УДК 622.261.004.6
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ЗАТУХАНИЯ ЭФФЕКТА ЛОКАЛЬНОЙ РАЗГРУЗКИ ПОРОД ПОЧВЫ.
В настоящее время одним из наиболее эффективных и перспективных способов борьбы с пучением является локальная разгрузка пород почвы. На основе этого принципа в последние годы разработан ряд способов охраны, таких как: взрыво-щелевая разгрузка, способ компенсационных щелей, активная разгрузка и последующее упрочнение, скважинная разгрузка и т.д.
Сущность этих способов заключается в образовании в боках или в почве выработки, с помощью взрыва или механическим способом, податливых полостей, обеспечивающих разгрузку пород почвы от повышенных напряжений и использование несущей способности породного массива.
Проведенные многочисленные исследования позволили установить механизм действия этих способов и обосновать их параметры, а опыт применения показал, что они позволяют снизить величину пучения в 2-3 раза. Вместе с тем этот же опыт показывает, что продолжительность действия этих способов во времени ограничена (до 1 года в зависимости от горно-геологических и технических условий). Как показал анализ литературных источников исследования данного вопроса не проводились.
В этой связи были проведены следующие лабораторные эксперименты на моделях из эквивалентных материалов. В качестве эквивалентного материала при моделировании использовались песчано-парафиновые смеси. Для получения зависимости величины смещений от времени был применен масштаб времени, который определялся отношением времени разрушения породы к времени разрушения материала модели при одинаковых уровнях напряжений в образцах породы и материала модели. При моделировании в масштабе 1:100 пород прочностью на одноосное сжатие 30-60 МПа, масштаб времени равен 1:4500. Для решения поставленных задач и получения количественных зависимостей моделировались следующие условия: ширина выработки B=3.5-5.5 метров, критерий устойчивости gH/sсж = 0.4-0.8. С целью сокращения количества моделей использовался метод рационального планирования экспериментов. Было отработано 5 моделей с различными вариациями значений исследуемых условий. Для оценки результатов исследований в моделях проводилось две выработки. Выработка
№1 (экспериментальная) проводилась с применением локальных способов разгрузки, а выработка №2 (контрольная) - без них. Для установления характера деформирования пород кровли, почвы, боков при локальной разгрузке породного массива от повышенных напряжений и оценки продолжительности ее эффекта в моделях производились измерения смещений пород на контуре выработки и в глубине массива, а также напряжений в зоне разгрузки.
Для изучения напряженного состояния вокруг места разгрузки в моделях при их закатке были заложены датчики сопротивления, по показаниям которых строились графики относительного изменения давления.
На рисунках 1-5 приведены результаты исследований проведенных в модели для следующих условий: ширина выработки В=4 метра, поперечное сечение S=13.5 м2, sсж=40 МПа, глубина заложения Н=950 метров, длина разгрузочных шпуров l=2 метра.
Наблюдения за смещениями контура выработки и в глубине массива на модели проводились в течение времени соответствующему 15 месяцам наблюдений в натуре.
Проведенные исследования позволили установить, что характер смещений пород кровли выработок на экспериментальном и контрольном участках аналогичен, однако, в выработке №1 смещения реализуются более интенсивно.
Характер деформирования пород почвы на контрольном и экспериментальном участках существенно отличается. Так в экспериментальной выработке за первые 4-5 месяцев интенсивность смещений значительно ниже чем в контрольной. Анализ графиков смещений пород почвы (рис.1) выработки №2 показывает, что их основная величина (80%) реализуется за 3 месяца и далее растет незначительно. В выработке №1 величина смещений составила 50 мм, что в 11 раз меньше, чем в контрольной выработке за аналогичный период. Далее наблюдался процесс резкого роста смещений, в результате чего они достигли отметки 460 мм. При этом следует отметить, что общая величина смещений пород почвы в экспериментальной выработке на 27% меньше величины смещений пород почвы в контрольной выработке и составила 465 мм.
Такой характер деформирования пород почвы при применении взрыво-щелевой разгрузки подтверждает результаты ранее проведенных исследований, однако, увеличение продолжительности наблюдений показывает, что для моделируемых условий в период с 4-го по 7-ой месяц наблюдается резкое увеличение этих смещений в экспериментальной выработке, что свидетельствует об исчезновении эффекта локальной разгрузки.
Это также подтверждается наблюдениями за смещениями пород в боках экспериментальной выработки, где характер деформаций аналогичен вышеописанному, однако, эффект взрыво-щелевой разгрузки сказался в меньшей степени.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что положительный технический эффект от локальной разгрузки породного массива от повышенных напряжений при помощи ВЩР имеет ограничение во времени.
Проведенные исследования позволили установить следующий механизм действия технического эффекта от локальной разгрузки пород почвы во времени.
В начальный момент времени после реализации ВЩР смещения пород контура выработки в кровле происходит равномерно, без интенсивного расслоения пород, но с большей скоростью, чем в контрольной выработке. При этом породы на контуре экспериментальной выработки нарушены в меньшей степени, чем в контрольной.
В этот же период в почве выработки разрушение пород на контуре не происходит, а плавное их поднятие на небольшую величину вызвано разрушением их на уровне расположения зарядов ВВ в разгрузочных шпурах. В дальнейшем, в результате переуплотнения пород в зоне разгрузки, разрушение начинает развиваться более интенсивно в направлении из глубины массива к контуру выработки. При этом наблюдается увеличение скорости смещений на контуре почвы выработки, что свидетельствует о начале окончания эффекта разгрузки. Этот процесс приводит к интенсивному расслоению пород на контуре выработки.
К этому моменту эффект разгрузки в боках уже себя исчерпал. В почве начинается процесс складкообразования за счет горизонтальных подвижек, что свидетельствует об окончании эффекта ВЩР.
Установленный механизм позволяет сделать вывод о том, что для обеспечения дальнейшей устойчивости пород почвы необходимо к моменту окончания эффекта ВЩР вновь применить локальное мероприятие, обеспечивающее предупреждение эффекта складкообразования (2-й этап поддержания). В частности, в качестве такого мероприятия можно использовать способ компенсационных щелей.
Установленный механизм также подтверждается графиками: изменения скорости смещений контурных реперов во времени (рис.4) и давления в районе разгрузочных шпуров во времени (рис.5).
Так из графика изменения скорости в почве видно, что к концу 3-го месяца наблюдается резкое увеличение скорости смещений 0-го репера, что свидетельствует о начале окончания эффекта разгрузки. На графиках смещений глубинных реперов этот период соответствует резкому росту смещений 0-го и 1-го реперов.
К началу 5-го месяца наблюдений скорость смещений достигает уже 65 мм/мес и продолжает интенсивно возрастать. В этот же момент на графиках изменения давления наблюдается его интенсивный рост, что свидетельствует об окончании эффекта локальной разгрузки.
Для проверки полученных результатов в настоящее время проводятся шахтные инструментальные наблюдения на замерных станциях оборудованных в 2-х выработках шахты "Трудовская" ГХК "Донуголь".
УДК 622.261.004.6 Петренко Ю.А., Новиков А.О., Захаренко А.В., Захаренко С.В. Исследование механизма затухания эффекта локальной разгрузки пород почвы. Лабораторные исследования продолжительности действия локальной разгрузки пород почвы.
UDC 622.261.004.6 Petrenko U., Novikov A., Zakharenko A., Zakharenko S. Researches of mechanism of decrease of local unload effect of footwall rocks. Laboratory researches of duration of local unload effect of footwall rocks.