ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ РАЗРУШЕННЫМИ ПОРОДАМИ В ОКРЕСТНОСТИ ПОДДЕРЖИВАЕМЫХ ВЫРАБОТОК
Касьян Н.Н , ДонГТУ, Донецк, Украина

         Центральной проблемой горной технологии как при проведении и креплении выработок, так и при добыче полезного ископаемого является разрушение горных пород, которое происходит самопроизвольно ввиду перераспределения напряжений в массиве окрестности горных выработок. Главной задачей геомеханики в таких условиях является изучение особенностей и закономерностей происходящих физических процессов и разработок способов и средств управления ими.

         Эффективное управление состоянием массива пород в окрестности поддерживаемых выработок возможно только на основании глубокого понимания физической сущности процессов происходящих во времени и пространстве. На настоящее время благодаря усилиям многих научных организаций и отдельных авторов на Украине и за рубежом значительно расширены представления об условиях и механизме образования и распространения зоны разрушенных пород вокруг горных выработок [1,2,3]. Однако вопросы о механизме взаимодействия движущегося фронта разрушения пород с крепью выработок, и характере деформационных процессов, происходящих внутри зоны разрушенных пород не достаточно изучен. А именно характер и динамика деформирования пород в разрушенной зоне под действием фронта разрушения, движущегося в глубину массива, во многом предопределяют характер и величину смещения пород на контуре выработки и должен служить основанием при разработке способов и средств управления разрушенным массивом для обеспечения устойчивости выработок.

         Основным источником информации о деформировании массива пород вокруг выработок являются результаты натурных наблюдений по глубинным реперным ситуациям. Использование традиционной методики обработки данных натурных наблюдений и представление результатов в виде плавных линий, соединяющих величины смещений глубинных реперов заведомо предопределяет непрерывный характер смещений массива. Такой подход являлся бы правомерным при непрерывном наблюдении за смещениями пород во всем объеме рассматриваемого массива. Глубинные реперы являются фиксированными точками в массиве и информацию о их смещениях мы получаем эпизодически в моменты производства замеров. Поэтому смещения реперов носят дискретный характер. С учетом вышеизложенного была разработана методика оценки деформационных процессов разрушающегося и уже разрушенного массива по изменению коэффициента расширения пород между соседними реперами по всей цепи их установки. При этом его значение необходимо определить с частотой, равной частоте проведения измерений [4].

         Анализ результатов обработки измерений смещений массива пород по 14 глубинным станциям с использованием предлагаемой методики позволил проследить динамику деформационных процессов, происходящих в зоне разрушенных пород под действием движущегося фронта разрушения. Его взаимодействие с крепью выработок происходит за счет образования перемещения в чередующемся порядке к контуру выработки зон сжатия и расширения разрушенных пород. Это позволяет рассматривать зону разрушенных пород как динамическую систему, в которой происходят сложные деформационные процессы.

         Механизм силового взаимодействия фронта разрушения и крепи выработок изучался на серии структурных моделей в которых изменялась величина внешнего нагружения зоны разрушенных пород, величина самой зоны и крупность ее фрагментов. Результаты лабораторных исследований показали, что с увеличением размера зоны и крупности ее фрагментов коэффициент передачи нагрузки уменьшается. Увеличение уровня внешней нагрузки на границе зоны также приводит к уменьшению коэффициента передачи нагрузки. Такое влияние, на наш взгляд, объясняется тем, что с увеличением степени сжатия, разрушенные породы, за счет увеличения поверхности контактов и сил сцепления, приобретают свойства сплошной среды. Тем не менее, при определенных размерах зоны, крупности ее фрагментов и величине внешнего нагружения наблюдается увеличение коэффициента передачи нагрузки до 2.5, что позволяет по новому интерпретировать роль зоны разрушенных пород в процессе формирования нагрузки на крепь [5].

         Результаты выполненных исследований позволили обосновать одно из направлений эффективного воздействия на геомеханические процессы внутри зоны разрушенных пород, основанное на создании условий, позволяющих существенно повысить грузонесущую способность разрушенных пород. В ДонГТУ разработан способ охраны выработок с помощью локально укрепленных зон, позволяющий обеспечить самозаклинивание разрушенных пород между ними за счет создания дополнительного бокового отпора.

         Лабораторные испытания нового способа показали, что в условиях жесткой крепи коэффициент передачи нагрузки уменьшается в 2.4 раза, при податливой в 5-8 раз.

         Промышленные испытания способа были проведены на шахте «Старжич–2» (Чехия) в капитальном квершлаге, пройденном на глубине 950 м сечением в свету 18 м2. На участке 20 м были проведены работы по созданию локально укрепленных зон. На рис. 1 показано расположение локально укрепленных зон вокруг квершлага. Локально укрепленные зоны создавались комбинированным способом. Первоначально устанавливались анкеры и анкеры–инъекторы, через которые осуществлялось инъекционное упрочнение массива в пределах локальных зон. Инструментальные наблюдения показали, что на экспериментальном участке скорость смещения пород уменьшалась с 2–5 мм/сут до 0–0,1 мм/сут, что обеспечило устойчивое состояние выработки.

         Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что установленные особенности деформационных процессов, происходящих внутри зоны разрушенных пород во многом предопределяют состояние поддерживаемых выработок и их необходимо учитывать при разработке способов охраны. Разработанный способ охраны выработок с помощью локально укрепленных зон является весьма эффективным и для его широкого применения необходимо произвести обоснование его параметров и области применения.
Литература
Лабасс А. Давление горных пород в угольных шахтах. – В кн.: горное давление.– М.:Госгортехиздат, 1961.– С.59-164.
Литвинский Г.Г. Кинетика хрупкого разрушения породного массива в окрестности горной выработки.– ФЕПРПИ, 1974.– №5.– С.15–22.
Виноградов В.В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок. – К.: Наукова думка, 1989.– 192 с.
Касьян Н.Н. Метод оценки характера деформационных процессов в массиве пород вокруг выработок // Известия Донецкого горного института.– №1(5).– 1997.– С.93–96.
Геомеханические процессы в зоне разрушенных пород в окрестности поддерживаемых выработок /М.П.Зборщик, Н.Н.Касьян, А.П.Клюев, Р.И.Азаматов //Уголь Украины.– 1996.– №4.– С.7-9.