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

Така динаміка деформаційних процесів в межах ЗЗП спостерігалася як в окремих виробках, так і у виробках, що зазнають вплив очисних робіт. Вплив останніх виявився у зростанні розмірів ЗЗП і сумарного коефіцієнта розширення порід. Аналіз натурних спостережень за всіма вимірними станціями показав, що ЗЗП є динамічною системою. Всередині ЗЗП в процесі її формування відбуваються складні геомеханічні процеси, що в багато чому визначають стан підтримуваних виробок.

В третьому розділі наведені результати лабораторних досліджень механізму взаємодії фронту руйнування порід і кріплення виробок. Серія структурних моделей відпрацьована на плоскому стенді розмірами 0, 600, 70, 06 м. Бокові сторони моделей закривали металевими листами. Як кріплення використали відрізок металевої труби діаметром 0, 1 м. Сприйняті жорстким кріпленням навантаження вимірювали датчиками тертя, розташованими по периметру виробки. Дію фронту руйнування імітували шляхом навантаження пневмокамерою зовнішнього кордону модельованої ЗЗП. При іспиті моделей дотримувалися критеріїв геометричної і динамічної подібності, а також рівність кутів внутрішнього тертя матеріалу моделі і зруйнованих порід. Відношення радіусу модельованої ЗЗП до радіусу виробки ( ) змінювали від 2 до 4; розміри фракцій зруйнованих порід відносно радіусу виробки ( ) – від 0, 07 до 0, 8; величину зовнішнього навантаження – від 10 до 80 кПа.

На рис. 2 показана зміна коефіцієнта передачі навантаження  (де q і p – відповідно тиск на кріплення і тиск на зовнішній кордон ЗЗП) від розмірів ЗЗП при різній величині зовнішнього навантаження (цифри 1-5 – це ступені навантаження, що дорівнюють відповідно 10; 20; 40; 60; 80 кПа). Найбільший коефіцієнт передачі навантаження 2, 5 маємо при відношенні  =2 і зовнішньому навантаженні 10 кПа. По мірі зростання цього відношення (величин ЗЗП) коефіцієнт передачі навантаження зменшується від 2, 5 до 1, 1. Зміна зовнішнього навантаження від 10 до 80 кПа також призводить до зменшення коефіцієнта передачі з 2, 5-1, 1 до 1, 3-0, 6. Така особливість роботи системи кріплення-зруйновані породи, очевидно, зумовлена тим, що з підвищенням ступеня стиснення зруйновані породи за рахунок збільшення поверхні контактів і сил тертя набувають властивостей суцільного середовища. Проте, при певних параметрах ЗЗП в процесі передачі зовнішнього навантаження спостерігається значне його збільшення, що дозволяє по-новому інтерпретувати її роль в процесі формування навантаження на кріплення.

На рис. 3 показана зміна коефіцієнта передачі навантаження в залежності від розмірів породних фрагментів в зруйнованій зоні. При наявності дрібних породних фрагментів значення коефіцієнта наближаються до одиниці (це достатньо близько до розподілу тиску в рідині). Якщо в ЗЗП величина фрагментів більша ( =0, 5 і більше) спостерігається різке зменшення коефіцієнта передачі навантаження (в межі він прямує до нуля). В діапазоні =0, 2-0, 4 маємо самі високі його значення. Слід вважати, що це пов'язано зі специфічними особливостями поведінки дискретного матеріалу під навантаженням, які на сьогоднішній день мало вивчені.

Результати лабораторних досліджень добре узгоджуються з даними натурних спостережень в частині спроможності ЗЗП передавати навантаження від зовнішнього її кордону (фронту руйнування порід) до контура виробки.

Параметри зони і розміри фрагментів зруйнованих порід можна змінювати шляхом використання природних умов, технологічних і технічних рішень при проведенні і підтримці виробок.

Четвертий розділ присвячений розробці аналітико-експериментального способу прогнозу розмірів ЗЗП за часом і оцінці впливу на неї різноманітних чинників. У відомих підходах для вирішення такої задачі не враховується рух в глибину масиву фронту руйнування порід навколо виробок, граничні умови задаються одноразово, відсутнє врахування кінетики процесів, що відбуваються в породному масиві. Для усунення цих недоліків у роботі використане покрокове рішення задачі. Це означає, що результати рішення попереднього кроку використовуються для завдання граничних умов наступному кроку. Розрахунок виконаний для протяжної закріпленої круглої виробки, розташованої в однорідному масиві, в якому діє гідростатичне поле напружень. Розподіл напружень навколо виробки для розглянутих умов визначається за відомою формулою

  (2)

де  – питома вага порід, МН/м3; Н – глибина розташування виробки, м;   – відповідно початковий і поточний радіус виробки, м.

Ступінь порушення масиву оцінювали за функцією суцільності проф. Л. М. Качанова, з урахуванням порогового значення напруження згідно методиці Г. Г. Литвинського:

  (3)

де  – суцільність гірничої породи, що характеризує ступінь розвитку тріщин за певний інтервал часу; А – реологічний параметр, що характеризує порідний масив, 1/добу (МПа) n;  – діюче напруження, МПа; В – порогове значення напруження, відповідне величині тривалої міцності породи, МПа; n – показник утворення тріщин.

Модель крихкого руйнування порід (3) припускає двостадійність процесу руйнування. На першій його стадії іде накопичування ушкодження протягом певного періоду часу (в залежності від величини діючих напружень). Друга стадія процесу – це власне миттєве руйнування породи. Виходячи з відомих досліджень утворення тріщин і руйнувань матеріалу в умовах стиснення, зміну суцільності порід розглядали під дією дотичних напружень за теорією міцності Мора. Величину ефективного дотичного напруження визначали як різницю між діючими і допустимими дотичними напруженнями за діаграмою Мора при умові, що під обгинаючою кругів підрозумівається крива, що характеризує залежність тривалої міцності гірничих пород від рівня їхнього напруженого стану. Поділяючи перемінні і інтегруючі вираження (3) з урахуванням