Особенности крепления горных выработок в трещиноватых породах

Крепление выработок в однородных горных породах предопределяет использование одного типа и параметров крепи. Однако в большинстве случаев при отработке полезных ископаемых мы сталкиваемся с наличием неоднородностей в горном массиве, что в свою очередь, требует разработки различных параметров крепления на различных участках горного массива. Такое положение не всегда устраивает производственников с точки зрения изменения технологии. Хорошо если это один тип крепления, но с различными параметрами. Гораздо сложнее если необходимо переходить на различные конструкции крепи. Данный процесс возможен даже при наличии достаточно крепких пород при отработке рудных месторождений [1].

Наличие в крепких породах различного вида нарушений, а также некоторого количества включений с осадочными породами (аргиллит и алевролит) с небольшими прочностными характеристиками требуют применения на данных участках более усиленных типов крепи. Кроме того, наличие осадочных пород и достаточно большая их увлажненность приводят к резкому уменьшению прочности породного массива [2], что также влияет на выбор параметров крепи горных выработок.

Необходимо также иметь в виду, что прочностные характеристики массива значительно снижаются при динамических воздействиях.

При проведении горных выработок буровзрывным способом происходит не только полное разрушение горных пород, но и существенно нарушаются механические свойства законтурного массива вследствие возникновения радиальных и сферических трещин [3, 4].

В этом случае можно говорить о достаточно сильном влиянии как природной, так и техногенной трещиноватости на устойчивость горного массива [5]

Возникновение различных систем трещин в законтурном массиве приводит к значительному изменению его прочностных параметров. Причем при наличии трещиноватости возможные изменения прочностных свойств массива, которые оказывают влияние на устойчивость массива в значительной степени зависят от направления трещин по отношению к исследуемой выработке.

Как показали исследования на устойчивость горных выработок значительное влияние оказывает система горизонтальных трещин [5, 6]. С другой стороны не учет других систем трещин вокруг горной выработки также может привести к невозможности правильного определения зоны разрушения вокруг неё.

Следует отметить, что в большинстве случаев при исследовании устойчивости массива горных пород вокруг выработки учитывается одна преобладающая система трещин, а в массиве существует их несколько. Кроме того, большинство существующих математических пакетов по определению зоны разрушения вокруг выработки не могут учитывать трещиноватость по направлениям, а используют общее ослабление массива, предложенное в инструкции ВНИМИ [2].

Наличие трещиноватости по определенным направлениям изменяет не только размеры, но и форму зоны разрушения вокруг выработки [5, 6], что может быть учтено при разработке рациональных типов и видов крепи.

Массив горных пород может быть разбит несколькими основными системами трещин. В качестве расчетной модели такой среды можно использовать сплошную, однородную, изотропную среду с учетом наличия систем поверхностей ослабления. Поверхности ослабления могут быть смоделированы как направления, в которых прочность на сдвиг и растяжение ослаблены. Для математического моделирования такой среды необходимо знать физико-механические характеристики, как самого массива, так и прочностные параметры на поверхностях ослабления.

Экспериментальные данные по определению физико-механических свойств пород на поверхностях ослабления содержатся во многих работах [7, 8]. В данных работах к основным параметрам прочности поверхностей ослабления относятся сцепление по поверхности ослабления К_о, коэффициент внутреннего трения по поверхности ослабления n_о = tg и предел прочности по поверхности ослабления на растяжение _р .

Сцепление по поверхности ослабления не является самостоятельной механической характеристикой, а вторично, и зависит от того, насколько вторичные в генезисе процессы «испортили» прочность породы. Поэтому при изменении ве­личины сцепления целесообразно представить ее не в абсолютном значении, а в виде отношения сцепления по поверхности ослабления К_о к сцеплению в самом массиве К.

Коэффициент внутреннего трения n, определяемый углом внутреннего трения  по поверхности ослабления, величина довольно стабильная. Это обстоятельство позволяет при оценке прочности на поверхности ослабления не учитывать возможное изменение угла внутреннего трения, считая его постоянным.

Для моделирования геомеханических процессов вблизи горных выработок были использованы условия, существующие на АО «Жайремский ГОК»:

На руднике Ушкатын-3 капитальные выработки имеют арочную форму поперечного сечением 12,5 м². Данная форма выработки является более распространенной.

Анализ особенностей формирования зоны разрушения производился при вариации безразмерного параметра для непосредственного массива горных пород окружающих данную выработку. Моделирование проводилось при значениях безразмерного параметра равным 0,3, что соответствует сопротивлению пород растяжению 2,4 МПа и глубине заложения выработки 300 м.

На основании разработанной программы численного моделирования методом граничных интегральных уравнений (ГИУ), автором которой является д.т.н. проф. Колоколов С.Б. было проведено математическое моделирование устойчивости горной выработки для условий рудника Ушкатын-3 АО «Жайремский ГОК». Данная программа позволяет учитывать не только физико-механические свойства горных пород, но свойства нескольких систем трещин с учетом их направления относительно контура выработки. В результате решения задачи находятся напряжения вокруг выработки, которые сравниваются с предельно допустимыми значениями на основании нескольких критериев прочности. В результате находится граница зоны неупругих деформаций.

На рисунке 1 показана зона разрушения при прочности пород на растяжение 2,4 МПа без учета направления трещин и с учетом трещиноватости при использовании коэффициента структурного ослабления. Как видно из рисунка, зона разрушения равномерно охватывает контур выработки, как в первом, так и во втором случаях.

На рисунке 2 показаны зоны разрушения вокруг выработки при учете одной системы трещин, которая имеет три направления. В данном случае видно, что при горизонтальной трещиноватости происходит увеличение зоны в кровле-почве выработки, при вертикальной трещиноватости происходит рост зоны разрушения в боках выработки. Если трещиноватость имеет другое направление, то увеличение зоны разрушения наблюдается в этом направлении.

В этом случае различное сочетание направлений трещин приводит к увеличению зоны разрушения вокруг выработки по этим направлениям.
На данных примерах видно, что размеры и форма зоны разрушения достаточно сильно подвержены изменению в зависимости от выбранной методики моделирования трещиноватости горного массива.

В случае применения стоечных типов крепи расчет паспортов крепления, как правило, ведется по упрощенной методике согласно нормативной несущей способности [2]. Хотя наиболее применимые арочные металлические крепи гораздо хуже работают в случае ассиметричности и неравномерности приложенной нагрузки [9].

Применение анкеров в качестве основного крепления или в сочетании с рамными крепями дает возможность в случае трещиноватого массива рекомендовать не только различную глубину анкеров, но и различную плотность их установки, что в свою очередь, позволит увеличить плотность установки анкеров в наиболее опасных участках законтурного массива и снизить плотность установки на участках имеющих меньшую зону разрушения.

Полученные результаты ориентированы на незначительную глубину и небольшое сечение горной выработки при достаточно прочных вмещающих породах, свойственные условиям АО «Жайремский ГОК». Увеличение глубины разработки, сечения горной выработки, а также возможное уменьшение прочности вмещающих горную выработку пород соответствующим образом усилит влияние направления трещиноватости на устойчивость техногенных обнажений.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. При определении нагрузки на крепь горных выработок большое значение имеет методика учета трещиноватости горного массива;

2. Наличие определенных систем трещин вызывает не только увеличение зоны разрушения вокруг выработки, но и меняет форму данной зоны;

3. Методики, определяющие нагрузку на крепь должны учитывать не только трещиноватость массива, но и направление трещин относительно выработанного пространства;

4. Наличие ассиметричной зоны должно быть учтено при разработке паспортов крепления горных выработок.

Список использованных источников:

1. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. М.: Недра, 1988.

2. Инструкция по выбору рамных податливых крепей горных выработок. Издание 2 переработанное. СПб 1991. Институт горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ).

5. Судариков А.Е. Байкенжин М.А.,Баймульдин М.К., Устойчивость горных выработок в крепких трещиноватых породах. Труды университета. Караганда, КарГТУ. 2003, №4, с. 5-6

6. Оловянный А.Г. Некоторые задачи механики массивов горных пород. ООО «Стресс», СПб, 2003.

7. Ержанов Ж.С., Изаксон В.Ю., Станкус В.М. Комбайновые выработки шахт Кузбасса. Опыт поддержания и расчет устойчивости. Кемерово: 1976.