книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

ных горно-геологических факторов, что снижает уровень функционирования обратных связей между элементами сис­ темной модели "массив - технология подземное сооруже­ ние". К этим факторам, поддающимся изучению и анализу, прежде всего, относятся:

взаимодействие вмещающего породного массива с крепью горной выработки в режиме "заданной" на­ грузки (нагрузка от вывалов породы); технология проведения горной выработки;

особенности взаимодействия крепи и вмещающего массива при проведении горных выработок в однород­ ных породах.

С целью учета этих факторов в системе "массив - техно­ логия подземное сооружение" в МГГУ были проведены соответствующие исследования.

Наряду со смещениями породного контура одним из ос­ новных проявлений горного давления являются вывалы по­ роды из кровли и боков выработки. Они могут носить как локальный характер, так и охватывать весь периметр выра­ ботки. Вывалы происходят и при буровзрывном и при ком­ байновом способах проведения горных выработок. Подоб­ ные вывалы создают дополнительную нагрузку на крепь, часто приводящую к ее мгновенному разрушению и, следо­ вательно, к возникновению аварийных ситуаций. Анализу вывалов породы из кровли горных выработок посвящены работы Н.С. Булычева, Н.В. Кошелева, А.Г. Томасова и дру­ гих ученых. В этих работах подробно рассматриваются фор­ мы и размеры поперечного сечения вывалов, причины их возникновения с позиций геомеханики. Причинами вывалов, по мнению различных исследователей, являются:

действие сил тяжести пород в объеме свода обруше­ ния (В. Риттер, Ф. Энгессер, М.М. Протодьяконов);

действие растягивающих напряжений в кровле выра­ ботки; появление свода обрушения в условиях упруго­

сжатого контура выработки (Ф. Мор, А. Айзаксон);

свод обрушения есть результат образования вокруг выработки области неупругих деформаций (А. Лабасс, К.В. Руппенейт, Ю.М. Либерман); оценка процесса вывалообразования основывается на

данных практических наблюдений (К. Терцаги, В. Слесарев).

Тот факт, что в этих гипотезах механизм вывалообразо­ вания трактуется по-разному, не случаен и объясняется раз­ нообразием причин этого явления.

С целью определения минимальной несущей способности крепи от вывалов породы как одного из параметров крепи регулируемого сопротивления были проанализированы 654 вывала породы и установлено, что их причинами являются:

•перекрепление и расширение проектного сечения вы­

комбайновое проведение горной выработки (вывалы происходят на расстоянии более 10м от забоя) - 9,4%; ведение буровзрывных работ (вывалы происходят не­ посредственно в забое выработки на расстоянии до 5 м от него) - 35,4%; ведение буровзрывных работ (вывалы происходят на

расстоянии 5 -10 м от забоя выработки) - 14,6%; вывалы в близлежащих выработках при ведении взрывных работ в режиме сотрясательного взрывания - 8,7%.

Наблюдениями был охвачен следующий диапазон горно­ геологических условий проведения горных выработок: глу­ бина заложения Н = 80 -г-1160 м, крепость вмещающих по­ род f = 3-ь 9, угол залегания горных пород CI= 0-г 74° и пло­ щадь поперечного сечения выработок S = 5,2-ь 26 м2

Из перечисленных пяти причин вывалов 4 относятся к собственно процессу проведения выработок комбайновым или буровзрывным способом. По высоте вывалы распреде­ лились следующим образом:

вывалы до 1 м - 118 (18,1 %); вывалы от 1 м до 2 м - 322 (49,2 %);

•вывалы от 2 м до 3 м - 90 (13,8 %);

•вывалы свыше 3 м - 124 (18,9 %).

Максимальная зарегистрированная высота вывала соста­ вила 14,0 м. Объем вывалов колеблется от 3,6 м3 до 2000 м3 при их длине вдоль выработки от 1 м до 100 м. Крупные вы­ валы по длине выработки, как правило, приурочены к мес­ там геологических нарушений (трещины с большим раскры­ тием, перегибы пород и др.) и наличию сильно обводненных пород в кровле выработки.

Данные по некоторым этим вывалам приведены в табл. 4.2. При этом необходимо отметить, что при комбайновом проведении выработки эти вывалы происходят на некотором расстоянии от забоя, а при буровзрывном способе непо­ средственно в призабойной части выработки во время веде­ ния взрывных работ. Случаев вывалов породы из кровли выработок, проводимых буровзрывным способом, на рас­ стоянии 10-5- 30 м от забоя зарегистрировано не было.

Результаты натурных наблюдений за вывалами породы из кровли выработок и анализ имеющихся данных о вывалах позволили установить механизм вывалообразования при комбайновом и буровзрывном способах проходки.

При комбайновой проходке законтурный массив выра­ ботки остается в нетронутом состоянии и в нем отсутствуют трещины от взрывных работ. Забой выработки сдерживает деформации массива пород. И хотя часть массива, непосред­ ственно прилегающая к забою, и претерпевает некоторые деформации, основная же их часть не реализуется ввиду того, что действующие напряжения недостаточны для раз­ рушения породного массива, находящегося в трехосном на­ пряженном состоянии. При удалении забоя выработки и, соответственно, переходе массива из трехосного напряжен­ ного состояния в двухосное, его предельная сопротивляе­ мость разрушающим напряжениям снижается, что в случае слабых вмещающих пород в кровле выработки приводит к их разрушению. Если при этом кровля выработки представ­ лена сложными породами типа аргиллитов или алевролитов, имеющих естественные поверхности ослабления, то процесс разрушения породы в первую очередь реализуется по по-

верхности ослабления, что и приводит к вывалообразованию. Размер вывала определяется расстоянием до поверхно­ сти ослабления, по которой произошло разрушение контак­ тов породных слоев. Для этого достаточно, чтобы нормаль­ ные и касательные напряжения на поверхности ослабления <тп и тп были больше их прочности на сдвиг. Эти вывалы

создают динамические нагрузки на уже установленную крепь и, в случае ее некачественного контакта с массивом пород, приводят к обрушению крепи на расстоянии 10-?- 30 м от забоя выработки. Это создает аварийную ситуацию и резко ухудшает безопасность ведения работ по проходке выработки. На шахтах "Ворошиловградская №1" и "Октябрьский рудник" на ликвидацию подобных аварий затрачивались значительные материальные и трудовые ре­ сурсы, ремонтные работы производились в течении 3 5 суток.

При буровзрывном способе проведения выработок в ана­ логичной ситуации эти вывалы также происходят. Однако при проведении выработок буровзрывным способом вокруг нее под воздействием на породный массив взрывных работ формируется зона технологической неоднородности, породы в которой, уже в первоначальный момент времени после проведения, разрушены трещинами. Поэтому вывалы поро­ ды из кровли в этом случае реализуются непосредственно во время взрывных работ при динамическом воздействии взрывной волны. На устанавливаемую впоследствии в выра­ ботке крепь они в основном не оказывают влияния и могут определять только выбор предохранительной и временной конструкции крепи. Однако и в этом случае они негативно сказываются на условиях проведения выработки: могут раз­ рушить ближайшие к забою 5 -г-6 рам крепи; образующие купола, не позволяют производить качественную забутовку закрепного пространства и требуют выкладки костров, и, наконец, они увеличивают площадь породного обнажения и сечение выработки в проходке, что требует дополнительных времени и затрат на погрузку излишка горной породы.

Среди многообразных форм вывалов 73 % имеют сводча­ тую и конусную формы.

С целью получения зависимостей высоты вывалов от раз­ личных факторов был выполнен корреляционный анализ вывалов по причинам их возникновения.

Оказалось, что при возникновении вывалов при ведении БВР на пластах крутого падения большое влияние оказывает угол залегания горных пород Q.

При крутом залегании пластов к анализу были приняты 119 вывалов породы. Диапазон изменения влияющих факто­ ров:

• глубина заложения выработок Н = 530 - 1160 м;

•изменение угла залегания пород а =51-71°;

•изменение плошади поперечного сечения выработок

S„p = 6,4 - 15,5 м .

В результате множественного корреляционного анализа была получена следующая зависимость высоты вывала от принятых к анализу факторов:

При этом коэффициент детерминации составил 0,91.

В данных условиях наибольшее влияние на высоту вывала оказывают угол залегания пород Я и их крепость f. Высота вывалов в этом случае достигает 13,4 м.

При пологом залегании горных пород к анализу были приняты 133 вывала. Диапазон изменения влияющих вели­ чин составляет: по глубине заложения выработки Н = 80ч-540 м, по ширине выработки в проходке Ь„р = 4,18 ч-5,7 м, по крепости вмещающих пород f = 3 ч- 7, по высоте выра­ ботки Ьвыр = 2,8 ч- 3,5 м.

В результате множественного корреляционного анализа

При этом коэффициент детерминации составил 0,76. Высота вывала в этом случае редко превышает величину

2,5 м.

При перекреплении квершлагов зависимость для опреде­ ления высоты вывала имеет следующий вид:

При этом коэффициент детерминации составил 0,76.

В данном случае максимальное влияние на высоту вывала оказывает крепость пород f и ширина выработки Ьпр. Как и в предыдущем случае, глубина заложения выработки оказы­ вает минимальное влияние на высоту вывала.

Одной из интересных причин возникновения вывалов яв­ ляются вывалы, происходящие в сопряженных выработках при ведении сотрясательного взрывания при вскрытии вы­ бросоопасных пластов.

Диапазон изменения площади поперечного сечения рас­ смотренных выработок изменялся от 7,2 до 12,8 м2, глубина ведения горных работ от 520 м до 1100 м, а угол залегания порода = 54-64°. Высота вывалов достигала от 3,0 до 9,5 м. Вывалы происходили на расстоянии L до 90 м от места веде­ ния взрывных работ.

В результате корреляционного анализа была получена следующая зависимость для определения величины вывала:

Ьвы, = 0,27 + 0,59 Ь„р - 0,43 f + 0,005Н + 0,1 а - 0,0005L; (4.6)

Чем больше пролет выработки, тем больше вероятность и высота вывала. Чем больше расстояние от забоя, где ведется сотрясательное взрывание» тем меньше вероятность вывалообразования и высота купола.

Полученные зависимости позволяют определять нагрузку на крепь горной выработки от вывалов породы и тем самым более обоснованно подходить к проектированию строитель­ ства горных выработок в сложных геомеханических услови­ ях.

Значительным фактором* влияющим на устойчивость гор­ ных выработок, является технология их проведения. Для горных выработок угольных шахт и горнорудных предпри­ ятий основными способами строительства выработок явля­ ются буровзрывной и комбайновый.