Геомеханическая модель развития деформационных процессов в забое одиночной горизонтальной выработки

УДК 622.833.5

ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЗВИТИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗАБОЕ ОДИНОЧНОЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ

А.В. Смирнов

На основе анализа результатов натурных измерений в капитальных выработках шахт Западного Донбасса предложена геомеханическая модель развития деформаций в приконтурном пространстве. Выполнено численное моделирование процесса формирования зон разрушенных пород в окрестности выработки. Установлены закономерности развития процессов деструкции горных пород в породном массиве.

Ключевые слова. Основные выработки угольных шахт, напряженно-деформированное состояние, потеря упругопластической устойчивости, теория бифуркации, пучение пород почвы.

В результате анализа обширных измерений, выполненных на шахтах Западного Донбасса М.А. Выгодиным [1], процесс развития деформационных деформаций приконтурного массива в окрестности одиночной протяженной выработки, расположенной вне зоны влияния очистных работ, выглядит следующим образом. При перемещении забоя проводимой выработки в её окрестностях последовательно образуются три зоны разрушенных пород, разделенных зияющими трещинами (рис. 1).

Толщина слоев, начиная от внешнего по отношению к контуру выработки, составляет, в среднем, 25, 50 и 75 см соответственно. Смещения первого слоя доходят до 0,5 м, второго - до 0,2 м, третьего - до 0,05 м. Ширина трещин между слоями соответственно равна 0,1, 0,05 и 0,01 м в кровле выработки и примерно вдвое меньше в почве.

Со стороны почвы развивается пучение пород. При этом активная зона имеет глубину около полупролета выработки. Бока выработки неравномерно смещаются внутрь, что особенно заметно у почвы. В кровле постепенно формируется зона разрушенных пород, создающих нагрузку на крепь. Весь этот процесс растянут во времени и пространстве и реализуется на расстоянии 30...50 м от забоя выработки. Это обстоятельство отражено на рис. 2,а, где k (L) - функция влияния забоя выработки, имеющая значения, изменяющиеся от некоторой минимальной величины непосредственно у плоскости забоя k (L)min ~ 0.1.0.2 до k (L) = 1 на расстоянии 30.50 м. Эта нелинейная функция как-бы снижает гравитационные силы уН в пределах влияния забоя.

По мере уменьшения этого влияния происходит изменение геомеханического состояния приконтурного массива с образованием трех характерных зон, показанных на рис. 2,б.

б

Рис. 1. Схема деформирования пород приконтурного слоя и образования зон разрушения: 1 - металлическая арочная податливая крепь; 2 - породы почвы; 3 - боковые породы; 4 - породы кровли; 5 - пустоты и трещины; 6 - вода; 7 - ненарушенный массив вмещающих пород; 8 - маркирующий

пласт [1]

ЦТ)

1

п

1

[

\ . / \ / \!/

III

/

м

тг \

\

/

\ ж /

Рис. 2. Развитие геомеханических процессов в приконтурном породном массиве: а-по мере перемещения забоя выработки; б-по мере удаления забоя выработки

В пределах зоны I образуется замкнутая область неупругих деформаций. В пределах зоны II реализуется вспучивание пород почвы. В пределах зоны III продолжается деструкция вмещающих пород, сопровождаю-

207

щаяся развитием трещин в боках и кровле выработки, что приводит к образованию свода естественного равновесия, в пределах которого формируется нагрузка на крепь.

По мере удаления от забоя образование зон сопровождается неупругим расширением пород в приконтурной области.

Процесс деформирования пород в приконтурном пространстве во времени протекает нелинейно. Выскажем допущение, что прочностные характеристики пород будут изменяться таким же образом. Если в выполненных ранее исследованиях А.Ю. Король [2] полагалось, что после прохождения точки бифуркации [3] процесс вспучивания останавливается и параметры его в дальнейшем не меняются, то задачей настоящего моделирования является установление закономерностей последующего развития этого процесса, исходя из анализа натурных измерений. Численное моделирование выполнено с помощью программного комплекса «PHASE-2» канадской лаборатории Rokscience.

В пределах областей II и III (пластической и вспучивания) в окрестности выработки и в почве предел прочности вмещающих пород уменьшается от начального значения Яс до (0,7; 0,5; 0,34; 0,1)Кс. При этом исследуются вертикальные перемещения на контуре выработки и в глубине массива, а также рассматривается появление зон растягивающих напряжений.

На рис. 3 показаны конфигурации областей неупругих деформаций в зонах I, II и III. Геометрически правильные фигуры ограничивают области, в которых происходит уменьшение прочности пород. На рис.3,а коэффициент снижения прочности (деструкции) равен 1.

На рис. 3,б показана конфигурация области неупругих деформаций после прохождения геомеханической системой точки бифуркации (зона II). В почве образуется вытянутая вниз область, породы в центре которой подвергаются наибольшей деструкции.

Последующие расчеты были выполнены для коэффициента деструкции пород к = 0,7; 0,5; 0,3; 0,1.

На рис. 3,в показано, как изменилась конфигурация и размеры области неупругих деформаций для случая, когда к = 0,1 (зона III).

Видно, что область увеличена по отношению к варианту в зоне II, она по форме приближается к эллипсу. При этом существенно изменилась картина вертикальных перемещений, они распространяются на большую глубину и более интенсивны.

На рис. 4 показано изменение вертикальных перемещений в кровле и почве выработки в зависимости от уменьшения прочности пород.

Из них следует, что после реализации всех геомеханических процессов в зонах I и II в зоне II происходит дельнейшее изменение параметров упругопластического состояния по нелинейному закону. При этом перемещения почвы и кровли подчиняются соответственно следующим логарифмическим зависимостям:

ип = 0,341п(к)+ 0,593, Я2 = 0,9929,

иг = 0,161п(к)- 0,3 , Я2 = 0,9921.

Здесь к - коэффициент снижения прочности (деструкции) пород.

в

Рис. 3. Конфигурация области неупругих деформаций: а - зона I; б - зона II; в - зона III

Вертикальные смещении в ничье выработки Ти(а1 ОЬр1яеешсн1

I/» Ы 1.2

•я

2 1

-

а

.3 0.8

а

5

о,«

£

0,1 0,2 О

С 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

-И-кО=1 -*-к=1 -*-к=0,75 --к=Ог=» -к=<),1

Рис. 4. Изменение вертикальных перемещений в приконтурном пространстве кровли (а) и почвы (б) выработки в зависимости от уменьшения прочности вмещающих пород

Снижение прочности пород вокруг выработки вследствие протекания физических процессов деструкции затрагивает не только контур выработки, но и простирается в глубь массива, определяя будущую устойчивость выработки.

Из этого следует, что после вспучивания эти процессы в большей степени затрагивают породы кровли, увеличивая размер области пластических деформаций в вертикальном направлении почти в 2 раза. На рис. 5, а, б, в последовательно показано, как увеличивается область, внутри которой реализуются растягивающие напряжения, которым породы сопротивляются плохо.

Они способны образовывать те системы техногенных трещин в окрестности выработки, о которых шла речь в начале изложения.

в

Рис. 5. Область растягивающих напряжений: а - в зоне I; б - в зоне II; в - в зоне III

Управлять этим процессом можно, своевременно изменяя механические свойства окружающего выработку породного массива, например, с помощью установки анкерных болтов и выполнения работ по их упрочению набрызгбетоном.

Выводы

1. Предложена деформационная модель развития геомеханических процессов в окрестности протяженных выработок шахт Западного Донбасса, на основе которой можно определить параметры технологии возведения комбинированных крепей, работающих с использованием несущей способности приконтурного породного массива по мере удаления забоя выработки и образования зон кольцевых трещин.

2. На основе обобщения натурных измерений, выполненных на шахтах Западного Донбасса, предложена физическая модель развития деформаций, в соответствии с которой в окрестности одиночной капитальной выработки во времени и пространстве по мере перемещения забоя образуются три системы кольцевых трещин, изменяя поведение всей геомеханической системы.

3. Получила дальнейшее развитие численная модель пучения пород почвы, которая позволила объяснить явление вывалообразования, как следствие появления растягивающих напряжений в породах кровли на завершающем этапе эволюции геомеханических процессов в окрестности капитальных протяжённых выработок, сооружаемых в горногеологических условиях шахт Западного Донбасса.

4. Поставлена и решена задача количественной оценки коэффициента пластического разрыхления пород в окрестности выработок с проявлениями больших деформаций почвы.

5. Доказано, что перемещения пород кровли и почвы в выработке по мере удаления от забоя зависят от степени их деструкции и подчиняются логарифмическому закону, что позволяет на этой основе управлять деформационными процессами путём изменения механических свойств породного массива, например, путём своевременного ограничения деформаций в кровле с помощью анкерных болтов и инъектирования цементно-песчаными растворами.

Список литературы

1. Выгодин М. А. Обоснование параметров армопородных грузоне-сущих конструкций на базе рамно-анкерных крепей и технология их сооружения в выработках шахт Западного Донбасса: дис. ... канд. техн. наук. Днепропетровск, 1990. 139 с.

2. Король А.Ю. Закономерности деформирования приконтурного массива в окрестности одиночной выработки при вспучивании пород почвы // Геотехническая механика. / Институт геотехнической механики им. М.С. Полякова НАН Украины. 2014. № 115 С. 170-175.

3. Шашенко А.Н., Солодянкин А.В., Мартовицкий А.В. Управление устойчивостью протяженных выработок глубоких шахт: монография. Днепропетровск: ООО «ЛизуновПресс», 2012. 384 с.

Смирнов Андрей Викторович, канд. полит. наук, горный инженер, shashenkoaanmu. org. ua, Украина, Павлоград, Компания ««ДТЭК «ЭНЕРГО»

GEOMECHANICAL MODEL OF THE DEVELOPMENT OF DEFORMA TION PROCESSES AROUND FACE OF THE HORIZONTAL MINE WORKING

A.V. Smirnov

The analysis of the measurements in city in the main workings of coal mines in the Western Donbass. Proposed geomechanical model of deformation development of rock mass. Made numerical model of the formation of zones of destruction rocks around a horizontal mine workings. Defines the conditions of the processes of destruction of rock mass around a horizontal mine workings.

Key words: Mine workings of coal mines, stress-strain state, loss of elastic-plastic equilibrium state, bifurcation theory, rock heaving.

Smirnov Andrey Viktorovich, candidate of political sciences, mining engineer, sha-shenkoa@,nmu.org.ua, Ukraine, Pavlograd, Company «DTEK «ENERGO»