книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

Главным моментом, определяющим проявления горного давле­ ния в подготовительных выработках, является изменчивость поля напряжений и смещений массива пород под влиянием очистных работ. Последняя приводит к разрыву сплошности массива, появле­ нию участков, где напряжения и смещения подчиняются законам механики дискретных сред и даже участков беспорядочного обру­ шения пород. Породы вблизи подготовительных выработок претер­ певают «большие» смещения, соизмеримые с размерами сечения выработок.

201

развитию смещений в массиве препятствует крепь, главное на­ значение которой заключается в регулировании смещений пород и предотвращении перехода процесса деформирования пород в опас­ ную стадию (рис. 26, 5).

Картина проявлений горного давления в подготовительной выра­ ботке, подвергающейся влиянию очистных работ, которые ведутся на большой площади и захватывают обширные области массива пород, существенно иная. Существующие виды крепи не могут за­ метно регулировать смещения пород и работают большей частью в режиме заданной величины и скорости смещения.

О с н о в о й д л я п р и н я т и я р е ш е н и й по о х р а н е п о д ­ г о т о в и т е л ь н ы х в ыр а б от о к. являются:

эмпирические зависимости смещений пород от главных влияю­ щих факторов, получаемые экспериментально, преимущественно из шахтных инструментальных исследований в данных горногео­ логических условиях;

результаты лабораторных исследований свойств пород и прояв­ лений горного давления на моделях;

данные производственного опыта эксплуатации подготовитель­ ных выработок.

§ 25. Методы и средства комплексного исследования проявлений горного давления в капитальных выработках

Экспериментально-производственные исследования

Основной общей целью наблюдений и экспериментов в произ­ водственных условиях (см. гл. I) является нахождение эмпириче­ ских зависимостей между напряженным состоянием горных пород, их свойствами, производственно-техническими факторами и прояв­ лениями горного давления.

Экспериментально-производственные исследования включают: получение имеющейся информации, сбор, обработку и анализ

реологических, горнотехнических и технико-экономических материа­ лов об условиях проведения и поддержания капитальных вырабо­ ток;

.обследование выработок — выяснение состояния ограничиваю­ щих элементов (кровли, подошвы, боков) и крепи выработок; рас­ пространенности, объемов, характера и причин ее повреждения; деформаций и нарушений окружающих выработку горных пород; проведение визуальных и простейших инструментальных наблю­ дений за смещениями и деформациями пород в определенных выра­ ботках в период проходки, крепления или эксплуатации, сопровож­

даемых измерениями сечений и других параметров; производство инструментальных измерений на специально ото­

бранных представительных участках выработок, которое является

202

основным экспериментально-производственным средством исследо­ ваний проявлений горного давления.

Существует два основных класса условий поддержания капи­ тальных горных выработок: вне зоны и в зоне влияния очистных работ. В свою очередь в пределах этих классов различия условий определяются геологическими и гидрогеологическими особенно­ стями, составом и свойствами горных пород; наличием других влияющих выработок; способами проходки и крепления, типом кре­ пи, временем эксплуатации и т. п.

Основными объектами исследования в первом классе условий, в соответствии с изложенными ранее.общими задачами являются: напряжения, смещения, деформации и разрушения горных пород в массиве вблизи выработки, на контакте крепи с породами; струк­ тура и физико-механические свойства горных пород в массиве; на­ пряжения, деформации и разрушения крепи.

При втором классе условий (в зоне влияния очистных работ) местом исследований должны быть не только выработки и прилегаю­ щие к ним части массива горных пород, но и вся толща горных по­ род, в которой пройдены стволы и другие капитальные выработки, подвергающиеся сдвижениям и деформациям под влиянием разра­ ботки пластов. Для изучения деформирования и сдвижения толщи должны использоваться расположенные в ней выработки (подго­ товительные выработки, шурфы, скважины), специально пройден­ ные выработки и земная поверхность (см. гл. X). Основными объ­ ектами исследований при этом являются вертикальные и горизон­ тальные смещения и деформации сжатия и растяжения вертикаль­ ных или горизонтальных линий (оси или стенки стволов, горизон­ тальных выработок скважин, линии на земной поверхности) их ис­ кривления и наклоны в различных зонах (опорного давления, раз­ грузки и др.).

Здесь необходимо учитывать следующие факторы: состав и строение толщи, угол падения, число и мощности угольных пластов или залежей других ископаемых, наличие мощных прочных и сла­ бых слоев пород в кровле разрабатываемого пласта, в его почве; степень нарушенности и деформируемости этих пород и угля, проч­ ность межслоевых связей и межслоевое трение, способность к расслоению и высота расслоения горных пород над очистной выра­ боткой; порядок отработки пласта и свиты пластов, системы раз­ работки и способ управления кровлей; размеры предохранитель­ ных целиков и порядок их отработки.

С б о р и н ф о р м а ц и и и в и з у а л ь н о е о б с л е д о в а н и е служат основой для уточнения задач и объема исследования. На ос­ новании их уточняются задачи работы, выбираются участки для инструментальных наблюдений и конкретизируется методика по­ следних. Эти этапы дают также материал для конкретных практи­ ческих выводов и предложений.

203

При обследовании, как и при анализе материалов, необходимо четко различать группы условий поддержания выработок.

Материал должен быть проанализирован с точки зрения выяс­ нения зависимости состояния выработок и стоимости их поддержа­ ния от основных естественно-геологических и производственно-тех­

нических факторов.

У с к о р е н н ы е и у п р о щ е н н ы е н а б л ю д е н и я и и з м е ­ р е н и я позволяют охватить большую протяженность выработок. Они доставляют хотя и широкие, но лишь простейшие сведения, ограничивающиеся, в основном, видимой поверхностью пород и крепи. Сюда относятся наблюдения за состоянием стенок ствола или другой капитальной выработки в обнажении при проходке и эксплуатации, наблюдения за состоянием крепи выработок; про­ стейшие измерения смещений элементов крепи и пород с помощью стоек, рулеток, простых индикаторных приборов и т. п., измерения формы и размеров сечений выработок, данные о видах и объемах повреждения крепи.

Д л я и н с т р у м е н т а л ь н ы х д л и т е л ь н ы х н а б л ю д е н и й должны быть отобраны участки выработок в типичных горногеоло­ гических и производственных условиях с тем, чтобы результаты из­ мерений можно было обобщать на достаточно обширную область. Например, в вертикальных шахтных стволах наблюдениями долж­ ны быть охвачены участки, находящиеся в разных условиях (про­ тяженные участки, тупиковые участки — вблизи торцов и забоев; районы сопряжений с другими выработками, устья; при различных диаметрах стволов; участки в разных породах на разной глубине при различных углах падения и т. п.), имеющие различную крепь и разнорасположенные относительно очистных работ. То же отно­ сится к горизонтальным и наклонным выработкам.

На отдельных группах участков для производства инструмен­ тальных наблюдений должно изучаться влияние различных зако­ номерных факторов при максимально возможном устранении влия­ ния случайных факторов. Условия разных групп участков должны различаться, по возможности, лишь одним фактором или одной определенной группой влияющих факторов.

На экспериментальных участках должны быть изучены геологи­ ческие и гидрогеологические условия, физико-механические свойства горных пород, их структура и степень нарушенности.

Количество измерений в одинаковых условиях должно быть до­ статочным для статистической обработки результатов и возможно­ сти исключения или учета искажений, вносимых случайными фак­ торами.

Следует полно изучать процесс взаимодействия крепи и пород, измерять смещения, деформации, нагрузки и напряжения с начала проходки и оканчивать наблюдения лишь после полной стабили-

204

Напряжения внутри бетонной крепи и в закрепном простран­ стве измеряются при помощи закладных телетензометров.

Разрушения и расслоения пород вокруг выработок можно об­ наружить при просмотре скважин, например, прибором РВП.

При проведении шахтных инструментальных исследований не­ обходимо выполнять следующие обязательные условия:

а) одновременно с измерением нагрузок при проходке выработки]^ производить измерение смещений крепи и пород на контуре сечения выработки, начиная с удаления от забоя не более 1 ж и до отхода забоя от этого сечения на расстояние не менее 20—25 м;

б) при исследовании смещений в толще пород с помощью глу­ бинных реперов, скважины из одиночной выработки следует бурить глубиной не менееЭ1 (где t — наибольший поперечный размер выра­ ботки), при этом наиболее заглубленный репер можно считать не­ подвижным;

в) пробы пород для испытаний следует отбирать из всех слоев, пересекаемых выработкой, а при исследовании смещений с помо­ щью глубинных реперов — из всех слоев, пересекаемых скважинами; г) при испытании пород обязательно получение как минимум

следующих показателей (см. гл. II):

— предела прочности на одноосное сжатие (кратковременное)

ивыборочное длительное для типовых представителей пород;

—параметров огибающей кругов Мора (/С,,Р );

—деформационных характеристик (£, О );

ций при одноосном сжатии при нагрузках равных вертикальному давлению на данной глубине и при нагрузках, равных 0,80 предела прочности на одноосное сжатие породы. Последние сведения нужны для предварительного отнесения среды к простейшему реологи­ ческому классу: упругого, пластичного, ползучего или комбиниро­ ванного тела, а также — для постановки, в случае необходимости, подробных целенаправленных механических исследований;

д) при установке динамометрических станций следует учиты­ вать жесткость измерительных устройств [12]; в случае, если жест­ кость динамометрической крепи не соответствует жесткости обыч­ ной крепи за пределами участка измерений, протяженность дина­ мометрической станции должна обеспечивать полную нормальную нагруженность динамометров и быть не менее 1,51;

е) при использовании динамометрической крепи с гидравли­ ческими баллонами следует производить измерение температуры жидкости, заполняющей баллоны и вводить температрные поправки [28], если коэффициенты объемного расширения заполнителя бал­ лонов и материала обычной крепи существенно различны.

208

Целесообразно проводить испытание физико-механических свойств горных пород в массиве в натурных условиях для сопоставления с данными лабораторных испытаний; для оценки устойчивости пород­ ной поверхности, изучения влияния на прочность и деформацион­ ные свойства пород плоскостей напластования, слоистости и трещи­ новатости; определения угла внутреннего трения и сцепления по плоскостям ослабления (гл. II).

Для планомерного изучения проявлений горного давления в ка­ питальных горных выработках целесообразно проведение специаль­ ных горных экспериментов для изучения влияния определенных процессов, связанных с направленным изменением напряженнодеформированного состояния или механических свойств окружаю­ щих выработки пород, а также для экспериментальной проверки надежности мер охраны выработок и работы различных видов крепи. Такой эксперимент может быть поставлен, например, с выемкой околоствольных предохранительных целиков, работой выработок при водопонижении и т. п.

Горный эксперимент должен сопровождаться подробными иссле­ дованиями с полным комплексом измерений на всех участках, где ожидаются изменения в характере и величине проявлений горного давления.

Участки для горного эксперимента должны быть отобраны так, чтобы основные горногеологические факторы были типичными и по возможности не были слишком многочисленными.

В процессе обработки результатов экспериментально-производ­ ственных исследований устанавливаются примерные параметры взаимодействия крепи с породами и условия устойчивости вырабо­ ток. При назначении параметров необходимо обеспечивать чтобы вероятность значительных отклонений от рекомендуемых макси­ мальных величин была достаточно мала. Должны быть оценены, с помощью методов математической статистики, возможные наи­ большие отклонения фактических значений от средних, найдены экспериментальные кривые распределения измеренных величин, коэф­ фициенты вариации и другие необходимые данные.

Лабораторные исследования

Лабораторные исследования разделяются на две группы: иссле­ дование физико-механических свойств и петрографических особен­ ностей горных пород (см. гл. II) и изучение на моделях процессов, происходящих вокруг выработок в массиве горных пород, харак­ тера работы крепи и ее взаимодействия с массивом (см. гл. III).

Целью испытаний физико-механических и петрографических свойств горных пород применительно к данной проблеме является установление структурных особенностей пород и отнесение их к определенному типу (неоднородных или однородных, сплошных или дискретных, связных или несвязных тел, см. гл. V), определение

209