НОВИКОВ А.О., САХНО И.Г., ГЛАДКИЙ С.Ю., ШЕСТОПАЛОВ И.Н.
ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЗААНКЕРОВАННОГО МАССИВА
Migdzynarodowe Konferencja, VIII SZKOLA GEOME-CHANIKI-2007, Czesc II: zagranic-zna;Materialy Nau-kowe, Gliwice-Ustron, 2007
УДК 622.016.3.112.3
ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЗААНКЕРОВАННОГО МАССИВА
На современном этапе развития горной науки можно считать общепризнанным, что на величину смещений контура выработки и нагрузки на крепь определяющее влияние оказывают размеры и интенсивность развития зоны неупругих деформаций (ЗНД). Изучению закономерностей образования и развития ЗНД посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых.
Основные результаты этих исследований следующие. Максимальные смещения пород на контуре выработки происходят в направлении перпендикулярном напластованию пород. При этом, до 80% смещений в полость выработки вызваны увеличением пород в объеме при их разрушении. Размер зоны неупругих деформаций, формирующейся вокруг выработки, зависит от ее размеров, глубины заложения, прочности вмещающих пород и составляет от 2 до 9 м. При отсутствии повторного нарушения равновесного состояния, до 60 % величины конечных смещений контура выработки происходит в первый месяц после проведения выработки, а в дальнейшем скорость деформирования снижается. В выработках, закрепленных рамной крепью, максимальные деформации массива происходят на контуре выработки. По мере удаления от контура выработки в глубь массива деформации пород уменьшаются.
В настоящее время, до 90% протяженности поддерживаемых выработок на действующих и реконструируемых шахтах закреплено металлическими рамными податливыми конструкциями крепи. Несмотря на то, что анкерное крепление как конструкция известно с глубокой древности, объемы его применения до сих пор не значительны. Этим отчасти можно объяснить тот факт, что при большом количестве исследований посвященных изучению особенностей и закономерностей деформирования вещающего выработки массива, для выработок закрепленных анкерной крепью они практически не изучены.
Учитывая перспективы расширения использования анкерных систем для крепления выработок различного назначения на шахтах Украины, как одного из приоритетных направлений интенсификации производства, проведение таких исследований несомненно является актуальной задачей.
С целью изучения особенностей и закономерностей деформирования породного массива, вмещающего выработки, закрепленные анкерной крепью, авторами статьи были проведены шахтные наблюдения на замерных станциях, оборудованных глубинными реперами.
Для исследований были выбраны подготовительные выработки шахты «Добропольская», имеющей большой опыт внедрения анкерных систем.
Комплексные замерные станции, оборудованные контурными и глубинными реперами были установленны в конвейерном штреке северной коренной лавы пл. горизонта 450 м. ОП „Шахта „Добропольская” ГП „Добропольеуголь”. Выкопировка из плана горных работ представлена на рис. 1.
:
Рис. 1 Выкопировка из плана горных выработок по пласту kн8
Выработка предназначалась для бурошнековой выемки угля. Она находилась вне зоны влияния очистных работ, так как принятая в проекте организации работ ширина межскважинного целика составляла 0,6 м и более. Глубина заложения выработки - 462 м. Угол падения пород в пределах рассматриваемого участка - 8°. Мощность пласта угля изменялась от 0,63м до 0,7 м. Непосредственная кровля пласта представлена аргиллитом темно-серым, мощностью 1,9 м, с пределом прочности на одноосное сжатие 27-29 МПа. Основная кровля пласта - алевролит темно-серый мощностью 7,2 м и пределом прочности на одноосное сжатие 30 МПа.
Непосредственно в почве залегал алевролит серый, в верхней части слоя «кучерявчик» слабослюдистый. Мощность слоя 2,4 м, предел прочности на одноосное сжатие 28-32 МПа. Ниже залегал песчаник светло-серый мощностью 3,5 м и пределом прочности на одноосное сжатие 32-37 МПа.
Штрек имел прямоугольную форму поперечного сечения. Высота выработки в проходке составляла 3,3 м, ширина 4,8 м.
Выработка длиной 270 м была проведена комбайном КПД-32. Средняя скорость подвигания подготовительного забоя - 190 м/мес. При этом плотность установки анкеров - 0,8 анк/м2. Анкеры длиной 2,4 м устанавливались в забое выработки под подхват, изготовленный из профиля СВП-22 длиной 3,6 м. Закрепление стального анкера в шпуре производилось химическим способом. Оборудование замерных станций и производство замеров на них производилось согласно методике ВНИМИ [1].
Три замерные станции былы оборудованы непосредственно в забое штрека. Схема их расположения приведена на рис.2
:
Рис. 2. Схема расположения замерных станций с глубинными реперами относительно друг друга и забоя штрека: 1 – контур выработки; 2 – анкер; 3 – спецпрофиль, под который установлены анкеры; 4 – замерные станции.
Каждая станция представляла собой скважину, пробуренную в кровлю выработки, оборудованную 16 глубинными реперами и три контурных репера: два в боках и один – в почве выработки. Расстояние между центрами глубинных реперов в скважине составляло от 0,24 до 0,28 м. Конструкция замерной станции приведена на рисунке 2.
Диаметр скважины для установки глубинных реперов составлял 27 мм, а длина - 4,4 м. Глубинные репера помещались в скважину при помощи специального досыльника. Глубинный замок репера (рис. 3б) представлял собой отрезок стальной трубы 5 длиной 40 мм, на который при помощи заклепок 7 с четырех сторон была прикреплена стальная полоса 6 для установки его в шпуре, на фиксированном удалении от контура выработки. От каждого глубинного замка из скважины выводилась связь, выполненная из оцинкованной проволоки 2, на конце которой было закреплено кольцо 4 и пластинка с номером репера.
Каждая станция представляла собой скважину, пробуренную в кровлю выработки, оборудованную 16 глубин.
:
Рис. 3. Схема замерной станции (а) и конструкция глубинного репера (б): 1 – глубинный репер; 2 – тяги глубинных реперов; 3 – кондуктор; 4 – замерное кольцо; 5 – отрезок стальной трубы; 6 – стальная полоса; 7 – заклепка.
В устье скважины устанавливался кондуктор 3 длиной 0,25м, выполняющий роль контурного репера. При каждом замере фиксировалось расстояние от выступающей части кондуктора до кольца с номером репера.
Смещения глубинных реперов определялись по величине изменения расстояния между кольцом и кондуктором. Измерения проводились с помощью рулетки конструкции ВНИМИ (погрешность измерения рулеткой ±0,5 мм).
При обработке результатов натурных наблюдений за смещениями глубинных реперов на экспериментальном участке предполагалось, что репер №1, имеющий максимальную глубину заложения (4,2 м) является неподвижным. Такое допущение основано на том, что развитие зоны неупругих деформаций вокруг выработки не происходит мгновенно, а занимает некоторый промежуток времени. В данной статье приведены результаты замеров смещений произошедших в течение 31 суток после установки замерных станций. Предполагалось, что деформации во вмещающем выработку массиве, за этот период, не распространяться на глубину более 4,2 м, что подтверждается результатами исследований И.Л. Черняка [2].
Для изучения процесса развития деформаций во вмещающем выработку массиве, были построены графики относительных смещений пород между глубинными реперами в направлении от контура выработки в глубь массива (рис. 4-6). Породы, на участке скважины между глубинными реперами считали разрушенными, если фактическая величина относительных деформаций превышала предельное для породы значение. Согласно исследованиям, проведенным в МГИ под руководством И.Л. Черняка [2] предельные относительные деформации для глинистого сланца составляют 3х 10-2, а для песчаного сланца 2х 10-2.
:
Рис. 4. Графики зависимости относительных деформаций пород кровли от расстояния до контура выработки через 1-5 и 2-8 суток после проведения выработки.
:
Рис. 5. Графики зависимости относительных деформаций пород кровли от расстояния до контура выработки через 1 -8, 2 - 12 и 3 - 16 суток после проведения выработки.
:
Рис. 6. Графики зависимости относительных деформаций пород кровли от расстояния до контура выработки через 1 - 23, 2 - 27 и 3 - 31 сутки после проведения выработки.
Анализ графиков относительных деформаций пород в массиве, в зависимости от расстояния от контура выработки показал, что уже на 8 сутки после проведения выработки, на расстоянии от контура 2,3-2,4 м породы разрушаются, о чем свидетельствуют относительные деформации равные 0,025, что приводит к перераспределению напряжений за пределами этого участка. На 19 сутки наблюдений, разрушения происходят на участке пород, удаленном от контура на 3,4-3,5 м и сжатие ранее разрушенных пород, на глубине 2,3-2,4 м. До 23 суток наблюдений этот процесс продолжается. На 27 сутки наблюдений, разрушения распространяются в глубь массива и происходят уже на удалении 4,0-4,1 м от контура выработки. Вместе с тем, разрушающие относительные деформации пород имеют место на участке скважины, удаленном на расстояние 0,9 м от контура (т.е. в пределах закрепленной анкерами части массива). На 31 сутки наблюдается уплотнение ранее разрушенных пород, на расстоянии 0,9м от контура выработки и дальнейшее развитие деформаций в глубь массива, на участках удаленных на 3,5м и 4м от контура. Дальнейшие наблюдения показывают, что происходит затухание интенсивных деформаций пород во вмещающем массиве с сохранением выше описанных закономерностей.
Примечательно, что приконтурный участок массива (до 2м от контура выработки), перемещался практически единым блоком, а относительные деформации пород, на участках между глубинными реперами в его пределах, не превышали предельные значения. Это свидетельствует о том, что на нем была создана грузонесущая породно-анкерная конструкция.
Непосредственно за этим участком наблюдается зона сжатия, а за ней - зона разрушения пород. Таким образом, образованная в кровле выработки армо-породная конструкция выполняет роль крепи, воспринимая нагрузку от развития зоны разрушения за своим контуром.
Образование вблизи контура выработки зоны сжатия можно объяснить уплотнением ранее разрушенных пород между созданной в массиве породно-анкерной конструкцией и подхватом из спецпрофиля, так как замерная станция была установлена непосредственно вблизи профиля.
Таким образом, обработка результатов шахтных натурных наблюдений за смещениями глубинных реперов в выработке, закрепленной анкерной крепью, позволила сделать следующие выводы.
Вокруг горной выработки, закрепленной анкерной крепью, образуется зона неупругих деформаций и зона разрушения. Особенностью образования зоны разрушенных пород является то, что она начинает развиваться не от контура выработки (как это было установлено для выработок, закрепленных традиционными, рамными конструкциями крепи), а от внешней границы той части массива, в которой установлена анкерная крепь. При этом, образованная в приконтурной части массива породно-анкерная конструкция, смещается в полость выработки единым блоком, практически без расслоения скрепленных анкерами пород, воспринимая нагрузку от развивающейся ЗРП. Породы, вмещающие горную выработку, закрепленную анкерной крепью, как и вокруг выработок, закрепленных традиционными конструкциями крепи, испытывают деформации растяжения и сжатия.
Сразу после проведения выработки, еще до момента установки анкеров, происходит перераспределение напряжений во вмещающем ее массиве. Поскольку возникающие при этом напряжения превышают прочность вмещающих пород, то образуется фронт разрушения, направленный от контура выработки вглубь массива. После установки анкерной крепи (образования грузонесущей породно-анкерной оболочки) эти процессы некоторое время не прекращаются. По мнению авторов это связано с новым, последующим после этого, перераспределением в массиве напряжений и затуханием уже начавшихся на контуре выработки и прилегающей части массива, процессов разрушения, происходящих из-за наличия в породах ослаблений, связанных в первую с технологическими причинами (качеством производства работ по проведению и креплению выработки).
При правильно выбранных параметрах анкерования, образующаяся породно-анкерная конструкция имеет более высокие прочностные характеристики, чем окружающий массив, что обеспечивает сохранение ее сплошности.
После формирования в окрестности выработки несущей породно-анкерной конструкции начинается расслоение пород за ее пределами. Породно-анкерная крепь не только воспринимает нагрузку от разрыхления пород в зоне разрушения, но и сдерживает развитие фронта разрушения в сторону выработки, а также препятствует распространению деформаций пород в пределах ЗНД, в направлении полости выработки. Таким образом, можно рассматривать создаваемую в массиве породно-анкерную конструкцию как крепь выработки.
С целью углубления и расширения существующих представлений о деформационных процессах, происходящих во вмещающем выработки, закрепленные анкерной крепью массиве, авторами проводятся широкомасштабные шахтные инструментальные наблюдения.
Литература
1. Методические указания по исследованию горного давления на угольных и сланцевых шахтах. – Л.: ВНИМИ. – 1973. – 102с.
2. Черняк И.Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок. – М.: Недра, 1993. – 256с.