Проблема устойчивости вертикальных выработок вообще и незакрепленных скважин, пройденных буровым способом, в частности, относится к числу важных и сложных задач теоретической и экспериментальной механики породного массива. Актуальность задачи оценки устойчивости вертикальных скважин существенно повышается в связи с тем, что использование технических скважин различного диаметра и назначения повышает резервы сооружения стволов и эксплуатации шахт. В Донбассе для большинства используемых скважин их диаметры изменяются от 0,15 до 5,0 м, преобладают – 1,9…4,0 м [1]. Многочисленными работами показано, что эффективное использование технологий проходки стволов, и других вертикальных выработок, с передовыми скважинами сдерживается отсутствием научной и геомеханической обоснованности конструктивно-планировочных решений по комбинированным технологиям.
Теоретическая геомеханика устойчивости вертикальных стволов и скважин базируется на развитии континуальных и вероятностно-стати-стических (структурно-фазовых) моделей. Ключевым является признание формирования и развития зоны неупругих деформаций вокруг стволов (скважин) и определение соотношения ее параметров с параметрами зоны нарушенных пород. Качественно новый подход дает использование положений теории запредельного деформирования (Открытие №1, Украина [2]) для построения более общей теории деформирования и разрушения пород вокруг выработок, разработки методов оценки их устойчивости и управления состоянием.
Учитывая сказанное, важнейшей задачей как для совершенствования известных методов оценки устойчивости скважины, проверки их надежности и обоснования технологических решений по комбинированной технологии с передовой скважиной, является анализ фактического материала по данным измерений в скважинах, установление связей между показателями, определяющими их эксплуатационное состояние.
Для незакрепленных горных выработок приложим анализ механизма и типов деформаций пород с позиции соотношений предела прочности пород и напряжений в массиве. По мнению И.Л. Черняка [3], в конечном счете, вокруг выработки формируются три зоны: 1 – пластично-вязкой деформации, 2 – длительного разрушения, 3 – мгновенного разрушения (рис.1.б). Изменение радиальных и тангенциальных напряжений по отношению к прочности пород вызывает в условиях незакрепленной скважины значительные разгрузочные деформации, что сопровождается расширением фронта разрушения пород вглубь массива.
Новая интерпретация развития зоны неупругих деформаций вокруг выработок с определением параметров составляющих ее подзон, дана в работе Л.В. Новиковой и ее учеников [4]. Полагается (рис.1.а), что вокруг выработки формируется зона пониженной прочности ((0,5 rв) rв – радиус выработки), пластического течения (1,8 rв), разрушенных пород (2,7 rв) и упруго-вязких деформаций (зона 4). Общий размер зоны неупругих деформаций составляет 5 rв (зоны 1…3). Такая интерпретация деформирования пород подтверждается натурными наблюдениями и методически полезна для наших дальнейших исследований. Обобщая результаты исследований В.В. Виноградова, А.И. Зорина, Б.А. Картозия, Л.В. Новиковой, И.Л. Черняка, построена схема геомеханического пространства вокруг выработки .
Учитывая сказанное, необходимо подчеркнуть, что в нашем случае важными являются два момента: оценка возникновения и развития зоны неупругих деформаций вокруг скважины и оценка устойчивости незакрепленных ее стенок. Обобщая изложенное, отметим, что выделяется два подхода в геомеханике устойчивости породного массива, ослабленного горной выработкой: предельного состояния и деформационный [5]. В последнее время в связи с развитием численных методов механики сплошной среды [2,4,5] для решения упругопластических задач с использованием метода конечных элементов появляются качественно новые возможности для исследования геомеханических процессов вокруг горных выработок.
Библиогорафический список
1. Опыт бурения скважин большого диаметра на шахтах Донбасса/В.Т. Глушко, Э.Я. Кипко, А.Н. Зорин, Г.А. Гордиенко, В.В. Максименко. – М., 1971. – 21 с.
2. Виноградов В.В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок. – Киев: Наук.думка, 1989. – 192 с.
3. Черняк И.Л. Теоретические и экспериментальные исследования устойчивости капитальных и подготовительных выработок: Автореф. дис… докт. техн. наук: 311/МГИX. – М., 1968. – 36 с.
4. Новикова Л.В., Пономаренко Л.Н., Приходько В.В., Морозов И.Т. Метод граничных элементов в задачах горной механики. – Днепропетровск, “Наука и образование”, 1997. – 180 с.
5. Баклашов И.В., Картозия Б.М. Механика подземных сооружений и конструкций крепи. – М.: Недра, 1984. – 415 с.