Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Напряжения и деформации горных пород вокруг подземных выработок на больших глубинах часто имеют осцилляционный периодический характер, а разрушение в ряде случаев имеет зональную форму, известную в литературе как "зональная дезинтеграция".

Установленное в экспериментах нарушение монотонности деформирования пород в окрестности горных выработок, локализация разрушения на дискретных участках массива (зонах) затрудняет описание такого поведения пород на основе классических моделей механики сплошной среды. В последние годы для описания явления успешно применяются калибровочные модели механики дефектных сред, однако закономерности развития зональной структуры разрушения до настоящего времени не исследовались.

Не разработаны также эффективные конструкции постоянной крепи горных выработок для условий зонального разрушения массива. Существующие предложения по применению ряда модификаций анкерной и многослойной крепи с податливым слоем либо не технологичны, либо не позволяют регулировать процессы зонообразования.

Решение задачи установления закономерностей зонального разрушения массива горных пород вокруг подземных выработок и разработки конструкций крепи для этих условий имеет важное значение для развития строительной геотехнологии.

Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований РФФИ (грант №01-05-651180), Минобразования РФ (№ГБ53.1.6.02/1), а также хоздоговорных тем с предприятиями горно-строительной отрасли РФ, проведенных с участием автора в 2000-2004 гг.

Цель работы заключается в разработке эффективных конструкций крепи подземных выработок для условий зонального деформирования и разрушения массива горных пород на основе исследования закономерностей этого явления.

Основная идея работы заключается в натурном экспериментальном исследовании закономерностей зонального деформирования сильно сжатого массива горных пород, применении в аналитических исследованиях зонального разрушения массива математических моделей механики дефектных сред для обоснования новых эффективных конструкций крепи горных выработок для этих условий.

Методы исследований включают натурные экспериментальные исследования деформирования и разрушения массива горных пород вокруг подземных выработок, аналитические методы механики сплошной среды с дефектами и механики разрушения, патентные проработки.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

установлены закономерности зонального разрушения и деформирования горных пород вокруг подземных выработок, заключающиеся в том, что с ростом напряжений в массиве число зон разрушения возрастает, возрастает радиальная протяженность этих зон, а радиальная протяженность промежуточных зон убывает;

- установлено, что - сопротивление крепи существенно влияет на развитие зонального разрушения массива вокруг подземных выработок, что обусловлено взаимодействием крепи и массива горных пород,

- разработаны конструкции крепи подземных выработок для условий развивающегося вокруг них зонального разрушения пород, отличающиеся тем, что податливый внешний слой крепи имеет регулируемое сопротивление, в том числе активное, а внутренний слой представляет собой

замкнутое кольцо жесткой крепи, обеспечивающей устойчивость горной выработки в течение заданного срока службы.

Достоверность научных положений и выводов обеспечена: полным удовлетворением граничных условий выбранного аналитического, решения задачи механики7\осорошим согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований (отклонение не более 24%), получением положительных решений по заявленным патентным. разработкам.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей зонального деформирования и разрушения горных пород в сильно сжатом массиве вокруг подземных выработок и использование этих закономерностей для обоснования конструкций крепи.

Практическое значение и реализация работы заключаются в разработке конструкций крепи подземных выработок для условий зонального деформирования и разрушения массива горных пород. Установленные в ходе, экспериментальных и аналитических исследований закономерности создают основу для совершенствования и разработки новых технологий сооружения-подземных горных выработок в условиях больших глубин.

Результаты диссертационной работы использованы ООО "ДВГСК-Центр" для разработки технологии проведения тоннелей в условиях сильно нарушенных пород.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались на конференциях «Проблемы освоения георесурсов российского Дальнего Востока и стран АТР» (г. Владивосток, 2000, 2002, 2004 гг.), "Геодинамика и напряженное состояние недр Земли" (Новосибирск, 2003), "Проблемы подземного строительства в XXI веке" (г. Тула, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 141 страницах машинописного текста, и содержит 30 рисунков, 6 таблиц, список использованной литературы из 118 наименований.

Глава 1.

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Геомеханические закономерности деформирования и разрушения горных пород в условиях больших глубин.

В условиях больших глубин деформирование и разрушение горных пород носит ряд специфических закономерностей, выявленных в последние десятилетия, такие как зональное разрушение массива вокруг выработок (зональная дезинтеграция) и распространение в массиве от мест концентрации напряжений разрушающих фронтов. Эти закономерности установлены как экспериментально, так и теоретически в ряде работ, рассмотренных ниже.

1.1.1. Экспериментальные и натурные исследования зонального разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок

Явление зонального разрушения горных пород вокруг подземных выработок (зональная дезинтеграция) было установлено экспериментально одновременно и независимо в России и ЮАР в 1979 — 81 г. г. [1-8, 105].

Исследования таких физических свойств горных пород, как электросопротивление и плотность, проведены геофизическими методами вокруг капитальных выработок на глубине до 1 км в Норильске [3, 4]. Трещиноватость определялась косвенным образом. Установлено периодическое распределение упомянутых физических свойств, указано на повторение зонами трещин контура выработок, а также на уплотненный

ю

характер промежуточных зон. Ширина зон трещин составляет 0,5-2,5 м, а ширина промежуточных зон - 1,5 - 3-м.,

В работах [5,6] исследование электросопротивления пород вокруг одиночной подготовительной выработки, пройденной в осадочных породах на глубине 950 м, дополнялось прямым исследованием трещинной структуры перископическим методом. Установлено последовательное, в течение 90 суток, развитие магистральных трещин от контура; выработки в глубь массива. После этапа формирования блоковой структуры массива наступает этап разрушения* оконтуренных трещинами блоков, которые находятся в условиях повышенных сжимающих напряжений. В результате в радиальном направлении наблюдается процесс распространения "продольных волн дополнительного сжатия и расширения", который обусловлен раскрытием и закрытием трещин.

Периодическое распределение техногенных трещин в массиве впереди очистного забоя установлено в ЮАР на глубине 2300 м [105]. В исследованиях, проведенных петроскопическим методом, установлено наличие по крайней мере четырех зон трещин шириной 0,3 - 1,3 м,. разделенных промежуточными, относительно ненарушенными зонами.

В промежуточных зонах установлено наличие высоких сжимающих напряжений, что является причиной дискования керна и закономерного уменьшения толщины дисков от краев к середине зон. Здесь же отмечено свойство зон трещиноватости и промежуточных зон без видимых трещин меняться местами при движении забоя. Отмечается также отрывной характер трещин.

В работах [7-9] в результате комплексных исследований, проведенных геофизическими и перископическим методом, а также по визуальным наблюдениям трещин в забоях пересекающихся выработок установлено наличие до четырех трещиноватых зон вокруг капитальных одиночных выработок Норильска на глубинах от 100 до 1100 м. Зоны трещин отделены

и

друг от друга зонами относительно ненарушенного массива и повторяют в общем контур выработки, хотя могут иметь и более сложную конфигурацию и строение (рис. 1.1).

Открытые трещины имеют гладкие стенки, что характеризует их как трещины отрыва. Суммарное раскрытие трещин в зонах больше, чем величина конвергенции в выработке, что свидетельствует об уплотнении промежуточных зон. Ширина промежуточных зон и зон трещин составляет от 1 до 1,5 м. Количество зон техногенной трещиноватости зависит от уровня напряженного состояния, а расстояние от контура выработки до последней зоны составляет от 5 до 11 м [9].

В работах [10-12] исследованы закономерности зонального деформирования и разрушения массива вокруг подготовительных выработок, проведенных комбайновым способом по пласту угля с присечкой вмещающих пород при значениях упН/ас= 0,7-1,2 (уп - объемный вес пород, Н - глубина заложения выработки, ас - предел прочности на одноосное сжатие). Деформации пород определялись по глубинным реперным станциям, а наличие зон трещин устанавливалось в забое проводимой вприсечку через четыре месяца выработки.

Установлено наличие четырех зон трещин отрыва шириной от 0,2 до 1,8 м, которая закономерно уменьшается в глубь массива. Ширина промежуточных зон составляет 1-2,3 м и закономерно возрастает в глубь массива (рис. 1.2). Величина раскрытия трещин составила 1,5-5 мм, расстояние между ними - 0,10 - 0,25 м. На контакте крепи с массивом породы уплотняются. По положению угольного пласта четко прослеживаются сдвиговые перемещения массива вокруг выработки.

В работе [106] рассмотрены результаты длительных наблюдений за состоянием вмещающих пород вокруг одиночных горизонтальных выработок, пройденных в трещиноватом массиве в условиях действия

12

h, м

h, м

h, мм тр

Рис 1.1. Характер зонального разрушения массива вокруг

подготовительной выработки по данным [21]

(h - суммарное раскрытие трещин)

о)

L, м

1.5

1,0

0,5

\ / / / / У У

к

\

о

2

3

N

Рис 1.2. Закономерности зонального разрушения массива горных пород вокруг

подготовительных выработок по данным [12]: а-результаты экспиремента; б-зависимость от ширины зоны (1-зона разрушения, 2-промежуточные зоны)

больших сжимающих напряжений. Деформации измерены при помощи глубинных реперов.

Установлен зональный характер деформирования вмещающих пород, характеризующийся знакопеременными радиальными деформациями по длине скважин. Положение зон сжатия и растяжения меняется со временем. В работе [107] аналогичные результаты зафиксированы при длительных наблюдениях за деформациями вмещающих пород в штреке, пройденном по углю на Чангуанбаском месторождении (Китай).

Периодическая деформационная структура массива вокруг выработок может существенно изменяться при надработке выработки [13-15]. Установлено, наличие разорванных (спиралевидных) деформационных зон вокруг выработки в зоне надработки, движение по массиву участков относительного сжатия и растяжения, наличие "мертвых" деформационных зон - недеформирующихся участков массива. Деформации контура выработки могут определяться как разрыхлением, так и поворотом, а также: сдвижением больших блоков пород.

Движение участков относительного сжатия и растяжения по периодическим образом деформированному вокруг подготовительных выработок массиву в зоне опорного давления очистной выработки зарегистрировано в [16, 17]. Аналогичные результаты получены при анализе поведения массива вокруг участков подземных массовых взрывов [36]. Установлено, что фронт знакопеременных деформаций распространяется в массиве с определенной скоростью, величина которой определяется степенью нарушенности массива и глубиной разработки.

Движение фронтов знакопеременных деформаций вокруг капитальных выработок зафиксировано в работах [37, 38]. Массив горных пород в этом случае имеет зональную структуру разрушения, по которой распространяются указанные фронты (рис. 1.3).

15

Cm 1 Cm 2 Cm 3 Cm. 4

-отбитая до взрыва руда

- проектный контур взрывной полости

Рис. 1.3. Распространение разрушающих фронтов

В работе [18] рассматриваются закономерности периодического деформирования угольного пласта впереди движущейся лавы. Установлено образование фиксированных участков сжатия и растяжения пласта, положение которых не зависит от расстояния до - очистного забоя. Установлен также знакопеременный характер приращения деформаций впереди лавы, обусловленный ее движением.

Периодический характер изменения высоты подготовительной выработки вдоль ее оси вне зоны влияния очистных работ установлен в работах [18-20]. Длина периода составила 10-30 м (рис. 1.4).

Отметим, что при наличии весьма многочисленных исследований периодических закономерностей деформирования массива вокруг выработок в литературе отсутствуют данные о деформировании пород за жесткими обделками подземных сооружений. Не проводились исследования и деформирования пород в выработках большого поперечного сечения (тоннелях, камерах и т. п.).

В работах [34, 35] проведены исследования закономерностей перемещения контура* горных выработок глубоких шахт Норильска. Для' исследования закономерностей деформирования и разрушения пород в натурных условиях был принят комплексный метод, включающий инструментальные и визуальные наблюдения-на специально оборудованньк замерных станциях. В намеченных к наблюдению выработках (были выбраны горные выработки рудников «Октябрьский» и «Таймырский») станции закладывались в свежепройденных выработках, с минимально возможным по техническим условиям разрывом во времени между выемкой горной массы и сооружением замерной станции.

Замерные станции представляли собой веер скважин, пробуренных в определенном выбранном сечении выработки; скважины бурили в кровлю и бока выработок, длина их колебалась от 3,5 до 7-12 м. Для определения положения зон трещинообразования в скважинах использовались методы подземного

17

В, мм 4000

3500 3000 2000 2000 1500

WOO

ГУ-ч/

10

20

30

40

50

60

L, м

Рис. 1.4. Периодичность смещений контура выработки вдоль ее оси по

данным [18]: 1-кровля; 2- почва

Список литературы