книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений
..pdfУплотнение пород взрывом - способ упрочнения водона сыщенных глинистых пород за счет их уплотнения камуфлетным взрывом и снижения фильтрационной способности.
Упрочняющий тампонаж - способ воздействия на массив горных пород с целью создания в нем инъектированной уп рочненной зоны, способной противостоять внешнему дав лению пород.
Анкерование почвы - способ механического упрочнения пучащих пород почвы путем установки анкеров.
Проходка широким забоем - способ снижения напряжен но-деформированного состояния массива, прилегающего к выработке и создание условий, благоприятствующих умень шению интенсивности и равномерности смещения пород.
В соответствии с классификацией, приведенной в СНиП Н-94-80, сложные геомеханические условия реализуются в породах III и IV категориях устойчивости.
Основными механическими процессами, формирующими сложную геомеханическую ситуацию, являются:
пластическое деформирование пород, вызывающее значительные смещения пород кровли и, особенно, почвы (пучение); образование вокруг подземного сооружения областей
запредельного состояния и, особенно, руинного (пол ного) разрушения пород, реализуемого в виде сплош ного сводообразования с отделением значительных объемов пород от массива или их деформирования без разрывов сплошности массива.
Качественная й количественная характеристика реализа ции механических процессов в породном массиве вокруг подземных сооружений определяются следующими факто рами:
физико-механические свойства горных пород и струк- турно-мехаИические особенности породного массива (прочность, деформируемость, пористость, трещинова тость, фильтрация, влагоемкость, температура пород, газоносность массивов, начальное напряженно-дефор мированное состояние пород и др.);
закономерности поведения пород под нагрузкой (не линейность деформирования, проявление реологиче ских процессов, особенности деформирования за пре делом прочности, время действия нагрузки);
способ проходки и организационно-технические ре шения при строительстве подземных сооружений (форма и размеры поперечного сечения, буровзрыв ные работы, отставание постоянной крепи от забоя, уступный забой и др.); взаимосвязь технологических, гидрогеологических,
геомеханических и газодинамических процессов при строительстве подземных сооружений.
Естественно, наилучшим критерием отнесения выработки к тому или иному классу условий будет критерий, макси мально учитывающий все эти факторы. Кроме того, важным требованием к критерию устойчивости горных выработок является его доступное определение в реальных (натурных) условиях их проведения, что позволит контролировать геомеханическую ситуацию и оперативно реагировать на ее изменение.
В связи с этим необходимо проанализировать сущест вующие классификации породных массивов по их устойчи вости, используемые в отечественной и зарубежной практи ке шахтного и подземного строительства.
Известны три основных подхода к решению задачи по оценке устойчивости незакрепленных выработок. Первый подход основан на прочностных и деформационных крите риях, позволяющих качественно и количественно оценить уровень развития деформационных процессов. Второй под ход основан на некоторых абстрактных численных показа телях (например, баллах) совокупно учитывающих различ ные горно-геологические, горнотехнические и Технологиче ские факторы. И, наконец, третий подход является вероят ностно-статистическим.
Наибольшее распространение получили Прочностные критерии, основанные на условии недопущения образования на контуре выработки областей предельного и Запредельно го состояния [6]. Прогнозирование устойчивости в общем виде сводится к сопоставлению главного максимального на-
132
пряжения Og, действующего на контуре незакрепленной
выработки, с прочностью вмещающих пород на одноосное сжатие или растяжение а пп.
Выработка считается устойчивой если выполняется усло вие:
К|-°"п<0; (2.5)
Такой подход позволяет интерпретировать этот критерий, строго говоря, как прочность незакрепленной выработки.
Различные варианты данного условия связаны либо с уточнением методики определения численного значения предела прочности пород, для чего используется целая сис тема коэффициентов, позволяющих учесть влияние различ ных горно-геологических и горнотехнических факторов (пластические и реологические свойства пород, трещинова тость, сплошность, естественную и искусственную неодно родность, анизотропию, форму выработки, вид начального напряженного состояния, способ проведения выработки и т.д)| либо с различным способом сравнения напряжений и прочностных характеристик (в точке, на площадке, в услов ной зоне, по периметру выработки).
Наиболее полно классификации горных пород по устой чивости и различные критерии устойчивости приводятся в монографиях И.В. Баклашова, Б.А. Картозия и Н.С. Булыче ва [5, 10].
Классификация породных массивов по устойчивости, предложенная Н.С. Булычевым [10], осуществляется при по мощи критериев, основанных на анализе формы и размеров возможных зон разрушения пород вокруг выработки, и учи тывает такие влияющие факторы, как размеры и форма по перечного сечения выработки, величина и ориентировка главных напряжений в массиве.
Классификация породных массивов по способности обес печения нормального эксплуатационного состояния неза крепленной выработки предложена И.В. Баклашовым и К.В. Руппенейтом [6] и основана на определении размеров обра зующихся зон запредельного состояния, остаточной прочно-
ста, руинного разрушения и величины смещений породного контура.
Статистическая обработка данных о состоянии горных выработок Центрального района Донбасса [38], эксплуати руемых без крепи, позволили не только подтвердить право мерность подобного подхода, но и предложить критерий К, характеризующий степень устойчивости породного обнаже ния:
К |
(2.6) |
|
где:
уН вертикальная составляющая начального поля на пряжений;
°сж" предел прочности на одноосное сжатие.
При значениях К > 0,24 породы считаются неустойчивы-
Аналогичный критерий получен Л.М. Ерофеевым для Кузнецкого бассейна и с успехом применяется для проекти рования крепей горизонтальных выработок:
“ К,К2К]УН' |
*2,7) |
где:
°сж " средневзвешенный предел прочности пород в мас сиве;
Кг коэффициент концентрации напряжений на контуре выработки;
К2 - коэффициент влияния смежных выработок; Кзкоэффициент влияния очистных работ.
При значениях 0,2 ^ п ^ 0,7 вокруг выработки образуется область разрушенных пород.
Эти критерии (К и п) очень сходны по своей структуре, только коэффициент устойчивости (п) учитывает большое число влияющих факторов. Однако надо отметить, что их сугубо экспериментальный характер является существенным недостатком. Использование любого эмпирического крите
рия или классификации нуждается в тщательно разработан ном инструменте контроля.
Широкое развитие исследований по запредельному де формированию пород привели к установлению принципи ально новых закономерностей поведения пород вокруг вы работок [5], а также сформулирован новый подход к по строению классификации незакрепленных горных вырабо ток по устойчивости.
К устойчивым относятся незакрепленные выработки, у которых максимальное напряжение на контуре выработки за расчетный промежуток времени не превышает прочности пород на одноосное сжатие. Выработками средней устойчи вости считаются такие, на контуре которых породы перехо дят в предельное, а затем, в запредельное состояние. Неус тойчивыми считаются незакрепленные выработки, если по роды вокруг них находятся в состоянии остаточной прочно сти. И, наконец, к сильно неустойчивым относятся такие выработки, вокруг которых породы перешли в состояние полного (руинного) разрушения.
Большим научным и практическим достижением в про гнозировании устойчивости породных массивов вокруг го ризонтальных выработок явился метод, разработанный во ВНИМИ и вошедший в Строительные нормы и правила. В качестве критерия для оценки устойчивого состояния по родного массива вокруг выработок приняты смещения на контуре поперечного сечения выработки за весь срок ее службы в незакрепленном состоянии. Величину смещений U определяют из выражения:
U = KaK0KsKpKtKt ; |
(2.8) |
где:
U - типовые смещения, определяемые в зависимости от глубины заложения выработки и прочности пород;
KaKeKsKpKtKt - коэффициенты, учитывающие, соответ
ственно, угол залегания пород направление смещений, раз меры выработки, влияние соседних выработок и времени установки крепи.
зателя выделяется пять категорий пород по устойчивости от устойчивых до весьма неустойчивых.
В основу зарубежных геомеханических классификаций ненарушенных пород положены: прочность на одноосное сжатие (Коатс, Дир, Мюллер и Бенявский), относительный модуль Et/(jc (Дир и Мюллер), показатель прочности при
точечном приложении нагрузки.
Классификационная система, предложенная Диром и Мюллером, основана на прочности на одноосное сжатие а с и дополнительно на касательном модуле упругости Et , изме
ренном при напряжении, соответствующим половине проч ности на сжатие. Отношение этого модуля к одноосной прочности называется относительным модулем. Этот крите рий имеет два недостатка: экспериментальные значения а с
и Et имеют большой разброс, а их соотношение более или менее постоянно для широкого класса пород. Достоинством же является то, что он связывает воедино прочностные и деформационные свойства горных пород.
Показатель прочности при точечном приложении нагруз ки 18 определяется на кернах породы методом соосных пу
ансонов и I, = P/ D2 , где Р - сила, необходимая для раскалы
вания керна; D - расстояние между торцами пуансонов. Эта испытания имеют ряд преимуществ: образец разрушается при значительно меньших нагрузках, чем при сжатии, керны не требуют предварительной обработки, а результаты испы таний удовлетворительно увязываются с прочностью на од ноосное сжатие.
Общим недостатком приведенных выше классификаций является то, что не учитываются нарушения сплошности массива горных пород которые разделяют их на отдельные блоки. Геомеханическая классификация нарушений сплош ности основана на шаге или расстоянии между трещинами, количестве систем трещин и мощности заполнения трещин.
Основой многих зарубежных классификаций является показатель качества породы RQD, предложенный Диром и определяемый в процентах как отношение суммарной длины
с их допускаемыми значениями, т.е. Wp £ WAon; Рр < РА0П, а во втором - подбором на стадии проектирования допустимых значений параметров, определяющих прочность породного контура (например, глубины заложения выработки, разме ров ее сечения и т.п.)
Наиболее доступными критериями устойчивости пород ных обнажений и вместе с тем наиболее достоверными яв ляются видимые проявления механических процессов, про исходящие в породном массиве после проведения выработ ки, то есть смещения ее породного контура и вывалы поро ды из кровли. Исходя из этого, к сложным геомеханическим условиям следует отнести такие, в которых смещения конту ра выработки превышают 200 мм или из ее кровли наблю даются вывалы высотой более 1,5 - 2,0 м. Это видимые, из меряемые критерии, но проявляются они в процессе прове дения и эксплуатации горной выработки.
Выводы по главе
1. Реструктуризация шахтного фонда угольной промыш ленности России должна основываться не только на ликви дации и закрытии шахт, а на их переориентации и функ ционировании в новом функциональном качестве за счет повторного использования имеющегося георесурса сети подготовительных, очистных и капитальных горных вырабо ток.
2.Разработанная классификация повторно используемых горных выработок горнодобывающих предприятий позволя ет на основе оценки условий размещения объектов прини мать эффективные решения по их эксплуатации в новом функциональном качестве.
3.Выполненный анализ критериев, используемых в нор мативной документации, показывает, что все они основаны на влиянии доминирующей фазовой составляющей породно го массива и не отражают особенностей его реального сто
хастического состояния как многофазовой среды, хотя в от дельных конкретных случаях вполне оправданы и дают удовлетворительную сходимость с данными практики.
4. Наиболее реальная оценка свойств массива горных по род производится при исследовании его геомеханического состояния, т.к. существует набор критериев, основанных на комплексном учете свойств массива (деформируемость, прочность, устойчивость). Оценка гидрогеологического и га зодинамического состояния массива производится по крите риям, которые не в полной мере отражают его реальное со стояние, а учитывают лишь некоторые свойства массива (например: величина раскрытия трещин и удельное водопоглащение - при цементации пород; коэффициент фильтра ции пород при водопонижении; дискование керна при выбросах песчаника и т.д.).
5. Существующие подходы к оценке реального типа усло вий взаимно не увязаны, т.е. при оценке геомеханического состояния массива не учитываются особенности гидрогео логических и газодинамических явлений, а газодинамиче ское состояние оценивается без учета гидрогеологических и геомеханических условий. Иными словами, оценка состоя ния реального массива горных пород должна производиться с учетом совокупности влияющих факторов, а не по отдель ным их составляющим.
6. Разработанные классификации методов подготовки и способов воздействия на массив горных пород при строи тельстве подземных сооружений в сложных горно геологических условиях требуют разработки критериев (ме ханизма соответствия) для выбора оптимального варианта воздействия в условиях непрерывного изменения парамет ров вмещающего массива и многовариантного решения тех нологических задач строительства подземных сооружений.