Проблемы горного дела и экологии горного производства

Подождите немного. Документ загружается.

121

диаграммы (т.е., деформируются упруго), то можно говорить о том, что каждый

элемент на данном шаге нагружения имеет свою величину прочности, в том

числе и те, которые испытывают запредельное деформирование. Такая

процедура моделирует разупрочнение.

Разрыхляющийся материал характеризуется наличием неупругих

деформаций

. В данном случае, на n-ом шаге, под неупругими деформациями

понимается величина

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−=

nnd

)()(

εε

, (4)

где E – модуль упругости первого рода (модуль Юнга) материала.

На шаге (n + 1) величина неупругих деформаций будет соответственно равна

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

′

−=

nnd

)1()1(

εε

, (5)

а общая величина неупругих деформаций на шагах n и (n + 1) определится как

сумма

)(nd

)1( +nd

Величины неупругих деформаций учитываются при вычислении узловых

перемещений на каждом шаге нагружения. Помимо этого, на каждом шаге

учитывается изменение формы элемента путем перевычисления текущих

значений координат его узлов с учетом найденных значений вектора

приращений узловых перемещений. Алгоритм также позволяет учесть

увеличение объема, которое наблюдается при развитии разрыхления в

запредельном состоянии (

более подробно изложено в [9]).

В результате такого подхода решение приводит к значительному

увеличению компонент вектора перемещений в окрестности выработки.

Оценка влияния податливой забутовки на напряженное состояние

окружающего выработку массива.

Для определения характера влияния податливой забутовки на НДС

окружающего выработку массива был проведен численный эксперимент.

Анализу подвергалось напряженное состояние однородного изотропного

массива, вмещающего выработку арочной формы с размерами: ширина – 5,2

м, высота – 3,6 м.

Для выполнения вычислений принята расчетная схема, конечно-

элементная сетка которой представлена на рис. 4. Аппроксимация области

выполнена четырехугольными конечными элементами

. Детальная картина

разбиения на элементы приконтурной части породного массива и двухслойной

бетонной податливой крепи представлена на рис. 5.

Для исключения влияния краевых эффектов размеры исследуемой

области массива принимались достаточно большими относительно размеров

выработки – 80,0 м х 80,0 м.

Отброшенная часть бесконечного массива заменялась на контуре области

равномерно распределенной гидростатической нагрузкой, равной γН (γ

–

средний объемный вес пород вмещающей толщи, МН/м

; Н – глубина

расположения выработки, м).

122

Рис. 4 Расчетная схема с конечно-

элементной сеткой к выполнению

численных экспериментов

Рис. 5. Детальная картина разбиения

на элементы приконтурной зоны

моделируемой выработки

Физико-механические свойства пород массива, бетонной крепи и

податливой забутовки приведены в табл. 1.

Таблица 1

Физико-механические характеристики пород и материала крепи,

принятые при численных экспериментах

Параметр

Вмещающие

породы (аргиллит)

Монолитная

бетонная крепь

Податливая

забутовка

(пенопласт)

Объемный вес,

, МН/м

2,50

⋅10

-2

2,40⋅10

-2

0,40⋅10

-2

Предел прочности на одноосное

сжатие,

, МПа

40,00 22,50 10,40

Предел прочности на одноосное

растяжение,

, МПа

4,00 1,80 0,90

Модуль Юнга, Е, МПа

6,75

⋅10

3,30⋅10

1,20⋅10

Модуль сдвига, G, МПа

2,74

⋅10

1,13⋅10

0,62⋅10

Коэффициент Пуассона,

0,23 0,20 0,41

Задача решалась в упругопластической постановке. Эксперимент состоял

из двух этапов. На первом этапе рассматривалось напряженное состояние

выработки, в предположении, что бетонная крепь установлена непосредственно

у забоя без забутовочного податливого слоя.

Картины распределения эквивалентных и касательных напряжений

представлены на рис. 6.

На втором этапе решения задачи определялось НДС породного массива

при возведении

бетонной крепи с податливым слоем различной толщины. Для

каждого варианта выполненных расчетов определялись значения

на

контуре выработки в боках, кровле и почве.

123

а) б)

Рис. 6. Картины распределения эквивалентных a) и касательных б)напряжений

(при отсутствии податливой забутовки)

Теоретически, для полного предупреждения деформаций породного

контура после проведения выработки (U = 0), необходимо, чтобы несущая

способность крепи Р полностью соответствовала величине горного давления,

т.е. Р = γН = 2,5 ⋅10

-2

⋅ 1000 = 25 МПа.

Расчет для ситуации с монолитной бетонной крепью без податливого

слоя дал следующие результаты. Напряжения на контуре выработки (в кровле)

составили σ

= σ

= 11, 1 МПа при смещениях u = 1,28 см.

Требуемый отпор крепи определялся по формуле:

= 11,1 МПа.

Толщина податливого слоя при прочности, не превышающей несущую

способность крепи (для расчетов принималась равной половине прочности

бетона), должна компенсировать возможные смещения контура на начальном

этапе до момента стабилизации геомеханических процессов u

, вызванных

проведением выработки. Для дальнейшего рассмотрения принимаем толщину

податливого слоя δ = 50, 100, 150, 200, 250 и 300 мм.

Результаты выполненных численных расчетов представлены на рис. 7.

Анализ результатов позволил сделать следующие выводы.

Использование податливой забутовки в конструкции бетонной крепи

значительно снизило величину давления на крепь, что позволит сохранить

устойчивое состояние капитальной выработки.

Для рассматриваемых условий эксплуатации выработок (глубина

расположения Н = 1000 м, прочность вмещающих пород

= 51,0 МПа)

применение податливой забутовки толщиной δ = 300 мм снижает величину

вертикального давления на крепь в 3,5 раза. При таких же параметрах

податливого слоя в боках давление на бетонную крепь снижается в 2,6 раза.

Полученные результаты подтверждают предварительные выводы о

положительном влиянии податливой забутовки для снижения давления на

крепь при допускаемых ограниченных смещениях контура выработки.

124

0 50 100 150 200 250 300

U, мм

Р, МПа

Функция реакции массива

Реакция крепи при соответствующей

толщине податливого слоя

Рис. 7. Результаты исследований влияния податливой забутовки на НДС

приконтурного массива

Литература

1. Заславский Ю.З. Замена спецпрофиля двутавром в металлобетонной

крепи выработок глубоких шахт нецелесообразна // Шахтное строительство. –

1972. № 8. – С. 8-10.

Пиньковский Г.С. Об устойчивости крепи околоствольных

выработок шахт Западного Донбасса // Шахтное строительство. – 1972. - № 8. –

С. 8-10.

Глушко В.Т., Цай Т.Н., Ваганов И.И. Охрана выработок глубоких

шахт. – М.: Недра, 1975. – 200 с.

Бетонная крепь, технология и механизация ее возведения / Ю.З.

Заславский, В.П. Киндур, Е.А. Лопухин и др. – Донецк: Донбасс, 1973. – 184 с.

Заславский Ю.З., Мостков В.М. Крепление подземных сооружений.

– М.: Недра, 1979. – 325 с.

Гапеев С.Н. Исследование процесса потери упругопластической

устойчивости массива в окрестности одиночной выработки численными методами

// Изв. Тульского государственного университета. Серия: «Геомеханика.

Механика подземных сооружений».– Тула: Изд-во ТГУ, 2003.– Вып. 1.–С.65-69.

Шашенко А.Н. Янко В.И., Солодянкин А.В. Численное

моделирование напряженно-деформированного состояния разупрочняющегося

массива в окрестности подземной выработки // Геотехническая механика. –

Днепропетровск - Донецк: ООО «Норд Компьютер». – 2002. - № 40. - С. 13-17.

Шашенко А.Н., Янко В.И., Солодянкин А.В. Определение

напряженно-деформированного состояния массива с учетом эффекта

разупрочнения // Известия Тульского государственного университета. Серия

«Геомеханика. Механика подземных сооружений». – Тула: ИПП «Гриф и К». –

2003. - Вып. 1. - С. 327-332.

125

9. Гапеев С.Н. Закономерности потери упругопластической

устойчивости сложноструктурного массива в окрестности одиночной

выработки: Дис. … канд. техн. наук: 05.15.09. – Днепропетровск, 2005. – 188 с.

10.

Шашенко А.Н., Сургай Н.С., Парчевский Л.Я. Методы теории

вероятностей в геомеханике. – К., Техніка. – 1994. – 216 с.

УДК 622.848-622.272.5

Смородин Г.М., к.т.н., доц., Левчинский Г.Г., к.т.н., доц.,

АФГТ ВНУ им. В.Даля, г. Антрацит, Украина

ВЛИЯНИЕ РАЗРЫВНЫХ НАРУШЕНИЙ В ПРЕДЕЛАХ РОВЕНЕЦКОГО

ПОДНЯТИЯ НА ОБВОДНЕННОСТЬ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Сложным процессом в строительстве и эксплуатации шахт Боково-

Хрустальского и Должано-Ровенецкого геолого-промышленных районов

Донбасса является переход выработками разрывных нарушений типа сбросов, с

которыми связаны высокие притоки и прорывы подземных вод, повышенное

горное давление и низкая устойчивость выработок.

Целью данных исследований является изучение особенностей проявлений

водопритоков в подземные выработки

из зон тектонических нарушений.

Основными геологическими факторами, определяющими гидро- и горно-

геологические условия зон нарушений, являются: генетические типы и

морфология разрывов, мощность и строение связанных с разрывами зон

интенсивной тектонической трещиноватости и дробления пород,

фильтрационно-емкостные свойства зон нарушений, наличие гидравлической

связи водоносных горизонтов карбона по таким зонам, величина и

продолжительность

водопроявлений.

Для анализа использовались материалы шахтной геологической службы,

первичная документация геологоразведочных скважин, результаты

геофизических работ и гидрогеологических исследований в скважинах, отчеты

о геологоразведочных работах, а также наблюдения авторов в выработках шахт

района. Анализ материалов геологоразведочных и горных работ на полях шахт

«Щетовская», им. газеты «Ворошиловградская правда», им. В.В. Вахрушева

им. М.В. Фрунзе, «Комсомольская», «Ровеньковская» и на резервных участках

позволяет выявить некоторые закономерности строения зон основных

разрывных нарушений в пределах Ровенецкого поднятия и дать прогноз горно-

и гидрогеологических условий таких зон.

По данным шахтной геологической службы, из 375 задокументированых

случаев пересечения сбросов капитальными и подготовительными

выработками на глубине до 1000 м

в районе зарегистрировано 274 прорыва

подземных вод с дебитами от 50 м

/ч до 2000 м

/ч, и продолжительностью до 3-

5 лет и более, что обычно приводило к длительной остановке забоев.

Анализ распределения общешахтных водопритоков показывает, что в

шахты государственных предприятий «Антрацит» и «Ровенькиантацит»,

126

отрабатывающих запасы угля на глубинах 850-1000 м, свыше 50% воды

поступает из зон разрывных нарушений, вскрытых подготовительными и

капитальными выработками, а также разведочными скважинами,

пробуренными из забоев выработок закрытой в настоящее время. Так на шахте

им. газеты «Ворошиловградская правда» (ГП «Антрацит») из 50 м

/ч воды при

общешахтном водопритоке 770 м

/ч, поступает из зон разрывов.

С глубиной и в направлении главной оси синклинали удельная величина

притока воды в шахты из зон разрывных нарушений и его продолжительность

повышаются несмотря на то, что в ряде случаев разрывы вскрывались на

вышележащих горизонтах.

Установлено, что зоны разрывных нарушений на рассматриваемой

площади в основном обладают

высокими фильтрационно-емкостными

свойствами, сохраняющимися на глубине 1000 м и более. По таким зонам

осуществляется гидравлическая связь водоносных горизонтов в толще карбона.

Даже разрывы с амплитудами смещения 10-15 м и мощностью зон

трещиноватости 20-40 м на глубине дают прорывы воды с дебитом 100 м

/ч и

более (табл. 1).

Существенное влияние на обводненность зон разрывных нарушений

оказало закрытие ряда шахт района способом мокрой консервации. Затопление

шахты им. газеты «Ворошиловградская правда» вызвало существенное

увеличение водопритоков в шахты «Комсомольская» и «им. В.В. Вахрушева».

Дополнительный водоприток в шахту «Комсомольская» (до 350 м

/ч),

отрабатывающий запасы антрацита на южном крыле главной синклинали

получен из зоны сброса Щетовский №1 непосредственно при затоплении

шахты им. газеты «Ворошиловградская правда» при первоначальном до 15 м

/ч.

7 марта 1990 года на ОП «Шахта Комсомольская» ГП «Антрацит» при

проведении 19 Западного конвейерного штрека пл. h

гор. 960 м через сброс

Щетовский № 1 произошел прорыв воды с первоначальным дебитом 2000 м

/ч.

В связи с аварией, прорывом большого количества воды проведение выработок

было остановлено, за семь последующих месяцев установившийся приток

составил 150 м

/ч. Только через 18 лет со сижением водопритока начинают

отрабатываться запасы на Западном крыле гор. 960 м пл. h

ОП «Шахта

Комсомольская» ГП «Антрацит».

Динамика притока воды с 7 марта по 10 октября 1990 г. в 19 западном

конвейерном штреке пл. h

гор. 960 м ОП «Шахта «Комсомольская» ГП

«Антрацит» приведена на рис. 1.

В «Шахту им. В.В. Вахрушева», граничащую с шахтой им. газеты

«Ворошиловградская правда» по сбросу Юскинскому западному, вскрытому

подготовительными выработками обеих шахт дополнительный водоприток

составил до 200 м

/ч, что привело к частичному подтоплению рабочего

горизонта.

В центральной части Ровенецкого поднятия на площади между сбросами

Яковлевским и Дарьевскам № 3 выделен участок интенсивной обводненности.

За исключением единичных случаев, пересечение горными выработками зон

поперечных сбросов на данном участке сопровождалось водопритоками,

превышающими 50-70 м

/ч, достигая 350 и даже 2000 м

/ч.

127

Таблица 1

Сведения о наблюдавшихся прорывах воды из зон разрывных нарушений в

шахты ГП «Антрацит»

№

п/п

Наименован

ие шахты

Место

водопроявлен

ия

Дата

проры

ва,

число

месяц,

год

Максимал

ьный

приток

воды при

прорыве,

/ч

Продолжит

ельность

прорыва

Установи

вшийся

приток

воды, м

/ч

1 № 2 им.

Чапаева

7 восточный

откаточный

штрек пл. h

21.09.

150 2-3 дня 50-80

2 «Дружба» 6 западный

откаточный

штрек пл. h

14.04.

400-650 3 года 235

3 № 4

«Нагольчанс

кая»

10 западный

откаточный

штрек пл. h

28.05.

2300 через 9 час,

через 1

сут.,

через 2

года

620

140

100-200

4 № 4

«Нагольчанс

кая»

12 западный

откаточный

штрек пл. h

27.04.

2000 через 1

мес.

620

140

100-200

5 «Дружба» 10 западный

откаточный

штрек пл. h

14.04.

389 2-3 дня 96

6 № 4

«Нагольчанс

кая»

14 западный

откаточный

штрек пл. h

29.10.

35 30

7 «Комсомоль

ская»

19 западный

конвейерный

штрек пл. h

07.03.

2000 через 1

сутки,

через 1

мес.,

через 6

мес.,

через 13

лет

1000-1500

320

150

128

Рис. 1. График динамики водопритока в 19 Западном конвейрном штреке пл. h

гор. 960 м ОП «Шахта Комсомольская» ГП «Антрацит»

При этом, высокая обводненность зон сбросов характерна здесь для всех

литологических типов пород. Большие водопритоки получены как на верхних

горизонтах, так и на освоенных глубинах 900-1000 м, что позволяет

прогнозировать высокую обводненность зон сбросов на рассматриваемой

площади и на более глубоких горизонтах.

Обводненность всех литологических типов пород в зонах разрывов на

рассматриваемом участке подтверждается многочисленным примерами

гидравлической связи по зонам сбросов между водоносными горизонтами.

Величины трещинной пустотности и раскрытия трещин, характеризующие

фильтрационно-емкостные свойства пород в зонах разрывов, сохраняются

высокими даже на больших глубинах. Графики изменения с глубиной

трещинной пустотности пород и среднего раскрытия трещин приведены на рис.

Рис. 2. Графики изменения с глубиной Н, водопроявлений Q, среднего развития

трещин

, трещинной пустотности m

в зонах разрывов центральной части

Ровенецкого поднятия

129

Анализ графиков позволяет сделать вывод о том, что трещинная

пустотность с глубиной уменьшается, при этом на горизонтах от 100 до 1000 м

она изменяется соотвественно от 0,014 до 0,008. Раскрытие трещин с глубиной

уменьшается, при этом на горизонтах от 100 до 1000 м оно изменяется

соотвественно от 2,4 до 0,9 мм. Средняя величина водопритока из зон разрывов

с глубиной увеличивается, при этом в инретвале глубин от 100 до 1000 м она

изменяется соотвественно от 50 до 165 м

/ч.

Таким образом, исследования показали, что обводненность пород кровли

подготовительных выработок в основном определяется зонами тектонических

нарушений и линейно увеличивается в зависимости от глубины ведения горных

работ.

УДК 622.28.04

Кобзарь Ю.И., Заставной Р.Г.,

АФГТ ВНУ им. В.Даля, г. Антрацит, Украина

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ КОМПЕНСАЦИОННОГО УЗЛА

АРОЧНОЙ ПОДАТЛИВОЙ КРЕПИ

Подготовительные выработки глубоких угольных шахт Донбасса

поддерживаются в сложных горно-геологических и горно-технических

условиях. С каждым годом ухудшаются условия поддержания крепи

выработок, в связи с увеличением глубины разработки деформированы 40%

выработок, а в аварийном состоянии находится 20%.

Как показывает опыт эксплуатации выработок закрепленных арочной

податливой крепью основными фактором снижающим устойчивость

выработок

, проводимых по простиранию, является несовпадение направления

податливости постоянной крепи с преобладающими смещениями породного

контура, которое отмечается в 57 % выработок.

В выработках, пройденных по простиранию, преобладает смещение

контура в направлении нормальном к напластованию, т.е. большие деформации

кровли в сечении наблюдаются со стороны падения пород. Одним из

дополнительных факторов, снижающим устойчивость выработок

, является

степень ослабления угленосной толщи под действием геомеханических

процессов, в частности водонасыщения. Увлажнение окружающих выработки

пород совместно с естественной трещиноватостью приводит к тому, что вокруг

выработок на большой глубине образуется техногенная структура,

формирующая неравномерную нагрузку на крепь. Наблюдения за арочной

податливой крепью показали как в пластовых, так и в полевых

штреках, что

узел податливости срабатывает, как правило, быстрее со стороны падения

пород, а со стороны восстания верхняк и стойка теряют соосность,

податливость не реализуется, срез стойки развальцовывается и происходит

разрыв хомутов.

С этой целью изучались достоинства и недостатки широко используемых

в угольных шахтах Донбасса конструкций и соединений, в частности

130

состоящих из П-образных скоб, планок и гаек, узла податливости ЗСД

конструкции ДонУГИ, узлов податливости ЗПК конструкций НИИОГР и

КузНИУН [1,2].

С целью использования и объединения лучших качеств узлов

податливости ЗСД и ЗПК предлагается на широкую фигурную планку ЗСД

установить с помощью сварки перпендикулярно планку – «тормоз»

выполненную по контуру спецпрофиля со стороны

днища (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция компенсационного узла разноподатливой арочной крепи

1,2 – прямоугольная скоба с резьбой; 3 – фигурный хомут; 4 – планка; 5 – гайка;

6 – планка-«тормоз»

В предлагаемом узле одна скоба установлена перпендикулярно, а другая

наклонно к профилю, они жестко соединены друг с другом и работают

совместно, что улучшает податливую характеристику крепи и исключает

неконтролируемый перекос и перемещение скоб

в процессе скольжения

элементов крепи, а перпендикулярный «тормоз» за счет своей формы сжимает

только фланцы спецпрофиля, что повышает жесткость раздвижки фланцев при

натяжении узла, т.е. данное изменение в узле податливости ЗСД по аналогии с

узлом ЗПК позволяет обеспечить увеличение сопротивления податливости в

1,2-1,4 раза, что дает возможность использовать их при

арочном креплении со

стороны падения пород, т.е. в месте большей асимметричной нагрузки на

арочную крепь.

Установка данной конструкции на раму арочной крепи позволяет

замедлить процесс срабатывания замка податливости со стороны больших

нагрузок и включить в работу замок ЗСД без «тормоза» со стороны меньших

нагрузок. В результате одновременной работы обоих узлов

податливости

арочная крепь более равномерно воспринимает нагрузку, что положительно

скажется на устойчивость выработки.