ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ РАЗРУШЕННОГО МАССИВА ВОКРУГ ВЫРАБОТОК НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ

А.П. Клюев, Н.Н. Касьян, Ю.А. Петренко Донецкая облгосадминистрация, ДонНТУ

Результаты анализа состояния горных выработок на шахтах Ук- раины по состоянию на конец 2000 г. показывают, что из общего объ- ема эксплуатируемых выработок (11024 км) 90% закреплено податли- вой рамной крепью. При этом протяженность выработок, требующих ремонта, составляет 5892 км. Основной причиной ремонтных работ в выработках глубоких шахт в 70% случаев является наличие пучения пород почвы, в 30% – несоответствие несущей способности крепи действующим нагрузкам [1]. Установка на ряде глубоких шахт метал- лической арочной крепи с плотностью 3 рамы на 1 м не всегда устра- няет систематические ремонты выработок. Такое положение объясняется тем, что в условиях глубоких шахт технический потенциал современных арочных металлических крепей не является достаточным для обеспечения устойчивого со- стояния поддерживаемых выработок. В последние годы на Украине, а также в ближнем и дальнем за- рубежье получила развитие новая концепция обеспечения устойчиво- сти выработок, основанная на использовании окружающего массива в качестве «породной крепи». Создание грузонесущей оболочки из породного массива окру- жающего выработку производится по двум направлениям: с примене- нием инъекционного укрепления пород связующими растворами либо с использованием анкерных систем. Первое направление основано на создании монолитной оболочки вокруг выработки толщина и прочно- стная характеристика которой достаточна для нейтрализации вредно- го проявления геомеханических процессов за ее пределами. Известны два способа создания породонесущей конструкции с использованием инъекционного укрепления пород. Первый предусматривает ведение работ по инъекционному укреплению пород после образования раз- рушенной зоны вокруг выработок, что соответствует интервалу вре- мени 20–30 суток после их проведения [2]. Второй предусматривает создание грузонесущей оболочки из окружающих пород за счет их активной разгрузки с последующим упрочнением (АРПУ) [3]. Отличительной особенностью предложен- ного способа является то, что его реализация осуществляется непо- средственно в забое проводимой выработки. Рассмотренные выше способы повышения грузонесущей спо- собности разрушенных пород в окрестности выработок за счет их ук- репления инъекционным упрочнением имеют общий механизм управ- ляющего действия на геомеханические процессы в породном массиве, находящемся за зоной укрепления. Монолитная оболочка из разру- шенных пород и скрепляющего состава оказывает тормозящее дейст- вие дальнейшему росту зоны разрушенных пород и нейтрализует ее влияние на состояние горной выработки. По физической сущности искусственно созданная оболочка оказывает пассивное силовое про- тиводействие на естественный ход геомеханических процессов в ок- ружающем ее массиве. Наряду с высокой эффективностью, рассмот- ренные способы обладают рядом недостатков, связанных с многоопе- рационность, большим расходом связующих материалов, сдержива- нию темпов проведения выработок. Совершенствование данного на- правления связано с учетом особенностей деформационных процессов в формирующейся зоне разрушенных пород с использованием техни- ческих решений для повышения грузонесущей способности разру- шенного массива. Создать грузонесущую конструкцию из разрушенных пород в окрестности выработки возможно за счет обеспечения условий для самозаклинивания породных фрагментов при их перемещении в по- лость выработки. Этот принцип реализуется в способе повышения ус- тойчивости горных выработок, разработанном в ДонНТУ [4]. Сущ- ность способа заключается в том, что разрушенную область пород вокруг поддерживаемых выработок разделяют в радиальном направ- лении на секторные участки локально укрепленными зонами. При дальнейшем росте зоны разрушенных пород (ЗРП) происходит нагру- жение внешней границы секторного участка массива разрушенных пород, расположенного между локально укрепленными зонами. Силы пассивного отпора формируют на границе локально укрепленных зон дополнительное боковое давление, повышающее сцепление между породными фрагментами разрушенного массива. При движении кли- новидной области разрушенных пород к контуру выработки происхо- дит их самозаклинивание между локально укрепленными зонами. Ре- зультаты лабораторных исследований механизма передачи нагрузки зоной разрушенных пород при ее внешнем нагружении (за счет влия- ния фронта разрушения пород) показали, что при создании локально укрепленных зон коэффициент передачи нагрузки (отношение вели- чины нагрузки на крепь к величине нагрузки, прикладываемой к внешней границе ЗРП) уменьшается в 1,1–2,5 раза. Это относится к условиям применения жесткой крепи. Значительно большее уменьше- ние коэффициента передачи нагрузки наблюдается при податливой крепи. Так при крупности породной фракции (dф/rв) материала ЗРП в пределах 0,12–0,3 (dф и rв – соответствует максимальному поперечно- му размеру породных фрагментов и радиусу выработки) коэффициент передачи нагрузки уменьшается в 6,7–16 раз. В условиях dф/rв=0,5 значение коэффициента передачи нагрузки равно нулю. Данный факт свидетельствует об отсутствии взаимодействия между нагрузкой, прикладываемой к внешней границе моделируемой ЗРП и крепью вы- работки. Значительное уменьшение коэффициента передачи нагрузки при использовании локально укрепленных зон в условиях податливой крепи объясняется тем, что податливость крепи способствует про- движке породных фрагментов между локально укрепленными зонами и их переупаковке, что совместно с создаваемым дополнительным бо- ковым отпором способствует реализации эффекта самоподдержания породного массива. Лабораторными исследованиями установлено, что максималь- ный угол между локально укрепленными зонами, при котором проис- ходит эффективное самозаклинивание породных фрагментов состав- ляет 90?. Промышленные испытания способа повышения устойчивости выработок, проведенные в главном квершлаге шахты «Старжич» (Че- хия) показали, что создание локально укрепленных зон способствует уменьшению скорости смещения пород на контуре выработки с 2–5 до 0–0,1 мм/сут. Спустя два месяца на экспериментальном участке смещения пород полностью прекратились. Следует отметить, что рас- ход связующего состава на создание локально укрепленных зон со- ставляет 25–30% от объема, необходимого при реализации традици- онного способа создания сплошной укрепленной оболочки вокруг вы- работки. Второе направление создания армопородных грузонесущих кон- струкций из породного массива, окружающего выработку основано на применении анкерных систем. Существующие методические разра- ботки по обоснованию параметров установки анкерной крепи базиру- ются в основном на чисто прочностном подходе. Отводя анкерной крепи роль армирующего элемента в них предусматривается ее уста- новка в радиальном направлении, при котором реализуется традици- онная схема ее работы – «сшивка» или «подшивка». Принимаемый за основу чисто силовой механизм работы анкер- ной крепи не отражает ее технические возможности как армирующей системы. Для использования жесткой анкерной крепи как армирующего элемента, в условиях образования вокруг выработки ЗРП, необходима разработка новой концепции ее применения с учетом особенностей геомеханических процессов, происходящих внутри нее. Учитывая то, что объектом армирования являются разрушенные породы под терми- ном «армировка» необходимо понимать не чисто механическое по- вышение сопротивления сжатию, растяжению, сдвигу пород за счет армирования их анкерами с более высокими прочностными показате- лями, а повышение грузонесущей способности разрушенных пород за счет обеспечения более тесной механической связи между отдельны- ми породными фрагментами в заданных объемах с помощью анкер- ных систем. При этом анкерная крепь должна оказывать эффективное сопротивление перемещению разрушенных пород в полость выработки. Требуемые условия обеспечиваются только при пространствен- ном расположении анкерной крепи. В ДонНТУ разработан новый спо- соб охраны выработок, основанный на повышении грузонесущей спо- собности окружающего их разрушенного породного массива за счет пространственного расположения анкерных систем [5]. Сущность его заключается в том, что анкерная крепь устанавливается розетками (по 4 анкера), в которых анкера располагаются по большим диагоналям куба, одна сторона основания которого совпадает с продольной осью выработки, а вторая – линейно аппроксимирует контур ее поперечно- го сечения. При таком расположении анкерная крепь выполняет роль пространственной стержневой обоймы, изменяющей вид напряженно деформированного состояния разрушенного породного массива, на- ходящегося внутри нее. Результаты лабораторных испытаний моделей образцов и обо- лочек при различных схемах их армировки показали, что пространст- венное расположение армирующих элементов обеспечивает величину остаточной прочности материала на уровне 50% от условно- мгновенной прочности не армированных образцов. При этом работо- способность моделей породных оболочек при радиальной и объемной схемах армировки повышается, соответственно в 1,6 и 5,8 раза [6]. Таким образом, в условиях глубоких шахт когда состояние гор- ных выработок определяется образованием и развитием зоны разру- шенных пород, вопрос о создании грузонесущих конструкций из ок- ружающего породного массива на сегодняшний день является безаль- тернативным. Предложенные новые способы охраны выработок, ос- нованные на нетрадиционном использовании инъекционного укреп- ления и анкерных систем обеспечивают высокую техническую эффек- тивность при уменьшении затрат на их реализацию.

Литература