книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

Уплотнение 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:

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:

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:

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

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.