выбора крепи горных выработок.

Под управлением горным давлением обычно понимают совокупность мероприятий по регулированию напряжённо-деформированного состояния горных пород, окружающих горные выработки, в целях обеспечения их безопасной эксплуатации и создания необходимых условий ведения технологических процессов добычи полезных ископаемых.

Задачи управления горным давлением в капитальных и подготовительных выработках включают в себя:

а) обеспечение необходимых требований к форме, размерам поперечных сечений и сохранности выработок во времени с точки зрения обеспечения нормальных условий для выполнения технологических операций при добыче полезных ископаемых;

б) обеспечение безопасных условий работы людей и механизмов на протяжении всего срока эксплуатации выработок;

в) выбор наиболее экономичных мероприятий по обеспечению устойчивости выработок и их поддержанию.

Поскольку виды проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках определяются соотношением величин действующих напряжений и деформационных характеристик окружающего массива пород, мероприятия по управлению горным давлением могут быть направлены:

* на снижение действующих напряжений в массиве;

* на целенаправленное изменение (повышение или уменьшение) деформационной способности и прочностных характеристик приконтурной части массива.

Снижения величин действующих напряжений можно достигать следующими способами:

1. Исключать или по мере возможности снижать опасность возникновения чрезмерных концентраций напряжений в приконтурных частях массива.

Этого можно достичь специальной организацией и методами проведения проходческих работ.

В частности, расстояния между выработками (размеры целиков) выбирают так, чтобы не было наложения зон их влияния или размеры зон взаимного влияния были минимальны. С этой целью пересечения выработок стараются выполнять под прямым углом. При подходе одной выработки к другой, перпендикулярного направления, сбойки выработок стремятся выполнять «забой в забой», поскольку области влияния выработок со стороны забоя в массив много меньше, чем со стороны стенок

2. Придавать выработкам наиболее устойчивые формы поперечных сечений, которые определяются как видом и параметрами напряженного состояния массива пород, так и его структурными особенностями.

В частности, для горизонтальных выработок устойчивые формы поперечных сечений следует выбирать так, чтобы исключить зоны растягивающих напряжений в кровле, т.е. путём изменения высоты подъёма свода, а также соотношений ширины и высоты выработок для более полного соответствия особенностям напряжённого состояния и структуры конкретного массива пород.

В некоторых случаях рациональным является отказ от сводчатой формы сечений выработок и переход к сечениям, образованным ломаной линией (рис. 14.1).

Фото сечения выработки в анизотропном массиве

Рис. 14.1. Рациональная форма сечений горизонтальных выработок при проявлении анизотропии прочностных свойств массива пород, обусловленной структурными неодно-родностями.

 

3. Выбирать оптимальную ориентацию сечений вертикальных выработок или направлений горизонтальных выработок в пространстве конкретного массива пород.

В качестве примера на рис. 14.2 приведена оптимальная ориентация сечений вертикальной выработки в массиве скальных пород с интенсивной трещиноватостью, представленной четырьмя системами крупноблоковых трещин.

Здесь в основу оптимизации положен принцип сосредоточения зон разрушения пород на возможно меньшей длине контура сечения.

Рис. 14.2. Оптимальная ориентировка эллиптического (а) и прямоугольного (б) сечений вертикального ствола в массиве скальных трещиноватых пород.

1,2,3,4 - соответственно зоны возможных вывалов, ограниченных в плане трещинами широтной (I), меридиональной (II), наклонной (III) и пологой (IV) систем.

 

При нахождении оптимального направления горизонтальных выработок в пространстве относительно структурных особенностей и компонент поля напряжений основным принципом является минимизация вероятностей разрушения по естественным трещинам в пределах приконтурной области массива.

Для горных предприятий эти рекомендации порой затруднительно реализовать, поскольку направления выработок жёстко увязываются с элементами залегания рудного тела, в то же время для многих типов подземных сооружений расположение выработок по оптимальным направлениям весьма эффективно и позволяет существенно сократить расходы на крепление и поддержание выработок.

Изменить деформационную способность и прочностные характеристики приконтурной части массива можно также различными способами:

1. Путём искусственного упрочнения пород вокруг выработок.

К подобным мероприятиям относится тампонирование пород, в частности цементация и укрепление трещиноватых массивов битумизацией или глинизацией пород. Эти способы позволяют повысить сцепление пород в массиве.

В некоторых случаях бывает достаточно повысить прочность вмещающих пород лишь на сравнительно короткий период времени, до возведения постоянной крепи. С этой целью используют специальные способы проведения выработок с замораживанием пород.

Эффективны также кессонные способы проходки выработок при создании избыточного давления воздуха в призабойной зоне. В этом случае породы приконтурного массива постоянно находятся в условиях объёмного напряжённого состояния, а это резко изменяет в сторону увеличения их прочностные и деформационные свойства.

Возможно также искусственное снижение деформационных характеристик приконтурного массива с целью снижения величин действующих напряжений.

Воскобоев Ф.Н., Бучатский В.М., Звёздкин В.А. Способ активного управления геомеханическим состоянием массива горных пород в окрестности одиночной пластовой подготовительной выработки в сложных горно-геологических условиях. Уголь, №9,2006,3-6.

В качестве примера приведём метод активного управления геомеханическим состоянием массива пород в окрестности одиночной пластовой подготовительной выработки в сложных горно-геологических условиях. Метод основан на безполостной релаксации напряжений до уровня, не превышающего предела прочности массива, вмещающего выработку. Релаксацию напряжений предлагается производить за счет раскрытия природных и образования техногенных трещин при воздействии рабочей жидкости, например водных растворов ПАВ, на угольный массив в режиме напорной фильтрации (рис. 14.3).

 

Рис. 14.3. Перераспределение поля напряжений в приконтурной области горного массива до и после разуплотнения краевых частей угольного пласта:

(l — зона разуплотнения угля краевой части угольного пласта; 1,2 — напряжения в зоне опорного давления до и после разуплотнения угольного пласта, 3 — область разгруженных пород

 

 

2. Путём предотвращения изменения свойств пород приконтурного массива под влиянием агентов выветривания.

Для этого в выработках применяют изолирующие виды крепи.

3. Путём применения мероприятий, направленных на максимальное использование несущей способности пород.

К ним относятся способы проходки выработок, обеспечивающие минимальное разрушение пород вокруг выработок, в частности, ведение взрывных работ методом контурного взрывания, проведение выработок бурением на полное сечение и др.

4. Возведение в выработках того или иного вида несущих крепей.

Из всех способов повышения устойчивости выработок этот способ находит наибольшее применение, поэтому рассмотрим взаимодействие крепи горных выработок с массивом окружающих пород более детально.

Крепь горных выработок следует рассматривать как активный элемент системы “крепь—массив”, состояние которой (в том числе и напряжения в крепи) определяется в равной степени деформационно-прочностными характеристиками как массива окружающих выработку пород, так и самой крепи.

Это наглядно может быть показано на графике (рис. 14.4), где координаты точек пересечения деформационных характеристик крепи с кривой деформирования породного контура выработки определяют значения нагрузки на крепь Р и смещения и поверхности выработки и самой крепи при достижении состояния равновесия.

 

Рис. 14.4. Зависимости нагрузок на крепь от деформационных характеристик пород на контуре выработки и крепи.

1,2 - характеристики деформирования пород на контуре выработки до и после установки штанговой крепи. I, II — характеристики деформирования крепей различных конструкций; III - характеристика деформирования штанговой крепи. Р₁ и Р₂, u₁ и u₂ - соответственно давления и смещения пород на контуре выработки в зависимости от деформационных характеристик крепи и времени её включения в работу.

 

Очевидно, при более жестких характеристиках крепи (например кривая III) точка пересечения на графике будет располагаться выше, а следовательно, нагрузка на крепь будет больше.

При этом необходимо подчеркнуть, что если издавна применяемые деревянные, каменные, бетонные, железобетонные и тюбинговые крепи непосредственно не изменяют деформационно - прочностных свойств пород, окружающих выработки, а лишь в определенной степени ограничивают их деформации и предотвращают разрушение, то различные виды анкерной крепи значительно повышают предел прочности на растяжение и сцепление пород в приконтурной части массива вследствие введения в породы металлической арматуры и заполнения раскрытых трещин бетоном при железобетонных штангах (на рис. 14.4 кривая деформирования пород после установки штанговой крепи смещается вверх). Этим в первую очередь и объясняется эффективность анкерной крепи, ее быстрое и широкое распространение в горной практике.

В зависимости от характера взаимодействия крепи и пород выделяется несколько режимов (рис. 14.5).

Рис. 14.5. Схемы режимов взаимодействия крепи выработок и массива окружающих пород.

Режим: а - заданной нагрузки на крепь [R=P; Dl=f₁(P); Dl не влияет на P]; б - заданной деформации (R практически не влияет на Dl₁): в - взаимовлияющей деформации крепи и массива [Dl = f (Q,R)]; г - комбинированный [Dl = f (P, Q, R)]. Q и R - сопротивление соответственно пород и крепи; Р — вес отделившихся объемов пород; q - напряжения в массиве пород вокруг выработок.

 

В частном случае крепь выработки может быть загружена отделившимися от массива пород небольшими объемами. При этом смещения крепи практически не будут влиять на нагрузки на крепь. Подобный режим называют режимом заданной нагрузки (рис. 14.5 а).

Если же реактивное сопротивление крепи практически не влияет на перемещения поверхности соприкосновения крепи с породой, такое взаимодействие называют режимом заданной деформации (рис. 14.5 б). Оно характерно для участков выработок, подверженных высоким напряжениям, например в зонах опорного давления.

Наиболее часто крепи подготовительных и капитальных выработок находятся в режиме взаимовлияющей деформации (рис. 14.5 в). Смещение поверхности соприкосновения крепи с породой зависит в этом случае от сопротивления крепи.

Наконец, в практике возможны случаи, когда крепь работает в комбинированном режиме, например, одновременно в условиях взаимовлияющей деформации и заданной нагрузки (рис. 14.5 г).

Выделение основных режимов взаимодействия крепи массива пород позволяет в каждом конкретном случае определять наиболее вероятный режим работы крепи и в соответствии с этим рассчитывать и выбирать ее параметры.

Например, как показывают результаты исследований устойчивости капитальных и подготовительных выработок в условиях скальных трещиноватых массивов, крепи выработок в этом случае, как правило, работают в режиме заданной нагрузки и испытывают незначительное давление, обусловленное весом отделившихся структурных блоков или их частей, потерявших связь с массивом в результате скола или отрыва по поверхностям естественных трещин. В таких условиях крепь должна удовлетворять требованиям:

а) быть ограждающей, а не грузонесущей конструкцией, предотвращающей образование заколов и выпадение породы в выработку;

б) изолировать стенки от воздействия агентов выветривания, так как при выветривании ускоряются процессы разрушения приконтурного массива пород;

в) обеспечивать упрочнение связей между отдельными блоками массива.

Этим требованиям наиболее полно удовлетворяет комбинированная крепь из железобетонных анкеров с набрызгбетонным покрытием стенок и кровли выработок.

В случае применения крепей, способных оказывать противодавления на окружающий выработку массив (режим взаимовлияющей деформации массива и крепи, рис. 14.5 в) резко изменяются условия деформирования пород. Даже весьма небольших усилий, развиваемых распорными крепями, часто бывает вполне достаточно для того, чтобы значительно повысить прочностные характеристики массива пород вследствие перевода их из плоского напряженного состояния в объемное.

Аналогичную роль оказания противодавления на породы приконтурного массива выполняют буровые растворы при проведении и поддержании буровых скважин, которые по ряду своих характерных признаков могут служить в известном смысле моделями горных выработок. При этом весьма существенно, чтобы плотность бурового раствора, а следовательно и противодавление, оказываемое им на породы в стенках скважин, тесно увязывались с начальным полем напряжений в массиве и свойствами пород для предотвращения в приконтурном массиве возникновения растягивающих напряжений.