книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

прочностных и деформационных свойств горных пород в условиях одноосного и сложного напряженных состояний при кратковремен­ ных, а главным образом длительных режимах испытаний (гл. II). Эти данные служат основой для установления критериев стойкости пересекаемых выработками породных слоев; выяснения деформа­ ционных характеристик горных пород для оценки возможной вели­ чины смещений породных стенок выработок на разных глубинах в течение срока их службы; выявления гидрофильное™ горных пород и их способности создавать давление на крепь при увлажне­ нии.

Упрощенные структурные модели применяются для качествен­ ного изучения принципиальной стороны отдельных процессов, на­ пример, при резко различных средах, при характерных сочетаниях слоев различной жесткости, разных формах выработки для изу­ чения работы крепи и отдельных ее узлов в различных режимах загружения. Условия выполнения эксперимента, способ задания на­ грузки, степень связи крепи с окружающими породами и т. п. долж­ ны при обработке и истолковании результатов тщательно сравни­ ваться с данными натурных исследований. Упрощенные модели имеют в целом вспомогательное значение.

Оптико-поляризационный метод исследования (см. гл. III) слу­ жит для изучения общего напряженного состояния однородной или многослойной среды, ослабленной выработками, в зависимости от показателей деформируемости различных слоев; для изучения рас­ пределения напряжений на пересечении выработок; для изучения напряжений в крепи при отклонении формы крепи от круговой или другой геометрически правильной, при различном характере рас­ пределения нагрузок на крепь; при разном характере связей ее с массивом; напряжений в многослойной крепи и т. п. Данный метод моделирования может применяться как самостоятельно, так и в со­ четании с методом эквивалентных материалов [52].

Метод моделирования эквивалентными материалами позволяет воссоздать типичные комплексы естественных условий (с ограничен­ ным числом определяющих признаков) с соблюдением геометри­ ческого и динамического подобия (подобие геометрических, проч­ ностных, деформационных, в том числе временных параметров).

Общей задачей исследования применительно к одиночным выра­ боткам является нахождение закономерностей, характеризующих механизм деформирования и силового взаимодействия с крепью вы­ работок однородных и слоистых массивов горных пород.

Методом моделирования эквивалентными материалами решают­ ся следующие задачи в рассматриваемой области:

изучение напряженного и деформированного состояния примы­ кающего к выработке массива (напряжении, смещения, деформа­ ции, разрушения) в различных комплексах условий (разные среды,

210

углы падения, глубина и т. п.) на разных участках (протяженные участки выработок, места сопряжений, устья и торцы и т. п.);

исследование взаимодействия крепи выработок при различной ее механической характеристике с разными средами (нагрузки, сме­ щения) на различной глубине при разном чередовании отличных по свойствам слоев;

изучение влияния пригрузки поверхности на напряженное и де­ формированное состояние околоствольного массива и на нагруженность крепи;

изучение напряженного и деформированного состояния массива в области влияния очистных работ, пересекаемой выработкой при различных комплексах пород кровли и почвы разрабатываемого пласта, разном характере связи между породными слоями и раз­ личной величине межслоевого трения, при различной высоте расслое­ ния кровли над очистным пространством, при различном располо­ жении очистных выработок в пласте и в свите пластов;

изучение характера и величины смещений первоначальной осе­ вой линии ствола или другой капитальной выработки: сжатия, рас­ тяжения, наклонов, искривлений на различных участках выработ­ ки в зависимости от комплекса горногеологических и производст­ венных условий;

изучение работы специальной крепи в условиях сдвижения гор­ ных пород под влиянием горных разработок и т. п.

Для решения указанных вопросов применяются объемные и плоские модели.

Наиболее полно воспроизводится напряженное состояние и де­ формации массива пород, нагрузки на крепь и работа различных видов крепи капитальных и подготовительных выработок при их проходке и эксплуатации — на объемных моделях.

Для качественного изучения принципиальной стороны отдель­ ных процессов могут применяться более простые, в частности пло­ ские модели с менее строгим соблюдением подобия и граничных условий. При этом условия выполнения эксперимента должны при отработке и истолковании результатов тщательно анализироваться.

Аналитические исследования

Основными задачами аналитических исследований применительно, к проблеме напряженно-деформированных состояний массива вбли­ зи капитальных выработок (см. гл. V) является аналитическое выражение процесса взаимодействия крепи выработок, имеющей разную механическую характеристику, с массивом горных пород для различных реальных сред, а также условий устойчивости эле­ ментов массива: кровли, подошвы, боков выработки.

Целесообразно направить аналитические исследования на реше­ ние следующих групп задач:

211

з а д а ч об у с т о й ч и в о с т и э л е м е н т о в в ы р а б о т о к :

кровли, подошвы, боков, предохранительных целиков и	т. п. для
различных горногеологических условий, разных способов	охраны
и крепления;

з а д а ч о в з а и м о д е й с т в и и к р е п и с м а с с и в о м г о р ­ ных п о р о д е простейших случаях, когда массив явлется однород­ ным или горизонтально слоистым (для протяженного участка оди­ ночной выработки);

з а д а ч о р а с ч е т е о д н о с л о й н о й и м н о г о с л о й н о й

м о н о л и т н о й	и с б о р н о й	к р е п и по заданным нагрузкам при
их различном	распределении,	с учетом связи крепи с породами,

вне зоны влияния очистных работ; задач о расчете крепи по за­ данным перемещениям массива горных пород в зоне влияния очист­ ных работ или при осадках массива.

Ближайшим мероприятием на пути к общему решению проб­ лемы взаимодействия крепи капитальных выработок с массивом горных пород является подход к решению объемных задач, в част­ ности — задач о выработках ограниченной длины.

§ 26. Методы н средства комплексного исследования проявлений горного давления в подготовительных выработках

Экспериментально-производственные исследования

Основной целью наблюдений и экспериментов в производствен­ ных условиях является изучение механизма деформирования пород, окружающих подготовительные выработки, и получение эмпириче­ ских зависимостей между напряженным состоянием пород, их свой­ ствами, характером влияния очистных работ и проявлениями гор­ ного давления, — главным образом, смещениями и деформациями пород.

Объектом исследования должны являться, как правило, не толь­ ко сами подготовительные выработки, но и прилегающие к ним части массива пород, включающие очистные выработки, а в отдель­ ных случаях — и вся толща пород, подвергающаяся влиянию под­ земных разработок.

Таким образом, исследования проявлений горного давления в подготовительных выработках близко смыкаются и имеют общие задачи с исследованиями в очистных выработках (гл. VII), в том числе, — с исследованиями динамических явлений (гл. XI) и с ис­ следованиями сдвижения породных толщ под влиянием горных ра­ бот (гл. X). К числу таких задач относятся исследования:

конфигурации и размеров зон существенного влияния очистных работ;

характера распределения напряжений в зонах опорного давления; абсолютных смещений пород под влиянием очистных работ при

подработке и надработке участков массива;

212

рациональных параметров предохранительных целиков, пород­ ных полос и др. элементов охраны.

В связи с изложенным, наибольший эффект может быть достиг­ нут при постановке разносторонних экспериментально-производст­ венных исследований совместных проявлений горного давления в подготовительных и очистных выработках и сдвижений пород и земной поверхности по согласованным методикам. В этом случае может быть достигнуто наилучшее соотношение между затрачен­ ными усилиями и полнотой полученной информации для каждого из указанных разделов горной геомеханики.

И с п о л ь з о в а н и е п р о и з в о д с т в е н н о й о т ч е т н о с т и и п р о в е д е н и е о б с л е д о в а н и й п о д г о т о в и т е л ь н ы х в ы р а ­ б о т о к в настоящее время применяется с двоякой целью: во-первых, как основа для уточнения задач и объема последующих наблюде­ ний за проявлениями горного давления, во-вторых, как самосто­ ятельные исследования трудоемкости и стоимости поддержания под­ готовительных выработок в зависимости от горно-геологических и производственных факторов.

Второе направление приобрело в настоящее время самостоятель­ ное значение [19, 41, 50]. Появление этого направления связано с недостаточной изученностью проявлений горного давления в под­ готовительных выработках и отсутствием в ряде случаев методик прогноза и анализа этих проявлений.

Применение статистических методов обработки имеющейся инфор­ мации создает иллюзию, будто можно достигнуть цели — прогнози­ рования затрат на поддержание выработок, находящихся в прямой зависимости от проявлений горного давления, без постановки весьма трудоемких исследований этих проявлений. В действительности, изза весьма сложной горногеологической обстановки, наличия много­ численных закономерно и случайно влияющих факторов, трудности соблюдения представительности и «чистоты» выборки* а также «прочих равных условий», формально-статистический подход может привести к неверным выводам, что и имеет подчас место.

Таким образом, отмечая полезность и важность статистических исследований затрат на поддержание выработок в зависимости от горногеологических факторов, следует признать за этими исследо­ ваниями вспомогательное (или временное) значение. Главная роль принадлежит исследованиям природы, механизма и закономерно­ стей проявлений горного давления.

Г л а в н ы м р е з у л ь т а т о м в и з у а л ь н ы х и п р о с т е й ­ ших и н с т р у м е н т а л ь н ы х н а б л ю д е н и й в подготовитель­ ных выработках явлется качественная картина влияния различных факторов с отдельными примерными количественными данными, предположения о классификации этих факторов и условий поддер­ жания выработок, общее представление о физической природе про­ явлений горного давления.

213

При визуальных наблюдениях фиксируется:

строение и нарушенность пород, окружающих выработку; оценка примерной прочности пород на основании экспресс-

определений пробниками, оценка фактического сохранения илишотери устойчивости обнажений;

характер деформирования пород, в том числе поднятие по­ дошвы выработок;

изменение сечения выработок, отслоения и вывалы пород; преобладающие виды повреждения крепи; изменение видимых проявлений горного давления с измене­

нием расстояния от фронта очистных работ; характер смещений и разрушений пород кровли в очистном

забое и выработанном пространстве вблизи выработки.

Выводы о роли влияющих факторов производятся в результате группирования обследованных выработок по их состоянию и ана­ лиза сравнительных характеристик этих групп.

О с н о в н ы е о б ъ е к т ы и н с т р у м е н т а л ь н ы х и с с л е д о ­ в а н и й — это смещения и деформации пород, деформации и повреж­ дения крепи в различных зонах влияния выработки и очистного за- (юя; в необходимых случаях — нагрузки на крепь.

В противоположность капитальным выработкам, в подготови­ тельных выработках нагрузка на крепь в большинстве случаев не представляет самостоятельного интереса, Так как основной режим работы крепь здесь — режим заданной деформации. Нагрузка на крепь определяется при этом главным образом механической ха­ рактеристикой крепи, а в меньшей степени — горногеологическими условиями.

Исследования нагруженности и распределения напряжений в крепи имеют значение при разработке новых конструкций крепи и методик их испытания и расчета.

Исследование смещений и деформаций пород производится с целью:

изучения закономерностей смещений породной поверхности выработки;

изучения размеров и конфигурации зоны влияния подгото­ вительной выработки и распределения смещений и деформаций в

.этой зоне; изучения размеров и распределения смещений и деформаций

в зонах влияния очистных работ.

Исследования смещений породной поверхности проводятся на специальных замерных станциях с помощью реперов, которые за­ кладываются на глубину до 0,5 м от поверхности выработки и рас­ полагаются по контуру сечения в зависимости от строения массива и задач исследований..

214

Измеряемые величины-смещения реперов относительно друг дру­ га (конвергенция). Для определения смещения каждого репера мож­ но применять несложные приемы (например, способ натянутой нити [54], способ засечек, нивелировки и др.).

Исследования смещений могут производиться посредством дли­ тельных или учащенных (кратковременных) [36] наблюдений.

При исследовании смещений контура сечения выработки целе­ сообразно использование методов фотограмметрии, широко приме­ няемых за границей (точность измерений около 10 мм). В выработ­ ке в измеряемом сечении устанавливается специальная разборная рама, которая фотографируется одновременно с изображениями то­ чек на крепи или на поверхности выработки. Интервалы фотогра­ фирования определяются интенсивностью смещений. Фотоснимки печатаются с негативов таким образом, чтобы изображения рам совпадали во всех точках. Измерение смещений производится изме­ рителем непосредственно на фотоснимке.

Изучение размеров и конфигурации зоны влияния подготови­ тельной выработки следует производить с помощью глубинных ре­ перов (а также датчиков продольных и поперечных деформаций скважин), при этом опорный репер целесообразно закладывать за пределы зоны влияния на расстояние от поверхности выработки не менее 31 (где Ь— наибольший поперечный размер выработки).

Опорные реперы в кровлю и подошву выработки, пройденной по пласту, закладываются на расстояние по нормали к напластова­ нию не менее 41— в кровлю и 31— в подошву.

Поскольку вблизи подготовительных выработок породы претер­ певают «большие» деформации (смещения пород соизмеримы с раз­ мерами сечения выработки), которые сопровождаются значитель­ ным нарушением сплошности и изменением физико-механических свойств, необходимо изучать нарушенность пород, распределение и ориентировку трещин в зоне влияния выработки.

Исследование трещинной пустотности в зоне влияния выработки может производиться способом фильтрации сжатого воздуха или жидкости через скважины [51].

Изучение зон влияния очистных работ должно производиться с помощью скважин (датчики продольной и поперечной деформа­ ции) за пределами зоны влияния подготовительной выработки. При исследовании зоны опорного давления необходимо применять изме­ рительные устройства высокой чувствительности (относительные де­ формации порядка 1 10~2 — 1 10~4), так как в краевых частях этой зоны имеют место упругие деформации пород.

Для исследования зон влияния очистных работ целесообразно развитие и применение геофизических методов.

Изучение абсолютных смещений пород производится теми же методами, которыми пользуется раздел механики горных пород,

215

занимающийся изучением сдвижения толщ пород й земной поверх­ ности (гл. X). Оно особенно необходимо при подработке подгото­ вительных выработок.

При проведении шахтных исследований обязательно соблюдение следующих условий:

а) реперы на контуре сечения выработки должны устанавливать­ ся с таким расчетом, чтобы разделить влияние на смещения пород как проходки самой выработки, так и очистных работ; в первом слу­ чае замерный пункт должен располагаться не далее 1 м от забоя выработки, во втором — заведомо до начала влияния очистных ра­ бот (для пластовых выработок — не менее чем за 3 мес. или за 150 л до подхода очистного забоя);

б) в результате шахтных исследований необходимо в каждом

случае определять	критические смещения пород для данной крепи,
а также смещения	пород, при которых производятся ремонтные ра­

боты (начиная с момента установки и до повреждения крепи); в) пробы пород следует отбирать для пластовой выработки из

основных слоев, пересекаемых выработкой, а также из основных слоев в зоне влияния выработки (на расстоянии не менее 4Ь в кровле и 31— в подошве); для случаев подработки и надработки пробы следует отбирать из всех основных слоев на протяжении высоты надработки или подработки.

При испытании свойств пород необходимо определение показа­ телей, указанных в § 25, за исключением временных характерис­ тик.

Для окончательной проверки выводов по результатам исследо­ ваний и внедрения новых рекомендаций по охране и креплению подготовительных выработок проводится специальный горный экс­ перимент, с помощью которого испытываются рекомендуемые сред­ ства охраны и крепления выработок.

При организации горного эксперимента необходимо обращать, внимание на представительность горно-геологических условий, в которых он осуществляется. Горный эксперимент должен сопровож­ даться комплексом необходимых измерений.

В процессе обработки результатов экспериментально-производст­ венных исследований устанавливаются основные количественные по­ казатели влияния на подготовительные выработки очистных работ [10, 30]. Учитывая статистический характер исследуемых величин, необходимо определять изменчивость и степень надежности получен­ ных показателей.

Для обработки и анализа следует использовать также резуль­ таты измерений, выполняемых различными службами шахт (марк­ шейдерской, нормирования и др.). К числу их относятся попикетные замеры сечений выработки, дополнительные и, контрольные ни­ велировки, попикетный учет ремонтных работ и т. п.

216

Целесообразно как указанные данные, так и измерения, выпол­ няемые на замерных станциях, оформлять в виде «карт поддержа­ ния» подготовительных выработок [31]. Дальнейший анализ таких карт поддержания позволяет получить основные количественные по­ казатели и их зависимости от различных факторов.

Лабораторные исследования

Лабораторные методы исследований как в части определения физико-механических свойств пород, так и в части моделирования имеют много общего с лабораторными методами применительно к капитальным выработкам (см. § 25). Основное отличие заклю­ чается в значительном сокращении периодов наблюдения и соответ­ ствующем уменьшении роли временных характеристик.

Методом моделирования эквивалентными материалами решают­ ся следующие основные задачи:

1. Изучение зон влияния очистных работ и напряженно-дефор­ мированного состояния пород в этих зонах в различных комплек­ сах условий (разные среды, углы падения, глубины, различное строе­ ние массивов, разные условия на контактах слоев; одиночные пласты

исвиты пластов и т. п.).

2.Изучение характера и механизма деформирования пород вбли­ зи подготовительной выработки при различных комплексах условий.

3.Изучение характера работы крепи подготовительных вырабо­ ток,'находящихся в зоне влияния очистных работ.

Влияние очистных работ на подготовительные выработки может имитироваться на моделях двояким образом: либо изменением поля напряжений в массиве с выработкой (имитация полевых подраба­ тываемых или надрабатываемых выработок), либо нарушением сплошности массива путем извлечения слоя, имитирующего пласт

угля (пластовые выработки).

Наиболее представительно решаются задачи (особенно, вторая из перечисленных выше) на объемных моделях.

Аналитические исследования

При аналитических исследованиях, связанных с поддержанием подготовительных выработок, различают:

задачи, сводящиеся к схеме одиночной выработки, находящей­ ся в переменном поле напряжений (влияние очистных работ);

задачи по определению «больших» деформаций и смещений мас­ сива в результате направленного нарушения сплошности массива вблизи выработки, вследствие очистных работ.

Решение задач первой группы имеет много общих черт с зада­ чами о проявлениях горного давления в капитальных выработках.

Что же касается задач второй группы, то сейчас^они встречают значительные затруднения принципиального характера. Для уточ­ нения постановки и облегчения решений этих задай требуется

217

экспериментальное исследование механизма деформирования пород и работы крепи подготовительной выработки, отыскание и форму­ лировка упрощающих гипотез и допущений.

В частности, целесообразно распространение на них смешанных аналихикО'ЭКспериментальных методик с использованием экспери­ ментальных Данных о смещениях пород в качестве граничных усло­ вий.

Правильность постановки аналитических задач и принимаемых расчетных схем должна проверяться в натурных условиях или на специальных моделях.

Результаты выполняемых новых аналитических исследований должны сопоставляться с результатами натурных и лабораторных исследований, подвергаться единому анализу и, на основе всех этих данных должно даваться синтеризованное заключение по исследуе­ мым вопросам.

В настоящее время имеется ряд аналитических решений задач о распределении напряжений вокруг вертикальных и горизонталь­ ных протяженных выработок, пройденных в однородной изотроп­ ной и анизотропной, упругой и неупругой средах, и о взаимодейст­ вии крепей этих выработок с окружающими породными массивами [17, 22, 23, 33, 35, 45, 57, 48 и.др.]. Результаты этих решений долж­ ны использоваться при прогнозах и расчетах проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках, в соответ­ ствии с выработанными представлениями об области их рациональ­ ного применения [31].

Дальнейшие аналитические исследования должны быть направ­ лены на определение проявлений горного давления вокруг капиталь­ ных и подготовительных выработок в неоднородных (в том числе слоистых и нарушенных) массивах как в плоских, так и в простран­ ственных вариантах постановки задач.