Керування стійкістю підготовчих виробок регулюванням ефекту саморозклинювання уміщуючих порід

Дві наступні задачі з моделювання прояву ефекту саморозклинювання навколо підготовчої виробки були вирішені методом динаміки зернистих дискретних середовищ у постановці проф. Кундала.

Алгоритм розрахунку базується на двох фундаментальних законах фізики твердих тіл - законі Гука і другому законі Ньютона. При цьому виконується заміна реального масиву порід дискретними елементами, які переміщуються незалежно один від одного і взаємодіють за допомогою прямих зіткнень. У процесі розрахунку циклічно здійснюється послідовний перебір всіх елементів в порядку зростання їх порядкового номера, при цьому перераховуються координати X, Y, швидкості V і діючі сили F. Найбільш важливою частиною алгоритму є визначення дистанції між елементами D і обчислення їх перекриття Dl (напуску).

До всіх елементів моделі прикладене постійно діюче вертикальне прискорення Н, відповідне прискоренню вільного падіння тіла. Внаслідок його впливу елементи циклічно отримують приріст або гасіння (коли напрям дії рівнодіючою сил протилежно швидкості елементів) швидкості, що обчислюється за формулою:

DVy = H Dt - kV Vy; (2)

де Н - прискорення вільного падіння, м/с ²;

Dt - приріст часу за цикл, с;

Vy - вертикальна швидкість, м/с;

kV - коефіцієнт опору середовища.

Потім проводиться переміщення елементів на нову позицію відповідно сформованим швидкостям V і приросту часу Dt. Після переміщення всіх елементів на нові позиції виконується перевірка їх взаємодії і на основі отриманих напусків Dl (перекриттів) елементів обчислюються прирости діючих сил за формулою:

де k - коефіцієнт жорсткості, Н/м;

Dl - напуск елементів, м;

kF - коефіцієнт внутрішнього опору (спричинений взаємодією елементів);

kT - коефіцієнт тертя;

F - рівнодіюча сил, прикладених до елемента.

Після визначення сил у всіх елементів, відповідно до їх величин виконується переміщення елементів на нову позицію і відбувається циклічне повторення описаних операцій.

Перша задача перебувала в підтвердженні чергового зрушення блоків зруйнованих порід в порожнину виробки, визначеного за результатами фізичного моделювання. Моделювалося зрушення блокових порід в покрівлі виробки трапецієвидного перерізу для наступних граничних умов: глибина залягання (Н) - 300 м, потужність пласта (m) - 1,5 м. Масив розбитий горизонтальними і кососічними тріщинами, відстань між якими становить 1,5 м і 2 м відповідно. Міцність порід на одновісне стиснення sсж - 40 МПа, зчеплення дорівнює 5 МПа, кут внутрішнього тертя - 350. Ширина виробки в покрівлі становить 5 м. Боки виробки змодельовані більш міцними гірськими породами.

Аналіз зведеного розподілу траєкторій зрушення всіх породних блоків, що залягають в покрівлі виробки, показав, що вони мають складну викривлену форму. Це свідчить про наявність інтенсивних горизонтальних переміщень нарівні з вертикальним опусканням блоків.

Аналогічно з фізичною моделлю зрушення блоків були продиференцьовані за часом, тобто, отримані прирости зрушень за різні проміжки часу. При цьому спостерігалася непропорційність зміни приростів повних зрушень породних блоків у часі, що підтверджує виявлення саморозклинених ефектів. У результаті більш детального і ретельного аналізу механізму зрушень було помічено, що протифазне зміщення блоків не було випадковим. Як виявилося, дані блоки знаходилися в безпосередній близькості один від одного, що повністю співпадає з результатами моделювання на фізичних моделях.

Друга задача перебувала в дослідженні динаміки розвитку руйнування навколо виробки аркової форми.

Змодельовані породи відповідали піщано-глинистим породам з міцністю на одновісне стиснення 30_50 МПа. Вага вищерозташованої товщі компенсувалася за рахунок завдання верхньому шару порід великої щільності для імітування закладання виробки на глибині 800 м. На відміну від попереднього моделювання масив був розбитий на 2615 дискретних елементів, не пов'язаних в блоки певної форми, що дозволило провести аналіз напружено-деформованого стану з достатньою точністю.

Внаслідок перерахунку програмою 100000 циклів, в покрівлі виробки підтверджений експериментально встановлений незалежними дослідженнями факт прояву механізму (первинного) руйнування шарів порід вздовж контактів нашарування від тангенціальних напружень з подальшим (повторним) руйнуванням (подрібненням) в межах шарів, що розшарувалися. При цьому уперше на чисельній моделі встановлено склепоподібний характер повторного руйнування. Також було зазначено, що процес утворення склепінь повторно зруйнованих шарів має неперіодичний хвилеподібний характер.

Неперіодичний характер утворення склепіння руйнування у часі свідчить про вияв раніше встановленого механізму зрушення порід "по черзі" в процесі їх руйнування. Руйнуючись, породи фізично не можуть зміщатися одночасно, оскільки в цьому випадку вони неминуче саморозклиняться до наступного перерозподілу напружень. Тому виникають локальні місця зародження руйнування від дії різних напружень, в яких руйнуюча сила максимально близька до гранично допустимої на даний момент часу. При руйнуванні в таких місцях породи просуваються в раніше розвантажену зону, створюючи умови для руйнування наступній локальній дільниці масиву і одночасно поступаючись місцем для переміщень наступним порціям зруйнованих порід.

Уперше на чисельній моделі в боках виробки встановлений факт утворення великих площин зсуву під кутом 60-700 до горизонталі що підтверджується численними незалежними дослідженнями на фізичних моделях і натурних об'єктах. На відміну від руйнування в покрівлі виробки, в боках порода зрушується великими блоками, які мають розміри порядку радіуса виробки. Особливо чітко цей ефект виявився в лівому боці виробки, де причиною основного руйнування з'явилися нормальні і дотичні напруження. Відмітимо той факт, що руйнування навколо виробки згідно з результатами даного дослідження не можна об'єднати в замкнений контур як вважалося раніше. Руйнування в підошві і покрівлі замикається на контур виробки. У боках їх перетинають великоблочні призми порід, що руйнувалися.

Результати цього моделювання дозволили зробити наступні практичні висновки:

З первинним розшаруванням порід склепіння виробки боротися не треба, оскільки воно дає природне розвантаження порід в склепінні. Основні зусилля потрібно направляти на протистояння повторному руйнуванню, яке більш небезпечне з точки зору забезпечення стійкості виробки. Найбільш раціональним методом кріплення в даній ситуації є застосування піддатливих за всією довжиною породних болтів (анкерів). Рекомендується застосовувати болти з можливістю саморозпирання в площині, перпендикулярної їх вісі (нашарування порід), що перешкоджає почерговому переміщенню породних блоків, які руйнувалися і, як наслідок, повторному руйнуванню (подрібненню) шарів порід. Піддатливі болти повинні дати можливість пройти первинному руйнуванню (розшаруванню вздовж контакту нашарування), а потім зупинити повторне, більш небезпечне руйнування.

Результати вищезазначених досліджень показали, що ефект саморозклинювання порід виникає в місцях, де величини головних нормальних напружень найбільш близькі між собою. Для кількісної оцінки величини збільшення міцності уміщуючих порід в місцях їх саморозклинювання були проведені спеціальні дослідження зміцнюючого ефекту на зразках гірських порід.

Камера позамежного деформування БВ-21 дозволяла створювати об'ємний напружений стан в широкому діапазоні тиску, забезпечуючи при цьому реєстрацію позамежних характеристик породи, що руйнується на низхідній вітці деформування. Камера встановлювалася під 100-тоний прес ЦД-100. Деформація зразків вимірювалася безперервно за допомогою двохкоординатного пишучого потенціометра ПДП-0,4. Випробування проводилися в режимі заданого деформування з швидкістю подовжньої деформації 0,1 мм/хв.

Для випробувань використовувалися 27 спеціально підготовлених зразків діаметром 40_43 мм і висотою 90 мм. Зразки виготовлялися з основних літологічних типів осадових порід вугленосної товщі, вугілля, аргіліту, алевроліту і пісковика. У всіх випадках зміцнюючий ефект збільшувався із зростанням бокового підпору. Загалом було зазначено, що зростання міцності крихких порід із збільшенням бокового підпору має більш стійкий характер в порівнянні з пластичними.

Для оцінки зміцнюючого ефекту важливо знати його величину при конкретному значенні бокового підпору. Для цього криві графіків паспортів міцності були продиференцьовані. Виявилося, що для всіх порід максимальний приріст зміцнюючого ефекту спостерігається з початку приросту бокового підпору. При цьому вугілля зміцнюється у межах 7_9 МПа на один МПа приросту бокового розпору (при створенні мінімального бокового розпору, що не перевищує 2 МПа). Приріст міцності аргіліту в такому діапазоні бокового підпору досягає 20_28 МПа на один МПа приросту бокового підпору. Алевроліт збільшує міцність у межах 40_73 МПа на один МПа приросту бокового підпору. Це дуже важливий результат, оскільки він свідчить про те, що ефект саморозклинювання може виникати навіть при невеликих підпірних зусиллях, сумірних з тими, які можуть штучно створюватися за допомогою таких технологій, як тампонаж, анкерне кріплення, стояки посилення та інші. Відзначимо, що аргіліт змінює зміцнюючий ефект найбільш плавно.

Результати випробувань показали, що алевроліт і пісковик є найбільш наближеними породними шарами, в яких доцільно штучно створювати і підтримувати ефект саморозклинювання. Показано, що при самих мінімальних величинах бокового підпору зруйнованих порід значення зміцнюючого ефекту набагато більше встановленого раніше, причому воно збільшується із зростанням початкової міцності уміщуючих порід. Це означає, що не має особливого сенсу значно збільшувати міцність уміщуючих порід. Біля 80% ефекту зміцнення в зоні саморозклинювання порід, де виникає боковий підпір зруйнованих порід, реалізується при його незначній величині.

Отримані результати є хорошою передумовою для кількісної оцінки зміцнюючого ефекту, виникаючого при саморозклинюванні вміщуючих виробку порід, а також для вибору і обґрунтування параметрів зміцнення.

З метою узагальнення отриманих в цій роботі результатів досліджень виникла необхідність встановлення зв'язку фізичних параметрів геомеханічних процесів при вияві ефекту саморозклинювання. Для цього була побудована евристична схема зв'язку між ознаками, причинами виникнення ефекту саморозклинювання вміщуючих порід. Застосування даної схеми дає можливість комплексно оцінити позитивно і негативно впливаючі на ефект саморозклинювання чинники.

Виходячи з вищезазначеного зв'язку закономірностей формування зони руйнування навколо підготовчої виробки, автором запропоновані наступні геомеханічні принципи забезпечення її стійкості на основі застосування ефекту саморозклинювання вміщуючих порід:

Передусім, необхідно активно керувати зрушенням уміщуючих порід так, щоб забезпечити одночасність їх радіальних зрушень. У цьому випадку створюються прямі сприятливі умови для виникнення ефекту саморозклинювання порід, і уривається цілий ланцюжок процесів, що впливають непрямим або безпосереднім негативним чином на цей ефект.

Менш охоплюючим і універсальним, але вельми важливим принципом є збільшення напружень з одночасним вирівнюванням головних нормальних компонент в критичних зонах, де найбільш ймовірно виникнення ефекту саморозклинювання. У цьому випадку імовірність саморозклинювання блоків порід збільшується через механізм підвищення міцності порід. При створенні бокового підпору всього на 1 МПа міцність уміщуючих зону непружних деформацій порід збільшується на 7_9 МПа у вугіллі, 20_25 МПа в аргіліті і 25_70 МПа в алевроліті і пісковику. Другий мегапаскаль бокового підпору приносить меншу, хоч і вельми помітну частку збільшення міцності.

Створення або збереження зон відносного стиснення порід в навколишньому масиві також є вельми ефективним принципом керування ефектом саморозклинювання порід і забезпечення стійкості виробки.

Вищезгадані принципи направлені на посилення ефекту саморозклинювання порід. Однак для ефективного розв'язання проблеми стійкості необхідні принципи, які ослабляють або усувають негативні чинники, негативно діючі на ефект саморозклинювання. До цих принципів відносяться наступні: