УДК 622.83: 622.268
Наумец Д.В., студент, Негрей С.Г., доцент, к.т.н. (ДоННТУ)
Исследование влияния изменения физико-механических характеристик разрушенного породного массива на устойчивость почвы выработки
Приведены результаты моделирования на структурных моделях по исследованию влияния основных физико-механических характеристик разрушенного породного массива, подстилающего почву выработки, на устойчивость почвы выработки.
В настоящее время до 30% объема поддерживаемых горных выработок на шахтах Украины нуждаются в проведении ремонтных работ. При этом в 70% случаев потеря их устойчивости связана с пучением пород почвы.
Существует множество гипотез, объясняющих процесс пучения пород почвы, и каждая из них применима для определенных горно-геологических и горнотехнических условий, так как механизмы этого процесса в тех или иных условиях разнятся.
В условиях малых глубин разработки (200-400 м) пучение почвы выработки проявляется в слабых вмещающих ее глинистых породах в виде выдавливания [1, 2]. На средних и больших глубинах (500-1000 м) пучение почвы наблюдается в выработках, почва которых сложена песчаными сланцами, а иногда и песчаниками, что является результатом складкообразования породных слоев почвы при их смещении в плоскости напластования за счет формирования зоны разрушенных пород (ЗРП) в окрестности выработок [3, 4].
Складкообразование происходит только на ранней стадии существования выработок. В дальнейшем же, в процессе формирования вокруг выработок ЗРП и ее дальнейшего роста в результате ведения горных работ, породы внутри этой зоны представляют дискретную распорную среду, и пучение уже проявляется в виде выдавливания разрушенных пород в полость выработки.
Механизм пучения на стадии эксплуатации выработки, когда вокруг нее образовалась зона разрушенных пород, несмотря на значительных объем исследований, недостаточно изучен. К примеру, нет комплексных исследований влияния физико-механических свойств разрушенного породного массива на устойчивость почвы выработки, а лишь встречаются обособленные результаты исследований по тому или иному параметру и опять-таки для разных условий. Поэтому представляется необходимым рассмотреть влияние изменения физико-механических свойств разрушенного породного массива на устойчивость почвы выработки. В свою очередь, результаты исследований могут быть полезны для разработки мероприятий по борьбе с выдавливанием пород почвы.
Известны основные физико-механические характеристики разрушенного породного массива, такие как: гранулометрический состав пород, плотность пород, их влажность и гигроскопичность, углы естественного откоса и внутреннего трения пород, твердость частиц, компрессионные, когезионные и адгезионные показатели, способность к вибрационному уплотнению, деформационные сдвиговые характеристики, коэффициент распределительной способности [5].
На наш взгляд, из приведенного перечня наиболее влияющими характеристиками на процесс выдавливания являются: гранулометрический состав, плотность и угол внутреннего трения пород. Так установлено, что с увеличением крупности фрагментов, существенно уменьшается степень передачи нагрузки от фронта разрушения к контуру выработки [6], уменьшение же объемной массы пород в пределах ЗРП, и тем самым увеличение их в объеме, приводит к значительным смещениям контура выработки [7, 8], величина угла внутреннего трения пород одна из основных характеристик сыпучей среды [5], поэтому его учет для определения параметров выдавливания также необходим.
Что касается иных показателей, то одни из них являются менее значимыми и практически не влияющими на состояние разрушенных пород, а другие– существенно зависят от крупности частиц и угла внутреннего трения.
Для установления влияния основных физико-механических характеристик разрушенного породного массива, подстилающего почву выработки, на пучение почвы выработки нами были проведены лабораторные исследования на структурных моделях.
Сущность моделирования сводилась к установлению величины смещений пород почвы выработки при различных крупности вмещающих ЗРП пород и объемной массе этого породного массива, а также при изменении угла внутреннего трения пород.
Модель (рис. 1) с масштабом моделирования 1:60, представляла собой сварную металлическую конструкцию (1) со швеллера [60 размерами 0,72´0,52м, к которой крепилась задняя (2) и прозрачная передняя (3) стенки. Внутри конструкции размещался макет выработки арочного сечения (4) размерами 0,065´0,08 м, а также металлическая полоса (5) – ограничитель ЗРП, выгнутая в виде круга, шириной равной толщине модели и диаметром 0,47м. Эта полоса устанавливалась как ограничитель, определяющий границу зоны разрушенных пород вокруг выработки. Выработка и ограничитель жестко крепились к каркасу и задней стенке модели. По периметру ограничителя, для имитации давления на внешней границе ЗРП, улаживалась пневмокамера (6). В рабочую полость модели помещался объем породы (7).
В модель поочередно помещались порода и желатин с размером фракции dф= 0,13¸0,56 rв и углом внутреннего трения j = 29¸330.
Отработка каждой модели производилась поэтапно (с постепенным увеличением пригрузки по периметру зоны разрушенных пород, давление от которой изменялось от 0 до 140 кПа) с фиксацией величины смещения пород почвы после каждого этапа.
Рис. 1 – Схема модели для установления влияния изменения физико-механических характеристик разрушенного породного массива, подстилающего почву выработки, на смещения почвы выработки
В процессе отработки серии моделей, с учетом критериев геометрического, силового подобия и механических характеристик [6], изменялись следующие параметры:
1. Величина нагрузки на внешнем контуре ЗРП
q=40; 80; 100; 120; 140; 150; 160 кПа.
2. Гранулометрический состав вмещающих пород
dф/rв= 0,13; 0,19; 0,31; 0,56.
3. Угол внутреннего трения вмещающей выработку сыпучей среды
j = 29, 31 и 330.
Также в процессе отработки моделей производился замер массы пород вмещающих ЗРП и текущих параметров зоны разрушенных пород с дальнейшим определением объема, занимаемого породой под действием пригрузки, и объемной их массы. Таким образом, в процессе отработки моделей g изменялся от 1,55 до 1,7т/м3.
В результате моделирования была получена зависимость изменения смещений пород почвы от величины пригрузки на фронте разрушения при различном гранулометрическом составе пород, вмещающих выработку (рис.2). Из полученной зависимости следует, что на начальном этапе при небольшой величине пригрузки наибольшие смещения приходятся на самую мелкую фракцию, затем картина меняется на противоположную, то есть наибольшей фракции соответствуют максимальные смещения. Данное явление можно объяснить тем, что среда с мелкой фракцией в начальный момент имеет большую плотность, а соответственно практически сразу же начинает передавать усилия от фронта разрушения к выработке, которые и участвуют в перемещении породы в полость выработки.
Более крупные фракции, имеющие больший объем пустот на начальном этапе, уплотняются, то есть происходит заполнение пустот, после чего начинаются деформационные процессы на контуре почвы. За счет «запаздывания» и неустойчивых контактов между отдельностями среды при большей фракции смещения в данном случае больше (кривая 4, рис. 2).
Рис. 2 – Графики зависимости величины выдавливания разрушенных пород почвы в полость выработки U/h от величины пригрузки по периметру ЗРП q при различном гранулометрическом составе пород, подстилающих выработку (1, 2, 3, 4– соответственно dф= 0,13; 0,19; 0,31; 0,56 rв)
Но, тем не менее, при фракции 0,56rв можно отметить затухание смещений при достижении величины U/h=25% (кривая 4), в то время как при фракции 0,13rв затухания не отмечается (кривая 1, рис. 2).
Это явление объясняется полученной в результате моделирования зависимостью величины выдавливания разрушенных пород почвы в полость выработки от объемной массы горной породы (рис. 3), из которой следует, что с увеличением плотности подстилающих почву выработки пород уменьшаются ее смещения, причем наибольшие смещения приходятся на большую фракцию. Последнее может быть объяснено изменением коэффициента, внутреннего трения сыпучей породы при ее перемещении.
Рис. 3 – Графики зависимости величины выдавливания разрушенных пород почвы в полость выработки U/h от объемной массы горной породы (1, 2– соответственно dф= 0,19; 0,56 rв) при Р=100 кПа
Увеличению объемной плотности сыпучей породы соответствует увеличение коэффициента их внутреннего трения, о чем отражено в ряде работ [8, 9]. Это объясняется тем, что в более рыхлом материале частицы породы при перемещении, наряду со скольжением, будут частично перекатываться одна по другой. Поэтому трение скольжения частично заменится трением качения, что уменьшит общее сопротивление их перемещению. В нашем случае, с увеличением объемной массы пород (уплотнением), трение качения заменяется трением скольжения и, тем самым, увеличивается коэффициент внутреннего трения.
Уплотнение материала сопровождается увеличением трения между частицами, которое возникает в результате действия бокового распора. Увеличение объемной плотности материала влечет уменьшение коэффициента бокового распора. Указанное явление может быть иллюстрировано рисунком 4, на котором показано действие сил распора при более плотной (А) и менее плотной (Б) укладке шаров. При одинаковой вертикальной нагрузке Q величина бокового распора в первом случае (Т1) будет меньше, чем во втором (Т2).
Рис. 4 – Схема действия сил в сыпучей породе при боковом распоре: А– плотная укладка породы; Б– рыхлая порода
В дополнение вышесказанному можно отметить, что уменьшению смещений почвы выработки, кроме увеличения объемной плотности, может способствовать увеличение угла внутреннего трения, что и подтверждается полученной в результате моделирования зависимостью (рис. 5).
Таким образом, из полученных на данном этапе моделирования зависимостей (рис. 2, 3 и 5), можно отметить, что рассматриваемые в них физико-механические характеристики сыпучей среды значимы с точки зрения устойчивости почвы горной выработки, что указывает на необходимость их учета для обоснования параметров существующих способов предотвращения выдавливания разрушенных пород и при разработке новых.
Литература:
1. Шейхет М.Н. Давление пучащих пород на крепь подземных выработок.– М.: Углетехиздат, 1955.– 126 с.
2. Белаенко Ф.А., Глушко В.Т. Исследование пучения горных пород в капитальных и подготовительных выработках на шахтах Донбасса // Труды Украинского научно-исследовательского института организации и механизации шахтного строительства. - Вып. XI.– М.: Госгортехиздат.– 1960.– С. 117-138.
Рис. 5 – Графики зависимости величины выдавливания разрушенных пород почвы в полость выработки U/h от величины пригрузки по периметру ЗРП q при угле внутреннего трения исследуемого материала (1 и 2– соответственно j= 29 и 310) при dф= 0,13rв
3. Роенко А.Н. Новый подход к исследованию явления пучения пород для обоснования мер борьбы с ним // Уголь Украины.– 1997. №2-3.- С. 20-22.
4. Западинский Л.А. Проявление пучения горных пород в выработках и методы борьбы с ним // Уголь. - 1975. - № 5.- С.36-37.
5. Каталымов А.В., Любартович В.А. Дозирование сыпучих и вязких материалов.– Л.– Химия, 1990.– 240с.
6. Сучасні проблеми проведення та підтримання гірничих виробок глибоких шахт / Під заг.ред. С.В.Янко.– Донецьк: ДУНВГО, 2003.– 256с.
7. Черняк И.Л., Юсов А.Б. Управление массивом пород вокруг подготовительной выработки с помощью активного распора // Уголь.- 1982.- №9.- С. 21-23.
8. Бондаренко Ю.В., Соловьев Г.И., Негрей С.Г., Кублицкий Е.В. Влияние плотности разрушенного породного массива на устойчивость выработки // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины.– Днепропетровск.– 2001г.– №12.– Т.2.– С.91-95.
9. Махно Е.Я. Вопросы разработки крутопадающих пластов угля с применением щитовой крепи.– М.: Углетехиздат, 1957.– 230 с.