CC BY
18
© Е.Б. Росстальной, С.М. Простов, В.А. Хямяляйнен, 2009
УДК 622.33: 550.375
Е.Б. Росстальной, С.М. Простое, В.А. Хямяляйнен
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПРИКОНТУРНОЙ ЗОНЫ МАССИВА, ПРИЛЕГАЮЩЕГО К МЕТАЛЛОБЕТОННОЙ КРЕПИ
Приведены результаты экспериментальных исследований процессов трещинообразова-ния и цементации на опытном участке.
Ключевые слова: сталебетонная крепь, приконтурная зона массива, трещиноватость, закрепное пространство.
Семинар № 3
E.B. Rosstalnoj, S.M. Prostov,
V.A. Hjamjaljajnen STUDYING NEAR-TO-CONTOUR MASSIF ZONE STRUCTURE ADJACENT TO STEEL-CONCRETE TIMBERLING
The results of experimental researches of cracking and cementation processes on an experimental area are resulted
Key words: steel-concrete timbering, near-to-contour massif zone, cracking, beyond the timbering space.
Гехнология возведения сталебетонной крепи предусматривает установку арок металлической крепи, навешивание на нее металлической опалубки, укладку бетона или нагнетание цементно-песчаной смеси в заопалубоч-ное пространство. Тем самым образуется облицовочно-несущая оболочка путем омоноличивания рам крепи между собой и с горной породой. В процессе тампонажа заопалубочного пространства цементный раствор частично проникает в трещины приконтурной зоны массива, что способствует формированию дополнительного несущего слоя из зацементированной породы.
Исследование процессов трещинооб-разования и цементации проведено на опытном участке путевого квершлага гор. — 260 ш. «Юбилейная». На данном
участке выработки длиной 10,5 м возводилась сталебетонная крепь по проекту ОАО «КузНИИ-Шахтострой» с использованием следующего оборудования: металлической навесной опалубки и нагнетательной установки для укладки бетона.
Г орно-геологические условия проходки выработки в районе опытного участка и схема расположения скважин приведена на рис. 1.
Для контроля состояния породного массива были проведены электрометрические измерения методом эффективного удельного электросопротивления (УЭС). Контрольные шпуры были пробурены веерообразно в двух сечениях в бортах выработки: 4 шпура в средней части участка крепления (№ 1—4), 2 шпура за его пределами на расстоянии 6 м от границы участка крепления (№ 5— 6). После твердения бетонной смеси были дополнительно пробурены 2 шпура через бетонную оболочку (№ 7—8).
Физической основой электрометрического контроля параметров трещиноватости является линейная зависимость эффективного УЭС породы при естественной влажности от коэффициента трещинной пустотности, обоснованная теоретически и экспериментально в ряде работ [1]:
ПК 100
ПК 101
ПК 102
ПК 103
ПК 104
1. Алевролит темно-серый среднезернисты й крепкий 2. Пл. 23 (11=1,05 м) Уголь с линзами колчедана 3. Алевролит слабо трещиноватый среднезернистый средней устойчивости ( т^= 0,008) 4. Песчаник мелкозернистый серый прерывистый слабо трещиноватый по наслоению
I
Путевои\квершлаг гор.-260м .. |_.
Рис. 1. Геологический разрез по северо-западной стенке (а) и план расположения скважин опытного участка
Рк(Г)= Р
т
( г )
£
(1)
пользованием данных геологической службы:
где рк — эффективное (кажущееся) УЭС трещиноватой породы с одной системой трещин, плоскость который нормальна к вектору плотности тока, Ом-м; р — УЭС породы без трещин, Ом-м; т
— коэффициент трещинной пустотности (относительная величина пустот в единичном объеме); £ — средняя относительная площадь контактирования берегов трещин; г — координата точки замера от контура выработки.
Поскольку параметры р и £ изменяются в широких пределах, целесообразно оценивать величину т (г) с ис-
т
( г ) =
т
гРк (Г)
Ря
(2)
где тн, Рн — значения т и Рк вне зоны технологической трещиноватости (в ненарушенном массиве).
Вмещающие породы боков выработки на опытном участке представлены алевролитом темно-серым, слабо трещиноватом средней устойчивости и прочности, тн = 0,008. Почва выработки пройдена по угольному пласту, на начало наблюдении в зоне контакта алевролита с угольным пластом наблюдались отслоения на глубину, дости-
Рис. 2. Распределение параметров трещиноватости породного массива вокруг выработки до заполнения заопалубочного пространства
гающую 0,6—0,7 м, более ярко выраженные в юго-западном борту.
По результатам измерений в шпурах
строили графики зависимостей Рк(г) и
т ( г), а также определяли интегральные
параметры зоны технологической нару-шенности вокруг контура выработки, предложенные в работе [2]:
- глубину зоны технологической
нарушенности Кя (расстояние от контура выработки до точки замера, где значение Рк убывая, приближается к величине Рн);
- среднее значение т в контролируемом из шпура объеме зоны технологической нарушенности т по формуле
к я
| т (гуг;; (3)
1я 0
- суммарный объем пустот в секторе контрольного сечения, отнесенный к 1 м выработки по формуле
0 кя
П = | | т (Кв + г V« 2RRяm0,
0 0
_ 1
т = —
к
где Rв — приведенный радиус выработки, 0 — центральный угол сечения, относящийся к контрольному шпуру, рад.
Результаты контроля процессов тре-щинообразования в приконтурной зоне вы работки до образования облицовочно-несущей сталебетонной оболочки и после цементации трещин при бетонировании представлены соответственно на рис. 2 и 3.
Из графика изменения Кя в сечении вокруг контура выработки на рис. 2 следует, что максимальный размер прогнозируемой зоны цементации при заполнении бетоном заопалубочного пространств составит 0,6 ... 1,0 м от породного контура. Более интенсивно трещи-нообразование (т = 0,024) происходит в нижней части юго-западного борта квершлага, т.е. в зоне, прилегающей к контакту породного слоя алевролита с верхней границей угольного пласта. Распределение объемов пустот П также неравномерно, большая ось эллипса пустотности ориентирована параллельно напластованию. Общий прогнозируемый объем пустот в породном
Рис. 3. Развитие зон нарушенности в сечении, прилегающем к участку крепления выработки сталебетонной крепью
массиве в пределе зоны технологической нарушенности на экспериментальном участке составил УП = 5,0 м3. Низкие значения , а также незначительные отличия т от значения, соответствующего ненарушенной породы тн, связаны с тем, что на момент измерений с даты проходки выработки прошло менее 1 мес.
Экспериментальные исследования на опытном участке продолжались более 7 мес. С целью оценки интенсивности развития процессов трещинообразова-ния вне зоны возведения сталебетонной крепи (в выработке установлена рамная металлическая крепь СВП с шагом 0,5 м и железобетонной затяжкой) были проведены серии измерений в скв. № 5, 6. Обработка результатов измерений (рис. 3) позволила установить, что за период наблюдений в течение 8 мес с даты проходки выработки произошло увеличение размера зоны трещиноватости с 0,6 до 1,25 м в северо-восточном борту и с 1,0 до 1,5 м — в юго-западном. Среднее значение трещинной пустотности в пределах этой зоны увеличилось весьма незначительно и составило т — 0,009— 0,011. Объем пустот П возрос с 0,04 до
0,1 м3/м выр. в северо-восточном борту и с 0,07 до 0,12 м3/м выр. в югозападном. Полученные данные дают ос-
нования для вывода о том, что процессы трещинообразования в однородном слое алевролита происходят равномерно, следует ожидать сохранения устойчивого состояния выработки.
Результаты электрометрических измерений в веерах скважин, пробуренных на участке возведения сталебетонной крепи представлены на рис. 4. Анализ графиков показывает, что интенсивность геомеханических процессов в прикон-турном массиве весьма неравномерна: в сводовой части выработки, расположенной в середине слоя алевролита заметного роста трещин не произошло; в нижней части боков на контакте алевролита и угольного пласта развитие технологических трещин было более интенсивным. Заполнение закрепного пространства бетонным раствором сопровождалось частичной цементацией при-контурных трещин.
Сопоставление графиков т(г) до и после бетонирования (рис. 5) свидетельствует о наличии зональной структуры приконтурной зоны породного массива, прилегающего к сталебетонной крепи. За металлической рамой 1 и бетонной оболочкой 2 толщиной 0,25 ... 0,4 м следует зона 3
Рис. 4. Результаты контроля состояния пород на участке возведения сталебетонной крепи:
1 — за 3 мес до бетонирования, скв. 1—4; 2 — непосредственно до бетонирования, скв. 1—4; 3 — после бетонирования, скв. 7—8
Рис. 5. Структура техногенного породного массива, прилегающего к сталебетонной крепи: 1
— рамная металлическая крепь; 2 — бетонная оболочка; 3 — зона контакта бетонной оболочки с породным контуром, заполненная сцементированными обломками; 4 — зона попутной цементации зоны технологической трещиноватости; 5 — естественный массив; I — график т(г) до бетонирования заопалубочного пространства; II — то же после бетонирования
контакта бетона с породным контуром, в отслоившаяся порода, удерживаемая
которой до заливки бетона находилась защитной сеткой. Установлено, что це-
ментный раствор лишь частично заполняет пустоты между кусками отделившейся породы, при этом монолитного слоя в данной зоне не образуется, т.к. величина т здесь в 2—3 раза выше, чем в бетонном слое. В юго-западном борту на интервале г = 0,67 ... 1,0 м от бетонного контура четко прослеживается зона цементации трещиноватой породы 4. Расчетный коэффициент заполнения трещин цементным камнем составляет К3 = 0,487. Размер зоны цементации составляет: в боках выработки при высоте от почвы Ъ < 0,5 м, при 0,5^ < Ъ < 0,8 Къ гц=(0,2 ... 0,7)Л№ в кровле вы работки гц = 0,05 ... 0,1 м.
1. Хямяляйнен, В.А. Геоэлектрический контроль разрушения и инъекционного упрочнения горных пород / В.А. Хямяляйнен, С.М. Простов, П.С. Сыркин. — М.: Недра, 1996. — 288с.
2. Простов С.М. Контроль физических процессов в породном массиве при цементации / С.М. Простов, В.А. Хямяляйнен // Экологические проблемы горного произ-
Проведенные экспериментальные исследования позволили не только расширить знания о процессах тампонирования пустот в закрепном пространстве, но и усовершенствовать методику расчета крепи подобного типа [3]. Поскольку зацементированные слои 3 и 4 имеют вполне определенную несущую способность, то нагрузка на крепь может существенно снижаться. Корректировка расчетных параметров крепи с учетом экспериментальных данных позволит снизить материальные и трудовые затраты на ее возведение при условии сохранения срока ее службы.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
водства, переработка и размещение отходов: Докл. II науч. -техн. конф. — М. Из-во МГГУ, 1995. — С. 590—593.
3. Руководство по технологии крепления горных выработок с применением опалубки ОМП, основанной на использовании несущей способности упрочненных пород / Ю.В. Бурков, Е.Г. Дуда, Г.И. Комаров, В.А. Хямяляйнен и др. — Кемерово, 1990. — 78 с. ЕШ
— Коротко об авторах
Росстальной Е.Б. — соискатель кафедры теоретической и геотехнической механики, Простов С.М. — доктор технических наук, профессор кафедры теоретической и геотехнической механики,
Хямяляйнен В.А. — доктор технических наук, профессор, первый проректор,
ГУ КузГТУ, [email protected]
