Геомеханічні основи управління зоною зруйнованих порід навколо виробок для забезпечення їх стійкості на великих глибинах

Проф. Г. Г. Литвинським розроблений спосіб охорони виробок («Моноліт»), заснований на активному розвантаженні навколишніх порід і наступному їх зміцнюванні. Технологічні роботи при цьому виконуються в період проведення виробки в два етапи. Спочатку бурять шпури по периметру виробки і зривають камуфлетні заряди ВР (створюють зону інтенсивної тріщинуватості порід навколо виробки). Після цього бурять тампонажні свердловини і скрізь ін’єктори нагнітають скріплюючий розчин в навколишні породи. Витрата розчину складає 3-4 м3 на 1 м виробки. Шахтні випробуванняити цього способу показали, що на експериментальних дільницях були відсутні зміщення порід контура виробок. Широке застосування способу обмежується багатоопераційністю робіт, які виконуються і великими витратами скріплюючого розчину. Разом з тим ідея використання навколишніх порід як будівельного матеріалу для зведення вантажонесучої конструкції, здатній протистояти проявам гірничого тиску представляється надто перспективною. Отже, в цьому напрямку доцільно удосконалювати вже відомі і створювати нові способи охорони гірничих виробок. На наш погляд, треба іти шляхом розробки маловитратних технологій і способів управління навколишньою ЗЗП, враховуючи при цьому більшою мірою особливості і закономірності геомеханічних процесів, що відбуваються в даній зоні.

Виходячи з викладеного вище, сформульована мета роботи та визначені такі задачі досліджень:

виявити закономірності і особливості протікання геомеханічних процесів в ЗЗП навколо підтримуваних виробок в умовах глибоких шахт;

встановити механізм взаємодії фронту руйнування порід, що переміщується і кріплення підтримуваних виробок;

розробити аналітико-експериментальний метод розрахунку параметрів ЗЗП і встановити основні чинники, що впливають на цю зону;

обґрунтувати нову концепцію управління зруйнованими породами навколо виробок;

розробити ефективні і маловитратні способи і засоби охорони гірничих виробок, засновані на активному управлінні геомеханічними процесами в зоні порід, що руйнуються;

провести лабораторні і шахтні іспити способів і засобів підвищення стійкості виробок.

В другому розділі викладений аналіз результатів шахтних інструментальних спостережень зміщення глибинних реперів на 14 замірних станціях. Дані за 3 замірними станціями – це результати власних спостережень, а матеріали по 11 станціях отримані здобувачем від проф. І. Л. Черняка з банку спостережень Московської державної гірничої академії.

При обробці результатів натурних спостережень по традиційній методиці одержують величини зміщення порід навколо виробки. Про якісну картину деформаційних процесів судять по характеру зміни швидкості зміщення порід. При її плавній зміні протікають пластичні і в’язкопластичні деформації, при пікоподібному – іде процес руйнування порід. Характеристикою деформаційних процесів є коефіцієнт розширення порід  , що визначає величину відносних деформацій між двома реперами за період спостережень. Можна також визначити розмір ЗЗП. Отримати більшу інформацію не можливо при використанні відомої методики. Причина, на наш погляд, полягає в суті прийнятого методичного підходу, а саме: зміщення глибинних реперів показують у вигляді безперервних плавних ліній. Це означає, що свідомо вважають процес зміщення порід безперервним, хоча реально заміри переміщень реперів проводять епізодично.

В цій роботі оцінку стану вже зруйнованого навколишнього породного масиву, і масиву, що руйнується, проводили по зміні   між сусідніми (суміжними) реперами (по всьому ланцюгу їхньої установки) за період часу від попереднього до наступного заміру. Величину  визначали за формулою

  (1)

де   – коефіцієнт розширення порід на час заміру N (між розглянутою парою суміжних реперів, що мають номери (n-1) и n) ;   – абсолютні зміщення розглядуваних реперів на час поточного заміру N;   – абсолютні зміщення розглядуваних реперів на час попереднього заміру;  - базова відстань між реперами.

Такий підхід дозволяє простежити динаміку деформаційних процесів, що протікають в ЗЗП під дією фронту руйнування, що переміщується. Встановлено, що при переміщенні фронту руйнування порід від контура виробки в глибину масиву у вже зруйнованих породах утворюються зони їхнього стиснення і розширення, що в чергуючому порядку переміщаються в бік контура виробки. На рис. 1, як приклад, показана динаміка деформаційних процесів в масиві порід навколо східного вентиляційного штрека пласта l4 шахти ім. Челюскінців. Він пройдений комбайном на глибині 720 м, перетин його в світлі 7 м2, міцність порід на одноосне стиснення 46 МПа. Замірна станція була обладнана в породах покрівлі пласта в привибійному просторі штрека. У вертикальній свердловині було встановлено 8 реперів з інтервалом в 1 м. Періодичні заміри зміщення глибинних реперів вели до відходу вибою штрека від свердловини на 300 м. За період спостережень зміщення порід покрівлі контура штрека становили 388 мм. При цьому сумарний коефіцієнт розширення порід зменшився з 0, 076 до 0, 012. При відходах вибою штрека від свердловини на 10; 30 і 70 м розміри ЗЗП становили відповідно 1-2; 3-4 і 4- м. Переміщення фронту руйнування на дільниці від 1-2 до 3-4 м супроводжувалося стисненням зруйнованих порід, починаючи від контура виробки і до репера №3. Коли він рухався далі в глибину масиву до 4- м, відбувалося стиснення зруйнованих порід на дільниці між реперами №3 і №4, а на дільниці від контура виробки до репера №3 відбувалося їхнє розширення. Подальше зростання ЗЗП припинилося. Однак в ній продовжували протікати деформаційні процеси (спостерігалися зміщення глибинних реперів). Причина цих процесів, очевидно, в тому, що на ЗЗП виявляє вплив навколишній