Міністерство освіти і науки України

Донецький національний технічний університет

КАСЬЯН Микола Миколайович

УДК 622.268:622.13

ГЕОМЕХАНІЧНІ ОСНОВИ УПРАВЛІННЯ

ЗОНОЮ ЗРУЙНОВАНИХ ПОРІД НАВКОЛО

ВИРОБОК ДЛЯ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЇХ

СТІЙКОСТІ НА ВЕЛИКИХ ГЛИБИНАХ

Спеціальність 05.15.02 – "Підземна розробка родовищ

корисних копалин"

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Донецьк – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі розробки родовищ корисних копалин

Донецького національного технічного університету

Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк)

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Зборщик Михайло Павлович,

професор кафедри гірничої геомеханіки Донецького національного

технічного університету Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Усаченко Борис Миронович,

завідувач відділом механіки гірських порід Інституту геотехнічної

механіки НАН України (м. Дніпропетровськ)

доктор технічних наук, професор

Назимко Віктор Вікторович,

завідувач лабораторії комп’ютерного та фізичного моделювання

незворотних процесів Донецького гірничого інституту

Донецького національного технічного університету Міністерства

освіти і науки України (м. Донецьк)

доктор технічних наук, професор

Кузьменко Олександр Михайлович,

професор кафедри підземної розробки родовищ

Національної гірничої академії України Міністерства освіти

і науки України (м. Дніпропетровськ)

Провідна установа: Донбаський гірничо-металургійний інститут

Міністерства освіти і науки України,

кафедра розробки пластових родовищ (м. Алчевськ)

Захист дисертації відбудеться 7 червня 2002 р. о 1200 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052. 05 при

Донецькому національному технічному університеті Міністерства

освіти і науки України

(83000, Україна, м. Донецьк, вул. Артема, 58, I навч. корп., ауд. 1.201)

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці

Донецького національного технічного університету

(83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, II навч. корп.)

Автореферат розісланий “_29_”__квітня_ 2002 р.

Учений секретар спеціалізованої

вченої ради, доктор технічних наук,

професор М. Р. Шевцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Ефективна робота вугільних шахт істотно залежить від стійкості гірничих виробок, що підтримуються. Щорічно на шахтах України проходиться 1,2-2,0 тис. км і підтримується до 16 тис. км виробок. Незважаючи на те, що біля 80% виробок закріплені металевим податливим кріпленням, щорічні обсяги перекріплення складають більше 10%. На великих (600-1000 м і більше) глибинах розробки навколо підтримуваних виробок формується зона зруйнованих порід (ЗЗП), змінюються інтенсивність і характер проявів гірничого тиску. Зростання ЗЗП пов’язано зі значними зміщеннями порід контура виробок, що часто перевищують величину технологічної податливості кріплення. Спроби покращити стан виробок за рахунок підвищення несучої спроможності кріплення і збільшення щільності його установки не дали відчутних результатів.

Наявні ефективні способи забезпечення стійкості виробок, засновані на створенні навколо них розвантаженої (зруйнованої) і зміцненої вантажонесучої оболонки, не отримали широкого розповсюдження на шахтах України. Це пов’язано з багатоопераційністю робіт і великими витратами матеріалів, що використовуються при суцільному омонолічуванні штучно зруйнованих навколишніх порід. Разом з тим напрямок забезпечення стійкості виробок за рахунок підвищення несучої спроможності навколишніх порід є вельми перспективним і вимагає свого подальшого розвитку.

Фронт руйнування порід, що посувається від контура в глибину масиву і кріплення виробки взаємодіють через вже наявну зруйновану область порід. Закономірності і особливості такої взаємодії до нинішнього часу вивчені недостатньо. Дослідження цього механізму є науковою основою пошуку маловитратних шляхів розробки способів і засобів активного управління зруйнованими породами з метою істотного підвищення стійкості виробок.

Зв'язок теми дисертації з планом основних робіт університету. Протягом майже чотирьох останніх десятиріч одним з головних наукових напрямків Донецького національного технічного університету (ДонНТУ) залишається пошук нових і вдосконалення існуючих способів, технологій і засобів охорони і підтримання гірничих виробок глибоких шахт. Дисертація є складником цих досліджень (номера держреєстрації тем: 01870067248; 01890001372; 0195U006594; 0196U013105), в яких автор приймав участь як виконавець, відповідальний виконавець, науковий керівник.

Мета роботи. Створення геомеханічних основ управління зоною зруйнованих порід навколо підтримуваних виробок для забезпечення їх стійкості на великих глибинах.

Об’єктом досліджень є геомеханічні процеси в порідному масиві, що вміщує гірничі виробки.

Предметом досліджень є способи управління станом зруйнованих порід навколо гірничих виробок на великих глибинах.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої мети в роботі використані такі методи: аналіз і узагальнення даних літературних джерел по дослідженням проявів гірничого тиску у виробках на глибоких горизонтах; шахтні інструментальні спостереження за процесом деформування і зрушення гірничих порід за допомогою контурних і глибинних реперів; лабораторні дослідження на структурних моделях механізму передачі навантаження на кріплення зоною зруйнованих порід при просуванні фронту руйнування в глиб масиву; аналітико-експериментальний метод прогнозу розмірів ЗЗП, що базується на положеннях механіки крихкого руйнування; промислові іспити розроблених способів охорони виробок.

Ідея роботи полягає у використанні особливостей і закономірностей поведінки порід в процесі їх руйнування і формування навантаження на кріплення для обґрунтування способів і засобів забезпечення стійкості виробок.

Основні наукові положення, що виносяться на захист і їх новизна

1.

2.

3.

4.

5.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій доведені: коректним використанням основних положень гірничої геомеханіки; достатнім обсягом натурних спостережень з використанням глибинних реперів за деформаційними процесами в породному масиві навколо виробок, що проводяться в різноманітних гірничогеологічних і гірничотехнічних умовах; лабораторними дослідженнями ефекту передачі навколишніми породами навантаження на кріплення виробок більш ніж на ста структурних моделях; збіжністю результатів розрахунків з данними лабораторних і шахтних досліджень; позитивними результатами шахтних іспитів, способів, технологій і технічних засобів підвищення стійкості виробок, що підтримуються.

Наукове значення роботи полягає в розкритті особливостей деформаційних процесів в зоні зруйнованих порід при її формуванні навколо виробок і розвитку концепції підвищення вантажонесучої спроможності зруйнованих порід для забезпечення стійкості виробок.

Практичне значення роботи полягає в тому, що на базі встановлених геомеханічних основ управління ЗЗП навколо виробок розроблені нові ефективні способи їх охорони і підтримання в складних умовах глибоких шахт, а саме: спосіб забезпечення стійкості виробок шляхом створення підвищеного опору на їхньому контурі і забезпечення погодженої роботи системи кріплення–навколишні породи (поєднання арочного і податливого анкерного кріплень); спосіб локального укріплення порід в зруйнованій зоні, що передбачає поділення її на секторні дільниці за допомогою анкерного кріплення або ін’єкційного нагнітання скріплюючих розчинів, в яких забезпечується самозаклинювання зруйнованих порід. Обґрунтована ефективність процесу вакуумування для створення спрямованого фільтраційного потоку в зміцнюючому масиві і визначені раціональні параметри нового способу нагнітання скріплюючих матеріалів в зруйнований масив.

Запропонована методика обробки і подання результатів натурних спостережень зрушення порід по глибинних вимірних станціях, що дозволяє виявити динаміку формування ЗЗП навколо виробок.

Розроблений аналітико-експериментальний метод прогнозу розмірів ЗЗП в часі, що дозволяє на стадії проектування або поточного планування гірничих робіт приймати більш ефективні рішення по забезпеченню стійкості виробок, що підтримуються.

Новизна способів охорони виробок захищена 10 авторськими свідоцтвами і патентами на винаходи.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Розроблені автором нові способи і засоби охорони виробок пройшли промислові іспити на шахтах: “Шахтарська-Глибока” ДХК “Шахтарськвугілля”, ім. газети “Соціалістичний Донбас” в/о “Донецьквугілля”, STARIC 2 (Чехія).

В умовах шахти “Шахтарська-Глибока” впроваджено метод підвищення опору на контурі виробки з використанням податливого анкерного кріплення. Зміщення порід покрівлі на експериментальній дільниці зменшилося на 40-45%. Економічний ефект при цьому склав 114,6 крб./м (в цінах 1988 р.).

Спосіб локального зміцнення порід навколо підтримуваної гірничої виробки, випробуваний і впроваджений на шахті STARIC2 (Чехія). Він забезпечує зниження швидкості зміщень порід контура виробки з 2-5 мм/добу до 0-0,1мм/добу при зменшенні видатку зміцнюючого складу, в 3-4 рази у порівнянні з традиційною технологією ін’єкційного укріплення породного масиву.

Промислові іспити способу ін’єкційного укріплення порід з використанням процесу вакуумування проведені на шахті ім. газети “Соціалістичний Донбас”. Застосування процесу вакуумування забезпечує направленість фільтраційного потоку укріплюючого розчину і збільшує коефіцієнт проникності зміцнюємого масиву порід. Встановлено, що розмір зони проникнення скріплюючого розчину зростає з 0,75 до 1,5 м, а об’єм заповнення порожнини зруйнованого породного масиву розчином збільшується в 1,9 рази.

Апробація роботи. Основні положення роботи в цілому і окремі її етапи обговорювалися і отримали схвалення на Всесоюзній науково-технічній конференції (Москва, 1989), Всесоюзній науково-технічній нараді "Шляхи поліпшення стану гірничих виробок" (Донецьк, 1989), а також на Міжнародних конференціях: 2, 3, 4, 5-й школах геомеханіки (Глівіце-Устронь, Польща, 1995, 1997, 1999, 2001); "Геотехніка 96; 97; 98" (Острава, Чехія, 1996, 1997, 1998); "Охорона праці в підземних і відкритих шахтах і рудниках" (Варна, Болгарія, 1998); "Перспективи розвитку гірничих технологій на початку третього тисячоліття” (Алчевськ, Україна, 1999).

Публікації. Основні наукові і практичні результати опубліковані в 40 наукових роботах, в тому числі 10 авторських свідоцтвах і патентах на винаходи.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків, містить 80 рисунків, 18 таблиць, списку літератури з 146 найменувань і 6 додатків. Вона викладена на 247 сторінках машинописного тексту.

Автор висловлює глибоку подяку і вдячність доктору технічних наук, професору М.П. Зборщику за науково-консультативну допомогу в процесі виконання роботи, доктору технічних наук, професору І.Л. Черняку за надані матеріали вимірів зрушення порід в навколишньому масиві з банку даних МДГА, всім співробітникам ДонНТУ і інженерно-технічним робітникам об'єднань і шахт за допомогу при виконанні інструментальних спостережень і впроваджень результатів досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Питання забезпечення стійкості гірничих виробок при розробці пологих вугільних пластів постійно знаходяться в центрі уваги вітчизняної і зарубіжної гірничої науки і практики. Досягнуті успіхи у вирішенні цієї актуальної проблеми багато в чому визначені основоположними дослідженнями К.А. Ардашева, Б.З.Амусіна, В.І. Барановського, В.І. Борисова, Н.С. Буличьова, М.І. Вескова, Ю.А. Векслера, В.В. Виноградова, В.Т. Глушко, Є.Б. Дружко, В.П. Друцко, Ю.З. Заславського, А.Н. Зоріна, М.П. Зборщика, Б.А. Картозія, К.В. Кошелева, О.М. Кузьменко, О.В. Колоколова, С.М. Липковича, Г.Г. Литвинського, Ю.М. Лібермана, О.Ф. Морозова, В.В. Назимко, Б.М. Усаченко, Л.Я. Парчевського, К.В. Руппенейта, А.Л. Селезня, В.Ф. Трумбачева, І.Л. Черняка, Е.І. Шемякина та ін. Результати виконаних досліджень поширили коло уявлень про механізм проявів гірничого тиску навколо виробок і стали фундаментальною основою при розробці способів і засобів забезпечення їхньої стійкості.

Зміна характеру і інтенсивності деформаційних процесів в оточуючих виробки породах на великих глибинах стала причиною того, що багато які відомі способи, технологічні і технічні рішення вичерпали свої можливості в частині забезпечення стійкості виробок. Разом з тим перехід вугільної промисловості на ринкові відношення диктує необхідність пошуку і розробки нових маловитратних способів і засобів забезпечення стійкості виробок. Тому рішення даної проблеми вимагає подальшого вивчення особливостей і закономірностей протікання геомеханічних процесів в масиві навколо виробок з метою обґрунтування нових напрямків при розробці ефективних способів і технологій їхньої охорони.

Перший розділ роботи присвячений аналізу раніше виконаних досліджень з проблеми забезпечення стійкості виробок. Різноманітність умов експлуатації виробок, а також механізму взаємодії порід і кріплення зумовило появу ряду механічних моделей стану масиву порід навколо гірничих виробок. Автори цих моделей єдині в тому, що проведення виробки змінює стан навколишнього масиву (порушує його рівновагу). Високі напруження поблизу контура виробки перевищують межу міцності порід, внаслідок чого навколо виробки утворюється зона не пружних деформацій. Структура такої зони і характер деформування порід в ній залежать від глибини розташування виробки, типу порід і їх механічних властивостей, розміру виробки, типу і характеристики кріплення. В глибоких шахтах згідно натурним спостереженням проф. І.Л. Черняка, проф. Ю.З. Заславського та ін. біля 70-80% зміщень порід контура в порожнину виробки відбувається в результаті їхнього руйнування та розущільнення. Зона зруйнованих порід досягає 3-8 м.

Більшість дослідників поділяють думку, що зруйновані породи спільно з кріпленням сприяють збільшенню опору на кордоні з непорушеним масивом. Однак досвід шахт показує, що часто навіть при наявності значної ЗЗП не спостерігається зменшення інтенсивності зміщень порід контура виробок. При перекріпленні виробок або зміні умов їхнього підтримання (вплив очисного вибою, надробка або підробка) такі зміщення зростають ще в більшій мірі.

Фронт руйнування порід рухається від контура виробки в глибину масиву. На кордоні цього фронту породи руйнуються і збільшуються в об’ємі. Вони створюють навантаження (тиск) на раніше зруйновані породи зони непружних деформацій. При цьому взаємодія фронту руйнування порід, що рухається, з кріпленням виробки відбувається через область вже зруйнованих порід. Закономірності і особливості такої взаємодії вивчені доки ще недостатньо.

У зв'язку з тим, що дослідження закономірностей формування зон не пружних деформацій навколо виробок глибоких шахт є однією з основних задач геомеханіки, до нинішнього часу розроблений цілий ряд аналітичних методів прогнозу параметрів такої зони.

Незважаючи на складний математичний апарат, що використовується при рішенні задачі, і детальне врахування безлічі чинників, в більшості випадків результати розрахунків мають значні розбіжності з даними шахтних натурних спостережень. Проф. Г.Г. Литвинський вважає, що причиною такої невідповідності є використання в аналітичних розрахунках так званого "залпового" рішення, коли в задачі одноразово задаються граничні умови. Крім того, не враховується кінетика процесу руйнування гірничих порід навколо виробок.

В аналітичних розрахунках реальний механізм формування зони зруйнованих порід можна відобразити шляхом застосування способу покрокового рішення задачі, коли кожний попередній крок рішення служить основою завдання граничних умов для наступного кроку. Такі розрахунки будуть давати більш близькі до дійсності параметри ЗЗП і дозволять виділити найбільш істотні гірничотехнічні чинники, управління якими забезпечить підвищення стійкості гірничих виробок.

Вітчизняними і зарубіжними вченими і науковими колективами розроблено багато способів охорони виробок, заснованих на зменшенні напруженого стану навколишніх порід або на збільшенні їхньої міцності. За масштабами управляючого впливу ці способи діляться на регіональні і локальні. Регіональні базуються на створенні і збереженні великих зон розвантаження (попередня або наступна надробка або підробка порідної товщі, розташування виробок в обвалених і ущільнених породах покрівлі пласта та ін.). Вони достатньо ефективні, але їхня реалізація пов'язана з певним порядком ведення очисних і підготовчих робіт (планування їх на стадії проектування).

Локальне розвантаження порід навколо виробок здійснюється за допомогою свердловин або шляхом створення спеціальних щілин вибуховим способом. При таких способах механізм формування ЗЗП і період дії розвантаження залишаються доки мало вивченими.

Одним з перспективних напрямків забезпечення стійкості виробок глибоких шахт є створення навколо них породних і армопородних вантажонесучих конструкцій з укріплюючих розчинів і анкерного кріплення. В ДонВУГІ розроблений і впроваджений на шахтах спосіб створення навколо виробки вантажонесучої породної оболонки за рахунок нагнітання в зруйновані породи зв’язуючих розчинів. Ін’єкцію зв’язуючих розчинів звичайно проводять через місяць і більше після проведення виробки, тобто коли в зоні непружних деформацій утворяться тріщини зі ступенем розкриття, достатнім для проникнення розчину.

Проф. Г.Г. Литвинським розроблений спосіб охорони виробок ("Моноліт"), заснований на активному розвантаженні навколишніх порід і наступному їх зміцнюванні. Технологічні роботи при цьому виконуються в період проведення виробки в два етапи. Спочатку бурять шпури по периметру виробки і зривають камуфлетні заряди ВР (створюють зону інтенсивної тріщинуватості порід навколо виробки). Після цього бурять тампонажні свердловини і скрізь ін’єктори нагнітають скріплюючий розчин в навколишні породи. Витрата розчину складає 3-4 м3 на 1 м виробки. Шахтні випробуванняити цього способу показали, що на експериментальних дільницях були відсутні зміщення порід контура виробок. Широке застосування способу обмежується багатоопераційністю робіт, які виконуються і великими витратами скріплюючого розчину. Разом з тим ідея використання навколишніх порід як будівельного матеріалу для зведення вантажонесучої конструкції, здатній протистояти проявам гірничого тиску представляється надто перспективною. Отже, в цьому напрямку доцільно удосконалювати вже відомі і створювати нові способи охорони гірничих виробок. На наш погляд, треба іти шляхом розробки маловитратних технологій і способів управління навколишньою ЗЗП, враховуючи при цьому більшою мірою особливості і закономірності геомеханічних процесів, що відбуваються в даній зоні .

Виходячи з викладеного вище, сформульована мета роботи та визначені такі задачі досліджень:

–

–

–

–

–

–

В другому розділі викладений аналіз результатів шахтних інструментальних спостережень зміщення глибинних реперів на 14 замірних станціях. Дані за 3 замірними станціями – це результати власних спостережень, а матеріали по 11 станціях отримані здобувачем від проф.І. Л. Черняка з банку спостережень Московської державної гірничої академії.

При обробці результатів натурних спостережень по традиційній методиці одержують величини зміщення порід навколо виробки. Про якісну картину деформаційних процесів судять по характеру зміни швидкості зміщення порід. При її плавній зміні протікають пластичні і в’язкопластичні деформації, при пікоподібному – іде процес руйнування порід. Характеристикою деформаційних процесів є коефіцієнт розширення порід , що визначає величину відносних деформацій між двома реперами за період спостережень. Можна також визначити розмір ЗЗП. Отримати більшу інформацію не можливо при використанні відомої методики. Причина, на наш погляд, полягає в суті прийнятого методичного підходу, а саме: зміщення глибинних реперів показують у вигляді безперервних плавних ліній. Це означає, що свідомо вважають процес зміщення порід безперервним, хоча реально заміри переміщень реперів проводять епізодично.

В цій роботі оцінку стану вже зруйнованого навколишнього породного масиву, і масиву, що руйнується, проводили по зміні між сусідніми (суміжними) реперами (по всьому ланцюгу їхньої установки) за період часу від попереднього до наступного заміру. Величину визначали за формулою

(1)

де – коефіцієнт розширення порід на час заміру N (між розглянутою парою суміжних реперів, що мають номери (n-1) и n); – абсолютні зміщення розглядуваних реперів на час поточного заміру N; – абсолютні зміщення розглядуваних реперів на час попереднього заміру; – базова відстань між реперами.

Такий підхід дозволяє простежити динаміку деформаційних процесів, що протікають в ЗЗП під дією фронту руйнування, що переміщується. Встановлено, що при переміщенні фронту руйнування порід від контура виробки в глибину масиву у вже зруйнованих породах утворюються зони їхнього стиснення і розширення, що в чергуючому порядку переміщаються в бік контура виробки. На рис. 1, як приклад, показана динаміка деформаційних процесів в масиві порід навколо східного вентиляційного штрека пласта l4 шахти ім. Челюскінців. Він пройдений комбайном на глибині 720 м, перетин його в світлі 7 м2, міцність порід на одноосне стиснення 46 МПа. Замірна станція була обладнана в породах покрівлі пласта в привибійному просторі штрека. У вертикальній свердловині було встановлено 8 реперів з інтервалом в 1 м. Періодичні заміри зміщення глибинних реперів вели до відходу вибою штрека від свердловини на 300 м. За період спостережень зміщення порід покрівлі контура штрека становили 388 мм. При цьому сумарний коефіцієнт розширення порід зменшився з 0,076 до 0,012. При відходах вибою штрека від свердловини на 10; 30 і 70 м розміри ЗЗП становили відповідно 1-2; 3-4 і 4- м. Переміщення фронту руйнування на дільниці від 1-2 до 3-4 м супроводжувалося стисненням зруйнованих порід, починаючи від контура виробки і до репера №3. Коли він рухався далі в глибину масиву до 4- м, відбувалося стиснення зруйнованих порід на дільниці між реперами №3 і №4, а на дільниці від контура виробки до репера №3 відбувалося їхнє розширення. Подальше зростання ЗЗП припинилося. Однак в ній продовжували протікати деформаційні процеси (спостерігалися зміщення глибинних реперів). Причина цих процесів, очевидно, в тому, що на ЗЗП виявляє вплив навколишній породний масив, крім того, система кріплення–навколишні зруйновані породи не є статичною системою.

Така динаміка деформаційних процесів в межах ЗЗП спостерігалася як в окремих виробках, так і у виробках, що зазнають вплив очисних робіт. Вплив останніх виявився у зростанні розмірів ЗЗП і сумарного коефіцієнта розширення порід. Аналіз натурних спостережень за всіма вимірними станціями показав, що ЗЗП є динамічною системою. Всередині ЗЗП в процесі її формування відбуваються складні геомеханічні процеси, що в багато чому визначають стан підтримуваних виробок.

В третьому розділі наведені результати лабораторних досліджень механізму взаємодії фронту руйнування порід і кріплення виробок. Серія структурних моделей відпрацьована на плоскому стенді розмірами 0,600,70,06 м. Бокові сторони моделей закривали металевими листами. Як кріплення використали відрізок металевої труби діаметром 0,1 м. Сприйняті жорстким кріпленням навантаження вимірювали датчиками тертя, розташованими по периметру виробки. Дію фронту руйнування імітували шляхом навантаження пневмокамерою зовнішнього кордону модельованої ЗЗП. При іспиті моделей дотримувалися критеріїв геометричної і динамічної подібності, а також рівність кутів внутрішнього тертя матеріалу моделі і зруйнованих порід. Відношення радіусу модельованої ЗЗП до радіусу виробки () змінювали від 2 до 4; розміри фракцій зруйнованих порід відносно радіусу виробки () – від 0,07 до 0,8; величину зовнішнього навантаження – від 10 до 80 кПа.

На рис. 2 показана зміна коефіцієнта передачі навантаження (де q і p – відповідно тиск на кріплення і тиск на зовнішній кордон ЗЗП) від розмірів ЗЗП при різній величині зовнішнього навантаження (цифри 1-5 – це ступені навантаження, що дорівнюють відповідно 10; 20; 40; 60; 80 кПа). Найбільший коефіцієнт передачі навантаження 2,5 маємо при відношенні =2 і зовнішньому навантаженні 10 кПа. По мірі зростання цього відношення (величин ЗЗП) коефіцієнт передачі навантаження зменшується від 2,5 до 1,1. Зміна зовнішнього навантаження від 10 до 80 кПа також призводить до зменшення коефіцієнта передачі з 2,5-1,1 до 1,3-0,6. Така особливість роботи системи кріплення-зруйновані породи, очевидно, зумовлена тим, що з підвищенням ступеня стиснення зруйновані породи за рахунок збільшення поверхні контактів і сил тертя набувають властивостей суцільного середовища. Проте, при певних параметрах ЗЗП в процесі передачі зовнішнього навантаження спостерігається значне його збільшення, що дозволяє по-новому інтерпретувати її роль в процесі формування навантаження на кріплення.

На рис. 3 показана зміна коефіцієнта передачі навантаження в залежності від розмірів породних фрагментів в зруйнованій зоні. При наявності дрібних породних фрагментів значення коефіцієнта наближаються до одиниці (це достатньо близько до розподілу тиску в рідині). Якщо в ЗЗП величина фрагментів більша (=0,5 і більше) спостерігається різке зменшення коефіцієнта передачі навантаження (в межі він прямує до нуля). В діапазоні=0,2-0,4 маємо самі високі його значення. Слід вважати, що це пов'язано зі специфічними особливостями поведінки дискретного матеріалу під навантаженням, які на сьогоднішній день мало вивчені.

Результати лабораторних досліджень добре узгоджуються з даними натурних спостережень в частині спроможності ЗЗП передавати навантаження від зовнішнього її кордону (фронту руйнування порід) до контура виробки.

Параметри зони і розміри фрагментів зруйнованих порід можна змінювати шляхом використання природних умов, технологічних і технічних рішень при проведенні і підтримці виробок.

Четвертий розділ присвячений розробці аналітико-експериментального способу прогнозу розмірів ЗЗП за часом і оцінці впливу на неї різноманітних чинників. У відомих підходах для вирішення такої задачі не враховується рух в глибину масиву фронту руйнування порід навколо виробок, граничні умови задаються одноразово, відсутнє врахування кінетики процесів, що відбуваються в породному масиві. Для усунення цих недоліків у роботі використане покрокове рішення задачі. Це означає, що результати рішення попереднього кроку використовуються для завдання граничних умов наступному кроку. Розрахунок виконаний для протяжної закріпленої круглої виробки, розташованої в однорідному масиві, в якому діє гідростатичне поле напружень. Розподіл напружень навколо виробки для розглянутих умов визначається за відомою формулою

(2)

де – питома вага порід, МН/м3; Н – глибина розташування виробки, м; – відповідно початковий і поточний радіус виробки, м.

Ступінь порушення масиву оцінювали за функцією суцільності проф. Л.М. Качанова, з урахуванням порогового значення напруження згідно методиці Г. Г. Литвинського:

(3)

де – суцільність гірничої породи, що характеризує ступінь розвитку тріщин за певний інтервал часу; А – реологічний параметр, що характеризує порідний масив, 1/добу(МПа)n; – діюче напруження, МПа; В – порогове значення напруження, відповідне величині тривалої міцності породи, МПа; n – показник утворення тріщин.

Модель крихкого руйнування порід (3) припускає двостадійність процесу руйнування. На першій його стадії іде накопичування ушкодження протягом певного періоду часу (в залежності від величини діючих напружень). Друга стадія процесу – це власне миттєве руйнування породи. Виходячи з відомих досліджень утворення тріщин і руйнувань матеріалу в умовах стиснення, зміну суцільності порід розглядали під дією дотичних напружень за теорією міцності Мора. Величину ефективного дотичного напруження визначали як різницю між діючими і допустимими дотичними напруженнями за діаграмою Мора при умові, що під обгинаючою кругів підрозумівається крива, що характеризує залежність тривалої міцності гірничих пород від рівня їхнього напруженого стану. Поділяючи перемінні і інтегруючі вираження (3) з урахуванням (2) при дотриманні умови, що в момент, одержуємо залежність між розміром зони зруйнованих порід () і часом (), необхідним для утворення цієї зони. Такий підхід є традиційним, і при цьому не враховується зміна напруженого стану масиву порід, що руйнується при переміщенні фронту руйнування.

В покроковому рішенні задачі оточуючий виробку масив умовно поділяли на концентричні зони з кроком 0,1 м. Послідовно визначали не лише час руйнування порід, наприклад, зони К-1, але і величину втрати суцільності в зонах, розташованих попереду фронту руйнування, що переміщується. Час руйнування порід в усіх зонах, окрім першої, визначали з урахуванням втрати суцільності порід при перерозподілі діючого ефективного напруження, пов'язаного з імітацією руху фронту руйнування порід. На кожному наступному кроці рішення задачі задавали граничні умови, що відображують зміну радіусу виробки, розмір вже зруйнованої зони і її опір.

Втрату суцільності порід до підходу фронту руйнування враховували з використанням принципу лінійного накопичування пошкодженності. Суттєвість його полягає в тому, що елемент масиву, який зазнав дії ефективного напруження тривалістю , втрачає суцільність на величину , де – необхідний час для руйнування масиву при постійній дії ефективного напруження . Для визначення часу руйнування порід в масиві, що оточує виробку, необхідно визначити значення параметрів функції суцільності А и n, що входять в залежність 3. Зміну міцностів порід в масиві у порівнянні з даними, отриманими при випробуванні зразків звичайно враховують через коефіцієнт структурного послаблення. Однак це дозволяє врахувати лише чисто механічну зміну міцності порід у зразку. Виконаний аналіз наявних даних випробувань порід у зразку на тривалу міцність показує, що зі зменшенням умовно-миттєвої міцності порід у зразку однозначно змінюється час до руйнування зразка при однаковому рівні його навантаження (мається на увазі відношення величин діючих напружень до допустимих, виходячи з величини тривалої міцності). В роботі запропонована методика врахування зміни часу руйнування порід в залежності від величини коефіцієнта структурного послаблення міцності порід в масиві у порівнянні з міцністю порід у зразку.

Рішення задачі виконувалося за допомогою програми “Зона” на ПЕОМ. Як приклад на рис. 4 наведені результати розрахунків ЗЗП навколо виробок, розташованих в масиві, поданих породами глинястого (1) і піщаного (2) сланцю при глибині розробки 1000 м. Аналіз графіків показує, що в заданих умовах до 90% величини ЗЗП формується протягом 30-40 діб.

Зіставлення фактичних і розрахункових даних, отриманих для різних умов показує, що розбіжності не перевищують 24%, Слід відзначити, що точність і вірогідність визначення фактичного значення розміру ЗЗП навколо виробок визначається величиною кроку установки глибинних реперів, а точність її визначення на поточний момент часу – від інтервалу часу між здійснюваними замірами.

Практичний інтерес представляє прогноз величин ЗЗП за часом в процесі її формування, що дозволить планувати оперативний вплив на природний хід геомеханічних процесів за допомогою технічних і технологічних способів. В результаті обробки результатів розрахунків отримана залежність, яка дозволить прогнозувати величину ЗЗП на будь-який поточний момент:

(4)

де – відносна величина ЗЗП на момент часу t; – максимальна відносна величина ЗЗП на момент часу, що дорівнює тривалості її формування Т; – коефіцієнт, що характеризує швидкість зростання ЗЗП , 1/доб; Кн – коефіцієнт, що враховує збільшення швидкості зростання ЗЗП відносно її середньої величини.

Для обґрунтування способів ефективного управління станом породного масиву навколо гірничих виробок була зроблена оцінка ступеня впливу основних чинників (Н, R, R0, p,) на величину ЗЗП. Кількісна оцінка ступеня впливу кожного чинника визначалась через показник Кr:

(5)

де и – відповідно радіус ЗЗП при поточному (змінному) і середньому значеннях параметра, що викликає інтерес, м.

На рис. 5 наведені графіки, що характеризують ступінь впливу змін значень основних параметрів на величину ЗЗП.

Аналіз графіків показує, що по ступеню впливу на величину ЗЗП чинники розташовуються у такій послідовності:, Н, R, R0, p.

Найбільший вплив на величину ЗЗП, що формується має кут внутрішнього тертя порід (). Так збільшення з 30 до 45 призводить до зменшення ЗЗП на 72%. Слід відзначити, що параметр не є постійною характеристикою зруйнованих порід, а є показником, який характеризує стан зруйнованого породного масиву і залежить від типу порід, розміру і форми породних фрагментів ЗЗП, виду і міри напруженого стану зруйнованого масиву. На сьогодняшній день питання про залежність кута внутрішнього тертя зруйнованих порід від перерахованих чинників не є повністю вивченим.

Збільшення міцності порід, що вміщують виробку (R) з 50 до 114 МПа призводить до зменшення ЗЗП на 64%. Практична реалізація даної залежності пов'язана з вибором місця розташування виробки (розміщення виробки в більш тривких породах).

Збільшення залишкової міцності зруйнованого породного масиву навколо виробки (R0) з 5 до 20 МПа призводить до зменшення ЗЗП на 80%. Підвищення залишкової міцності (вантажонесучої спроможності) зруйнованих порід пов'язане з використанням анкерного кріплення, ін’єкційного зміцнення зруйнованих порід поєднуючими матеріалами, зміною виду напруженого стану зруйнованого породного масиву навколо виробки. Цей напрямок підвищення стійкості виробок є надто перспективним.

Збільшення опору кріплення до 0,1 МПа викликає зменшення ЗЗП на 30%. Ця обставина говорить про те, що лише за рахунок вступу кріплення в роботу величина ЗЗП зменшується на 30%. Ефективність впливу подальшого збільшення опору кріплення на величину ЗЗП, що формується, знижується. Так при збільшенні опору кріплення з 0,1 до 1,0 МПа величина ЗЗП зменшується на 33%. Результати аналітичних розрахунків показують, що зі зростанням ЗЗП вплив величини опору кріплення збільшується. Зміна відносного радіусу ЗЗП з 1,5 до 2,5 призводить до зменшення швидкості її зростання з 60 до 20 мм/добу при величині опору кріплення, що дорівнює 0,1 МПа.

Проведений аналіз ступеня впливу різноманітних чинників на величину зростання ЗЗП показав, що ефективний вплив на цей процес можливо тільки за рахунок зміни значень чинників, що піддаються управлінню –, R0 і р.

У п'ятому розділі на базі виконаних досліджень сформульовані основні положення модернізованої концепції управління станом масиву гірничих порід поблизу виробок і викладена суттєвість розроблених автором способів підвищення їхньої стійкості. Головний напрямок – це підвищення вантажонесучої спроможності зруйнованих порід. Управління геомеханічними процесами в навколишньому масиві можна вести активними і пасивними методами. Активний метод заснований на прямому втручанні в геомеханічні процеси, що мають місце всередині ЗЗП з метою протидії переміщенню зруйнованих порід в порожнину виробки. Пасивний метод заснований на протидії переміщенню зруйнованих порід за рахунок підвищення опору на контури виробки. Незважаючи на різноманітний характер впливу на зруйнований масив, загальним є його результат – зміна стану зруйнованих порід (ущільнення, зміна величини породних фрагментів, підвищення залишкової міцності зруйнованих порід та ін.).

Основна суть розробленої концепції підвищення стійкості виробок полягає в наступному:

1.

2.

3.

4.

Виходячи з положень концепції, розроблені нові засоби охорони виробок, що за характером впливу на процеси руйнування і зміщення порід і за технологічним параметрам умовно можна поділити на три групи.

Перша включає способи, засновані на підвищенні опору зруйнованим породам, що зміщуються в порожнину виробки. В них як силові елементи використовується податливе анкерне кріплення, яке спільно з арочним кріпленням збільшує в 4-6 раз опір навколишнім породам. Анкери встановлюються в напрямку максимальних зміщень порід. Спосіб реалізується в процесі проведення виробки, область його використання обмежується умовами, в яких зміщення порід контура не перевищують величину технологічної податливості кріплення.

Якщо основна частина зміщень порід контура приходиться на дільниці впливу очисних робіт, доцільно використати інший спосіб створення підвищеного опору. Суттєвість його полягає в тому, що поза зоною впливу очисних робіт в міжрамному просторі покрівлі виробки бурять 2-4 свердловини в радіальному напрямку на глибину 0,5-1,5 м і встановлюють закріпні стояки. Під них підводять арочний сегмент, через який здійснюють навантаження закріпних стояків гідродомкратами, встановлюваними в боках виробки. Цей спосіб створює опір масиву, що зміщується в потрібному напрямку без загороджування робочого простору виробки.

Друга група способів заснована на формуванні вантажонесучої конструкції із зруйнованих порід, армованих анкерами. Новим в технологічному плані є напрямок установки анкерів, що забезпечує зв'язок між фрагментами зруйнованих порід і створює максимальні перешкоди переміщенню їх в порожнину виробки.

В третю групу об'єднані два способи, що засновані на зміні навколо виробок виду напруженого стану зруйнованих порід і створенні умов для їх самозаклинювання в процесі переміщення. За допомогою першого способу напружений стан порід змінюють шляхом проведення в радіальному напрямку суцільних щілин або свердловин, в яких встановлюють розпірні елементи. Знаходячись під внутрішнім тиском ці елементи навантажують секторну дільницю ЗЗП. При цьому рівнодіюча сила (від кордонів секторних дільниць, що навантажуються) направлена від виробки