Геомеханические аспекты консолидирующего крепления горных выработок

УДК 622.2

А.Е. Майоров

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КОНСОЛИДИРУЮЩЕГО КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

«Предпосылкой для создания крепей, основанных на использовании несущей способности заинъектированных пород, является положительный отечественный и зарубежный опыт применения тампонажа закрепного пространства и инъекции скрепляющих составов в приконтурный массив для повышения устойчивости выработок. Этот способ оказался весьма эффективным средством обеспечения устойчивости породных обнажений в самом широком диапазоне горнотехнических условий: во вновь проходимых выработках, вокруг которых образуется область трещиноватых, разрушенных пород; в выработках, сооружаемых в зонах геологических нарушений; в эксплуатирующихся выработках, крепь которых продолжает деформироваться в связи с продолжающимися сдвижениями пород; в ремонтируемых и перекрепляемых выработках.

Необходимым условием применения инъекционного упрочнения пород является наличие вокруг выработки трещиноватой зоны. Причинами, вызывающими разрушение скальных массивов, могут быть: тектонические процессы, формирующие зоны геологических нарушений, технологические воздействия на массив при проведении выработок и геомеханические процессы, в результате которых вокруг выработок развивается зона неупругих деформаций. В этом случае, говоря об упрочнении пород, имеют в виду восстановление их естественной прочности» [1].

Крепление горных выработок в сложных горно-геологических и горно-технических условиях целесообразно реализовать в виде системы, эффективно влияющей на напряженно-

деформированное состояние, физико-

механические характеристики и структуру дезинтегрированной приконтурной зоны, которая эффективно воспринимает основные действующие нагрузки при сохранении устойчивости контура. При этом важно максимально возможное повышение плотности и упрочнение нарушенных зон, прочностных характеристик поверхностных слоев блоков, что приводит к общему повышению сдвиговой прочности приконтурной зоны.

Подобное комплексное воздействие возможно при применении интегрированных в массив систем крепления выработок, обладающих эффектом консолидации нарушенных горных пород. Указанную систему консолидирующего крепления горных выработок (СКК) возможно характеризовать как совокупность взаимовлияющих элементов «крепь», «упрочненная приконтурная зона», «массив».

Максимальный эффект консолидации при условии ресурсосбережения может быть достигнут при применении инъекционного упрочнения в сочетании с анкерной крепью. Повышение сплошности и упрочнение дезинтегрированной приконтурной зоны с созданием новых структурных связей и одновременным напряженным армированием позволяет рассматривать данную область горных пород как несущую конструкцию, работающую в непосредственном взаимодействии (взаимовлиянии) с массивом, максимально используя его несущую способность. При этом применение анкеров с активным радиальным распором на стенки скважин более активизирует описанные процессы.

КемНЦ СО РАН совместно с кафедрой теоретической и геотехнической механики ГУ КузГТУ разработаны новые технологии крепления горных выработок, основанные на цементационном упрочнении трещиноватой приконтурной зоны в сочетании с анкерами, закрепляемыми в скважинах сыпучим материалом - кварцевым песком. При этом, скважины анкерного крепления используются как для нагнетания цементного раствора, так и для дренажных фильтрационных сбросов «излишней» жидкой фазы (не участвует в процессе гидратации цемента и необходима только для транспорта частиц) из системы трещин через песок при воздействии давления нагнетания и последующего механического сжатия (поджатия) анкерами расслоившейся и нарушенной структуры горных пород. Анкеры в данных технологиях также выполняют роль временной крепи, ограничивая развитие системы трещин, происходящее под действием давления нагнетания цементного раствора [2].

Для реализации предлагается три принципиальных варианта технологических решений. Первый - организация сброса «излишнего» объема жидкой фазы раствора из системы инъецируемых трещин через дренажные скважины. Второй -виброцементация, при которой колебания раствору и окружающим породам передаются одновременно с процессом нагнетания. Третий - цементация под вакуумом, при которой одновременно с процессом нагнетания проводится откачка воздуха из соседних скважин. При обоснованной необходимости возможно различное сочетание указанных способов.

Развивая известные исследования [1, 3], геомеханику СКК, использующей несущую способность массива и основанной на инъекционном упрочнении пород в сочетании с анкерным креп-

Рис. 1. Качественная характеристика («напряжения - деформация») взаимодействия СКК и0 - смещения контура до возведения конструкции временной крепи; ик - смещения крепи (контура) до выполнения упрочнения; - полные смещения контура СКК; и'ку - смещения контура за период

твердения цементного камня; и"ку - смещения контура после окончания твердения цементного камня; Рк - отпор, создаваемый временной (анкерной) крепью; Р'к - предварительное натяжение анкерной

крепи; Рку - отпор, создаваемый СКК

лением, наглядно иллюстрирует график на рис. 1. Характерной особенностью СКК является то, что режим работы и принцип взаимодействия составляющих элементов системы изменяется по мере развития деформационных процессов в массиве горных пород и изменения геомеханической ситуации. При этом весь срок существования горной выработки можно разбить на четыре этапа.

I этап соответствует периоду с момента проведения выработки до возведения конструкции крепи (облегченной временной, анкерной).

II этап соответствует поддержанию выработки конструкцией крепи до проведения мероприятий по инъекционному упрочнению.

III этап соответствует работе СКК в процессе схватывания и твердения упрочняющего состава. В случае применения химических растворов с малыми сроками схватывания и твердения этот этап может отсутствовать, в то же время при применении цементных растворов он играет существенную роль, поскольку реологические процессы в твердеющем цементном камне могут существенным образом повлиять на характеристику упрочненной оболочки.

IV этап соответствует работе СКК после набора прочности упрочняющего состава и полного взаимодействия всех элементов системы.

Исходя из рис. 1 геомеханические параметры конструкции временной крепи, поддерживающей выработку до проведения упрочнения, определяются точкой С пересечения графика ее силовой характеристики с графиком Р = - зависимо-

сти отпора на контуре выработки от его смещения на период времени /;. После достижения необходимых расчетных смещений (и0+и£) контура производят нагнетание цементного раствора в нарушенный приконтурный массив. Оболочка из упрочненных пород должна рассчитываться на параметры, определяемые координатами точек С и Е. Точка Е образуется пересечением графика силовой характеристики упрочненной оболочки и графиком Ру = / (и«) зависимости смещений точек массива на границе зоны упрочнения от радиального отпора на конечный период существования выработки. Зону ОРБР можно обозначить как область эффективной консолидации нарушенного массива.

В соответствии с [3, 4] возможность применения инъекционного упрочнения пород определяется наличием вокруг выработок зоны разрушенных (трещиноватых) пород, в которые можно нагнетать упрочняющие цементные растворы. В зависимости от условий возникновения и развития приконтурных трещин можно выделить следующие случаи применения инъекционного упрочнения:

- упрочнение пород при проведении выработок, вокруг которых образуется трещиноватая зона неупругих деформаций;

- предварительное или последующее упрочнение пород при проведении выработок в зонах геологических нарушений;

- повышение устойчивости эксплуатируемых выработок, крепь которых деформируется из-за

продолжающихся смещений пород, вызванных их разрушением.

С точки зрения эффективности и практического применения интерес представляет использование инъекционного упрочнения в качестве основного средства обеспечения устойчивости вновь проводимых выработок в условиях развития вокруг них зоны неупругих деформаций. При этом основными геомеханическими параметрами СКК являются несущая способность q = Рк и податливость и временной крепи, которые обеспечивают поддержание выработки до образования оболочки из упрочненных пород; время г отставании инъекционных работ от проходческих; глубина упрочнения Ь; требуемая прочность породного массива после упрочнения Ку=ау, которая определяет в свою очередь требования к прочностным, адгезионным и когезионным характеристикам инъекционных растворов [3].

Для определения указанных параметров предлагается использовать известные методики и подходы [1], суть которых состоит в следующем.

Уравнение, связывающее основные параметры взаимодействия системы «упрочненная при-контурная зона» - «массив» при условии 0,3 < уИ/Я < 0,8:

R

E

0,5 + 0,66— I- г2

М 1 р

3 •( 2уИ +1

= ф -- ^ Я ;  , ' I ,

ЕУ —у Е (1 + л) •(1 + му ) •[ (1 - 2^у ) +1]

где Я и Яу - прочность породного массива и упрочненных пород; Е и Еу - модуль упругости породного массива и упрочненных пород; — и —у -реологические параметры породного массива и упрочненных пород; И - глубина, на которой находится рассматриваемая точка массива; у - средневзвешенный удельный вес пород; М - модуль спада; гр = 1/а - безразмерный радиус зоны разрушения; I - радиус контура устойчивой части массива; а - радиус горной выработки; цу - коэффициент Пуассона упрочненных пород; X = 8тр / (1 - 8тр); р - угол внутреннего трения пород.

При этом требуемая прочность заинъектиро-ванных пород прямо зависит от времени отставания тампонажных работ от проходческих, которое учитывается коэффициентом ф', показывающим, какая часть от конечных смещений массива воспринимается упрочненной оболочкой. Установлено, что оптимальное отставание тампонажных работ от проходческих составляет в среднем 20 - 30 сут.

Эмпирическая зависимость для определения коэффициента ф' в интервале времени г от 10 до100 сут с момента проведения выработки: р = 1 - е -°,“/°,13.

До создания оболочки из упрочненных пород выработка должна поддерживаться временной крепью, несущую способность которой можно

определить из условия предотвращения возможного обрушения пород зоны интенсивной трещиноватости. Радиус этой зоны на период до 100 сут с момента проведения выработки:

1р = е -0,24 г0,045 а(0,8 + 2,2И/Я).

Зависимость для определения грузонесущей способности временной крепи:

£ = уа\е ~°,24 г0045 (0,8 + 2,2]И/Я)-1]. Податливость временной крепи определяют как часть от конечных смещений контура, которая реализуется к моменту создания породобетонной оболочки:

ик = рки,

где фк - эмпирический коэффициент, зависящий от времени отставания инъекционных работ от проходческих; П - конечные смещения контура.

Глубина упрочнения определяется границами области интенсивности трещиноватости, которая сформировалась вокруг выработки к моменту проведения инъекционных работ. Схема к определению глубины упрочнения пород по контуру выработки представлена на рис. 2.

Эмпирические зависимости для определения глубины упрочнения в кровле выработки:

Бк = а[е-024г0045 (0,8 + 2,2уИ/Я) -1],

в боках выработки

Вб = h[e-0,24t0 045 (0,87 + 1,27yH/R)-1],

где а и h - половина размера соответственно ширины и высоты выработки.

В промежуточных точках между кровлей и боками выработки ширина зоны упрочнения соответствует

В* = Вк -(Вк - Вб )(1 - Sin) .

Величина подпора анкерной крепи сыпучим материалом, соответствующая величине заглубления за контур устойчивой части массива, согласно [7] и [2] соответствует

Рис. 2. Схема к определению глубины упрочнения пород по контуру выработки

характеристикам цементируемой приконтурной зоны предлагается использовать коэффициент упрочнения пород С = Яу/Я, показывающий, на сколько восстанавливается прочность разрушенных и заинъектированных пород по отношению к первоначальной прочности массива [1].

После определения геомеханических параметров СКК целесообразно провести дополнительный перерасчет и проверку основных параметров анкерного (временного) крепления на основании положений действующих нормативных документов [8, 9].

Таким образом, с учетом представленного подхода возможен расчет и выбор основных гео-механических параметров СКК, перспективность которых очевидна вследствие их высокой надежности и низкой материалоемкости, что особенно важно при проведении капитальных выработок и выработок с длительным сроком службы, проведении горных выработок в сложных горногеологических и горно-технических условиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ :

1. Заславский, Ю.З. Новые виды крепи горных выработок / Ю.З. Заславский, Е.Б. Дружко. - М.: Недра, 1989. - 256 с.

2. Майоров, А.Е. Консолидирующее крепление горных выработок / А.Е. Майоров, В.А. Хямяляйнен; науч. ред. В. А. Хямяляйнен; Сиб. отд-ние РАН, КемНЦ. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. - 264 с.

3. Заславский, Ю.З. Инъекционное упрочнение горных пород / Ю.З. Заславский, Е.А. Лопухин, Е.Б. Дружко, И.В. Качан. - М.: Недра, 1984. - 176 с.

4. Хямяляйнен, В.А. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок / В.А. Хямяляйнен, Ю.В. Бурков, П.С. Сыркин. - М.: Недра, 1994. - 400 с.

5. Майоров, А.Е. Исследование процесса закрепления анкеров сыпучим материалом // Вестн. Кузбасского гос. тех. унив. - 2010. - № 4. - С. 11-15.

6. Ануфриев, В.Е. Технология закрепления анкеров минеральным заполнителем / В.Е. Ануфриев, В.В. Барковский, Ю. Д. Гараев, А.Е. Майоров // Г орный журнал. - 1999. - №2. - С. 41 - 43.

7. А.с. 1046531, МКИ Е 21 D 21/00. Способ сооружения анкерной крепи / С.Б. Стажевский, Е.И. Шемякин, Н.Д. Юрьев, В. А. Коваленко, П.Т. Гайдин, В.Н. Власов (РФ); - № 3407760/22-03; заявл. 11.03. 1982; опубл. 07.10. 1983, Бюл. № 37. - 5 с. : ил.

8. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России. - СПб.: ВНИМИ. - 2000.

9. СНиП II-94-80. Подземные горные выработки. Ч II. - Введ. 31.12.1980. - М.: Госстрой СССР, 1980.

Автор статьи:

Майоров Александр Евгеньевич, канд.техн.наук, зав. лаб. проблем энергосбережения КемНЦ СО РАН, соискатель кафедры теоретической и геотехнической механики ГУ КузГТУ E-mail: majorov-ae@mail.ru

L„ =-------------x

" Sfffif ?

x In (Sf?)2 -(Sifii) Г yF Л 0,1P0 +-£ • к

Y sF 1 0 S,fi?J

где ^ - площадь кольцевого сечения, образованного грузонесущим стержнем и стенками шпура; S

- периметр сечения скважины 5) - периметр сечения грузонесущего стержня; у - коэффициент трения между сыпучим материалом и стенкой скважины; у - коэффициент трения между сыпучим материалом и грузонесущим стержнем; -

объемный вес сыпучего материала; Ро - проектная несущая способность анкера; £ - коэффициент бокового распора сыпучего материала; к- корректирующий коэффициент.

Минимальное из условия равнопрочности с грузонесущим стержнем значение длины подпорной втулки песка для скважин диаметром 30 мм составляет не менее 70 см.

Для определения требований к прочностным