Особенность структурной неоднородности толщ вскрываемых шахтными стволами проявляется в чередовании разножестких (разнопрочных) пород, наличием переходов от устойчивых к неустойчивым породам, проявлением так называемых зон контакта, разделяющих литологические разности [1]. Из данных геологических исследований следует, что от 20 до 40 % пород Донбасса представлены песчаниками с коэффициентом крепости от 6 до 8. Известняки составляют по всей длине ствола не более 2,5–3,5 % от общего количества вскрытых стволами пород. Мощность песчаных сланцев изменяется от 0,2 до 68 м, глинистых – от 0,2 до 29 м, песчано-глинистых – от 0,3 до 65 м. Малую мощность имеют известняки, которая составляет от 0,1 до 5,1 м. Угли и углистые сланцы составляют в общей массе пород 0,6–3,6 %, а их мощность изменяется от 0,1 до 2,2 м [2]. Эти цифры говорят о большом количестве зон контакта слоев с различными физико-механическими характеристиками, которые могут отличаться в десятки раз.
В качестве сложного и распространенного на практике случая можно выделить взаимодействие крепи с массивом, содержащим породный слой ограниченной мощности с весьма низкими физико-механическими характеристиками.
Исследования показывают, что основными факторами, влияющими на интенсивность увеличения напряжений в крепи в зоне влияния слабого породного слоя по сравнению с однородным массивом являются мощность слоя и отношение модулей сдвига основного массива и слабого слоя. При взаимодействии монолитной бетонной крепи со слабым слоем, имеющим наклонное залегание, в крепи возникает значительная асимметрия главных тангенциальных напряжений с образованием локальных зон концентраций, а также увеличение участков растягивающих радиальных напряжений в примыкающих к слабому слою кольцах крепи.
Для количественной оценки величины асимметрии напряжений можно использовать коэффициент kА, представляющий собой отношение σ11/σ12, где σ11 – величина максимальных напряжений в монолитной бетонной крепи в точке 1 сечения крепи; σ12 – величина максимальных напряжений в монолитной бетонной крепи в точке 2, расположенной на одинаковой с точкой 1 высотной отметке с противоположной относительно падения «слабого» слоя стороны сечения ствола.
На рис. 1 представлена зависимость параметра kА от угла падения «слабого» слоя α, при его мощности m = 1 м и m = 3 м. Графики построены по результатам расчета при глубине участка 1200 м, модуле деформации основного породного массива 15 x 10³ МПа, слабого слоя – 1 x 10³ МПа, диаметре ствола в свету – 7,0 м, толщине крепи – 300 мм.
Рисунок 1 – Зависимость коэффициента kА от угла залегания «слабого» слоя
Анализ данных показывает, что в диапазоне α = 0–25° асимметрия напряжений в сечении крепи возрастает по гиперболической зависимости, с достижением максимума при величине α = 25°–30°, с последующим выравниванием значений.
Полученные результаты свидетельствуют о необходимости опережающего упрочнения слабого слоя до его обнажения, а также контактирующих с ним участков более прочных пород и крепи ствола. Один из вариантов практической реализации таких управляющих воздействий состоит в использовании опережающей анкерной крепи, устанавливаемой из забоя ствола по его периметру под углом к вертикальной оси выработки, «сшивающей» прочные и слабый слой, с последующим усилением охранной конструкции после обнажения слабого слоя; а также повышением физико-механических свойств бетона крепи (рис. 2).
Рисунок 1 – Схема комбинированного анкерного упрочнения массива в зоне влияния слабого слоя
Необходимый размер зон упрочнения примыкающих к «слабому» слою выше и ниже лежащих прочных слоев составляет порядка h = 1,5m(1 + sinα). На данном участке ствола также необходимо применение основной бетонной крепи с повышенными физикомеханическими свойствами. Для наиболее сложных условий целесообразно применение комбинированной металлобетонной крепи с узлами податливости и поэтапным возведением.
Библиографический список
1. Левит В.В. Геомеханическое основы разработки и выбора комбинированных способов
крепления вертикальных стволов в структурно неоднородных породах: Автореф… докт. техн. наук: Днепропетровск. – 1999. – 36 с.
2. Омельянович В.М. Шахтная геология угольных месторождений. – М.: Недра, 1966. – 220 с.