книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

честве, в первую очередь, необходимо использовать для раз­ мещения в них горной породы, отходов обогатительных фабрик, ТЭЦ и других экологически вредных производств, т.к. размещение этих отходов не требует дальнейшего посто­ янного присутствия людей и не оказывает вредного влияния на окружающую геологическую среду.

Глава 4

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В СЛОЖНЫХ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

§ 4.1. Анализ современных способов обеспечения устойчивости горных выработок

Проблема крепления и обеспечения устойчивости капи­ тальных горных выработок, особенно с учетом их долговеч­ ности и повторного использования, является одной из самых актуальных в комплексе вопросов их строительства и экс­ плуатации.

Увеличение площади поперечного сечения выработок привело к росту объемов применения и изготовления крепей из более тяжелых профилей (СВП - 27, 33). Их объем растет ежегодно на 10 % при неуклонном снижении доли легких профилей.

Постоянное увеличение глубины горных работ за послед­ ние 15 лет (10 15 м в год) также вызвало необходимость применения более тяжелых и мощных крепей, при этом средние расчетные нагрузки на них возросли в 2,3 раза, что естественно, привело к увеличению стоимости крепления и трудоемкости работ.

Интенсификация горных работ вызвала необходимость увеличения емкости вагонеток и количества воздуха дл^ проветривания, что привело к ежегодному увеличению пло­ щади поперечного сечения выработок в среднем на 10 %.

Несмотря на то, что объем всех выработок в шахтном строительстве снизился на 31,4 % к объему 1992 г., проблема обеспечения устойчивости этих выработок по-прежнему ос­ тается актуальной; интенсивно ведется реконструкция шахт.

Повышение эффективности шахтного и подземного строительства может быть достигнуто за счет создания и внедрения прогрессивных энерго- и материалосберегающих технологий строительства горных выработок и подземных сооружений, а также методов их проектирования.

Крепление горных выработок является при этом одним из самых сложных процессов при строительстве подземных сооружений. Трудоемкость и стоимость крепления состав­ ляют 40 — 50 %, а иногда и более, от общей трудоемкости и стоимости работ по строительству подземного объекта. В связи с ухудшением горно-геологических условий строи­ тельства горных выработок, связанным в первую очередь с увеличением глубины ведения горных работ, несмотря на возросшую за последние годы в 1,4 раза металлоемкость крепи и широкое применение тампонажа закрепного про­ странства, ежегодный объем перекрепления составляет 10 — 15 % от общего объема вновь проводимых горных вы­ работок, а в выработках глубоких шахт он доходит до 65 %. Аналогичная картина наблюдается и в зарубежной практике крепления горных выработок. Так на шахтах Германии с увеличением глубины разработки с 730 до 850 м расход ста­ ли на 1 м выработки возрос на 40% (с 320 до 450 кг) и имеет тенденцию к дальнейшему увеличению. Удельный вес затрат на ремонт выработок глубоких шахт в себестоимости товар­ ного угля доходит до 14%.

Всвязи с этим, перед угольной промышленностью России

идругих ведущих угледобывающих стран остро встала про­

блема снижения материалоемкости применяемых конструк­ ций крепи и, в конечном итоге, снижения себестоимости товарной добычи. В последние годы исследования в этой области ведутся по двум направлениям:

•увеличение несущей способности и улучшения усло­ вий работы металлической арочной крепи;

вовлечение в работу по противодействию силам гор­ ного давления самого массива горных пород, вме­ щающего выработку.

Одним из наиболее перспективных направлений в по­ следнем случае является применение анкерной и набрызгбетонной крепей как в самостоятельном виде, так и в их комбинации с другими конструкциями.

Опыт ведения горно-строительных работ в сложных геомеханических условиях показывает, что для обеспечения надежного эксплуатационного состояния горных выработок во многих случаях, наряду с установкой крепи, требуется применение специальных мероприятий (меры по охране горных выработок).

К.В. Кошелев и В.Ф. Трумбачев [64] выделяют 17 способов охраны горных выработок. К применяемым при строитель­ стве капитальных горных выработок способам охраны, мож­ но отнести следующие:

• способы, предусматривающие рациональное располо­ жение выработок в массиве горных пород (располо­ жение выработок в прочных породах, их направление относительно напластования, трещин);

способы, обеспечивающие создание благоприятного напряженно-деформированного состояния породного массива (проектирование выработок рациональной формы поперечного сечения, взаиморасположение выработок относительно друг друга, расположение выработок в разгруженных от напряжений областях массива, снижение напряжений в окружающем выра­ ботку массиве методом щелевой или скважинной раз­ грузки);

способы, использующие особенности технологии гор­ но-строительных работ (определение рационального способа проведения выработки, последовательность ведения работ по выемке породы и возведению крепи, использование технологической податливости крепи, проведение выработки в два этапа).

Часть способов охраны горных выработок в соответствии с классификацией, приведенной в гл. 2, относится к спосо-

бам воздействия на массив горных пород и к организацион­ но-техническим мероприятиям при проходке выработок.

Применение первой группы способов не всегда возможно из-за принятого технического проекта шахты или реальных геомеханических условий.

Вторая группа способов повышения устойчивости выра­ боток направлена на изменение напряженно-деформи­ рованного состояния вмещающего породного массива. В большинстве случаев эти способы содействуют снижению действующих вокруг выработки напряжений. Применяемые на шахтах арочная и сводчатая формы поперечного сечения выработок делают минимальной концентрацию напряжений на контуре породного обнажения, что способствует повы­ шению его устойчивости. Капитальные выработки мало под­ вержены влиянию очистных работ. Кроме того, при строи­ тельстве нового блока шахты невозможна предварительная разгрузка породного массива его надработкой или подра­ боткой.

В геомеханическом и экономическом обосновании для горных выработок угольных шахт нуждается способ двойной проходки, широко применяемый при строительстве тонне­ лей. Разгрузка пород, вмещающих выработку, выбуриванием специальных щелей является весьма трудоемким процессом, требующим специального оборудования.

Значительную роль в повышении устойчивости горных выработок играет технология ведения горно-строительных работ. Так способ проведения горной выработки (буро­ взрывной или комбайновый) оказывает большое влияние на формирование вокруг горной выработки областей разруше­ ния и на величину смещений ее породного контура.

Использование технологической податливости крепи мо­ жет заметно сказаться на устойчивости выработки, однако в большинстве случаев ее целесообразно использовать в ком­ плексе с другими мероприятиями по повышению устойчиво­ сти горной выработки.

Применение крепи является основным мероприятием для поддержания горных выработок в эксплуатационном со­ стоянии.

Крепление выработок как способ обеспечения их формы и размеров, заданных по условиям эксплуатации, преду­ сматривает либо возведение специальных подземных конст­ рукций (крепей), либо образование в самом массиве искус­ ственных породных конструкций, способных выполнять функции грузонесущих крепей.

Практика эксплуатации горных выработок в сложных геомеханических условиях дает основание утверждать, что в большинстве случаев даже самые мощные конструкции кре­ пи (металлобетонные, тюбинговые) не в состоянии обеспе­ чить надежное эксплуатационное состояние горной выра­ ботки. Гораздо более прогрессивным является создание об­ легченных конструкций крепи, использующих несущую спо­ собность окружающего выработку массива горных пород. Здесь можно выделить несколько направлений, по которым проводятся исследования.

Широко применяется в последнее время тампонаж закрепного пространства, особенно на шахтах Западного Дон­ басса (Украина). В большинстве случаев тампонаж произво­ дится цементно-песчаными растворами, нагнетаемыми меж­ ду породным обнажением и установленной в выработке крепью. Тампонаж закрепного пространства создает благо­ приятные условия для работы собственно крепи, способст­ вуя передаче на нее более равномерной нагрузки. Тампо­ нажные растворы проникают в приконтурную часть массива пород, вовлекая его совместно с крепью в систему, противо­ действующую силам горного давления. Однако рассматри­ ваемый способ не лишен существенных недостатков. gG_ первых, тампонажный слой и металлическая арочная Крепь имеют различные жесткости, ввиду чего работают в р азд ^ . ных режимах; тампонажный слой препятствует работе арки в податливом режиме. Во-вторых, набрызг-бетон в данном случае выполняет роль облицовочной оболочки, предоэ^. няющей вытекание тампонажного раствора в выработку и не несет никаких функций несущей крепи. Помимо ^тх^то набрызг-бетон имеет плохую адгезию с металлом. Вес Это ограничивает область применения тампонажа закрегщого пространства как способа повышения устойчивости в ы р ^ о_ ток условиями, где возможно применение жестких ко^ст_

рукций крепей, а при значительных смещениях породного контура он будет малоэффективным.

Взарубежной практике также широкое распространение получили системы крепи с высокой несущей способностью с заполнением закрепного пространства быстротвердеющими смесями [41]. Благодаря этому, достигается уменьшение кон­ вергенции выработки на 1/з от ожидаемой при забутовке закрепного пространства породой.

Вбудущем для крепления горных выработок потребуется

крепь, обеспечивающая рабочее сопротивление до 2 МПа, при этом строительные смеси могут использоваться как по­ датливые элементы комбинированных крепей.

Гораздо более перспективным способом повышения ус­ тойчивости горных выработок является упрочнение вме­ щающего породного массива. Значительный практический опыт применения упрочнения накоплен в отечественной [5, 36] и зарубежной [105] практике шахтного и подземного строительства. Сущность способа заключается в следующем: с течением времени при превышении действующими на­ пряжениями прочности вмещающих пород вокруг выработ­ ки формируется зона полного разрушения пород. При на­ гнетании под давлением в породы этой зоны песчано­ цементного раствора последний заполняет трещины между кусками породы, и вокруг выработки формируется мощная породобетонная оболочка, воспринимающая значительные нагрузки со стороны массива. Несущая способность такой оболочки намного превышает несущую способность извест­ ных конструкций крепи. В настоящее время разработаны геомеханические основы и параметры применения упрочне­ ния пород и разработаны технологические схемы ведения работ по упрочнению. Основными параметрами способа являются: прочность затампонированного кольца пород и время начала ведения работ по упрочнению. Однако не­ смотря на столь очевидные преимущества, данный способ повышения устойчивости выработок применяется в угольной промышленности недостаточно широко, в основном, при "спасении" горных выработок. Его, более широкому, вне­ дрению препятствует ряд недостатков. Во-первых, это отсут­ ствие серийно изготовляемого высокопроизводительного

оборудования для нагнетания растворов. Во-вторых, необхо­ димость предварительного тампонажа закрепного простран­ ства и связанного с ним трудоемкого и немеханизированно­ го процесса чеканки швов и трещин между элементами кре­ пи. В-третьих, упрочнение пород возможно производить лишь после образования области разрушения (примерно через 20 -30 суток после проходки выработки). За это время смещения породного контура могут реализоваться настоль­ ко, что необходимость в упрочнении пород для восприятия оставшейся части смещений будет отсутствовать. С другой стороны, деформирование пород может затронуть настолько большую часть массива, что образуемое упрочнением жест­ кое кольцо будет не в состоянии предотвратить дальнейшее расслоение пород вокруг выработки.

С целью преодоления перечисленных недостатков были предложены конструкции крепи [36], в которых упрочнен­ ная оболочка выполняет основную несущую функцию, а в качестве облицовочной оболочки, предотвращающей выте­ кание скрепляющего раствора в выработку, предлагается использовать либо синтетическую пленку, наносимую на породное обнажение выработки, либо эта оболочка образу­ ется путем вытекания раствора из трещин в породе и его твердении между породным обнажением и щитомопалубкой. Наиболее оптимальным является использование

вкачестве обделки слоя набрызг-бетона.

Вцелом, оценивая возможности применения упрочнения пород для повышения устойчивости горных выработок, не­ обходимо отметить, что оно является важным элементом при разработке системы управления устойчивым состоянием капитальных горных выработок.

Существенным шагом в развитии способа упрочнения пород является крепь "Монолит" [66]. При глубинном упроч­ нении пород упрочняется лишь та часть массива, которая * была разрушена силами горного давления, что, в конечном счете, предопределяет несущую способность упрочненной оболочки. В крепи "Монолит" зона разрушенных пород соз­ дается путем взрывания камуфлетных зарядов, расположен­ ных в шпурах, пробуренных перпендикулярно контуру вы­ работки вглубь массива. Путем регулирования длины цщу-

ров и массы заряда возможно получение области разруше­ ния заданных размеров и формы. Помимо этого крепь "Мо­ нолит" позволяет регулировать время проведения работ по упрочнению. В полученную искусственным путем зону раз­ рушения пород нагнетается песчано-цементный раствор и, таким образом, вокруг выработки создается несущая поро­ добетонная оболочка. Вместе с тем, параметры этой крепи являются еще не определенными: не решен вопрос о пре­ дотвращении вытекания тампонажного раствора в выработ­ ку, открытым остается и вопрос о предотвращении возмож­ ного вывала разрушенной породы в выработку. Крепь "Мо­ нолит" нашла широкое применение лишь для борьбы с пу­ чением почвы выработки (способ АРПУ).

Другим направлением в использовании несущей способ­ ности вмещающего массива является применение набрызгбетонных и анкерных крепей. Данные конструкции крепи являются наиболее экономичными и наименее трудоемкими. Стоимость крепления выработок этими крепями и затраты на их возведение составляют всего 28 и 13% соответственно от общей стоимости и трудоемкости строительства выработ­ ки. Вопросы крепления выработок набрызг-бетоном и анке­ рами достаточно хорошо изучены в исследованиях россий­ ских и зарубежных ученых. Однако до последнего времени эти виды крепи применялись самостоятельно или в сочета­ нии с другими крепями лишь для крепления горных вырабо­ ток, расположенных в устойчивых породах.

Действующим нормативным документом СНиП-И-94-80 "Подземные горные выработки" набрызг-бетонная крепь в "чистом" виде рекомендуется к применению в породах I ка­ тегории устойчивости. При смещениях породного контура выработки до 50 мм, а в сочетании с металлической сеткой и анкерами и в породах II категории устойчивости при смеще­ ниях до 200 мм СНиП Н-94-80 допускает использовать в ка­ честве критерия оценки устойчивого состояния горных вы­ работок безразмерный параметр (Y" удельный вес горных пород, Н - глубина заложения выработки, R - проч­ ность пород на одноосное сжатие).

В.Ф. Компанеец и И.Ю. Заславский классифицируют об­ ласти применения набрызг-бетона в зависимости от этого параметра [55].

При yH/R<0,25 рекомендуется применять набрызгбетонную крепь толщиной до 50 мм без элементов усиления; при величине yH/R = 0,25-0,30 толщина набрызг-бетона 5080 мм, элементы усиления анкеры (при плоской кровле). При yH/R = 0,31-0,40 толщина усиленной анкерами на- брызг-бетонной крепи достигает 80-100 мм. Такая же вели­ чина этой крепи при значении параметра yH/R = 0,4-0,45, но в этом случае ее рекомендуется применять в сочетании с металлической арочной крепью из спецпрофиля или с последующим упрочнением пород скрепляющими раствора­ ми. По данным МакИСИ набрызг-бетон в сочетании с уп­ рочнением пород следует применять до величины параметра yH/R = 0,40.

В работе Н.Н. Фотиевой и др. [98] для определения облас­ ти применения набрызг-бетона, последний рассматривается как элемент многослойной системы, работающей совместно с окружающим массивом пород (в режиме совместной де­ формации). Однако использование аналитического решения плоской контактной задачи теории упругости для решения поставленной задачи ограничивает область этого решения, так как горные породы в очень узком диапазоне горно­ геологических условий ведут себя как упругие тела.

Набрызг-бетонная крепь получила широкое распростра­ нение в горнорудной промышленности. В Кривбассе (Украи­ на) ею крепится 70% всех выработок, в Рудном Алтае еже­ годный объем ее применения составляет 30 -35 км. Анало­ гичная картина наблюдается и на других рудных месторож­ дениях. Это объясняется тем, что рудные тела расположены в очень крепких горных породах, которые даже на глубинах порядка 600 800 метров не разрушаются под действием напряжений.

Небольшой опыт крепления горных выработок набрызгбетоном накоплен и в угольной промышленности. Подробно анализ опыта крепления выработок набрызг-бетоном приве­ ден в работе А.В. Быкова и др. [34]. Анализ табл. 1 этого ис230