книги / Расчет крепи капитальных горных выработок

на величину коэффициента структурного ослабления. На рис. 1 показана зависимость коэффициента ослабления трещиноватого блока породы при кубической форме отдельности от относитель­ ной густоты трещин, построенная поданнымВ. Г. Зотеева [78]. Инте­

Имеется ряд предложений по оп­ ределению коэффициента структур­ ного ослабления пород. При разру­ шении породы по поверхностям, не совпадающим с поверхностями ос­ лабления, коэффициент структур­ ного ослабления можно определить по формуле, предложенной Г. Л. Фисенко [171],

11

В табл. 4 приведены значения коэффициента структурного ослаб' ления, предложенные Г. А. Крупенниковым применительно к оценке устойчивости стволов [97].

Т а б л и ц а 4

По данным натурных испытаний пород в боках горизонтальных выработок угольных шахт, проведенных В. В. Райским (ВНИМИ), можно предложить следующие эмпирические зависимости для опре­ деления коэффициента структурного ослабления пород:

Представляют интерес методы оценки трещиноватости и проч­ ности пород в массиве, предложенные М. М. Протодьяконовым [140].

Ползучесть — это способность пород деформироваться во вре­ мени под действием постоянной нагрузки. Одно из удачных эмпири­ ческих выражений, описывающих все стадии процесса ползучести, предложено Е. М. Шафаренко [184]:

1 I Cg [l — exp (—"at*)] }

Здесь E; — интенсивность деформаций; а = ахо с + а 2; б = б^* + б 2; a v a 2 i б х, б 2, С, £ — константы материала.

Влияние ползучести на прочность пород объясняется накоплением микронарушений в процессе деформации, вследствие чего при дли­

J2

тельном действии нагрузки прочность снижается. Уменьшение проч­ ности учитывается функцией длительной прочности

вают коэффициентом длительной прочности. По данным испытаний пород, величина этого коэффициента составляет 0,7—0,8 при а?ж — = 100 -т- 600 кгс/см2 и 0,8—0,9 приасж > 6 0 0 кгс/см2. Коэффициент длительной прочности зависит от пористости и влажности пород.

Пластичность — это способность пород испытывать необратимые (остаточные) деформации без разрушения. Пластичные породы в отличие от хрупких менее чувствительны к местным концентра­ циям напряжений.

Пластичность пород можно характеризовать предельной величи­ ной остаточных или общих деформаций в направлении наибольшего

Т а б л и ц а 5*

* Данные испытаний пород в куске.

13

Т а б л и ц а 6*

главного напряжения [261] (табл. 5, 6), а также величиной отноше­ ния общей предельной деформации к упругой, которую будем назы­ вать показателем пластичности пород.

Таким образом, критерий прочности пластичных пород можно представить в следующем виде:

При аналитических исследованиях массив горных пород часто моделируется идеально пластической средой, обладающей внутрен­ ним трением и сцеплением. В этом случае для того чтобы использо­ вать в расчетах данные испытаний пород, при определении показа­ теля пластичности необходимо аппроксимировать фактическую диа­ грамму испытаний линией, соответствующей расчетной модели (рис. 3).

14

§ 2. ВЫВАЛООБРАЗОВАНИЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СОБСТВЕННОГО ВЕСА ПОРОД

Наблюдения за обрушениями пород положены в основу гипотезы свода [139], составившей целый этап в развитии механики горных пород и не утратившей полностью своего значения и в настоящее время. Данные о форме обрушений пород в кровле выработок имеются

вряде работ [121, 183]. Известны случаи образования в результате вывала протяженной «силосообразной» полости [197]. Такой вывал произошел, например, в 50-х годах на шахте им. Ильича в Донбассе

ввосточной обходной околоствольного двора гор. 540 м в районе ствола № 1. Образовавшаяся полость достигла трубного ходка, расположенного в 5 м над обходной.

Склонность к вывалообразованию зависит от петрографического состава и прочности пород, а главным образом — от макротекстуры массива, густоты и ориентировки трещин. Влияние глубины непосред­ ственно на способность пород к вывалообразованию не сказывается,

апроявляется лишь в той мере, в какой глубина влияет на свойства и нарушенность пород.

Вывалообразовагше в стволах. Значительный фактический ма­ териал по вывалообразованию при обычной проходке вертикальных шахтных стволов в Донбассе собран 10. А. Онищенко [134]. Из полу­ ченных данных следует:

вывалы происходят преимущественно в слабых породах: уголь, мергель, глина (85—90%);

самые большие вывалы связаны с геологическими нарушениями; около половины стволов пройдено вообще без вывалов; 64% вывалов произошли на глубине до 200 м; 80% вывалов произошло в стволах диаметром 7 м и более;

размеры вывалов: высота 1,5—27 м; глубина 0,5—4,5 м; протяженность по периметру сечения ствола 2—2,5 м; средние размеры: высота 7,5 м; глубина 1,6—1,7 м; вывалы на всю высоту обнажения отсутствуют; преобладают односторонние вывалы (55—65%);

максимальное число вывалов по стволу не превышает 4—5, а их суммарная высота не превышает 10% от общей глубины ствола;

длительность обнажения пород до вывалов 0,5—6 мес.

Эти данные относятся к проходке стволов с крепью из железо­ бетонных тюбингов, которая вводилась в контакт с породными стенками путем тампонажа закрепного пространства с отставанием до 30 м и более от забоя ствола, через 2—4 недели после обнажения.

10.И. Белоцерковец предложил способ прогнозирования вывалообразования в стволах по каверпограммам геологических кон­

трольных скважин [22]. Сопоставление кавернограмм 82 скважин и профилей 116 стволов Донбасса показало, что вывалы и каверны приурочены к одним и тем же участкам массива, причем средняя суммарная протяженность каверн даже несколько больше, чем вывалов. Следовательно, прогноз осуществляется с некоторым

15

запасом. Вывалом считается локальное увеличение диаметра ствола на 10%.

В работе [30] приведены данные об осыпании и вывалообразовании в стволе, пройденном бурением.

Вывалообразованпе в горизонтальных выработках. По характеру

ипричинам можно выделить следующие виды обрушений пород: обрушение слоистой кровли в результате расслаивания и разлома

слоев; выпадение блоков пород из кровли с образованием куполов;

обрушение слабых пород; обрушение сильнотрещиноватых пород.

Устойчивости пород слоистой кровли посвящено много исследова­ ний [27, 269]. В качестве условия устойчивости обычно принимается соотношение

где Lnp — предельный пролет для данной кровли, который может быть приближенно определен по формуле

вертикальных трещинах, параллельных оси выработки, кТр = 0,2—0,8; при трещинах, перпендикулярных оси

выработки, /стр = 0,8—0,9; при двух системах трещин — произведение этих величин •;

<Тр — предел прочности слоя непосредственной кровли на рас­ тяжение. \

Предельный пролет кровли, закрепленной металлическими штан­

гами, возрастает, по данным 10. И. Васильева, [в п раз, где п —

число скрепленных слоев.

Выпадение блоков из кровли выработки известно в горной црактике под названием «куполение». Установлено, что этому явлению подвержены аргиллиты алевритистые и алевритовые, а также алев­

16

ролиты с базальным глинистым цементом с пределом прочности <Тсж < 4 0 0 кгс/см2 [115]. Важно, что эти породы имеют внутренние скрытые поверхности ослабления, сходные с зеркалами скольжения.

Образующиеся при обрушении блоков «купола» обычно имеют форму неправильного усеченного конуса высотой 0,5—1,5 м и осно­ ванием 1—2 м. Происхождение поверхностей ослабления, по кото­ рым отделяются куполовидные глыбы пород, не известно. Выска­ зываются предположения, что они связаны с условиями осадконакопления.

Устойчивость однородных слабых пород также характеризуется величиной предельного пролета выработки. А. А. Борисов на основа­ нии работы В. Риттера рекомендует следующую формулу для пре­ дельного пролета [27]:

Для скальных и полускальных пород аналогичная формула пред­ ложена С. С. Давыдовым [54]:

В более строгой постановке задача потери устойчивости в резуль­ тате образования свода обрушения в кровле выработки рассмотрена

И.В. Жеребцовым [72].

Классификации пород по устойчивости. Существует ряд класси­

фикаций горных пород с точки зрения их обрушаемости в горные выработки [195, 205, 230]. В качестве примера можно привести клас­ сификацию Т. Хагермана [218], который выделяет следующие типы пород (табл. 7):

однородная изотропная; однородная с одним направлением анизотропии;

сдвумя направлениями анизотропии или одной системой пло­ скостей ослабления;

сдвумя системами плоскостей ослабления;

сбольшим числом систем плоскостей ослабления.

По степени устойчивости породы делят на

авполне устойчивые;

Ъ— породы большей частью, вероятно, неустойчивы; необходимы полный контроль и частично оборка; требуется, вероятно,

анкерная крепь; Ьс — неустойчивые; необходима оборка породы; большая часть,

поверхности должна быть подкреплена;

с— весьма неустойчивые.

Известна также классификация пород по обрушаемости, пред­

ложенная Г. Лауффером [123, 230] (рис. 4). Характеристика

17

соответствующих классов пород и рекомендации по выбору типа крепи приведены в табл. 8.

В.М. Мостков рекомендует определять класс пород по степени

их устойчивости на опытных участках выработки соответственна

ю

на крепь.

Приведенные выше классификации имеют в общем качественный характер, поэтому в оценке устойчивости пород достаточно высок элемент субъективного. Значительный интерес представляет предло­ жение В. А. Гиленко и др. [49], в котором качественные признаки увя­ заны с их количественной оценкой. На основании наблюдений в горно­ разведочных выработках, пройденных в трещиноватых изверженных породах, установлены количественные критерии устойчивости. По­ роды по устойчивости делят на пять категорий (табл. 9).

J8

Показатель, характеризующий устойчивость пород, получается путем перемножения баллов, характеризующих влияние каждого из совместно действующих факторов (табл. 10). К весьма неустойчи­ вым относятся породы в районах крупных тектонических разрывов.

В табл. 9 авторы работы дают рекомендации по креплению выра­ боток деревянной крепью. Кроме того, можно рекомендовать в поро­ дах II и III категории штанговую крепь (с железобетонными штан­ гами), а также набрызгбетонную (III категория) и комбинированную (III—IV категории).

В трещиноватых породах трещины часто бывают заполнены вы­ ветривающимся материалом, поэтому эффективной является изоли­ рующая крепь [35].

19

Т а б л и ц а 10

Интересно отметить, что высота обрушения пород в кровле гори­ зонтальных выработок мало зависит от того, обычное или контурное взрывание применяют при их проходке [163].

§3. ПОТЕРЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПОРОД

ВРЕЗУЛЬТАТЕ ИХ РАЗРУШЕНИЯ

Вотличие от вывалообразования, которое не зависит от глубины,

устойчивость, определяемая сопротивлением пород разрушению, суще­ ственно зависит от глубины, так как потеря устойчивости вызывается действием внутренних напряжений, величина которых определяется весом всей вышележащей толщи. Разрушенные внутренними напря­ жениями породы уже под собственным весом могут обрушиться в вы­ работку. В отличие от рассмотренной выше формы потери устойчи­ вости, здесь вывалообразованию предшествует разрушение пород, вывалообразование и разрушение обычно захватывает бока выработок (при однородных или равнопрочных породах), с которых собственно

иначинается разрушение *.

* В массивах, где наибольшими являются горизонтальные напряжения (месторождения Кольского п-ова и др.), разрушение может ограничиваться кровлей выработки.

20