Предпосылки реализации решения объемной задачи взаимодействия породного массива с крепью горных выработок Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.В. Фомичев, 2004

УДК 622.28 В.В. Фомичев

ПРЕДПОСЫЛКИ РЕАЛИЗАЦИИ РЕШЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ ЗАДА ЧИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА С КРЕПЬЮ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Семинар № 14

у^Ъдной из основных задач механики под-

1-/земных сооружений является определение нагрузок на конструкции подземных сооружений с целью дальнейшего их расчета. Эффективное использование аналитических методов для исследования механических процессов в породных массивах, окружающих горные выработки, во многом определяется корректностью постановки соответствующих задач.

При исследовании напряжений в породном массиве может оказаться, что уровень действующих напряжений достаточно большой и первоначальная модель линейно-

деформируемого массива является всего лишь первым грубым приближением. Анализ геометрических размеров и распределения структурно-механических свойств породного массива в процессе постановки задачи необходим для упрощения расчетной схемы, которое возможно при наличии определенной симметрии в геометрических размерах, структурно-

механических свойствах и граничных условиях породного массива.

Современные методы анализа возможных проявлений горного давления постоянно совершенствуются в направлении более полного учета особенностей взаимодействия крепи и вмещающего выработку породного массива с учетом его физико-механических свойств. Конечной целью изыскания оптимальных параметров взаимодействия системы «массив-крепь» является обеспечение устойчивости выработки путем использования малозатратных технологий.

Существующие задачи геомеханики в последнее время сделали переход от упругопластической модели [1, 2] к дальнейшему учету свойств горных пород в предельной и запредельной стадии деформирования породного

массива [3]. При этом увеличение числа учитываемых факторов приводит к необходимости выполнения решения задачи в плоской постановке.

Однако, основываясь на опыте поддержания горных выработок, можно утверждать -механические свойства горных пород по длине выработки изменяются на столько, что эти изменения необходимо учитывать в задачах геомеханики. Это обстоятельство способствовало развитию вероятностного подхода к оценке устойчивости горных выработок при случайных нагрузках на крепь [4].

Анализ запредельного деформирования в виде многократно статически неопределенной стержневой системы позволил получить простую линейную связь текущей прочности породы на сжатие и объемного разрыхления. В результате, определена функция снижения прочности по глубине массива [5], достаточно хорошо совпадающая с экспериментальными данными.

Вероятностный подход использован при определении методом граничных элементов зоны влияния очистных работ в окрестности подготовительной выработки [6]. Решая задачу этим методом, с применением аппарата случайных функций с заданной вероятностью, была установлена закономерность изменения размера зон влияния в зависимости от характеристик применяемых средств охраны.

Решение пространственных задач в упругой постановке связано со значительными математическими трудностями при простых формах поперечного сечения выработки внутри изотропного породного массива [7]. Поэтому зачастую используют, в таких условиях, плоскую постановку задачи. Хотя для того чтобы оценить точность получаемых данных в пло-

ской задаче, необходимо для сравнения решить и пространственную задачу.

Наиболее полный анализ решений пространственных задач представлен в работах [8], где отмечаются огромные трудности учета анизотропии свойств горных пород и неоднородности строения породного массива даже с применением современных средств вычислительной техники.

Метод решения пространственной задачи с учетом запредельного деформирования горных пород и фактора времени описан в работах выполненных под руководством профессора Новиковой Л.В. [9]. Сущность метода заключается в комбинировании упругого решения пространственной задачи и решения плоской задачи с учетом неоднородности свойств вмещающего выработку массива.

Плоские и пространственные задачи геомеханики должны быть использованы как исходные позиции в части определения напряженно-деформированного состояния породного массива в зоне выработки, границ зон предельного равновесия и смещения контура выработки. Дальнейший расчет нагрузки на крепь выполняется либо без учета веса пород в зоне предельного равновесия, либо этот учет производиться чисто схематически путем определения нагрузки на крепь объема пород, заключенного в зоне. Но, во-первых, большинство конструкций крепей, имеющих относительно существенную податливость, «уходя» от повышенного горного давления, могут изменять эпюру распределения по поверхности крепи до такой степени, что решение контактной задачи не дает адекватной картины в части определения нагрузки на крепь. Во-вторых, не весь объем пород зоны предельного равновесия может принимать участие в формировании нагрузки на крепь и активную роль в этом процессе играет эпюра реакции самой крепи [10]. Последнее обстоятельство наталкивает на мысль об исследовании пространственной задачи влияния эпюры реакции крепи на формирование нагрузки от веса пород зоны предельного равновесия.

Целесообразно развивать существующие решения геомеханических задач по пути изучения процессов управления формированием нагрузки на крепь с учетом веса пород в зоне предельного равновесия при тампонаже закрепленного пространства горных выработок.

Дискретное расположение вдоль выработки кондукторов для подачи тампонажного раство-

ра с шагом от 5 до 15 м объективно вызывает образование вокруг выработки упроченной породной оболочки переменной толщины, поскольку раствор проникает на большую глубину по оси кондуктора и на меньшую посредине между кондукторами. Процесс падения давления нагнетания по мере удаления от кондуктора начальное давление нагнетания может упасть до нуля уже на расстоянии от 7 до 15 м от кондуктора по оси выработки в зависимости

от степени разрыхления приконтурных пород. Таким образом, при тампонаже закрепленного пространства образуется упроченный прикон-турный породный слой переменой толщины в поперечном и продольном сечениях выработки.

Естественно, колебания толщины образованного приконтурного слоя влияют на форму зоны предельного равновесия. На рисунке представлены несколько вариантов характерных видов зон предельного равновесия образующихся между двумя соседними кондукторами по главной оси выработки.

Рассмотрим полученные поверхности равновесия - на рис. а представлен вариант идеальной внешней поверхности зоны предельного равновесия, когда для определения напряженно-деформированного состояния горного массива возможно использование плоской постановки задачи.

Рис. б и в показывают, как формируется зона предельного равновесия при условиях незначительных периодических колебаниях толщины упрочненной породной оболочки вдоль главной оси выработки. При этом отклонения формы реальной зоны предельного равновесия

1. Феннер Р. Исследование горного давления // Вопросы теории горного давления. - М.: Госгортехиздат, 1961. - С. 5-58.

2. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. - М.: Углетехиздат, 1954. - 384 с.

3. Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г., Певзнер Е.Д. Влияние скорости деформирования на запредельные характеристики горных пород // ФТПРПИ. - 1982. - № 5. -С.8-15.

4. Шашенко А.Н., Парчевский Л.Я., Турчанин

Г.И. Влияние неравномерности нагрузки на несущую способность арочной крепи. - В сб. Прогнозирование проявлений горного давления в выработках. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1984. -С. 4-6.

5. Шашенко А.Н. Устойчивость подземных

выработок в неоднородном породном массиве: Дисс. ... докт. техн. наук. - Днепропетровск, 1988. -507 с.

6. Сдвижкова Е.А. Вероятностная оценка эф-

фективности охраны подготовительной выработки в зоне влияния очистных работ // Науковий вісник НГА України. - 2000. - № 2. -С.24-26.

от характерной - малы, что для некоторых случаев позволяет использовать в определении напряжено-деформи-руемого состояния системы плоскую постановку задачи или упрощенный объемный подход.

Для случаев представленных на рис. г и д форма зоны предельного равновесия обладает не только характерной периодичностью, но и имеет участки локального возмущения связанные с особенностями поперечного крепления выработки на отдельном участке (рис. г) или особенности породного массива в прилегающей к выработке области - например неоднородность массива пород вдоль зоны предельного равновесия (рис. д).

Использование анкерной и рамно-анкерной крепи создает аналогичные отклонения в формировании зоны предельного равновесия по диаметру и главной оси укрепляемой выработки [11].

Сказанное выше приводит к выводу о необходимости расчета крепей как пространственной конструкции, то есть учета изменчивости реакции крепи не только в поперечном, но и в продольном направлении выработки.

----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

7. Подильчук Ю.Н. Пространственные задачи механики горных пород. - Киев: Наукова думка, 1983. -160 с.

8. Комиссаров С.Н. Управление массивом горных пород вокруг очистных выработок. - М.: Недра, 1983. - 237 с.

9. Новикова Л.В., Лесников В.С. Экспериментально-аналитический метод расчета проявлений горного давления в подготовительной выработке на участке сопряжения с очистным забоем // Изв. ВУЗов. Горный журнал, 1986. - № 7. - С.46-48.

10. Симанович Г.А. Управление режимами взаимодействия породного массива с крепью горных выработок на основе регулирования ее деформационносиловой характеристикой: Дисс. ... докт. тех. наук. -Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины. 1993. - 408 с.

11. Ковалевская И.А. Геомеханика взаимодействия элементов системы «горный массив - упроченные породы - крепление подземных выработок»: Монография. - Днепропетровск: Национальный горный университет, 2003. - 234 с.

— Коротко об авторах ---------------------------

Фомичев В.В. - Национальный горный университет, Украина.