Особенности передачи давления, от стенок шпура, содержащего невзрывчатый разрушающий материал, вглубь породного массива

Приведены результаты лабораторных исследований особенностей невзрывного агружения пород, а также результаты математического моделирования процесса передачи апряжений Анализ состояния современных горных выработок показывает, что потеря площади поперечного сечения для подготовительных выработок вне зоны влияния очистных работ превышает 30-40 %, а на сопряжениях с очистным забоем – достигают 50–70 %, что приводит к необходимости их перекрепления и ремонта. Применение более металлоемких конструкций крепей не позволяет решить указанную проблему. Это объясняется сложностью предотвращения и сдерживания развития вокруг выработок на современных глубинах зоны разрушенных пород (ЗРП). Для сохранения устойчивости пород в пределах ЗРП был предложен способ, основанный на сжатии разрушенных горных пород при помощи саморасширяющихся составов [1]. Основным параметром предлагаемого способа обеспечения устойчивости выработок является расстояние между шпурами с распорными элементами. В качестве средства создания распора предлагается использовать невзрывчатый разрушающий материал НРВ- 80, лабораторные исследования свойств которого [2, 3], позволяют определить давление, развиваемое данным составом при различных объемных деформациях. В данной статье с целью определения зоны влияния одного распорного элемента ставится задача изучения закономерностей передачи давления от стенок шпура содержащего саморасширяющийся материал вглубь породного массива. Существует аналитическое решение подобной задачи для исследования действия взрыва в грунте [4], однако его применение для рассматриваемого случая, на наш взгляд, не совсем корректно, что связано с разным еханизмом воздействия на массив, и, соответственно, разными причинами разрушения пород. Для сравнения взрывного и невзрывного способов нагружения пород было проведено несколько опытов. В масштабе 1:5 моделировался массив пород, вмещающий шпур диаметром 43 мм, содержащий на первом этапе патрон с ВВ, на втором – невзрывчатый разрушающий материал. В первой серии опытов исследования проводились на гипсовых плитах размерами 240*240*60 мм с прочностью на одноосное сжатие 1,8 МПа. Вид плит после испытания приведен на (рис. 1).

Анализ состояния поверхностей шпуров, после проведения экспериментов, показал, что при взрывном разрушении стенки шпура пересечены системой радиальных трещин, а при невзрывном – стенки практически гладкие. Таким образом, несмотря на наличие трех открытых поверхностей для испытываемых плит, очевидно вследствие динамического воздействия взрыва, околошпуровая область разрушается, в то время как при постепенном нагружении стенки шпура остаются неразрушенными. Состояние стенок шпуров после разрушения образцов приведено на (рис. 2). Во второй серии опытов исследования проводились на образцах из глины, помещенных в пластиковые цилиндры. Влажность глины составляла 26 %. Диаметр пластиковых цилиндров 70 мм для первого опыта и 175 мм для второго опыта. Общий вид образцов первого и второго опыта после проведения эксперимента приведен на (рис. 2).

Анализ представленных рисунков показывает, что в результате взрывания заряда ВВ, в глине образуется цилиндрическая полость диаметром 3,0–3,30 диаметра шпура, за пределами этой полости сплошность испытуемых образцов не нарушена; далее наблюдается зона уплотнения материала диаметром 4,7–4,9 диаметра шпура, то есть, можно утверждать, что зона влияния взрыва ограничивается 5 диаметрами шпура. Результаты моделирования удовлетворительно согласуются с данными полученными при взрывании камуфлетных зарядов в глине [5]. Решение поставленной задачи проводилось методом конечных элементов с использованием программного комплекса ANSYS. Задача решалась в объемной постановке. В силу осесимметричности задачи моделировалась половина сечения вдоль вертикальной оси шпура. Моделирование производилось в масштабе 1:1. Исходные данные для моделирования были взяты из кадастра физических свойств горных пород для условий Донецко-Макеевского угленосного района. Моделировался шпур с распорным элементом расположенный в алевролите с прочностью на одноосное сжатие – 35 МПа. На внутреннюю поверхность моделируемого шпура прикладывалась распределенная нагрузка, соответствующая давлению от саморасширения НРВ-80. Основные данные для моделирования сведены в (табл. 1). Задача решалась в два этапа – в упругой линейной постановке, и в нелинейной постановке с использованием критерия Кулона Мора.


Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы: деформационные процессы, возникающие в массиве при расширении невзрывчатых разрушающих веществ, имеют различный механизм и свои особенности, по сравнению с процессами вызываемыми действием взрыва, что предопределяет различную область влияния шпуров, содержащих патрон с ВВ, и невзрывчатый разрушающий материал; коэффициент передачи нагрузки от распорного элемента расположенного в шпуре вглубь породного массива снижается по экспоненциальной зависимости при увеличении расстояния от центральной оси шпура. При этом зона эффективного влияния шпура расположенного в алевролите с прочностью на одноосное сжатие 30 МПа и характерными свойствами для Донецко-Макеевского района составляет 0,4–0,6 м.

1. Сахно И.Г., Петренко Ю.А., Овчаренко Н.А. Лабораторные исследования особенностей работы разрушенных горных пород при формировании из них несущей конструкции / Проблеми гірського тиску 2008, № 16 – С. 70–81.
2. Касьян Н.Н., Овчаренко Н.А., Сахно И.Г., Петренко Ю.А., Самусь О.Л. Лабораторные исследования работы невзрывчатых разрушающих веществ при упрочнении массивов разрушенных горных пород // Науковий вісник НГУ. 2008. – № 8. – С. 50–52.
3. Касьян Н.Н., Сахно И.Г. Лабораторные исследование влияния компонентного состава НРВ-80 на его рабочую характеристику при укреплении вмещающего горные выработки массива // Вісник Криворізького технічного університету. 2009. – № 23. – С. 31–34.
4. Физика взрыва / Ф.А. Баум, Л.П. Орленко, К.П. Станюкович и др. М.: Наука, 1975. 31–34.
5. Сонин С.Д., Шейхет М.Н., Черняк И.Л. Борьба с пучением почвы горных выработок взрыванием камуфлетных зарядов // Шахтное строительство. – 1961. – № 3. – С. 8–10.