УДК 622.261.27:622.833.5

УПРАВЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННЫМ СОСТОЯНИЕМ ПОРОД ВОКРУГ ВЫРАБОТКИ

Г. Г. ЛИТВИНСКИИ, Г. В. БАБИЮК, кандидаты техн. наук, С. Г. КОРОБКИН, инж.(КГМИ)

Одним из эффективных способов повышения устойчивости выработок является изменение формы их поперечного сечения с учетом исходного напряженного .состояния массива. В однородных породах теоретически наиболее благоприятная эллиптическая форма выработки (породного контура) с соотношением полуосей [1]

при

где а и Ь — горизонтальная и вертикальная полуоси эллиптической выработки;

К — коэффициент бокового распора ненарушенного массива;

s ^a₀ и s ^b₀ — тангенциальные напряжения в месте пересечения горизонтальной и вертикальной полуоси с контуром выработки;

р — давление вышележащей толщи пород. В неоднородных породах, когда S¹ 1 (частное от деления прочности пород на одноосное сжатие в боках выработки к прочности пород в кровле), оптимальное соотношение полуосей эллиптической выработки следует определять из выражения

При S=l формула (2) преобразовывается в соотношение (1) Поскольку в основном для условий Донбасса коэффициент бокового распора К<1, то большинство выработок на пологом падении следует сооружать вытянутыми по вертикали, что противоречит требованиям технологии их проведения и эксплуатации. Имеется противоречие между требованиями, предъявляемыми к форме выработки с позиций удобства ее эксплуатации и необходимостью обеспечить устойчивость пород на контуре. До нашего времени это противоречие либо совсем не рассматривалось, либо однозначно решалось в пользу удовлетворения требований эксплуатации.

В лаборатории горной геомеханики КГМИ в течение ряда лет данная проблема разрабатывалась с позиций управления напряженным состоянием и прочностью горных пород. Оказалось, что наиболее простое и действенное средство — изменение напряженного состояния массива горных пород вокруг выработки за счет создания с помощью камуфлетного взрыва зарядов ВВ разгруженных от напряжения зон. При этом обеспечивается близкая к оптимальной вытянутая по вертикали форма контура зоны разгрузки (на пологом падении), порода оказывается разбитой трещинами на блоки, а технологические требования по размещению оборудования и обеспечению транспорта полностью удовлетворяются. В зону интенсивной трещиноватости при необходимости нагнетают скрепляющий раствор. В ряде случаев для обеспечения устойчивости пород достаточным оказывается эффект их разгрузки без упрочнения.

Эффективность управления распределением напряжений вокруг выработки арочной формы искусственным образованием разгруженных зон оценена аналитически с помощью нашей методики [2] и подтверждена поляризационно-оптическим методом на фотоупругих моделях из эпоксидной смолы. В результате исследований установлено, что до разгрузки пород от напряжений камуфлетным взрывом максимально

напряжены угловые точки и бока выработки, а минимальные напряжения наблюдаются в кровле и почве, где при l =0,35...0,4 появляются растягивающие напряжения. При образовании в почве разгруженной зоны растягивающие напряжения исчезают, а сжимающие .напряжения в боках и углах выработки резко снижаются, что увеличивает устойчивость породного контура в делом. Испытания способа повышения устойчивости выработок управлением, напряженным состоянием пород проведены в коренном западном откаточном штреке шахты № 1-бис ш/у им. О. Кошевого объединения Краснодонуголь. Штрек пройден по пласту f₂ с верхней и нижней подрывкой и закреплен арками АП-3/11,2. Почва пласта — мелкозернистый песчаный сланец (мощность 2,6— 2,8 м), ниже—слоистый слюдистый песчаник (2,5—4,2 м); непосредственная кровля (8,6 м) — чередующиеся слои песчаных и глинистых сланцев и песчаника малой мощности, основная — массивный крепкий песчаник (27 м).

Протяженность штрека 1500 м, состояние крайне неудовлетворительное, что требовало ведения постоянных ремонтных работ по подрывке пород почвы и перекреплению.

Основная форма проявления горного давления в выработке — пучение пород, которое начинается непосредственно после проведения выработки, и особенно усиливается в зоне влияний очистных работ. Испытания пород, отобранных в почве выработки, показал, что прочность на сжатие песчаника в сухом состоянии перпендикулярно слоистости равна 90—92 МПа, а параллельно— 27—29 МПа; во влагонасыщенном состоянии прочность на сжатие в первом случае снижается до 26—32 МПа, т. е. более, чем в 3 раза. Испытания на сжатие пород вдоль слоистости довести не удалось в связи с тем, что порода полностью потеряла под действием влаги сцепление по слоям. Таким образом, пучение пород почвы объясняется незначительной прочностью песчаника вдоль слоистости и способностью породы расслаиваться под действием влаги.

Работы по разгрузке пород от напряжений вначале выполнены после подрывки почвы на участке длиной 30 м, удаленном на 600 м от забоя штрека. За смещениями пород наблюдали на замерных станциях (с контурными реперами). Станция расположена на участке испытаний, причем реперы установлены до взрыва пород почвы, станция 2 — в 200 м от забоя штрека, а станция 3 оборудована через 38 сут в 160 м от станции (рис. 1). Затем работы по разгрузке в связи с аварией были приостановлены и возобновлены уже непосредственно в забое при проходке штрека впереди начавшей работу лавы. Шпуры для камуфлетных зарядов в почве выработки бурили наклонно в опережающем массиве под углом к горизонту 55° (рис. 2). Масса камуфлетного заряда при взрыве в опережающем массиве составляла 400 г аммонита Т-19, при взрываний с отставанием от забоя — 200 г.

Протяженность участка испытаний с разгрузкой пород почвы непосредственно в забое выработки 60 м. На втором разгруженном участке также располагалась замерная станция 4 с контурными реперами.

Шахтные инструментальные наблюдения показали (рис. 3), что в результате изменения формы выработки с помощью камуфлетного взрыва и перераспределения напряжений повысилась устойчивость выработки и уменьшилась конвергенция пород так, на станции 1 на участке испытаний, расположенном вне зоны влияния лавы, за период наблюдений сближение пород кровли и почвы составило 80 мм (без учета 60 мм поднятия от разрыхления пород почвы при взрыве), а на контрольных замерных станциях 2 и 3 за это время произошли две подрывки пород и суммарные смещения были 800 мм и более. Скорость смещений пород почвы на станции 2 выше, чем на станции 3, поскольку первая установлена ближе к забою выработки, а впоследствии частично подвергалась влиянию очистных работ. На станции 4 до влияния очистных работ скорость смещения пород была даже меньше, чем на станции 1, однако в зоне опорного давления лавы смещения резко возросли до 180 мм, что все же значительно меньше, чем на станции 2, которая не попала в зону опорного давления лавы. Подрывка почвы не предотвращает пучения, хотя скорость смещений пород на станции 2 и 3 после каждой подрывки несколько снижается. В результате управления распределением напряжений вокруг выработки смещения пород в коренном западном откаточном штреке снижены в 10 раз.

Рис. 1. Выкопировка из плана горных работ шахты № 1-бис и схема установки замерных станций.

Рис. 2. Схема расположения шпуров для взрыва пород почвы в забое штрека.

Рис. 3. Графики конвергенции пород на замерных станциях в коренном западном откаточном штреке шахты № 1-бис:

u—сближение пород кровли и почвы; t - период наблюдения.

Аналогичные результаты получены после разгрузки пород почвы при внедрении способа борьбы с, пучением разгрузкой и упрочнением пород на шахтах “Донецкая” объединения Краснодонуголь, им. Менжинского и “Золотое” объединения Первомайскуголь. Таким образом, горное давление в выработке после управления напряженным состоянием пород созданием разгруженных зон будет проявляться с меньшей интенсивностью; нагрузки на крепь и смещения пород значительно снизятся, что позволит перейти к облегченным конструкциям крепи и избежать расходов на ее ремонт и восстановление.