МЕХАНИЗМ ПОТЕРИ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТКИ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ И ВЛАГИ

Инженеры В.П.Сажнев (ДонГТУ), В.А.Коломиец, В.А.Щербаков (шахта “Южно-Донбасская №1”)

Устойчивость подготовительных выработок определяется многими факторами, главными из которых являются прочность вмещающих пород, уровень их обводненности, величина действующих напряжений, тип и параметры крепи, способ проходки и др. Совместному влиянию прочности пород, их обводненности и горного давления на устойчивость выработки уделено мало внимания. Указаниями ВНИМИ [1] рекомендуется уменьшать расчетную прочность вмещающих пород на 20—50% только при их полном обводнении. Однако, как показали шахтные обследования горных выработок, часто имеет место локальное обводнение вмещающих пород на контуре, что приводит к неравномерному смещению пород и критическим деформациям крепи, и как следствие, к преждевременному ее разрушению. В работах [2, 3] показано, что критические смещения в кровле и почве выработки происходят в виде локальной породной складки, выдавливаемой под действием горного давления. Авторами данной работы с помощью шахтных наблюдений установлено, что весьма часто развитие породной складки сопровождается локальным водовыделением из кровли. По-видимому эти процессы ускоряют друг друга, что приводит к резкому ухудшению состояния выработки.

Рассмотрим типичный пример развития зоны неупругих деформаций вокруг полевого штрека для следующих условий. Выработка арочного сечения 15 м² пройдена на глубине 500 м в породах песчано-глинистого состава. Породы имеют предел прочности на одноосное сжатие 40—50 МПа и склонны к размоканию. Сцепление составляет 1,5 МПа, угол внутреннего трения 35° . На высоте 5 м от кровли штрека залегает водоносный слой. Напряженно-деформированное состояние пород, вмещающих выработку исследовалось с помощью нелинейной процедуры метода конечных элементов, основанной на методе начальных напряжений [4]. В качестве базового варианта для сравнения результатов компьютерного моделирования принимались данные расчета напряженно-деформированного состояния вокруг аналогичной выработки в сходных горно-геологических условиях, описанных в работе [5]. При этом модуль упругости вмещающих пород принимался равным 30 ГПа, коэффициент Пуассона 0,26.

Воздействие влаги на прочностные и деформационные свойства учитывалось на основе исследований [6]. При этом сцепление пород при размокании уменьшали до 0,1 МПа, угол внутреннего трения до 15° , модуль деформации уменьшали в 3—5 раз, а коэффициент Пуассона увеличивали до 0,45. Обводнение пород имитировалось на ограниченном участке пород в сводовой части штрека на площади массива, величина которой составляет всего 0,25 от общей площади сечения выработки. Другими словами моделировалось локальное обводнение пород на контуре выработки. Результаты трехкратного пересчета начальных напряжений показали, что локальное размокание пород кровли в сводовой части штрека приводит к существенному изменению напряженно-деформированного состояния примыкающей к контуру выработки толщи. Вертикальная компонента напряжений становится несколько меньше в области размокания и формирования породной складки. Существеннее изменение в распределении касательной компоненты напряжений. При этом нарушается симметрия распределения, а повышенные напряжения перемещаются из области размокания на массив, примыкающий к ней справа и слева. Величина касательных напряжений увеличивается здесь с 4—6 МПа (до размокания) до 8 МПа (после размокания). Наиболее заметное перераспределение коснулось горизонтальной компоненты напряжений (рисунок 1). В сводовой части кровли выработки возникла локальная разгруженная зона. Другими словами исчез самораспор пород, что отрицательно сказывается на устойчивости выработки в целом [3]. Повышенная концентрация горизонтальной компоненты напряжений наблюдается в пограничных областях, примыкающих к зоне обводненных пород (сравни распределение на рисунке 1, а и б). Здесь напряжения увеличились с 12 МПа до 15 МПа.

Вышеперечисленные особенности перераспределения напряжений весьма неблагоприятны для устойчивости выработки. Как показал анализ результатов постадийного пересчета напряжений с помощью процедуры начальных напряжений, процесс размокания пород, последующего их разрушения и развития породной складки, а также перераспределения напряжений связаны положительной обратной связью. Чем больше зона разрушений, тем больше проницаемость пород и тем сильнее фильтрация воды через разрушенную зону. Это ускоряет процесс размокания и ухудшение прочностных и деформационных свойств пород. Особенно неблагоприятно на развитии деформаций обводненного массива сказывается уменьшение угла внутреннего трения и увеличение коэффициента бокового распора (или коэффициента Пуассона). Вышеуказанный процесс сопровождается переносом опасных касательных и горизонтальных нормальных напряжений на переходную зону, отделяющую область размокших и разрушенных пород от остального массива. Поэтому возникают условия самоподдержания процесса размокания-разрушения пород и неблагоприятного перераспределения напряжений. Сказанное убедительно иллюстрируется результатами оценки запредельного состояния массива вокруг моделируемой выработки (рисунок 2). На первом сечении (рисунок 2, а) видно, что до обводнения пород зона разрушения возникает только в почве выработки и охватывает площадь, равную 0,30 площади ее сечения. На втором фрагменте (рисунок 2, б) видно, что после обводнения и размокания пород при том же горном давлении происходит разрушение пород в кровле выработки. Кроме того увеличивается зона разрушенных пород и в почве штрека, что объясняется совместным неблагоприятным перераспределением напряжений вокруг контура выработки в целом.

Таким образом, установлен механизм потери устойчивости подготовительной выработки под действием совместного влияния горного давления и локального обводнения вмещающих пород. Данный механизм является геомеханической основой для разработки способов повышения устойчивости подземных выработок в сложных горно-геологических условиях.

Библиографический список

1. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. — Л.: ВНИМИ, 1986. — 222 с.

2. Лаптеев А.А. Роль складкообразования в снижении устойчивости вмещающих подготовительную выработку пород // Известия донецкого горного института, Донецк. — 1997. — №1(5). — С. 50—53.

3. Лаптеев А.А. Применение эффекта саморасклинивания для обеспечения устойчивости подготовительной выработки // Известия донецкого горного института, Донецк. — 1998. — №1(7). — 49—50 с.

4. Назимко В.В. Геомеханические основы устойчивости подготавливающих выработок в зонах разгрузки при воздействии очистных работ: Дисс. докт. техн. наук: 05.15.02.; 05.15.11./ДГИ. — Днепропетровск, 1990. — С. 337.

5. Халимендик Ю.М., Разводов А.Г., Назимко В.В., Сажнев В.П., Лаптеев А.А. Повышение устойчивости основных подготовительных выработок в зоне их последующей надработки. — Донецк: ДонГТУ, 1997. — С. 89.

6. Назимко В.В. О деформационных свойствах обрушенных пород в объемном напряженном состоянии // Разработка месторождений полезных ископаемых. — Киев: Техника, 1983. — №66. — 31–33с.

a В.П.Сажнев, В.А.Коломиец, В.А.Щербаков, 1999.