Изучение структуры приконтурной зоны массива, прилегающего к металлобетонной крепи

© Е.Б. Росстальной, С.М. Простов, В.А. Хямяляйнен, 2009

УДК 622.33: 550.375

Е.Б. Росстальной, С.М. Простое, В.А. Хямяляйнен

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПРИКОНТУРНОЙ ЗОНЫ МАССИВА, ПРИЛЕГАЮЩЕГО К МЕТАЛЛОБЕТОННОЙ КРЕПИ

Приведены результаты экспериментальных исследований процессов трещинообразова-ния и цементации на опытном участке.

Ключевые слова: сталебетонная крепь, приконтурная зона массива, трещиноватость, закрепное пространство.

Семинар № 3

E.B. Rosstalnoj, S.M. Prostov,

V.A. Hjamjaljajnen STUDYING NEAR-TO-CONTOUR MASSIF ZONE STRUCTURE ADJACENT TO STEEL-CONCRETE TIMBERLING

The results of experimental researches of cracking and cementation processes on an experimental area are resulted

Key words: steel-concrete timbering, near-to-contour massif zone, cracking, beyond the timbering space.

Гехнология возведения сталебетонной крепи предусматривает установку арок металлической крепи, навешивание на нее металлической опалубки, укладку бетона или нагнетание цементно-песчаной смеси в заопалубоч-ное пространство. Тем самым образуется облицовочно-несущая оболочка путем омоноличивания рам крепи между собой и с горной породой. В процессе тампонажа заопалубочного пространства цементный раствор частично проникает в трещины приконтурной зоны массива, что способствует формированию дополнительного несущего слоя из зацементированной породы.

Исследование процессов трещинооб-разования и цементации проведено на опытном участке путевого квершлага гор. — 260 ш. «Юбилейная». На данном

участке выработки длиной 10,5 м возводилась сталебетонная крепь по проекту ОАО «КузНИИ-Шахтострой» с использованием следующего оборудования: металлической навесной опалубки и нагнетательной установки для укладки бетона.

Г орно-геологические условия проходки выработки в районе опытного участка и схема расположения скважин приведена на рис. 1.

Для контроля состояния породного массива были проведены электрометрические измерения методом эффективного удельного электросопротивления (УЭС). Контрольные шпуры были пробурены веерообразно в двух сечениях в бортах выработки: 4 шпура в средней части участка крепления (№ 1—4), 2 шпура за его пределами на расстоянии 6 м от границы участка крепления (№ 5— 6). После твердения бетонной смеси были дополнительно пробурены 2 шпура через бетонную оболочку (№ 7—8).

Физической основой электрометрического контроля параметров трещиноватости является линейная зависимость эффективного УЭС породы при естественной влажности от коэффициента трещинной пустотности, обоснованная теоретически и экспериментально в ряде работ [1]:

ПК 100

ПК 101

ПК 102

ПК 103

ПК 104

1. Алевролит темно-серый среднезернисты й крепкий 2. Пл. 23 (11=1,05 м) Уголь с линзами колчедана 3. Алевролит слабо трещиноватый среднезернистый средней устойчивости ( т^= 0,008) 4. Песчаник мелкозернистый серый прерывистый слабо трещиноватый по наслоению

I

Путевои\квершлаг гор.-260м .. |_.

Рис. 1. Геологический разрез по северо-западной стенке (а) и план расположения скважин опытного участка

Рк(Г)= Р

т

£

пользованием данных геологической службы:

где рк — эффективное (кажущееся) УЭС трещиноватой породы с одной системой трещин, плоскость который нормальна к вектору плотности тока, Ом-м; р — УЭС породы без трещин, Ом-м; т

— коэффициент трещинной пустотности (относительная величина пустот в единичном объеме); £ — средняя относительная площадь контактирования берегов трещин; г — координата точки замера от контура выработки.

Поскольку параметры р и £ изменяются в широких пределах, целесообразно оценивать величину т (г) с ис-

т

( г ) =

т

гРк

Ря

где тн, Рн — значения т и Рк вне зоны технологической трещиноватости (в ненарушенном массиве).

Вмещающие породы боков выработки на опытном участке представлены алевролитом темно-серым, слабо трещиноватом средней устойчивости и прочности, тн = 0,008. Почва выработки пройдена по угольному пласту, на начало наблюдении в зоне контакта алевролита с угольным пластом наблюдались отслоения на глубину, дости-

Рис. 2. Распределение параметров трещиноватости породного массива вокруг выработки до заполнения заопалубочного пространства

гающую 0,6—0,7 м, более ярко выраженные в юго-западном борту.

По результатам измерений в шпурах

строили графики зависимостей Рк(г) и

т ( г), а также определяли интегральные

параметры зоны технологической нару-шенности вокруг контура выработки, предложенные в работе [2]:

- глубину зоны технологической

нарушенности Кя (расстояние от контура выработки до точки замера, где значение Рк убывая, приближается к величине Рн);

- среднее значение т в контролируемом из шпура объеме зоны технологической нарушенности т по формуле

к я

1я 0

- суммарный объем пустот в секторе контрольного сечения, отнесенный к 1 м выработки по формуле

0 кя

П = | | т (Кв + г V« 2RRяm0,

0 0

_ 1

т = —

к

где Rв — приведенный радиус выработки, 0 — центральный угол сечения, относящийся к контрольному шпуру, рад.

Результаты контроля процессов тре-щинообразования в приконтурной зоне вы работки до образования облицовочно-несущей сталебетонной оболочки и после цементации трещин при бетонировании представлены соответственно на рис. 2 и 3.

Из графика изменения Кя в сечении вокруг контура выработки на рис. 2 следует, что максимальный размер прогнозируемой зоны цементации при заполнении бетоном заопалубочного пространств составит 0,6 ... 1,0 м от породного контура. Более интенсивно трещи-нообразование (т = 0,024) происходит в нижней части юго-западного борта квершлага, т.е. в зоне, прилегающей к контакту породного слоя алевролита с верхней границей угольного пласта. Распределение объемов пустот П также неравномерно, большая ось эллипса пустотности ориентирована параллельно напластованию. Общий прогнозируемый объем пустот в породном

Рис. 3. Развитие зон нарушенности в сечении, прилегающем к участку крепления выработки сталебетонной крепью

массиве в пределе зоны технологической нарушенности на экспериментальном участке составил УП = 5,0 м3. Низкие значения , а также незначительные отличия т от значения, соответствующего ненарушенной породы тн, связаны с тем, что на момент измерений с даты проходки выработки прошло менее 1 мес.

Экспериментальные исследования на опытном участке продолжались более 7 мес. С целью оценки интенсивности развития процессов трещинообразова-ния вне зоны возведения сталебетонной крепи (в выработке установлена рамная металлическая крепь СВП с шагом 0,5 м и железобетонной затяжкой) были проведены серии измерений в скв. № 5, 6. Обработка результатов измерений (рис. 3) позволила установить, что за период наблюдений в течение 8 мес с даты проходки выработки произошло увеличение размера зоны трещиноватости с 0,6 до 1,25 м в северо-восточном борту и с 1,0 до 1,5 м — в юго-западном. Среднее значение трещинной пустотности в пределах этой зоны увеличилось весьма незначительно и составило т — 0,009— 0,011. Объем пустот П возрос с 0,04 до

0,1 м3/м выр. в северо-восточном борту и с 0,07 до 0,12 м3/м выр. в югозападном. Полученные данные дают ос-

нования для вывода о том, что процессы трещинообразования в однородном слое алевролита происходят равномерно, следует ожидать сохранения устойчивого состояния выработки.

Результаты электрометрических измерений в веерах скважин, пробуренных на участке возведения сталебетонной крепи представлены на рис. 4. Анализ графиков показывает, что интенсивность геомеханических процессов в прикон-турном массиве весьма неравномерна: в сводовой части выработки, расположенной в середине слоя алевролита заметного роста трещин не произошло; в нижней части боков на контакте алевролита и угольного пласта развитие технологических трещин было более интенсивным. Заполнение закрепного пространства бетонным раствором сопровождалось частичной цементацией при-контурных трещин.

Сопоставление графиков т(г) до и после бетонирования (рис. 5) свидетельствует о наличии зональной структуры приконтурной зоны породного массива, прилегающего к сталебетонной крепи. За металлической рамой 1 и бетонной оболочкой 2 толщиной 0,25 ... 0,4 м следует зона 3

Рис. 4. Результаты контроля состояния пород на участке возведения сталебетонной крепи:

1 — за 3 мес до бетонирования, скв. 1—4; 2 — непосредственно до бетонирования, скв. 1—4; 3 — после бетонирования, скв. 7—8

Рис. 5. Структура техногенного породного массива, прилегающего к сталебетонной крепи: 1

— рамная металлическая крепь; 2 — бетонная оболочка; 3 — зона контакта бетонной оболочки с породным контуром, заполненная сцементированными обломками; 4 — зона попутной цементации зоны технологической трещиноватости; 5 — естественный массив; I — график т(г) до бетонирования заопалубочного пространства; II — то же после бетонирования

контакта бетона с породным контуром, в отслоившаяся порода, удерживаемая

которой до заливки бетона находилась защитной сеткой. Установлено, что це-

ментный раствор лишь частично заполняет пустоты между кусками отделившейся породы, при этом монолитного слоя в данной зоне не образуется, т.к. величина т здесь в 2—3 раза выше, чем в бетонном слое. В юго-западном борту на интервале г = 0,67 ... 1,0 м от бетонного контура четко прослеживается зона цементации трещиноватой породы 4. Расчетный коэффициент заполнения трещин цементным камнем составляет К3 = 0,487. Размер зоны цементации составляет: в боках выработки при высоте от почвы Ъ < 0,5 м, при 0,5^ < Ъ < 0,8 Къ гц=(0,2 ... 0,7)Л№ в кровле вы работки гц = 0,05 ... 0,1 м.

1. Хямяляйнен, В.А. Геоэлектрический контроль разрушения и инъекционного упрочнения горных пород / В.А. Хямяляйнен, С.М. Простов, П.С. Сыркин. — М.: Недра, 1996. — 288с.

2. Простов С.М. Контроль физических процессов в породном массиве при цементации / С.М. Простов, В.А. Хямяляйнен // Экологические проблемы горного произ-

Проведенные экспериментальные исследования позволили не только расширить знания о процессах тампонирования пустот в закрепном пространстве, но и усовершенствовать методику расчета крепи подобного типа [3]. Поскольку зацементированные слои 3 и 4 имеют вполне определенную несущую способность, то нагрузка на крепь может существенно снижаться. Корректировка расчетных параметров крепи с учетом экспериментальных данных позволит снизить материальные и трудовые затраты на ее возведение при условии сохранения срока ее службы.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

водства, переработка и размещение отходов: Докл. II науч. -техн. конф. — М. Из-во МГГУ, 1995. — С. 590—593.

3. Руководство по технологии крепления горных выработок с применением опалубки ОМП, основанной на использовании несущей способности упрочненных пород / Ю.В. Бурков, Е.Г. Дуда, Г.И. Комаров, В.А. Хямяляйнен и др. — Кемерово, 1990. — 78 с. ЕШ

— Коротко об авторах

Росстальной Е.Б. — соискатель кафедры теоретической и геотехнической механики, Простов С.М. — доктор технических наук, профессор кафедры теоретической и геотехнической механики,

Хямяляйнен В.А. — доктор технических наук, профессор, первый проректор,

ГУ КузГТУ, kuzstu@kuzstu.ru