Халимендик Алексей Владимирович к т. н., доц. Сторчак Глеб Геннадиевич

Основная задача данных исследований состояла в определении характера и степени влияния коэффициента бокового распора на основные геомеханические показатели, такие как размеры зоны неупругих деформаций (ЗНД) и смещение контура выработки, формирующие нагрузку на крепь. Расчеты выполнялись на основе метода конечных элементов (МКЭ) с использованием лицензионной вычислительной среды «Phase 2», разработанной компанией Rocscience.

Исследования проводились для диапазона глубин Н 300-400 м применимо к горно-геологическим и горнотехническим условиям ПСП "Шахта Степная" и ПСП «Шахта им. Героев космоса». Горные породы моделировались как слоистая среда, допускающая неупругие деформации, основные физико-механические свойства которых представлены в табл. 1 и табл. 2.

Следует отметить, что для получения более достоверных результатов в соответствии с рекомендациями [1] значение Н было увеличено в связи с наличием усложняющих факторов обусловленных структурной и текстурной неоднородностью [2] на микро- и макроуровнях, проявляющихся в частности как трещиноватость [3-5], а прочность пород на одноосное сжатие определялась с учетом коэффициента структурного ослабления в зависимости от характеристик природной трещиноватости. Исходя из расчетной глубины Н_р, при среднем объемном весе пород было определено начальное поле напряжений в нетронутом массиве, которое в соответствии с гипотезой о его гидростатичности составило =11 МПа.

Таблица 1.

Физико-механические свойства пород и угля для условий ПСП «Шахта «Степная».

Таблица  2.

Физико-механические свойства пород в условиях ПСП «Шахтаим. Героев космоса».

Поскольку алгоритм МКЭ, реализованный в среде «Phase2», позволяет определять напряженно-деформированное состояние (НДС) исследуемой области массива на различных стадиях развития горных работ, путем изменения граничных условий моделировались полости различных размеров, для которых на каждой стадии расчетов определялись компоненты поля напряжений, деформаций и перемещений. При этом компоненты НДС, полученные на предыдущей стадии, учитывались в последующем шаге решения.

Также в работе были проведены исследования коэффициента бокового распора λ, так как, по мнению многих ученых, он является одним из факторов, существенно влияющих на параметры геомеханического состояния системы «выработка-массив».

На сегодняшний день, существует множество предположений о его величине. Более ранние исследования А.Н. Динника сводятся к возможности определения λ по формуле:



где µ – коэффициент Пуассона.

Последующие исследования показали, что величина λ может варьироваться в значительных пределах, а в предгориях и у краев литосферных плит ее значение может быть существенно больше единицы. Для горизонтальнозалегающих месторождений при мягких породах величина λ с достаточным обоснованием может быть принята в соответствии с гипотезой Гейма равной единице.

В данной работе рассматривалось влияние λ на величину ЗНД и смещений контура выработки, имеющей круглую, арочную, трапециевидную, прямоугольную и полигональную форму, для вариантов, когда вмещающий породный массив был либо изотропным, либо неоднородным. Для анализа был принят следующий диапазон значений λ: 0.33; 0.5; 0.75; 1,0; 1,25; 2.0. На рис. 1 приведены расчетные схемы для однородного и неоднородного породного массива.

Рис 1. Расчетная схема для однородного (а) и неоднородного (б) породного массива.

Рис 3. Конфигурация зоны неупругих деформаций в зависимости от величины коэффициента бокового распора (слоистая среда):

Рис 4. Зависимости смещений в кровле выработки от величины коэффициента бокового распора.

Рис 5. Зависимость величины ЗНД в кровле от величины коэффициента бокового рас пора.

Поскольку при обеспечении устойчивости выработки важную роль играет также и форма ее поперечного сечения, одной из задач исследований было обоснование оптимальной формы для заданных горно-геологических условий. Под оптимальной формой выработки в данном случае понималась такая, при которой достигалась бы равномерная концентрация напряжений на ее породном контуре.

При небольшой глубине разработки и достаточно высокой прочности пород контур выработки сохраняет устойчивость. Такие условия принято называть "малой глубиной разработки", которая характеризуется благоприятными условиями поддержания выработок. Высокая концентрация напряжений, которая может возникать в углах выработки, кровле (почве) приводит к формированию зоны разрушенных пород. При этом концентрация напряжений снижается, разрушение останавливается, а окончательный контур разрушенных пород приобретает устойчивую форму в виде свода естественного равновесия (рис. 6, 7).

Рис 6. Схема формирования зон разрушенных пород от растягивающих напряжений: 1 – контур выработки, 2 – оптимальная форма выработки, 3 – зона разрушенных пород в почве, СЕР – свод естественного равновесия.	Рис 7. Схема формирования зон разрушенных пород от сжимающих напряжений: 1 – контур выработки, ЗЗД – зона запредельных деформаций, ЗРР – зона руинного разрушения.

Если выработка соответствующим образом закреплена, то на крепь выработки оказывают давление породы, заключенные в своде естественного равновесия. Крепь работает в режиме заданных нагрузок, которые не зависят от деформационных показателей крепи (от податливости). Поэтому при своде естественного равновесия (СЕР) можно использовать крепи самых разнообразных конструкций и режимов работы – нагрузки на них со стороны СЕР будут одинаковы.

По мере перехода горных работ на "большие глубины", положение существенным образом изменяется – устойчивость большинства выработок становится катастрофически низкой, а расходы на ремонтные работы, в том числе на перекрепление, подрывку вспученных пород – сопоставимыми с первоначальными затратами на проведение. Кроме того, с увеличением уровня напряжений в приконтурном массиве, породы вокруг выработки разрушаются от сжимающих напряжений, поэтому выработка без особых мер по ее охране теряет устойчивость.

При наличии достаточного отпора крепи формируется зона запредельных (неупругих) деформаций (ЗЗД). В зоне породного массива, непосредственно прилегающей к контуру выработки, возникает зона руинного разрушения (ЗРР), непосредственно взаимодействующая с крепью (рис. 7). Нагрузка на нее здесь существенно зависит от времени и условий ее возведения, а также деформационно-силовых характеристик конструкции.

Известной характеристикой крепи является "жесткость конструкции" E_k, т.е. степень роста отпора крепи q на единицу ее податливости U (т.е. смещения в выработку) в виде частной производной от базовой деформационно-силовой характеристики крепи q = F(u):

.

У идеально податливых крепей E_k = 0, у идеально жестких E_k. Чем больше жесткость конструкции крепи E_k, тем выше нагрузка q на нее со стороны массива, тем меньше смещения U пород внутрь выработки.

Результаты выполненного компьютерного моделирования для выработок с различной формой поперечного сечения приведены на рис. 8-9. На них показано распределение эквивалентных напряжений в породном массиве в окрестности исследуемых выработок.

В соответствии с принятым для решения задачи критерием прочности Хоека-Брауна красным цветом выделены области разрушенных пород. В качестве эталонного были приняты результаты решения задачи для выработки круглой формы.

Сравнение результатов, полученных для выработок с другими формами поперечного сечения, показывает, что этот размер незначительно отличается от базового варианта. Анализ результатов исследований показывает, что в условиях "больших глубин разработки", когда разрушение приконтурного массива пород происходит от сжимающих напряжений, размеры ЗНД практически не зависят от формы выработки, а характер распределения напряжений в породном массиве, характеризуемый коэффициентом бокового распора λ, существенно влияет на величину и конфигурацию ЗНД в окрестности одиночной выработки. При этом наличие слоев пород разной прочности вносит существенные изменения в картину распределения напряжений.

Кроме того из проведенных исследований пролеживается четкая зависимость изменения величины смещений контура, особенно со стороны кровли, от коэффициента бокового распора (рис. 3, 4), которые возрастают в 5-10 раз. В этой связи оценке величины λ в задачах геомеханики следует уделять особое внимание. Полученная зависимость аппроксимирована полиномом третей степени, что позволяет сделать вывод о ее нелинейном характере.

Рис 9. Конфигурация ЗНД вокруг выработок с различными формами поперечного сечения (λ=1):

1. СОУ 10.1.00185790.010-2006 "Погашення гірничих виробок вугільних шахт. Загальні вимоги".

2. Шашенко А.Н., Тулуб С.Б., Сдвижкова Е.А. Некоторые задачи статистической геомеханики. – К.: Універ. вид–во “Пульсари”, 2002. – 304 с.

3. Алексеев А.Д. Создание и разработка теоретических основ предельных состояний горных пород, ослабленных трещинами: автореф. дис. … д-ра. техн. наук / Алексеев Алексей Дмитриевич; МГИ. – М., 1975. – 34 с.

4. Чернышев С.П. Трещины горных пород / С.П. Чернышов. – М.: Наука, 1983. – 240 с.

5. Виноградов В.В. Геомеханика разрушения предельно напряженных пород приконтурной зоны горных выработок: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 05.15.09. – Днепропетровск, 1988. – 35 с.

Рассмотрено влияние коэффициента бокового распора на основные геомеханические показатели формирующие нагрузку на крепь горной выработки, такие как размеры зоны неупругих деформаций и смещения контура выработки.

The influence of the coefficient of lateral earth pressure on the main geomechanical indicators forming the load on the supports of excavation, such as size of the plastic range of stress and offset contour generation are considered.
Ключевые слова.

горная выработка, форма крепи, коэффициент бокового распора, смещение контура