо виробки.

До верхньої границі розрахункової області прикладалося навантаження бракуючої ваги масиву. При глибині закладання виробки, що моделюється 800 м, величина концентрації напружень в зоні активного впливу очисних робіт приймалася рівною 2_2,5.

У підошві спостерігається складна конфігурація оптимуму. Так, у безпосередній близькості до неї проходить лінія, де максимуми горизонтальних зрушень направлені від центра виробки у бік бічних порід. Отже, підошва в цьому місці зазнає розтягнення, що підтверджується розподілом головних компонент нормальних напружень: 3=-2,7 МПа, 1=-1,2 МПа. Ясно, що при такому співвідношенні компонент порода схильна до інтенсивного руйнування від розтягуючих напружень. Саморозклинювання в даній ситуації неможливе.

При заглибленні в підошву відбувається зміна знаку горизонтальних зрушень - вони направлені до центра виробки. Починаючи з глибини 2,5 м, лінія максимумів зрушень набуває стабільного характеру. Саме в цьому місці спостерігаємо мінімальну різницю між головними нормальними компонентами напружень: 3=9-10 МПа, 1=11 МПа. При такому співвідношенні нормальних компонент міцність породи буде максимальна при інших рівних умовах, оскільки вона попадає в стан, близький до рівнокомпонентного всебічного стиснення.

Отже, ефект саморозклинювання порід пояснюється спільним впливом їх радіальних переміщень до центра виробки та вирівнюванням головних нормальних стискуючих компонент напружень. Саме в тих місцях, де відбувається такий збіг, порода саморозклинюється, що підвищує її міцність і, як наслідок, стійкість виробки. Сказане підтверджується для порід покрівлі, де ефекти зближення стискаючих компонент і стабілізації лінії оптимуму горизонтальних зрушень співпадають на висоті 1,5 м від покрівлі виробки. Тут 3=7,5_9 МПа, 1=12,5 МПа. Ближче до контуру компоненти, хоч і мають позитивний знак (що стискують), але різниця між ними набагато більше: 3<1 в 2_5 разів. Таке їх співвідношення не сприяє збільшенню міцності порід, оскільки при цьому виникають максимальні дотичні напруження, рівні різниці головних нормальних. Згідно з теорією Кулона-Мора руйнування порід є наслідком перевищення дотичними напруженнями допустимої межі. Добре відомо з результатів випробувань зразків в трьохмірному напруженому стані, що руйнування супроводжується дилатансією і взаємним переміщенням породних блоків один відносно одного. Вище було показано, що зникнення ефекту саморозклинювання порід протікає через почерговий рух породних блоків один відносно одного.

Таким чином, внаслідок чисельного моделювання отримане пояснення механізму саморозклинювання порід навколо підготовчої виробки, що перебуває у вирівнюванні головних нормальних стискаючих компонент напружень на відстані радіуса перерізу в покрівлі і 1,7_2 радіусів у підошві для арочного перерізу виробки на первинному етапі руйнування вміщуючих порід. При подальшому розвитку процесу руйнування виникають нові кільця або сегменти саморозклинених порід, де внаслідок перерозподілу напружень відбувається зближення головних нормальних стискуючих компонент.

Для чисельної оцінки зміцнюючого ефекту в зоні саморозклинювання зруйнованих порід була використана аналітична чисельна модель проф. Віноградова В.В.:

(1)

де rL - радіус зони непружних деформацій;

P - опір кріплення;

Pl - тиск у незайманому масиві;

A - константа породи, що залежить від кута внутрішнього тертя.

Відомо, що після активізації зрушень (наприклад, в зоні динамічного опорного тиску) тиск на її границі стрибкоподібно зростає. Розрахунок показав, що при збільшенні концентрації гірського тиску на границі зони впливу виробки в два рази, радіус зони впливу збільшується у 7 разів. Згідно встановленому механізму активізації зрушень розущільнення порід на дільниці зони від 6,66 до 7 радіусів приведе до додаткового ущільнення раніше зруйнованих порід в зоні від 1 до 6,66 радіусу. У результаті утворюється кільце відносно стислих раніше зруйнованих порід. У цьому кільці реалізовується ефект саморозклинювання порід, що приводить до їх зміцнення і виникнення додаткового опору на зовнішній границі стислого кільця.

Прийнявши безрозмірну величину модуля зсуву рівною 0,5, додаткові зміщення внаслідок активізації зрушень - в межах 150 мм або 0,1 радіусу виробки, коефіцієнт Пуассона для блокових зруйнованих порід - 0,15, тиск на внутрішній границі стислого кільця зруйнованих порід - нулю, радіуси внутрішньої і зовнішньої границі кільця - 1,2 і 1,5 відповідно, дістаємо оцінку для додаткової відсічі саморозклиненого кільця в межах 0,16. При тиску на границі зони впливу виробки рівному 25 МПа (для глибини 1000 м) ця величина опору становитиме 4 МПа, що добре узгодиться з наближеною оцінкою, зробленою на початку даної роботи. Відзначимо, що величини зміщень на контурі, а також зовнішні радіуси саморозклиненого кільця прийняті за даними шахтних вимірювань.

Чисельний експеримент з аналітичною моделлю підтвердив значущу величину опору саморозклиненого кільця. Величина цього опору сумірна з несучою здатністю важкого кріплення капітальних гірничих виробок. У даній задачі враховане тільки одне кільце, тоді як експериментами встановлено, що в процесі активізації зрушень може утворюватися декілька саморозклинених кілець. Тому сумарний ефект опору стислих зон повинен бути ще помітнішим.