книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений
..pdfточника, в котором обобщен опыт крепления выработок на- брызг-бетоном, а также данные авторов свидетельствуют о том, что во всех случаях успешное применение набрызгбетонной крепи ограничивалось I категорией устойчивости горных пород. В последние годы накоплен опыт ее примене ния в сложных геомеханических условиях в качестве вре менной крепи, возводимой непосредственно в забое выра ботки и воспринимающей всю нагрузку от разрушения по род, и даже в зонах геологических нарушений. Успешный опыт применения набрызг-бетонной крепи накоплен и в зарубежной практике подземного строительства. Так на шахте "Вальзум" (Германия) набрызг-бетоном закреплены разведочные квершлаги и вентиляционные выработки [20]. Они эксплуатируются без перекрепления уже десятки лет, в то время как выработки, закрепленные металлической ароч
ной крепью в этих условиях, |
перекрепляются через 2 3 |
года из-за коррозии металла. |
получают комбинированные |
Широкое распространение |
конструкции крепи, основанные на сочетании анкеров с набрызг-бетоном или податливыми арками. Такие конструк ции крепи, состоящие из одних и тех же элементов (анкера с сеткой, набрызг-бетон, арки), но в различном их сочетании и месторасположении, позволяют обеспечивать устойчи вость горных выработок в различных геомеханических усло виях. Быстрое изменение конструкции крепи путем исполь зования различных элементов позволяет приспосабливаться к постоянно изменяющимся физико-механическим характе ристикам пород и возводить в этих условиях крепь опти мальной несущей способности.
Данное обстоятельство играет особо важную роль в раз работке системы управления устойчивым состоянием горной выработки по следующим обстоятельствам. Свойства масси ва горных пород по длине выработки являются переменной величиной, и установка крепи с единой грузонесущей спо собностью является нецелесообразной. Это приводит к тому, что на одном участке выработки крепь обладает излишней несущей способностью, а на другом наоборот, разрушает ся, и выработка Оказывается непригодной к эксплуатации. И в том, и в другом случае на поддержание выработки расхо-
дуются дополнительные капитальные затраты. В первом слу чае это вызвано необоснованным применением мощной и дорогостоящей крепи вместо той, которая могла бы надежно функционировать в этих условиях. В другом случае дополни тельные затраты вызваны необходимостью перекрепления и ремонта участков с нарушенной крепью. Применение ком бинированных крепей с регулируемой несущей способно стью позволяет избежать этого недостатка крепления гор ных выработок.
В теории и практике подземного строительства намети лось два направления применения комбинированных кре пей, отвечающих условиям реального проявления горного давления. Первое направление связано с использованием для крепления горных выработок нового австрийского спо соба проходки тоннелей (НАСАГГ) [1]. Этот способ исходит из определения качества пород. Его основная идея состоит в использовании собственной несущей способности пород, для чего сразу после отбойки породы из забоя производится нанесение набрызг-бетона и установка анкерной крепи. Суть способа в следующем. Перед началом проводки выра ботка разбивается на отдельные участки длиной примерно 50 метров. Первый участок крепится максимально мощной для данных условий конструкцией крепи (анкера с сеткой, двойной слой набрызг-бетона, арочная податливая крепь с тампонажем закрепного пространства). Одновременно с проведением и креплением выработки на этом участке про водятся интенсивные инструментальные наблюдения за про явлением горного давления (определяются смещения пород ного массива и нагрузка на крепь). На основании получен ных инструментальных данных выбирается крепь для сле дующего участка, на котором также проводятся инструмен тальные наблюдения и уже на их основе выбирается конст рукция для третьего участка. Таким образом, методом после довательных приближений определяется оптимальная для данных геомеханических условий конструкция крепи. Этот метод прошел апробацию на шахте "Нордштерн" в Герма нии. С его помощью осуществлялась 1гооходка и крепление полевого штрека сечением SCB = 41 м , расположенного на глубине 1100 м в слабых глинистых породах. Конечная кон
вергенция штрека составляла всего 0,5 - 2,0% от начальных размеров выработки. Длина анкеров по штреку варьирова лась от 3,5 до 5 м, а толщина набрызг-бетона, наносимого в два слоя, от 100 до 300 мм. Выработка оставалась устойчи вой и после того как оказалась в зоне влияния очистных работ. Максимальная скорость проходки составила 42 м/мес. Из приведенного исследования сделан вывод, что область применения НАСПТ в шахтах ограничивается капитальными выработками с длительным сроком службы сечением более 30 м2 и при их длине, не эффективной для использования проходческих комбайнов. Трудности представляют также большое количество инструментальных наблюдений, сказы вающихся на темпах проведения выработки.
Определенный опыт проектирования и строительства тоннелей по методу НАСПТ есть и в отечественной практи ке. В ЦНИИСе разработана программа РУПС, использован ная при проектировании строительства подземного ускори тельного комплекса элементарных частиц в п. Протвино Ка лужской области и основанная на упруго-пластической мо дели породного массива.
В Норвегии для сооружения тоннелей с начала 80-х годов широко применяется норвежский способ строительства тон нелей НТС. Его характерными особенностями являются: крепкие трещиноватые породы; временное и постоянное крепление осуществляется набрызг-бетоном, анкерами, их сочетанием и монолитным бетоном без применения сталь ных арок; при проектировании используются качественные характеристики скального массива (параметр RQD) для оценки его состояния и выбора способа крепления; коррек тировка этих данных производится только в критических ситуациях. Несомненным достоинством НТС является то, что уже при проектировании на основании сейсмической томографии можно прогнозировать свойства породного мас сива и необходимое крепление.
Второе направление, разрабатываемое лабораторией шахтной крепи и механики горных пород института Бер- гбау-Форшунг, при креплении горных выработок исходит из предварительного прогнозирования смещений их породного контура. На основании расчета ожидаемых смещений кон
тура выбирается необходимая для данных условий комбини рованная крепь. В дальнейшем, выбранная конструкция крепи при ее несоответствии реальным смещениям породно го контура на отдельных участках усиливается путем нане сения дополнительного слоя набрызг-бетона или установки нового ряда анкеров. Контроль за состоянием породного массива в процессе строительства выработки не предполага ется. Состояние крепи выработки оценивается визуально. Отмечается, что такая технология крепления выработок за рекомендовала себя хорошо и в совершенствовании нужда ется только технология проходки. Достоинствами данного способа по сравнению с НАСПТ являются возможность на стадии проектирования определения базового варианта ком бинированной крепи, отвечающего заданным геомеханическим условиям, и отсутствие трудоемких инструментальных наблюдений за деформированием породного массива. Необ ходимо отметить, что прогнозирование смещений породного контура выработки осуществляется по эмпирическим зави симостям, полученным конкретно для каждой шахты, что в значительной мере повышает их достоверность. Недостатка ми же этого способа крепления выработок являются: отсут ствие четкого критерия, свидетельствующего о необходимо сти усиления крепи, а также неучет изменчивости свойств массива горных пород по длине выработки.
Основными типами крепи капитальных горных выработок должны быть крепи, использующие несущую способность самого породного массива (упрочнение вмещающих пород, тампонаж закрепного пространства, набрызг-бетон и анкер ная крепь). Это позволит, во-первых, повысить несущую способность конструкции, а во-вторых, уменьшить стои мость строительства выработки за счет уменьшения затрат на выемку излишнего объема породы для размещения мощ ной и материалоемкой конструкции крепи или для обеспе чения запаса сечения выработки, необходимого для компен сации больших смещений породного контура.
В первые 20 - 30 суток после проходки, в случае примене ния традиционных конструкций крепи, выработку необхо димо поддерживать временной крепью, используя принцип
"технологической податливости". Постоянная крепь возво дится за зоной интенсивных смещений контура выработки.
С целью предотвращения обрушения в выработку пород, находящихся в зоне полного разрушения, а также вывалов породы необходимо совместно с другими видами крепи в выработках устанавливать анкерную крепь, подшивая тем самым эту зону к зоне запредельного деформирования.
При строительстве капитальных выработок в условиях, когда ожидаемые смещения породного контура будут пре вышать 500 мм, необходимо наряду с традиционными сред ствами ее поддержания предусматривать специальные меры ее охраны, целесообразность которых должна подтвер ждаться экономическими расчетами.
Крепь должна быть экономичной, долговечной, а матери ал крепи - недорогим. Конструкция крепи должна обеспечи вать механизацию ее возведения, восприятие пластических деформаций породного массива, а также обладать низкой теплопроводностью и высокой жаростойкостью.
Необходимо разработать четкие количественные крите рии устойчивости породного обнажения вокруг выработки, которые позволили бы учесть как можно больше влияющих факторов, поддающихся учету на стадии проектирования и одновременно, прямо или опосредованно, могли быть изме рены на стадии строительства горной выработки.
В связи с повышенными требованиями к долговечности крепи капитальных горных выработок в случае их повторно го использования при закрытии шахт, основной упор при разработке таких конструкций должен делаться на крепи, использующие несущую способность самого породного мас сива, как наиболее долговечного природного строительного материала.
Ввиду значительных колебаний смещений породного кон тура выработки по ее длине, при проектировании ее строи тельства, необходимо ориентироваться на комбинированные конструкции крепи, отвечающие реальным проявлениям горного давления на каждом участке выработки и допус кающими обратную связь между элементами системы "массив - технология подземное сооружение". Эта обрат ная связь, прежде всего, заключается в оперативном кон
троле за фактическими проявлениями горного давления и внесении необходимых корректировок в устанавливаемые конструкции крепи, определяемые в процессе проектирова ния строительства горной выработки.
§4.2. Экспериментальные исследования
ианализ геомеханических процессов
вокруг горных выработок
Многочисленные проявления сложных геомеханических условий при строительстве горных выработок, несмотря на применяемые технологические меры по их предупреждению, свидетельствуют о необходимости разработки методики про ектирования строительства подземных объектов, учитываю щих в комплексе все взаимовлияющие факторы.
Для разработки такой методики проектирования необхо димо знать и уметь оценивать качественно и количественно те механические процессы, которые происходят вокруг гор ных выработок при их строительстве. Наиболее эффективно использовать для этого во взаимосвязи аналитические, лабо раторные и экспериментальные исследования проявлений горного давления. Точные аналитические решения Позволя ют исследовать механические процессы в наиболее Широком диапазоне, однако их практическое использование очень затруднено получением достоверных данных о структурно механических особенностях породных массивов по трассе горной выработки.
При образовании в породном массиве выработанных про странств (горных выработок) нарушается его начальн0е йа_ пряженное состояние: образуется новое поле напряжений и деформаций, следствием которого является развитие Меха нических процессов деформирования и разрушения Пород
Механические процессы в породных массивах, с 'To4JQ1 зрения обеспечения устойчивости выработок, проявляются в двух основных формах вывалообразование, связанцое с разрушением пород, и смещения породного контура выра ботки, достигающие величины 500 мм и более.
В практике экспериментальных исследований проявлений горного давления в последние десятилетия наиболее при стальное внимание ученых было связано с изучением вели чины смещений контура горных выработок и образования области разрушенных пород вокруг них в различных геомеханических ситуациях. Этому вопросу посвящены исследо вания как научных коллективов - ВНИМИ, МГТУ, КузНИИшахтострой, ВНИИОМШС, ДонУГИ, ИГД им. А.А. Скочинского, так и отдельных ученых: К.А. Ардашева, Б.З. Амусина, И.В. Баклашова, Н.С. Булычева, Е.Б. Дружко, Л.М. Ерофеева, Ю.З. Заславского, Б.А. Картозия, К.В. Кошелева, Г.Г. Литвинского, А.Г. Протосени, И.Л. Черняка и др. В результате этих исследований были получены величины смещений по родного контура выработки, закономерности их затухания с удалением от контура выработки вглубь массива и размеры зоны полного руинного разрушения пород вокруг выработок в зависимости от целого ряда факторов: типа и физико механических свойств вмещающих выработку горных пород, их структурно-механических особенностей и вида напря женного состояния, глубины заложения, формы и размеров поперечного сечения горной выработки, направления про ходки относительно напластования горных пород, влияния очистных работ и других воздействий.
Результаты этих исследований обобщены в действующих нормативных документах по проектированию горных выра боток и расчету крепи [88, 94].
Автором также были проведены исследования по опреде лению смещений контура горных выработок в зависимости от различных геомеханических условий. Подробно горно геологические условия установки замерных станций и ре зультаты наблюдений за смещениями породного контура и окружающего выработку массива горных пород приведены в главе 5.
Наибольший интерес для проектирования горных выра боток в сложных геомеханических условиях представляют реальные зоны полного (руинного) разрушения горных по род. Эти наиболее характерные данные, полученные по дан ным глубинных реперных станций, приведены в табл. 4.1. Диапазон глубин, охваченных наблюдениями, составляет 452
Таблица 4.1.
Фактические смещения породного контура выработки и размеры зоны руинного разрушения горных выработок по данным замерных станций
№ |
Наимено |
Наименование |
|
п/п |
вание |
выработки |
|
шахты |
|||
|
|
||
1 |
2 |
3 |
|
1 |
им. |
Восточный полевой |
|
парный вентиляци |
|||
Поченкова |
|||
|
|
онный штрек |
|
|
им. |
Восточный корен |
|
2 |
ной полевой венти |
||
Бажанова |
|||
|
ляционный штрек |
||
|
|
||
|
им. газеты |
Восточный полевой |
|
3 |
“Соц. |
вентиляционный |
|
|
Донбасс” |
штрек |
|
4 |
им. газеты |
2-ой восточный |
|
“Соц. |
откаточный штрек |
||
|
Донбасс” |
пл. ha |
|
5 |
им. |
Конвейерный уклон |
|
пл. \\ уклонного |
|||
Стаханова |
|||
|
им. |
поля блока № 4 |
|
6 |
4-й северный бор |
||
Стаханова |
товой ходок пл. 1э |
||
|
|||
7 |
им. Челю |
215-й восточный |
|
скинцев |
откаточный штрек |
||
|
Глубина |
Прочность |
Ширина |
Высота |
Смеще |
Размер |
Организа |
|
заложе |
пород кров |
выра |
выра |
ния |
зоны руин |
ция прово |
|
ли на сжа |
ботки, |
кровли |
ного раз |
дившая |
|||
ния, Н, м |
ботки, м |
||||||
|
тие R, МПа |
6 |
м |
Uk, мм |
рушения, м |
замеры |
|
4 |
5 |
7 |
8 |
9 |
10 |
||
884 |
31,8 |
3,8 |
2,85 |
426 |
2,6 |
ДонУГИ |
|
1012 |
42,0 |
4,8 |
4,0 |
263 |
2,0 |
ДонУГИ |
|
700 |
48,0 |
5,0 |
3,9 |
180 |
2,9 |
ДонУГИ |
|
850 |
56,7 |
5,21 |
3,91 |
163 |
1,5 |
МакИСИ |
|
1150 |
53,8 |
5,56 |
3,69 |
493 |
3,2 |
МакИСИ |
|
900 |
45,0 |
5,0 |
3,58 |
392 |
2,7 |
МГГУ |
|
452 |
32,0 |
4,5 |
|
142 |
1,1 |
МГТУ |
1 |
2 |
3 |
|
8 |
им. |
9-й западный конвей |
|
Засядько |
ерный штрек пл. тз |
||
|
|||
|
им. |
5-й восточный |
|
9 |
конвейерный штрек |
||
Абакумова |
ПЛ. Ш5
10
им.
Ильича
11Чайкино
Октябрь
12ский руд ник
13Сухольская
-восточная
Вороши-
14ловградская
№1
Вороши
15ловградская
№1
Комсомо 16 лец Дон
басса
Комсомо 17 лец Дон
басса
3-й южный отка точный штрек пл. кв 3-й восточный пром. штрек 2-й западный кон вейерный штрек пл. тз
Грузовой уклон
Восточный полевой откаточный штрек
Восточный полевой откаточный штрек
Западный конвей ерный квершлаг гор. 628м Западный конвей ерный квершлаг гор. 628м
4 |
|
|
7 |
|
Продолжение таблицы 4.1. |
|
5 |
6 |
8 |
9 |
10 |
||
950 |
31,0 |
5,2 |
3,6 |
652 |
3,6 |
МГТУ |
720 |
30,0 |
4,6 |
3,3 |
365 |
2,7 |
МГТУ |
650 |
45,9 |
4,2 |
3,0 |
163 |
1,3 |
кгм и |
650 |
30,9 |
4,5 |
3,4 |
298 |
1,5 |
МакИСИ |
845 |
37,0 |
4,9 |
4,0 |
472 |
|
МакИСИ |
915 |
48,0 |
5,2 |
4,0 |
274 |
2,1 |
МГТУ |
530 |
27,7 |
5,9 |
3,9 |
187 |
1,8 |
МГГУ |
530 |
52,0 |
5,9 |
3,9 |
94 |
0,75 |
МГТУ |
628 |
40,0 |
5,1 |
3,7 |
234 |
2,2 |
МГТУ |
628 |
85,0 |
5,1 |
3,7 |
84 |
0,8 |
МГТУ |
1150 м, вмещающие породы представлены аргиллитами и алевролитами прочностью на одноосное сжатие в образце R = 30 - 56,7 МПа. Размеры зоны руинного разрушения по род определяются в основном этими двумя параметрами и составляют 1,1 - 3,2 метра, смещения кровли выработки ко леблются от 142 мм до 652 мм, т.е. охватывают II, III и IV категории устойчивости по СНиП Н-94-80 "Подземные гор ные выработки".
Проведенные автором и другими учеными многочислен ные шахтные инструментальные наблюдения за проявле ниями горного давления позволили выявить особенности деформирования породного массива при строительстве гор ной выработки и сформулировать основные требования к проектированию крепей капитальных горных выработок, возводимых в сложных геомеханических условиях.
Особенностями деформирования породного массива, вмещающего горную выработку, проходимую в сложных геомеханических условиях, являются:
• образование вокруг выработки области полного (ру инного) разрушения горных пород, в которой послед ние находятся в практически несвязном состоянии и при отсутствии крепи обрушаются в выработку. Вели чина зоны полного разрушения достигает 2 - 3,5 м;
значительные смещения породного контура выработки (свыше 200 мм), что требует применения конструкций крепи с повышенной податливостью. Наиболее интен сивно смещения породного контура выработки разви ваются в первые 30 - 40 суток после ее проходки. За это время реализуется 50 - 70 % конечных смещений контура выработки;
смещения породного контура выработки в породах III IV категорий устойчивости резко отличаются по ее длине (в 5-6 раз), что свидетельствует о целесообраз ности применения для крепления выработки различ
ных конструкций крепи.
Анализ существующих моделей взаимодействия конст рукций крепи горных выработок с породным массивом [5, 10, 33, 36] показал, что они не учитывают целый ряд важ