НЕСУЩИЕ ПОРОДНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИ ОСВОЕНИИ ПОДЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Полный текст

При подземных работах уровень опасности работников, сооружений и техники зависит от природной среды и совокупности организационных, технологических и человеческих факторов. Комплекс мер по обеспечению строительных конструкций в подземных выработках является составной частью теории управления горным давлением. Оценке риска управления конструкциями в породных массивах посвящены работы М.И. Агошкова, А.А. Борисова, К.В. Руппенейта, В.Д. Слесарева, Г.Л. Фисенко В.А. Шестакова, С.В. Ветрова, Г.Н. Кузнецова, Н.В. Баклашова, Л.Г. Протосени, К.З. Ушакова, Ю.И., А.В. Фролова и др. Безопасность подземных сооружений из природных и композитных строительных материалов оценивают сравнением фактического значение риска с его условной величиной, устанавливаемой на основе анализа аналогичных ситуаций в сравнимых условиях. Качественная оценка уровня риска базируется на анализе опасных факторов с нанесением ущерба работающему персоналу и сооружениям в подземных выработках[1]: R=R1?R2?R3, где R - уровень риска;R1 - вероятность возникновения опасного события;R2 - вероятность формирования условий для возникновения опасности;R3 - вероятность нанесения ущерба. Для объективности оценки сравниваемые строительные геотехнологии должны быть сопоставимы по максимальному количеству признаков: мощности рудного тела, углу падения, характеристике руд и вмещающих пород, производственной мощности предприятия и стоимости работ. При сравнении технологии показатель риска может быть определен по одному основному параметру, например, по несущей способности конструкции из обнаженных горными работами пород кровли. Устойчивость породного рудовмещающего массива является случайной величиной, зависящей от природных и техногенных факторов,но может быть представлена как сумма независящих друг от друга слагаемых с нормальным распределением (условие Ландберга). Гипотезы горного давления исходят из положения о перераспределении первоначальных напряжений в массиве в результате техногенного вмешательства [2-5]. Скальным массивам больше других отвечает гипотеза горного давления М.М. Протодьяконова. Над выработкой образуется свод естественного равновесия, в пределах ко- торого нижний слой пород - кровлю выработки нагружают вышележащие по- роды в пределах свода (рис.1). Ошибка! Источник ссылки не найден. Рис.1.Механизм работы несущей конструкции: 1- граница свода естественного равновесия пород; 2- отслоившиеся породы; 3- несущая конструкция из заклинившихся породных блоков Исследованные гипотезы устойчивости выработок не в полной мере учитывают сложность геологической структуры месторождений, поэтому нами предложенаметодикаопределения пролетов обнажений пород кровли с учетом- расположения нахождения выработки относительно рудовмещающих структур. Методика исходит из того, что потеря несущей способности слоя заклинившихся пород в кровле выработки происходит при скалывании напряженных участков структурных блоков на высоте, примерно 2/3 высоты структурного блока (рис.2). Ошибка! Источник ссылки не найден. Рис.2. Схема разрушения заклинившихся породных блоков Управляющее воздействие на прочность системы заключается в использовании параметров, при которых прочность несущих породных конструкций обеспечивается за счет остаточной прочности пород и напряжений бокового распора, которые могут быть увеличены путем упрочнения пород. Управление прочностью породных конструкций состоит в реализации остаточной несущей способности пород ограничением величины пролетов выработок.В пределах геомеханически сбалансированных участков могут быть применены минимизированные по затратам труда и материалов подземные и строительные геотехнологии. Наибольшую опасность для подземных объектов представляет критическая- деформация породного массива в случае недостаточной прочности природных или искусственно создаваемых опорных конструкций - целиков, которая зави- сит отпролетов обнажения породной кровли между опорами (рис.3). Рис.3. Схема взаимодействия целиков и пролетов обнажения пород: 1 - очистные вы- работки; 2 - своды естественного равновесия; 3 - взаимодействующие между собой структурные блоки пород; 4 - целик Для повышения безопасности природно-техногенных конструкций запас прочности целиков стремятся увеличить, при чем увеличиваются потери руды в рудных целиках и затраты строительных материалов на сооружение искусственных опор Таким образом, показатели безопасности и эффективности под- земных горных работ зависят от оптимального соотношения размеров несущих опор и пролетов обнажений горных выработок [6-9]. Процессы в скальных массивах имеют стохастический характер, исходная информация для решения технико-экономических задач в горной промышленности имеет вероятностный характер, поэтому оценка поведения массива и его влияние на подземные объекты представляет собой серьезную проблему, актуальность которой возрастает при увеличении масштабов вторжения горными работами в Земные недра. Поведение вмещающих горных пород в процессе обнажения пород кровли- исследованы нами в действующем выемочном блоке подземного рудника[10- 12]. На первом этапе исследования расчетом по альтернативным методикам определили величину пролета обнажения пород кровли. Затем поведение пород кровли исследовали путем доведения пролета выработки до обрушения кровли кусочно- припасовочным разрушением боковой породной стенки выработки взрыванием зарядов в шпурах (рис.4). Ошибка! Источник ссылки не найден. Рис.4.Моделирование величины предельного пролета выработки: 1? исходный свод естественного равновесия; 2? отбиваемые породные прирезки; 3? исходный пролет вы- работки Обрушение пород произошло при пролете выработки 32 м, в то время как расчетная величина предельного пролета по различным методикам варьировалась в пределах 12 - 55 м (рис.5). Рис.5. Расчетный и фактический пролет обнажения пород кровли Расчеты прочности несущих породных конструкций для идентичных пород дают весьма различающиеся результаты и не могут использоваться при расчете размерв безопасных пролетов без учета местных особенностей. Они могут быть подразделены на инженерные методы (на основе теорий прикладной механики - строительной механики, сопротивления материалов) и геомеханические (на основе теорий классической механики) с использованием вероятностно-статистических методов (табл.1). Реальные скальные массивы состоят из породных структурных блоков, ограниченных геологическими нарушениями различного масштаба. До известного момента блоки при подработке образуют устойчивые несущие конструкции при условии надежного естественного самозаклинивания по криволинейным поверхностям, имеющим форму свода [13-14]. Таблица 1. Методы расчета устойчивых пролетов обнажений кровли Характеристика массива Методы Основные учитываемые факторы Геомеханические Инженерные Несущий элемент Гипотеза горного давления Квазисплошной с гравитационным полем напряжений Механика сплошной среды Слой Свод давления В.Д. Слесарева Свод обрушения М.М. Протодьяконова, И.М. Цимба- ревича, Н.М. Покровского и др. Угол анизотропии, коэффициент структурного ослабления, мощность элемента Плита Квазисплошной с нарушениями сплошности и гравитационно- тектоническо- структурным полем напряжений Балка Дискретный с гравитационно- тектонически структурным полем напряжений Механика дискретной среды Плита или балка Зона обрушения А.А. Борисова Свободные консоли Г.Н. Кузнецова Коэффициент структурного ослабления, раз- меры структурых блоков, прочность. Выработки различаются в рамках предлагаемой типизации (табл.2). Таблица 2. Типизация горных выработок по форме контакта с породами Тип Положение выработки относительно пород кровли Условия образования несущей конструкции I Пересекает шов и подзону мелкой трещиноватости разлома на всю их мощность и располагается в породах основ- ной кровли Прочность естественного заклинивания структурных блоков пород II Пересекает шов и частично подзону мелкой трещиноватости и располагается в породах непосредственной кровли Прочности естественного заклинивания и дополнительного упрочнения пород III Не полностью пересекает шов и располагается в породах непосредственной кровли Упрочнение пород Зоны шва, мелких трещин и крупных трещин отличаются масштабом и качеством геологических нарушений, что определяет устойчивость подземных объектов (табл.3). Таблица 3. Типизация вмещающих выработку пород по нарушенности Тип Вмещающий выработку массив Характеристика пород кровли 1 Зона шва Мелкие дискретные разности пород со слабым сцеплением 2 Зона мелких трещин Средней величины структурные блоки пород с преимущественно залеченными трещинами 3 Зона крупных трещин Сравнимой с размерами выработок величины структурные блоки пород с залеченными трещинами Надежность несущей породной конструкции зависит от пространственного положения выработки относительно зон геологических нарушений. Наиболее опасны горные выработки, расположенные в геологических нарушениях пологого падения (рис.6). Рис.6. Типизация выработок по устойчивости: 1, 2, 3 - соответственно, подзоны шва, мелких трещин и крупных трещин І, ІІ, ІІІ - типы выработок; Возможностью возникновения и надежностью несущих конструкций характеризуются горные выработки, расположенные в породах крутого падения, у которых высота заклинивающихся породных блоков больше их длины. Очистные выработки более устойчивы, когда в породах кровли в результате заклинивания структурных породных блоков образуется трехшарнирная арка (рис.7). Ошибка! Источник ссылки не найден. Рис. 7. Схема образования шарнирной арки: L- ширина пролета предельного свода естественного равновесия пород; h- высота предельного свода естественного равновесия пород; ? - объемная масса пород; d1 - горизонтальный размер структурного блока основной кровли, м; А и Б - шарниры арки Если очистная выработка пересекает шов и подзону мелкой трещиноватости рудовмещающей структуры на всю их мощность, ее кровля сложена структурными блоками соизмеримых по величине с размерами выработок, которые обеспечивают надежную несущую конструкцию. Выработка I типа: Сила, действующая на половину пролета [8]: где отсюда , где - длина пролета обнажения, м; - мощность основной кровли, м; - объемный вес пород, т/м3; V0- соотношение вертикального и горизонтального раз- меров структурного блока пород. Момент силы q относительно точки А: . Сила распора: . Момент силы Т относительно точки А: , где do2 - вертикальный размер структурного блока пород основной кровли, м. Из равенства моментов при R"CЖ = R'СЖ = RСЖ: где R??сж и R?сж - отношение временного сопротивления пород сжатию в направлении распора свода и в направлении действия массы пород; К2 - коэффициент запаса; ? - объемная масса пород, т/м3. Если очистная выработка пересекает шов и не полностью подзону мелкой трещиноватости, в кровле находятся структурные блоки сравнительно малых размеров (до 1,0 м) и надежность несущий конструкции уменьшается. Выработка II типа: Сила, действующая на половину пролета: , где b - мощность непосредственной кровли, м. Момент силы q нотносительно точки А: . Сила распора: , где dн2 - вертикальный размер структурного блока пород непосредственной кровли, м. Момент силы распора Т относительно точки А: . Из равенства моментов: Выработка III типа Сила, воздействующая на половину пролета: . Момент силы q3 относительно точки А: . Сила распора: . Момент силы распора Т относительно точки А: . Из равенства моментов для двух слоев в кровле: Несущая способность породной конструкции обеспечивается при условии: где n - количество скрепляемых слоев кровли (2...12). Допустимый пролет закрепленного плоского обнажения непосредственной кровли: где m - коэффициент увеличения пролета в зависимости от количества скреп- ленных штангами слоев (2...6). Увеличение размеров очистных камер более определенного для данных условий предела опасно возникновением критических напряжений в породах и соответствующих им деформаций в виде разрушения целиков и массива (рис.8) [15-16]. Рис.8. Модель разрушения несущего целика при увеличении пролетов выработки Эффективность использования породных конструкций достигается комплексным улучшением показателей подземных и строительных геотехнологий (рис.9). Рис.9. Эффективность использования породных конструкций Результаты выполненного исследования согласуются с данными публикаций на затронутую тему в научной литературе [17-20]. Выводы 1.При подземной разработке месторождений и подземном строительстве разрушенные горные породы обладают остаточной прочностью и при соответствующих условиях способны создавать прочные конструкции. 2. Использование породных конструкций при горных работах является действенным способом улучшения показателей подземных и строительных геотехнологий. 3.Надежность управления состоянием вмещающих горные объекты по- родных массивов увеличивается при использовании мер корректировки размеров структурных блоков технологическими средствами. 4.Использование породных конструкций создает экономический эффект, уменьшая потери в целиках и повышая качество добываемых минеральных ресурсов, и сокращая затраты труда и материалов на управление горным давлением.

Об авторах

ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ ГОЛИК

ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технологический университет»

Автор, ответственный за переписку.
Email: v.i.golik@mail.ru

доктор технических наук, профессор

Россия, Россия, 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44

ЮРИЙ ИВАНОВИЧ РАЗОРЕНОВ

ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технологический университет»

Email: v.i.golik@mail.ru

доктор технических наук, профессор

Россия, 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44

ВАСИЛИЙ ИВАНОВИЧ ЛЯШЕНКО

Министерство топлива и энергетики Украины

Email: inform@iptzw.dp.ua

кандидат технических наук

52204, Украина, г. Желтые Воды, ул. Петровского, 37

Список литературы