Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса и постановка задач исследований 10
1.1. Геомеханические закономерности деформирования и разрушения горных пород в условиях больших глубин. 10
1.1.1. Экспериментальные и натурные исследования зонального разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок 10
1.1.2. Лабораторные исследования 22
1.1.3. Теоретические исследования зонального разрушения горных пород вокруг выработки 25
1.1.4. Теоретические концепции зонального деформирования и разрушения горных пород в массиве вокруг выработок 28
1.2. Конструкции обделок подземных сооружений и крепи горных выработок в сложных геомеханических условиях больших глубин 34
1.2.1. Конструкции жесткой крепи с высокой несущей способностью 35
1.2.2. Конструкции податливой крепи 41
1.2.3. Конструкции многослойной крепи с податливым слоем 54
1.2.4. Конструкции крепи в условиях зонального разрушения пород 60
2 Экспериментальные исследования закономерностей зонального деформирования и разрушения сильно сжатых горных пород вокруг подземных выработок большого поперечного сечения 66
2.1. Горно-геологические и горно-технические условия строительства тоннелей в районе исследований 66
2.2. Определение прочностных свойств вмещающих пород 71
2.3. Методика исследования деформаций вмещающих пород 73
2.4. Результаты наблюдений за деформациями вмещающих пород Тарманчуканского тоннеля 76
2.5. Закономерности деформирования массива горных пород вокруг тоннеля Тарманчуканский 80
3 Аналитические исследования закономерностей зонального разрушения сильно сжатых горных пород вокруг подземных выработок 88
3.1. Математическая модель сильно сжатого на большой глубине породного массива 88
3.2. Выбор и постановка краевой задачи о невесомой плоскости, с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием, равномерно нагруженным по контуру и моделирующим закрепленную подземную выработку 94
3.3. Сравнение результатов экспериментальных и аналитических исследований 97
3.4. Исследование закономерностей развития зональной структуры разрушения массива вокруг горных выработок 101
4 Разработка конструкции крепи (обделки) регулируемого сопротивления строящихся в условиях больших глубин горных выработок и подземных сооружений 109
4.1. Конструкция многослойной жестко-податливой крепи с использованием подвижных материалов 110
4.1.1. Конструкция и материалы податливого элемента обделки 110
4.1.2. Конструкция податливого слоя 110
4.1.3. Конструкция крепи (обделки) 113
4.2 Конструкция многослойной жестко-податливой крепи с использованием элементов трения 114
4.2.1. Конструкция податливого элемента 114
4.2.2. Конструкция податливого слоя 116
4.2.3. Вариант конструкции сборной блочной крепи 116
4.3. Применение технологии «набрызг-бетонирования» для создания податливого слоя обделки 118
4.3.1. Конструкция податливого элемента 118
4.3.2. Конструкция жестко-податливой обделки с использованием набрызг-бетонной технологии для создания податливого слоя 120
4.4. Конструкция многослойной жестко-податливой крепи активного регулируемого сопротивления .121
4.4.1. Конструкция и материалы податливого элемента обделки 121
4.4.2. Конструкция податливого слоя 121
4.4.3. Конструкция крепи активного регулируемого сопротивления 121
- Конструкции обделок подземных сооружений и крепи горных выработок в сложных геомеханических условиях больших глубин
- Определение прочностных свойств вмещающих пород
- Выбор и постановка краевой задачи о невесомой плоскости, с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием, равномерно нагруженным по контуру и моделирующим закрепленную подземную выработку
- Конструкция многослойной жестко-податливой крепи с использованием элементов трения
Введение к работе
Актуальность. Напряжения и деформации горных пород вокруг подземных выработок на больших глубинах часто имеют осцилляционный периодический характер, а разрушение в ряде случаев имеет зональную форму, известную в литературе как "зональная дезинтеграция".
Установленное в экспериментах нарушение монотонности деформирования пород в окрестности горных выработок, локализация разрушения на дискретных участках массива (зонах) затрудняет описание такого поведения пород на основе классических моделей механики сплошной среды. В последние годы для описания явления успешно применяются калибровочные модели механики дефектных сред, однако закономерности развития зональной структуры разрушения до настоящего времени не исследовались.
Не разработаны также эффективные конструкции постоянной крепи горных выработок для условий зонального разрушения массива. Существующие предложения по применению ряда модификаций анкерной и многослойной крепи с податливым слоем либо не технологичны, либо не позволяют регулировать процессы зонообразования.
Решение задачи установления закономерностей зонального разрушения массива горных пород вокруг подземных выработок и разработки; конструкций крепи для этих условий имеет важное значение для развития строительной геотехнологии.
Работа выполнялась при поддержке Российского фонда
фундаментальных исследований РФФИ (грант №01-05-651180), Минобразования РФ (№ГБ53.1.6.02/1), а также хоздоговорных тем с предприятиями горно-строительной отрасли РФ, проведенных с участием автора в 2000-2004 гг.
Цель работы заключается в разработке эффективных конструкций крепи подземных выработок для условий зонального деформирования и разрушения массива горных пород на основе исследования закономерностей этого явления.
Основная идея работы заключается в натурном экспериментальном исследовании закономерностей.зонального деформирования сильно сжатого массива горных пород, применении в аналитических исследованиях зонального разрушения массива математических моделей механики дефектных сред для обоснования новых эффективных конструкций крепи горных выработок для этих условий.
Методы исследований включают натурные экспериментальные исследования деформирования и разрушения массива горных пород вокруг подземных выработок, аналитические методы механики сплошной среды с дефектами и механики разрушения, патентные проработки.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:
установлены закономерности зонального разрушения и деформирования горных пород вокруг подземных выработок, заключающиеся в том, что с ростом напряжений в массиве число зон разрушения возрастает, возрастает радиальная протяженность этих зон, а радиальная протяженность промежуточных зон убывает;
- установлено, что- сопротивление крепи существенно влияет на
развитие зонального разрушения массива вокруг подземных выработок, что
обусловлено взаимодействием крепи и массива горных пород,
- разработаны конструкции крепи подземных выработок для условий
развивающегося вокруг них зонального разрушения пород, отличающиеся
тем, что податливый внешний слой крепи имеет регулируемое
сопротивление, в том числе активное, а внутренний слой представляет собой
замкнутое кольцо жесткой крепи, обеспечивающей устойчивость горной выработки в течение заданного срока службы.
Достоверность научных положений и выводов обеспечена:
полным удовлетворением граничных условий выбранного аналитического решения задачи механики7\осорошим согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований (отклонение не более 24%), получением положительных решений по заявленным патентным разработкам.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей зонального деформирования и разрушения горных пород в сильно сжатом массиве вокруг подземных выработок и использование этих закономерностей для обоснования конструкций крепи.
Практическое значение и реализация работы заключаются в разработке конструкций крепи подземных выработок для условий зонального деформирования и разрушения массива горных пород. Установленные в ходе, экспериментальных и аналитических исследований закономерности создают основу для совершенствования и разработки новых технологий сооружения-подземных горных выработок в условиях больших глубин.
Результаты диссертационной работы использованы ООО "ДВГСК-Центр" для разработки технологии проведения тоннелей в условиях сильно нарушенных пород.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались на конференциях «Проблемы освоения георесурсов российского Дальнего Востока и стран АТР» (г. Владивосток, 2000, 2002, 2004 гг.), "Геодинамика и напряженное состояние недр Земли" (Новосибирск, 2003), "Проблемы подземного строительства в XXI веке" (г.Тула, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 141 страницах машинописного текста, и содержит 30 рисунков, 6 таблиц, список использованной литературы из 118 наименований.
Конструкции обделок подземных сооружений и крепи горных выработок в сложных геомеханических условиях больших глубин
Строительство подземных сооружений и проведение горных выработок в условиях больших глубин связано в рассмотренными выше геомеханическими закономерностями. В их число входит большая величина перемещений контура выработки, обусловленная образованием вокруг нее новых зон разрушения, а также незатухающий во времени характер самих разрушений. Основным средством обеспечения устойчивости горных выработок на протяжении всего срока службы является возведение крепи. Известно много конструкций крепи, в той или иной мере успешно применяемых в условиях больших глубин и различающихся по материалу, сроку службы, режиму работы, характеру взаимодействия с горным массивом, конструктивному исполнению и другим признакам. 1.2.1. Конструкции жесткой крепь с высокой несущей способностью Металлобетонная крепь крепь состоит из металлических рам, изготавливаемых из двутаврового или? специального профиля и бетонного заполнения. Известно большое количество конструкций такой крепи, отличающихся типоразмерами и. конфигурацией сечений, конструктивным решением узлов соединения металлических элементов.
Наиболее совершенная унифицированная крепь конструкции Донгипрошахта [85,108]. Разработано несколько типоразмеров крепи из двутаврового профиля №22 с заполнением из бетона марки 200 для диапазона сечений 8,4 - 18м : крепь КДА для выработок без обратного свода и КДЗ с обратным сводом. Основной недостаток металлобетонной, крепи с рамами из двутавра в том, что они представляют собой; жесткие конструкции ив сложных условиях зачастую деформируются еще до начала бетонных работ. Другим недостатком двутаврового профиля является то, что он имеет резко различные моменты сопротивления относительно оси, лежащей в плоскости сечения выработки и ей перпендикулярной. Поэтому крепь из двутавра хорошо работает при нагрузках, строго перпендикулярных к полке двутавра, а при косонаправленных нагрузках арка резко снижает свою несущую способность и устойчивость. Кроме того, при изгибе двутавра в процессе изготовления арки, в местах перенапряжений образуются пластические шарниры и другие дефекты, также снижающие работоспособность конструкции. Более совершенной конструкцией металлобетонной крепи является ограниченно податливая крепь из металлических арок из спецпрофиля, которые устанавливаются в забое выработки и работают 1-1,5 месяца в податливом режиме, а затем бетонируются. Металлобетонная крепь на базе рам из спецпрофиля имеет ряд преимуществ по сравнению с конструкциями, использующими двутавровые балки: работает в режиме ограниченной податливости, что позволяет применять ее в широком диапазоне горно-геологических условий; сечение спецпрофиля имеет примерно равные моменты сопротивления по обеим осям и поэтому более устойчиво к эксцентричным нагрузкам, чем двутавровое; аки из спецпрофиля более технологичны при возведении, а стоимость металлобетонной крепи из спецпрофиля по прямым затратам меньше, чем аналогичной крепи на базе двутавра.
Разработано несколько типоразмеров конструкций ограниченно податливой металлобетонной крепи для выработок сечением 5,9-17,7 м2 без обратного свода (МПКА) и с обратным сводом (МПКЗ). Элементами крепи являются рамы из спецпрофиля типа СВП-22 для выработок шириной до 3,5 м и типа СВП-27 при ширине выработок более.3,5 м, металлическая сетчатая затяжка и бетонное заполнение. В крепи предусмотрено расположение спецпрофиля открытой частью в сторону выработки, что обеспечивает легкое заполнение его бетоном при бетонировании. Форма свода крепи принята эллиптической, в результате чего улучшается надежность ее работы в податливом режиме. Поскольку основным конструктивным и технологическим элементом металлобетонной крепи являются металлические рамы, то все недостатки металлических крепей свойственны и металлобетонным крепям. Следует отметить, что металлобетонная крепь в виде металлических арок с бетонным заполнением между ними является не лучшим вариантом, железобетонной конструкции: металл и бетон работают практически самостоятельно, большая насыщенность металлом и толщина обусловливают повышенную жесткость конструкции и плохое использование упругого отпора пород. Эта крепь материалоемка, имеет высокую стоимость, требует больших трудозатрат на возведение и не может обеспечить высоких темпов проходки. Поэтому металлобетонная; крепь часто заменяется арочной податливой крепью с железобетонной затяжкой и последующим тампонажем закрепленного пространства твердеющими смесями (песчано-цементными, фосфогипсовыми, ангидритовыми и др.). Сборная железобетонная крепь распространение получили гладкостенная тюбинговая крепы ГТК конструкции Кузниишахтостроя и арочная тюбинговая крепь КТАГ конструкции В НИИОМШСа: Эти крепи обладают несущей способностью до 0,3 МПа и предназначены для крепления капитальных выработок в породах средней устойчивости. Крепь ГТК собирается из железобетонных тюбингов: криволинейной формы и корытообразного сечения девяти типоразмеров, сочетание которых позволяет крепить выработки сечением в свету 9,4-22,2 м. Крепь КТАГ представляет собой сплошную арку, которая собирается из тюбингов в виде циркульных сегментов с цилиндрическим шарнирным примыканием друг к другу. Семь типоразмеров тюбингов! позволяют крепить выработки сечением 7,9-18,2 м . По сравнению с другими видами крепи сборная железобетонная крепь имеет следующие преимущества:, изготовление элементов крепи в заводских условиях обеспечивает их высокое качество; в отличие от монолитных конструкций, набирающих прочность постепенно, сборные могут сразу же включаться в работу и воспринимать максимальную нагрузку; шарнирные стыки между элементами сборной конструкции обеспечивают ее деформативность, перераспределение неравномерных нагрузок и более полное использование упругого отпора пород; по сравнению с металлоарочной и металлобетонной крепями эта крепь имеет в 3-4 раза меньшую металлоемкость; при гладкостенных тюбингах коэффициент аэродинамического со противления снижается по сравнению с рамными крепями в три раза; основной объем работ по возведению сборных крепей поддается механизации.
Для механизации возведения сборных крепей из плит и тюбингов разработан целый ряд специальных кранов и крепеукладчиков. Наиболее совершенным из них является тюбингоукладчик ТУ-2р (и его модификация ТУ-3) конструкции Кузниишахтостроя, хорошо зарекомендовавший себя на шахтах Карагандинского бассейна. В то же время сборные железобетонные крепи имеют ряд недостатков. Как и все сборные железобетонные конструкции, они более энергоемки, чем монолитные. Для обеспечения нормальной работы сборные крепи требуют тщательной забутовки закрепного пространства, в противном случае они легко теряют устойчивость и становятся неработоспособными. Наиболее низкой устойчивостью обладают сборные крепи из мелкоразмерных тюбингов с цилиндрическим примыканием в шарнирах. Рекомендуемый для сборных крепей тампонаж закрепного пространства песчано-цементным раствором является, по существу, дополнительной» бетонной оболочкой, для, которой сама крепь служит опалубкой. При этом преимущества такой крепи; как деформативной, приспосабливающейся к неравномерностям горного давления конструкции, почти исчезают, а стоимость значительно повышается. Большое количество типоразмеров сборных элементов усложняет технологию изготовления, складирования и применения сборной крепи. Перспективными направлениями совершенствования сборнойі железобетонной крепи является применение для изготовления ее элементов высокопрочных бетонов и расширение области ее применения на более сложные горно-геологические условия за счет создания податливых конструкций. Так, разработки ВНИИОМШСа показывают, что применение высокопрочных бетонов марки М 600 и М 800 позволяет при сохранении несущей способности крепи снизить вес ее элементов на 20-35%, а стоимость крепления на 10-25% [86, 109]:
Определение прочностных свойств вмещающих пород
Определение пределов прочности при одноосном растяжении и сжатии производится методом разрушения образцов произвольной формы сферическими инденторами по ГОСТ 21153.3-85. Образец нагружают инденторами до разрушения. Испытание признается действительным в случае сквозного раскола (разрыва), проходящего через ось нагружения образца. При разрушении типа косого скола (от точек нагружения к боковым граням образца) испытание считают недействительным. Для предотвращения разрушения типа косого скола достаточно, чтобы ось нагружения совпадала с наименьшим линейным размером образца или была удалена от ближайшей боковой грани на расстояние не менее половины расстояния между точками приложения нагрузок по оси нагружения. Предел прочности горной породы при одноосном сжатии в Н/м вычисляют по корреляционной зависимости: Ксж — 20 Rp . Результаты определения предела прочности на сжатие и растяжение представлены в табл. 2.2. Средний предел прочности пород на сжатие 34,6 МПа. Средний предел прочности пород на растяжение 1,73 МПа Учитывая высокую степень трещиноватости, предел прочности пород на сжатие в массиве можно оценить как 4,5 - 6,0 МПа, что близко к величине оценки гравитационных напряжений. Наблюдательные станции должны отвечать требованиям представительности получаемых данных, точности и надежности, а также простоте конструкции и установки в массиве.
Как правило, используются скважинные методы контроля состояния массива в период строительства. Количество скважин колеблется от трех до десяти в зависимости от требуемого уровня точности прогноза и его целей (рис.3.3). Скважины пробуриваются в бока, почву и кровлю тоннеля. Количество станций вдоль оси тоннеля определяется степенью однородности вмещающих пород и колеблется от одной до 10 станций на 100 м тоннеля. Глубина бурения скважин составляет от одного до трех приведенных радиусов тоннеля и определяется степенью сложности горно-геологических условий. По мере накопления информации возможно проведения мониторинга по коротким скважинам 1-5 м. Учитывая сложность условий строительства Тарманчуканского тоннеля, необходима установка станций через 10-20 м в калотте по схеме, изображенной на рис.2.3 на глубину до 10 м и скважин в щтроссе и нижней части калотты. Наблюдательные станции могут быть струнного и деформометрического типов. Достоинствами струнных реперных станций является простота конструкции, отсутствие необходимости приобретения специального оборудования.
Достоинствами станций деформометрического типа является возможность дистанционного мониторинга. Для условий строительства Тарманчуканского тоннеля, с учетом трудностей в приобретении сложного деформометрического оборудования, возможно принятие станций струнного типа с последующим переходом на деформометрический контроль. Периодичность наблюдений по станциям определяется скоростью проведения выработки, сложность горно-геологических условий, интенсивностью проявления горного давления, свойствами пород и другими факторами. Как правило, чаще производятся замеры на участке возведения временной и постоянной обделки, на обнажениях горных пород у забоя, что позволяет получать информацию о состоянии массива и прогнозировать его поведение во времени. В целом время между замерами колеблется от нескольких часов до 1-7 суток [83]. При наличии нескольких наблюдательных станций и с учетом сложности горно-геологических условий время между замерами для пород Тарманчуканского тоннеля должно составлять в среднем одни сутки. Точность измерений и методика их проведения определяется деформационными свойствами пород и наличием измерительного оборудования. В породах с низкими деформационными характеристиками при больших, порядка 3-5 и более миллиметрах в сутки перемещениях стенок и свода подземного сооружения возможно применение измерительной рулетки с ценой деления 1 мм. В случае скальных пород измерения целесообразно проводить с применением специальных измерительных стоек типа СУИ, снабженных измерительными головками с ценой деления 0,01 мм.
Методика измерения на станциях струнного типа заключается в фиксации движения конца связанной с репером проволоки относительно точки, выбранной в качестве ноля. Для условий Тарманчуканского тоннеля целесообразно использовать в качестве измерительных приборов стойки СУИ, снабженные специальными измерительными головками с ценой деления 0,01 мм. В тоже время для измерения деформаций пород на участках тектонических нарушений возможно применение приборов (стоек СУИ или измерительных лент) с ценой деления 1 мм. Конструкция реперов наблюдательных станций может быть самой разнообразной [83]. Наиболее просты в изготовлении реперы расклинивающего типа, которые представляют из себя деревянную трубку с помещенным в ее конце со стороны забоя скважины металлическим конусом. После установки в необходимом месте скважины привязанная к конусу проволока натягивается, и конус входит в трубку, расклинивая ее в скважине. Реперы устанавливаются на расстоянии, как правило, одного метра друг от друга. 2.4. Результаты наблюдений за деформациями вмещающих пород Тарманчуканского тоннеля Деформирование вмещающих пород в период возведения обратного свода. Наблюдения за деформациями вмещающих пород Тарманчуканского тоннеля проведены в период укладки обратного свода в штроссе на ПК 397+4 в людской нише. В связи с высокой нарушенностью и обводненностью массива реперы были установлены на глубине 0,3; 1,4; 2,4 м от контура выработки. Результаты наблюдений за деформациями контура в первые 60 часов после укладки бетона обратного свода представлены на рис. 2.4. За точку ноля была принята арматура, приваренная к черновой обделке. Характерно, что в обнажении репера двигались как бы в направлении массива (первые 15 часов). Это может быть объяснено общим движением пород в сторону незакрепленной почвы тоннеля в виду их малой прочности и обводненности.
По мере твердения бетона обратного свода направление движения реперов последовательно менялось, начиная от контурного и заканчивая глубинными, расположенными на расстоянии 1,4 (последующие 11 часов) и 2,4 м (последующие 12 часов) соответственно, приобретая естественный характер движения в сторону тоннеля. В дальнейшем движение реперов выравнивается. Полученные результаты позволяют оценить вмещающие породы как находящиеся в условиях сильного сжатия. Реперы имеют жесткое соединение с массивом горных пород. Они устанавливаются на расстоянии їм друг от друга. Деформирование вмещающих пород в период проведения штроссы. Проведение штроссы связано с перераспределением напряжений в массиве. На рис. 2.5 показано изменение деформаций с момента проведения штроссы на расстоянии 8 м от станции. Влияние происходящих перераспределений напряжений заключается в зональном деформировании вмещающих пород: контурная часть массива разуплотняется, а породы в глубине массива, напротив, сжаты. Однако, начиная с 15-17 м влияние проведения штроссы уменьшается, а породы массива релаксируют. Наблюдения проводились в людской камере до бетонирования и при отсутствии влияния работ в тоннеле. Установлено, что перемещения реперов имеют и периодический характер (рис. 2.6). Периодический характер имеют также деформации вмещающих пород (рис. 2.7). Контурная часть массива имеет при этом тенденцию к разуплотнению. Для уточнения характера и механизма периодических деформаций массива были установлены наблюдательные станции с пробуриванием скважин сквозь обделку. Исследования проводились в левом и правом бортах тоннеля; Графики смещений (рис. 2.8.) и деформаций (рис. 2.9) показывают, что как в левом, так и в правом бортах тоннеля наблюдается знакопеременное во времени приращение деформаций. Фронт этих процессов распространяется в глубь массива от контура выработки со скоростью 1 — 1,5 м/сут. При этом разуплотнения массива не наблюдается. Характер деформирования массива за черновой обделкой после ее возведения. Наблюдательная станция была установлена в правом борту тоннеля после возведения черновой обделки. Бурение производилось непосредственно через обделку, реперы устанавливались на расстоянии, 1м друг от друга. Результаты наблюдений представлены на рис.2.8 и 2.9. Установлено, что деформирование вмещающих пород носит незатухающий характер. Изменение деформаций вмещающих пород имеет знакопеременный характер. Это свидетельствует о процессах разрушения, происходящих в массиве, чередовании процессов уплотнения и разуплотнения вмещающих пород. Деформированное состояние такого массива связано с дилатансионными процессами и увеличением нагрузки на обделку во времени.
Выбор и постановка краевой задачи о невесомой плоскости, с заданными на бесконечности напряжениями, моделирующими гравитационное поле, и ослабленной круглым отверстием, равномерно нагруженным по контуру и моделирующим закрепленную подземную выработку
Массив горных пород в условиях действия больших неравнокомпонентных сжимающих напряжений, обусловливающих сдвиговые микроразрушения на неоднородностях среды, моделируется сплошной средой, где в общем случае не выполняются условиях совместности деформаций, а термодинамическое состояние далеко от равновесия. Математическая модель такой среды для случая конечных упруго-пластических деформаций разработана академиком В.П. Мясниковым [103]. Модель применялась для описания результатов экспериментальных лабораторных исследований зонального разрушения массива вокруг подземных выработок В.В.Макаровым [40, 83]. Приведем основные выражения, учитывая неклассический характер модели. Если в предположении сплошности среды в каждый фиксированный момент времени t соответствие между начальным состоянием среды x(4,t0) = i и ее текущим состояниемх(,t)является однозначным, то тензор Альманзи Ау, как характеристика полной деформации, принадлежит к классу тензоров, порождаемых в трехмерном Евклидовом пространстве некоторым векторным полем &: Принятие механической модели дефектной среды в качестве теоретической для установления механизма аномальных эффектов разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок предполагает удовлетворительное описание на базе принятой модели наблюдающихся в экспериментах эффектов. В главе 1 приведены результаты лабораторных экспериментов, проведенных во ВНИМИ на моделях из эквивалентных материалов.
Условия проведения исследований соответствовали условиям проведения выработок в трещиноватом массиве. Сравнение результатов аналитических и экспериментальных исследований было проведено в работах [40, 41]. Однако для применения модели к описанию результатов натурных исследований необходимо выбрать, поставить и решить соответствующую краевую задачу механики. В геомеханике массив горных пород рассматривается как невесомая плоскость, ослабленная отверстием моделирующим круглую закрепленную выработку в условиях всестороннего сжатия [47]. Краевая задача о распределении поля напряжений вокруг выработки рассматривается как плоская и стационарная. В качестве упрощений принимаются условия несжимаемости и гидростатичности нагружения на бесконечности, что с достаточной точностью воспроизводит условия эксперимента. В силу полярной симметрии задачи уравнения равновесия имеют вид: + 7 -0=. , = 0 r0 r « , (3.20) где jrr - нормальное радиальное напряжение, rw -нормальное тангенциальное напряжение, стГ(/ - касательное напряжение. Рассмотрим сначала решение для незакрепленной выработки, а затем укажем формулы, учитывающие наличие крепи. Постановка задачи осуществлена автором совместно с В.М. Сапелкиной и Л.С. Ксендзенко, которым принадлежит решение. На контуре выработки (г = г0) внешние силы отсутствуют, а на бесконечности они заданы: а„ =0 при г = r0 arr, aw- Px при г- со, (3.21) где Р„ у„ Н, у„- удельный вес пород, Н-глубина заложения выработки.
Массив горных пород в условиях сильного сжатия моделируется средой, где в общем случае не выполняются условия совместности деформаций. Следуя [41], вводится параметр дефектности R: R= n..2 - + - 0, (3.22) дх2 ftc,cbc2 дхх Параметр дефектности R удовлетворяет уравнению: A2R-y2R=0, где А - оператор Лапласа, у1 =E/[4q(l- v )], Е-модуль Юнга, v- коэффициент Пуассона, q- подгоночный параметр модели, определяемый на основе экспериментальных данных. Неклассическое расширение модели накладывает условие выделения решения для функции R. Это условие выбирается из соображения, что на контуре выработки образуется первая зона разрушения, что предполагает для функции R наличие в точках контура экстремума. В этом случае принятое в [41] допущение о независимости источников на контуре выработки должно быть отвергнуто, и введено значение Я?Ю. Кроме того, естественно предположить, что при зональном характере разрушения массива во всех остальных зонах процессы разрушения идут по одинаковому механизму. Следовательно, второе граничное условие для функции R определяется как ее экстремальность во второй зоне разрушения. Расчет напряжений произведен для условий экспериментов ВНИМИ в Донбассе по определению закономерностей развития зональной структуры разрушения вокруг одиночных выработок [16]. Результаты расчета приведены на рис. 3.1. Хорошо виден осцилляционный характер как тангенциальных, так и радиальных напряжений вокруг выработки. Причем с удалением от контура участки массива, где параметр Надаи-Лоде 0 О, могут чередоваться с участками массива, где 0 О. Описание отрывного разрушения в условиях всестороннего сжатия дано в работе [71], где предложен критерий отрывного разрушения в виде: К,=(7й)ш(Г, і-ГзсРз), (3.27) где / = полудлина трещины; а01 = а аз = Jrr - соответственно максимальные и минимальные главные напряжения вокруг выработки; Yi, Уз -эмпирические коэффициенты. Расчеты проведены при следующих значениях входящих в формулы величин: Кіс = 0 7 МПа м (трещиностойкость пород), / = 5 10" м, уі=0,20, у3=0,25, уп = 25 кН/м3, Н=1000 м, ас = 10 МПа. Закономерности изменения относительных значений критерия показаны на рис.3.2. Превышение относительным критериальным параметром значений единицы означает возможность разрушения отрывом.
Изменения радиальной протяженности зон разрушения и промежуточных зон имеют полную качественную сходимость с данными работы [16]. Радиальная протяженность зон разрушения убывает с удалением от контура выработки, а радиальная протяженность промежуточных зон соответственно возрастает. Ниже будут приведены другие закономерности развития зональной структуры массива вокруг подземных выработок. Сравнительные значения границ зон разрушения приведены в табл.3.1 Максимальное отклонение отмечается в первой зоне, однако для практических целей ошибка идет «в запас». Максимальное отклонение для 4 зоны составляет величину менее 13 %. Зависимость хорошо описывает появление зон разрушения с первой по третью. Появление последующих зон описывается более сложными зависимостями. По мере роста напряжений отмечается слияние первых зон (см.рис.3.2). Проведены исследования зависимости радиальной протяженности зон разрушения и промежуточных зон от величины действующих в массиве напряжений. Зависимости радиальной протяженности зон разрушения и промежуточных зон от величины действующих в массиве напряжений показаны на рис. 3.3 и 3.4 На рис.3.3,а показано увеличение радиальной протяженности первой, второй, третьей и четвертой зон разрушения с ростом напряжений в массиве. На рис.3.4,а показано уменьшение радиальной протяженности первой,, второй, третьей и четвертой соответственно промежуточных зон с ростом напряжений в массиве Таким, образом, установлено, что с ростом напряжений величина радиальной протяженности зон разрушения возрастает, а радиальная протяженность промежуточных зон уменьшается; Характер этих изменений демонстрируют соответственно рис.3.3,б и рис.3.4,6. "Скорость" увеличения радиальной протяженности зон разрушения уменьшается с ростом номера зоны. "Скорость" же уменьшения радиальной протяженности промежуточных зон, напротив, возрастает с ростом номера зоны.
Особый интерес представляет исследование закономерностей влияния крепи горной выработки на развитие зональной структуры разрушения. На рис.3.5 показано, что при отсутствии крепи в массиве начинается формирование второй зоны разрушения. Это особенно неблагоприятно в случае замедления возникновения зон по отношению к моменту создания обнажения, так как возведенная с отставанием от забоя крепь подвергается в, этом случае повышенным нагрузкам. При наличии крепи такого состояния можно избежать, причем чем- больше сопротивление крепи, тем менее вероятно появление зонального характера разрушения. На рис.3.6 показано, что ив случае наличия крепи в массиве возможно развитие зонального характера разрушения. Однако это может происходить при значительно больших напряжениях в массиве, чем без крепи Так если в незакрепленной выработке первая зона разрушения появляется при у„Н7 ас = 3,1, то в этих же условиях наличие крепи с высоким сопротивлением ;(Р =10 МПа) позволяет формироваться зональному разрушению только при упН 7 тс = 4,1.
Конструкция многослойной жестко-податливой крепи с использованием элементов трения
Использование элементов трения в качестве составных частей податливой крепи широко распространено в конструкциях крепи подготовительных выработок [101]. В тоже время известны конструкции индивидуальной крепи очистных выработок, где применяются стойки трения для обеспечения устойчивости пород непосредственной кровли [102]. Поэтому использование элементов трения в качестве элементов обеспечения податливости внешнего по отношению к выработке слоя крепи позволяет удовлетворить основным требованиям к таким конструкциям. На рис. 4.3. представлен элемент двухслойной крепи (обделки) выработки, внутренний слой которой представляет собой жесткую конструкцию, а наружный слой податливый, обеспечивающий достаточное сопротивление смещениям контура выработки при образовании зон разрушения, но в тоже самое время предотвращающий разрушение внутреннего слоя. Материалы, применяемые для создания податливого слоя, должны удовлетворять ряду требований, в числе которых, достаточная прочность и способность сопротивляться нагружению для обеспечения несущей функции крепи, достаточная дешевизна, возможность работать в течение заданного срока службы выработки, а также технологичность применения в реальных условиях. 4.2.2. Конструкция податливого слоя Внешний податливый слой представляет собой двухслойный материал листового типа между слоями которого расположены механические элементы трения.
Чтобы обеспечить простоту и технологичность изготовления этого слоя, его предлагается изготавливать предварительно в виде готовых листов, затем листы закрепляются анкерами на контуре горной выработки перед возведением жесткого слоя. Необходимое сопротивление податливого слоя достигается путем изменения величины максимального сопротивления и количества элементов трения. Податливость слоя обеспечивается величиной высоты элемента трения. 4.2.3. Вариант конструкции сборной блочной крепи Конструкция жестко-податливой крепи возможна в блочном исполнении. В этом случае монтируются двухслойные блоки, которые собираются в кольца постоянной крепи с отставанием от забоя на заданную расчетом величину. Достоинством такого варианта крепления является возможность механизации возведения постоянной обделки (рис. 4.4). Таким образом, разработана жестко-податливая обделка регулируемого сопротивления с элементами трения, отличающаяся тем, что податливый слой выполнен из элементов трения, причем необходимое сопротивление податливого слоя достигается путем изменения величины максимального сопротивления и количества элементов трения, а податливость слоя обеспечивается величиной их высоты. Возможно как последовательное возведение податливого и жесткого слоев обделки в монолитном варианте, так и сборно-монолитный ее вариант, когда производится установка двухслойных блоков. 4.3.
Применение технологии набрызг-бетонирования для создания податливого слоя обделки В рассмотренных выше конструкциях податливые элементы крепились либо на внутреннем жестком слое обделки (элементы трения), либо помещались между внутренним и внешним слоями обделки (гранулированные сыпучие смеси). Применение набрызг-бетона позволяет существенно упростить процесс крепления податливого слоя на стенках выработки. 4.3.1. Конструкция податливого элемента В качестве податливого элемента может быть рассмотрен набрызг-бетон с мягкими включениями, обеспечивающими высокую степень податливости при разрушении такого композита (рис.4.5). Существенным отличием такого элемента от рассмотренного на рис.4.1 является то, что несущим элементом в композите является матрица, а податливым элементом - включение. После достижения напряжениями в матрице предельных значений, она разрушается, а податливые элементы, в качестве которых выступают, например, резиновые шарики, обеспечивают перемещение контура выработки на технологически допустимую величину. Во избежание произвольного перемещения бетоно-резиновой смеси после разрушения, на контуре выработки перед нанесением набрызг-бетона устанавливаются податливые полосы (рис. 4.5). Таким образом, податливый слой обделки выполняется секционным. Конструкция жестко-податливой обделки с использованием набрызг-бетонной технологии для создания податливого слоя представлена на рис. 4.5. В состав смеси раствора включается резиновая крошка и, применяя установки для нанесения набрызг-бетона, с незначительными изменениями, слой наносится на контур выработки. Смесь цементно-песчаного раствора с включениями резиновой крошки, нанесенная на контур горной выработки будет работать, как податливый слой, сопротивление которого заранее возможно задать путем изменения соотношения "резиновая крошка - цементно-песчаный раствор". Внутренний жесткий слой обделки возводят по обычной технологии; либо как монолитный бетонный, либо из сборных блочных или тюбинговых элементов (рис. 4.5).
Таким образом, разработана жестко-податливая двухслойная крепь горной выработки регулируемого сопротивления, отличающаяся тем, что податливый слой, представляющий из себя бетоно-резиновую смесь, наносится на контур выработки с использованием набрызг-бетонной технологии, а после этого возводится жесткий внутренний слой, причем податливость и несущая способность податливого слоя обеспечиваются процентным соотношением бетона и мягких включений в смеси. 4.4 Конструкция многослойной жестко-податливой крепи активного регулируемого сопротивления Проведенные в главе 3 аналитические исследования показали, что высокое сопротивление обделки способно оказывать благоприятное воздействие на развитие зональной структуры разрушения вокруг горной выработки. В этой связи встает задача разработки конструкции обделки с активным регулируемым сопротивлением, способной выполнять активные функции управления состоянием системы "обделка - массив". 4.4.1. Конструкция и материалы податливого элемента обделки На рис 4.6. представлен податливый элемент конструкции обделки регулируемого сопротивления с возможностью активного регулирования сопротивления податливого слоя. Элемент выполнен из прочного растягивающегося материала (резина) с полостями для размещения жидкости, выполняющей функции активного нагрузочного компонента. 4.4.2. Конструкция податливого слоя Полости соединены между собой каналами, а с внешней гидросистемой - трубами. Возможна как автономная работа нескольких элементов, так и совместное их регулирование для создания условий управления состоянием массива с зональным характером разрушения (рис. 4.6). 4.4.3. Конструкция крепи активного регулируемого сопротивления Крепь представляет собой двухслойную конструкцию, внутренний слой которой жесткий (материал - монолитный бетон либо сборный железобетон), а внешний слой представляет собой эластичный материал, внутри которого имеются заполненные жидкостью и соединенные между собой каналами полости, имеющие выходящие во внутрь выработки трубы, соединенные через регулировочный клапан с гидравлическим насосом.
Такая конструкция позволяет регулировать сопротивление и податливость обделки после ее монтажа и в процессе эксплуатации горной выработки. Технологически такой слой, возможно, выполнить из полимерного материала рулонного типа. Полости и каналы в материале создаются путем склеивания, или литья. После монтажа материала на контуре горной выработки, полости предварительно заполняются небольшим количеством жидкости, затем возводится жесткий слой крепи и после этого полости, окончательно заполняются жидкостью. Изменяя количество жидкости и ее давление внутри слоя, можно регулировать сопротивление обделки. Кроме того, возможно блочное исполнение такой обделки, где отдельный блок представляет собой двухслойную конструкцию, внутренний слой которой выполнен из жесткого материала (железобетон, чугун), а наружный слой выполнен из высокопрочного эластичного материала, в котором созданы полости для размещения в них напорной жидкости. В этом случае обделка монтируется как блочная, а отдельные блоки соединяются между собой напорными трубками, которые имеют связь с насосом. Таким образом, разработана конструкция жестко-податливой крепи горных выработок (обделок подземных сооружений) активного регулируемого сопротивления, отличающаяся тем, что податливый слой изготовляется из эластичного высокопрочного материала, имеющего полости, которые заполняются жидкостью и снабжены каналами для регулирования в них давления, что обеспечивает заданную податливость и величину сопротивления обделки.
