Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изучаемого вопроса, цель и задачи исследований .10
1.1. Анализ способов поддержанияоколоствольных выработок 10
1.2. Геологическая характеристика пород, вскрываемых околоствольными выработками, и формы проявления горного давления в них 19
1.3. Анализ методов исследования напряженно-деформированного состояния пород вокруг околоствольных выработок 27
1.4. Выводы, цель и задачи исследований 38
2. Определение допустимых расстояний МЩЦУ емкостям бункеров на основе исследований напряженного состояния пород 41
2.1. Методика исследований 41
2.2. Оценка сходимости результатов исследований напряжений в целиках приближенным и точным методами .47
2.3. Выбор рационального расположения емкостей подземного бункерного комплекса 49
2.4. Определение области влияния горизонтальных выработок на напряжения вблизи емкостей .59
2.5. Вывода 67
- Геологическая характеристика пород, вскрываемых околоствольными выработками, и формы проявления горного давления в них
- Анализ методов исследования напряженно-деформированного состояния пород вокруг околоствольных выработок
- Оценка сходимости результатов исследований напряжений в целиках приближенным и точным методами
- Выбор рационального расположения емкостей подземного бункерного комплекса
Введение к работе
Перспективным планом экономического и социального развития СССР на I98G-I985 гг. и на период до 1990 г., утвержденным ХХУІ съездом КПСС, предусматривается дальнейшее обеспечение прироста продукции черной металлургии на основе опережающего развития её еырьевой базы.
Среди основных направлений расширения минерально-сырьевой базы Криворожского железорудного бассейна большое значение имеет разработка природно богатых руд на глубоких горизонтах [99], Увеличение глубины ведения горных работ, сопровождающееся ухудшением геологических и горнотехнических условий, требует решения задач по обеспечению быстрейшего ввода в действие новых горизонтов, повышению эффективности капитальных вложений, снижению стоимости сооружаемых объектов и рациональному использованию строительных материалов на основе совершенствования инженерных методов расчета и создания высокоэкономичных проектов, отвечающих современным требованиям научно-технического прогресса [81] . Все эти вопросы приобретают особое значение в процессе строительства околоствольных выработок, объём работ по сооружению которых составляет 25-35% от общего объёма горно-капитальных работ.
Для околоствольных дворов и подземных бункеров современных шахт Кривбасса, оснащенных мощным горнотранспортным, дробильным и разгрузочным оборудованием, характерно наличие камер большого сечения, а также параллельно и близко друг от друга расположенных горизонтальных выработок и вертикальных восстающих. При таких конструктивных особенностях комплекса околоствольных выработок уже на достигнутых глубинах заметно ощущается проявление горного давления, заключающееся в разрушении оставляемых между выработками целиков и вывалообразованиях значительных объемов пород в выработках большого сечения. Применяемые в этих условиях жесткие мощные крепи из бетона и железобетона не только в недостаточно! степени решают вопросы поддержания выработок [б], но и приводят к высокой стоимости и низким темпам их сооружения.
Анализ опыта строительства и эксплуатации горно-капитальных объектов показал, что в условиях крепких пород повысить эффективность сооружения выработок возможно рациональным их расположением и применением облегченных комбинированных крепей на основе штанг с набрызгбетоном. Однако ограниченное их применение в околоствольных выработках обусловлено отсутствием научно обоснованных рекомендаций по выбору параметров штанговой крепи для выработок большого сечения, сооружаемых в трещиноватых, склонных квывалообразованию породах.
В связи с изложенным оценка устойчивости пород и определение эффективных параметров облегченной крепи для разнообразных условий сооружения околоствольных выработок шахт Кривбасса является актуальной задачей. Это подтверждается и рекомендациями школ передового опыта по совершенствованию технологии строительства подземных сооружений, а также конструкций и технологии возведения набрызгбетонных крепей, проведенных на базе специализированного производственного комбината "Кривбассшахтопроходка1 26-27 марта 1981 г. и производственного объединения "Кривбасс-рудав 25-26 марта 1982 г.
Цель работы - повышение эффективности поддержания околоствольных выработок за счет расширения области применения облегченной крепи, обеспечивающей сокращение сроков строительства и снижение его трудоемкости.
Идея работы состоит в комплексном учете основных горнотех нических и геологических факторов при оценке устойчивости трещиноватых пород и обосновании параметров штанговой крепи на базе выявления закономерностей формирования зон разрушения.
Научные положения, разработанные диссертантом, и новизна.
Определены зависимости минимально допустимых размеров целиков между емкостями бункеров, а также емкостью и стволом от соотношения радиусов сечений ствола и емкостей бункера, глубины сооружения, прочностных свойств пород и коэффициента бокового давления.
Установлены закономерности формирования зон разрушения трещиноватых пород вокруг камер большого сечения, отличающиеся комплексным учетом одновременно действующих горнотехнических и геологических факторов, на основании которых разработана методика определения максимальных размеров нарушенных зон отдельно в своде и стенке выработки в зависимости от направления и угла падения основных систем трещин, соотношения размеров сечения выработки, коэффициента бокового давления и физико-механических свойств пород.
Установлено, что при расположении выработок по простиранию трещин максимальный размер зон разрушения пород в стенке находится в гиперболической зависимости от отношения ширины к высоте выработки прямоугольно-сводчатого сечения.
Впервые разработана методика, позволяющая наиболее рационально ориентировать камеру при наличии нескольких систем трещин из условия образования минимальных и равномерно распределенных по контуру сечения выработки размеров зон разрушения пород.
Установлены зависимости сечений элементов металлической сет ки-затяжки, применяемой при штанговом креплении, от её геометрических параметров и величины нагрузки, отличающиеся учетом сов местной работы сетки с гибкими несущими элементами и их декоративных свойств.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: - аналитическими исследованиями комплексного влияния горнотехнических и геологических факторов на устойчивость выработок, базирующимися на классических положениях механики подземных сооружений; -? согласованием (с погрешностью 7-28$) результатов аналитических исследований размеров и формы зон разрушения о данными натурных наблюдений за состоянием пород в кровле и стенке выработок при их сооружении, а также с результатами экспериментальных исследований методами звуко-и электрометрии; - положительным опытом промышленного внедрения облегченной крепи в околоствольных выработках большого сечения, сооружаемых в трещиноватых породах. Значение работы.
Научное значение работы состоит в установлении существенно дополняющих известные научные положения зависимостей максимальных размеров зон неупругих деформаций от комплекса основных горнотехнических ж геологических факторов.
Практическая ценность работы заключается в разработке инженерной методики определения основных параметров облегченной крепи для поддержания камер околоствольного двора, сооружаемых в трещиноватых породах, и расстояний между емкостными частями подземного бункера, одобренной головным институтом НЙГРЙ и утвержденной ИЮ "Укоруда в качестве рекомендаций для руководства при проектировании околоствольных выработок шахт Кривбасса. Указанные рекомендации позволят повысить устойчивость выработок и сократить расходы на их сооружение. Реализация выводов и рекомендаций работы.
Рекомендации по выбору параметров облегченной крепи использованы СПК "Кривбассшахтопроходка" при сооружении камерных выработок околоствольных дворов шахт "Заря" и ttїїepвoмaйcкaя,,, а также институтом ttKpHB6accnpoeKTtt при проектировании строительства новых горизонтов шахт Кривбасса.
На руднике им. В.И.Ленина внедрены рекомендации по расположению и поддержанию выработок главного водоотлива, а также емкостей подземного бункерного комплекса на основе оценки их устойчивости.
Суммарный экономический эффект от использования результатов исследований составил 137,7 тыс.руб.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на республиканской конференции "Основные проблемы совершенствования технологии подземной добычи руд на больших глубинах" (Киев, 1979); на П Всесоюзной конференции по механике подземных сооружений (Тула, 1982); на Ж конференции молодых ученых по проблемам разработки месторождений и обогащения полезных ископаемых (ЙЖОН АН СССР, Москва, 1983); на научно-технических конференциях Криворожского горнорудного института (Кривой Рог, 1979-1983); на техническом совете СІЖ "Крив-бассшахтопроходкаи (1981).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 статей и получено 2 авторских свидетельства на изобретения.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 132 страницах машинописного текста, списка литературы из 122 наименований и содержит 51 рисунок, 18 таблиц, 5 приложений.
Геологическая характеристика пород, вскрываемых околоствольными выработками, и формы проявления горного давления в них
Интенсивная отработка Криворожского железорудного месторождения приводит к быстрому понижению уровня ведения горных работ на подземных рудниках бассейна. Работы по сооружению капитальных горных выработок достигли уже отметки 1000-1200 м, а промышленные запасы руды прогнозируются до 2000-2500 м и глубже [99] . Есть основания полагать, что в ближайшие 10-15 лет уровень ведения горно-капитальных работ на большинстве рудников бассейна понизится до отметок 1400-1500 м. Вместе с тем на достигнутых глубинах в выработках уже наблюдаются самые разнообразные формы проявления горного давления - от постепенного раскрытия трещин и вывалов пород до горных ударов.
Многообразие форм проявления горного давления в значительной мере обусловливается свойствами пород, а также степенью и характером их тектонической нарушенности. Физико-механические свойства пород и руд Криворожской серии освещаются в работах Г.В.Тохтуева, В.Т.Глушко, В.Г.Борисенко, [12, 29, 100] , взятых автором за основу при описании характеристик пород, вскрываемых околоствольными выработками.
Ствол и примыкающие к нему выработки на шахтах Кривбасса сооружаются в различных породах, к которым прежде всего относятся амфиболиты (зеленокамеиные породы или метабазиты), аркозовые песчаники, плагиоклазовые граниты, реже филлиты.
Все перечисленные породы обладают высокой крепостью и относятся к хрупким породам, способным испытывать упругие деформации в большом диапазоне сжимающих нагрузок (70-90$ от разрушающих) . Начиная с глубины 800 м и более, они отнесены к ударо-опасным [із] . Физико-механические свойства рассматриваемых пород, полученные в результате лабораторных испытаний образцов [29] , приведены в табл. 1.2.
По структурным особенностям, оказывающим влияние на интенсивность и характер проявления горного давления, аркозы, мета-базиты, граниты и филлиты относятся к породам с блочной структурой. Отличительной их особенностью является отсутствие трещин расслоения. В породах этой группы, не считая крупных тектонических нарушений - разломов, встречаются следующие типы трещин [ІИ] : - крупные плотностью 1-3 на I м, простирающиеся на десятки метров; - мелкие плотностью 4-20 на I м, простирающиеся на десятки сантиметров; - микротрещины.
Крупные трещины представлены, как правило, четырьмя системами: согласнопадающими, обратнопадающими, поперечными и кососе-кущими. Толща филлитов может иметь более развитую трещиноватость. В некоторых случаях в филлитах насчитывается до семи систем трещин [l2] .
Исследованиями тектонической нарушенности пород по направлениям, характеризующим элементы залегания пласта, установлено, что породы блочной структуры отличаются невысокой анизотропией трещиноватости массива, которая находится в пределах 0,6-1,5 относительно трещиноватости массива по простиранию. В связи с этим на основании исследований, выполненных доктором технических наук К.В.Руппенейтом, из условия наличия двух и более ортогональных систем трещин примерно одинаковой мощности возможно предположить, что рассматриваемые породы Криворожского месторождения характеризуются невысокой деформационной анизотропией. Вследствие этого массив изучаемых разновидностей пород может рассматриваться как квазиизотропный [88] .
Ширина раскрытия крупных трещин в породах блочной структуры невелика и колеблется в пределах 0,08-0,35 мм, в среднем составляя 0,2 мм [29] . Это объясняется высоким уровнем напряжений в массиве на достигнутых глубинах. Трещины могут быть заполнены перетертым материалом - глинкой. На поверхностях трещин бывают видны следы подвижек - зеркала и борозды скольжения, в результате чего сцепление по плоскости трещины не превышает I МПа, а по данным проф. Г.Л.іиеенко для скальных пород метаморфического происхождения может быть равным 0,5-1 МПа.
В породном массиве встречаются отдельные участки трещин, заполненные кальцитом или кварцем. На таких участках сцепление пород по контактам приравнивается к прочности монолитного массива. трещины в значительной мере предопределяют прочностные свойства массива пород. Здесь следует отметить, что термины "свойства массива горных пород", "свойства горных пород в массиве" и "свойства пород в образце" приняты в соответствии с предложенными и научно обоснованными доктором технических наук С.Б.Чирковым понятиями [50] .
Мелкие трещины ориентируются как крупные и отличаются величиной раскрытия и протяженностью. Размеры мелких трещин ограничены размерами блока отдельности пород. Этот тип трещин в основном влияет на свойства пород в массиве (в объеме элементарного структурного блока).
Прочность структурных блоков горных пород может быть определена на основе статистической теории масштабного фактора. Результаты вероятностно-статистических исследований прочностных свойств пород Кривбасса [29] показывают, что по мере увеличения размеров образца прочность его постепенно снижается, стремясь к определенному пределу, и уже при размерах образца, соизмеримых с размерами структурного блока, не будет существенно отличаться от значения крайней нижней границы прочности пород.
Микротрещины имеют развитие в пределах ограниченных объемов пород и учитываются испытаниями малых образцов.
Из всех типов трещин, имеющих место в породном массиве, на устойчивость обнажений горных пород определяющее влияние оказывают крупные трещины. Хотя кроме трещин этого типа на устойчивость пород влияют и другие природные факторы, в породах более или менее постоянного состава, какими являются граниты, амфиболиты, аркозовые песчаники и филлиты, напряженно-деформированное состояние массива, ослабленного выработками, а следовательно, и формы проявления горного давления преимущественно зависят от характера и степени его структурной нарушенности.
В процессе длительных наблюдений за разррюнием пород у контура выработок современных шахт Кривбасса установлено, что влияние трещиноватости особенно заметно в выработках большого сечения [іІ2] . Вывалообразования в таких выработках происходят по естественным плоскостям ослабления прочности пород и являются основной формой проявления горного давления в них.
При проведении камер большого сечения объем переборов может достигать больших размеров. Достаточно сказать, что только при строительстве П очереди подземного бункера шахты В 2 им.Артема РУ им.Кирова объем вывалов составил 2470 м3. Здесь следует отметить, что если в выработках пролетом 4-5 м имели место незначительные вывалы, то с увеличением ширины выработки наблюдаются внезапные вывалы, объединяющие зачастую несколько структурных блоков [lis] . Размеры вывалов от контура выработок в глубь массива нередко больше типової длины штанг (1,8-2 м).
На руднике им.Коминтерна при проходке камеры проходческих лебедок слепого утлубочного ствола в трещиноватых породах произошло обрушение закрепленной штангами кровли. На руднике им.Кирова при строительстве камеры щековой дробилки высотой 16 м и шириной 9,5 м в свету наблюдались вывалы пород болышх размеров в стенке выработки, что вызвало необходимость увеличить длину применяемых здесь штанг на 0,5 м.
Все это говорит о том, что естественная трещиноватоеть массива существенным образом ослабляет устойчивость выработок большого сечения как в кровле, так и в ее стенках, а параметры штанговой крепи, определяемые на основании существующих методов расчета, не учитывающих элементы геологической структуры массива пород, оказываются не всегда надежными.
Помимо сказанного, на достигнутых глубинах напряжения в трещиноватых породах вокруг выработки вызывают смещение по трещинам, разрушение структурных блоков иди их разворот. Это приводит к увеличению смещений контура выработки, что может вызвать разрушение жесткой крепи. Так, в обгонной выработке околоствольного двора гор.900 м шахты им.ВЛ.Ленина, закрепленной монолитным бетоном (рис. І.І), произошло разрушение крепи. Поэтому вопросы прогнозной оценки устойчивости пород и эффективного поддержания околоствольных выработок приобретают актуальное значение, особенно если учесть, что в камерах большого сечения еще широко применяется трудоемкая и дорогостоящая крепь из монолитного бетона и железобетона.
Практика эксплуатации глубоких шахт Кривбасса и многократные замеры напряженного состояния нетронутого массива показывают, что с понижением уровня ведения горных работ увеличиваются напряжения не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлениях. Значения коэффициентов бокового распора в породах бассейна преимущественно находятся в пределах 0,5-0,8 [l5, IOl], а в некоторых случаях равны I [и] . Это нельзя не учитывать при проектировании околоствольных выработок глубокого заложения, особенно при определении размеров целиков между вертикальными емкостными выработками.
В результате высокого уровня напряженного состояния породного массива в целиках между вертикальными выработками емкостных частей бункеров имелись случаи их разрушения на ряде шахт Кривбасса. Во всех этих случаях разрушение целиков наблюдалось в расположенных на большой глубине действующих бункерных комплексах, вследствие чего подземные бункеры частично были выведены из строя на продолжительное время.
Анализ методов исследования напряженно-деформированного состояния пород вокруг околоствольных выработок
Ухудшение горно-геологических условий сооружения капитальных выработок, связанное с понижением уровня ведения горных работ, вызывает необходимость осуществления мер по управлению горным давлением. К таким мерам относятся рациональное расположение взаимовлияющих выработок, выбор устойчивых форм сечения и упрочнение пород в пределах возможных участков их разрушения.
На современном этапе развития механики подземных сооружений вопросам устойчивости пород при взаимном влиянии выработок уделялось большое внимание. В работах С.М.Липковича, А.Ю.Якушев-ского [68] , А.М.Козела [бз] , Ю.З.Заславского, А.Н.Зорина [44] , К.В.Кошелева, В.і.Трумбачева [60] , Н.А.Филатова [104], Е.П.Чистякова [ш] , М.В.Гуминского [Зб] освещены результаты исследований напряженно-деформированного состояния пород в целиках между выработками на основе натурных наблюдений и лабораторных экспериментов. Результаты этих исследований могут успешно применяться при оценке устойчивости целиков в реальных производственных условиях. Однако экспериментальные методы весьма трудоемки и не позволяют одновременно учесть многообразие основных факторов.
Возможность получения решений о напряженном состоянии пород в весьма широких диапазонах изменения изучаемых факторов дают аналитические методы. Дія пород глубокого лежачего бока Криворожского месторождения, испытывающих упругие деформации до 70-90% от разрушающей нагрузки, возможно воспользоваться методами теории упругости. Однако в задачах по выбору минимальных безопасных расстояний между параллельными выработками [55, IG7J , решаемых этими методами, обычно используется условие, при котором средняя нормальная нагрузка на целик сравнивается с прочностью пород на одноосное сжатие. При оценке устойчивости незакрепленных емкостей бункера следует учитывать контурные напряжения, поскольку разрушения пород в этом случае, как показывает практика (рис. 1.2), начинаются на контуре выработок.
Что касается выбора форм сечения выработок, то в этом вопросе многие исследователи ограничиваются изучением концентрации контурных напряжений, а устойчивость выработок оценивают исхода из условия предельной прочности пород по теории наибольших (сжимающих или растягивающих) нормальных напряжений [65, 108, 112] . Поэтому результаты этих исследований часто не согласуются с данными практики. Например, по рекомендациям [бб] наиболее устойчивой формой выработки для глубины 167-333 м является сечение, близкое к круговому, а дош глубины 1660 м при условии сооружения выработок в слабых породах (Rc «= 60 МПа) - эллиптическое с вертикальной полуосью, в три раза большей горизонтальной.
Результаты же наблюдений за формами проявления горного давления на больших глубинах свидетельствуют о том, что в выработках, ширина которых примерно в 1,5-2 раза меньше высоты, возможно образование вывалов в стенках. Исследованиями на моделях из эквивалентных материалов [108] также установлено, что при боковом распоре 0,6, соответствующем породам Криворожского бассейна, разрушение начинается в стенках выработки. И натурные замеры показывают, что смещения горных пород со стороны боков выработок могут быть больше конвергенции кровли и почвы [Зі] .
Рядом работ [45, 102] , основанных на классическом решении задачи теории упругости о распределении напряжений по контуру эллиптической выработки, наиболее устойчивые ее формы определяются из условия обеспечения равносжатого контура; ГЛ = 1/А или исключения растягивающих напряжений в кровле выработки: ГП = 0,5(І/Л-І) (ГП - соотношение горизонтальной и вертикальной полуосей эллипса; Д - коэффициент бокового распора).
Приведенные рекомендации по определению форм сечения выработок не рассматривают основных количественных показателей устойчивости ослабленных выработками массивов, какими являются величины смещений контура в пластично-деформируемых и размеры областей разрушения в хрупких породах, а также не учитывают ряда структурно-геологических и инженерно-технических факторов [51 ] . Это обусловливает постановку задачи по выбору рациональной формы сечения выработки на основе комплексного метода оценки ее устойчивости.
Поскольку размеры сечения выработок определяются типом и габаритами применяемого в них оборудования, что не всегда позволяет, исходя из условия экономии объемов выемки пород и расходов материалов на крепление, придать им наиболее устойчивую форму, среди способов повышения устойчивости выработок особое место занимает упрочнение пород.
В горной практике наибольшее распространение получило упрочнеше с помощью штанговой и набрызгбетонной крепей. Так как в условиях образования зон разрушения пород крепление камер большого сечения одним набрызгбетоном не решает вопроса устойчивости выработок, на практике идут по пути применения комбинированных крепей, основным элементом которых являются штанги. Параметры штанговой крепи при этом определяются по одной из двух следующих расчетных схем [п] .По первой схеме длина штанг и нагрузка на них определяются объемом и состоянием пород, заключенных в зоне возможного разрушения [27, 114] . Во второй учитывается начальное натяжение штанг и им обусловленное изменение напряженного состояния пород вблизи контура выработки [41, 54, 109] . Поскольку на больших глубинах отпор крепи практически не может повлиять на смещение контура и размеры зон разрушения пород вокруг выработок [44, 106] , для этих условий представляется возможным параметры штанговой крепи определять по первой расчетной схеме.
Оценка сходимости результатов исследований напряжений в целиках приближенным и точным методами
Изложенная в работе методика определения напряжений в массиве при взаимном влиянии выработок, основанная на суммировании известных функций напряжений, является приближенной. Поэтому, прежде чем воспользоваться полученными результатами решения, следует оценить их достоверность. С этой целью результаты исследований сравнивались с точным решением проф. Н.Н.іотиевой, полученным на базе развития метода Д.И.Шермана. Значения коэффициентов концентрации напряжений в характерных точках контуров выработок, определяемые точным и приближенным методами из условия на-гружения модели на бесконечности всесторонней равномерно распределенной сжимающей нагрузкой интенсивностью р = Q = { , приведены в табл. 2.1.
Данные таблицы показывают, что в рассматриваемых диапазонах геометрических размеров выработок и целиков между ними, представляющих практический интерес, максимальные отклонения приближенных значений напряжений от действительных не превышают 5%, При этом с увеличением размеров целиков погрешность уменьшается. Особенно хорошая сходимость результатов (98$) имеет место в точках контура емкости 2, смежной со стволом.
В реально существующих конструкциях подземных бункеров выработки емкостных частей могут находиться не в одной вертикаль Значения коэффициентов концентрации напряжений ной плоскости, а близко к ней. Причем встречающаяся в практике компоновка емкостей бункера имеет большое разнообразие, учитывать которое в каждом конкретном случае не всегда представляется возможным. Поэтому было выполнено сравнение результатов расчетов напряжений в условиях соосного и несоосного расположения выработок.
Рассматривались две модели, представленные на рис.2.I и 2.4. Результаты расчетов напряжений, выполненные на основании решения проф.Н.Н.Фотиевой, представлены в табл.2.2.
Из таблицы следует, что при нееоосном расположении центров отверстий (модель № 2) в наиболее характерных точках их контуров напряжения всегда имеют меньшие значения, чем напряжения в соответствующих точках модели № I. Следовательно, при оценке устойчивости целиков между параллельными несоосно расположенными вертикальными выработками с некоторым допущением в сторону запаса прочности можно воспользоваться решением для модели, в которой центры сечений выработок лежат на одной линии, а расстояния между ними равны соответствующим расстояниям в реальной компоновке выработок.
Выбор рационального расположения емкостей подземного бункерного комплекса
Оставление между емкостными выработками подземного бункера, а также между ними и стволом целиков больших размеров приводит к увеличению объёмов строительно-монтажных работ на сооружение камеры транспортеров и питателей, монтажных ходков в эту камеру и камеру дробилки. Необоснованно близкое расположение этих выработок может служить причиной разрушения целиков между ними и полной иди частичной остановки эксплуатации бункера. Под выбором рационального расположения емкостей подземного бункера подразумевается определение минимально допустимых расстояний между ними и стволом, обеспечивающих устойчивость выработок.
Исходными данными для оценки устойчивости капитальных выработок являются параметры напряженно-деформированного состояния пород и критерии их прочности.
Оценку устойчивости незакрепленных выработок, сооружаемых в хрупких породах, целесообразно осуществлять на основе теории наибольших нормальных напряжений [l02] : где 6i - наибольший из нормальных компонентов напряжений; Ri - расчетное сопротивление пород одноосному сжатию. Согласно этой теории опасное состояние пород наступает при достижении наибольшим нормальным напряжением предела прочности пород на одноосное сжатие. Поскольку в нашем случае максимальные значения О і имеют место на контурах выработок, где один из компонентов напряжений равен нулю (рис. 2.5), нетрудно видеть, что условие (2.7) будет тождественно удовлетворять широко используемому в горной геомеханике критерию прочности Кулона-Мора: где Rp - расчетное сопротивление пород растяжению.
Таким образом, устойчивость выработок оценивается по возможности локального разрушения пород в наиболее напряженной точке массива. В общем случае оценки устойчивости одиночных выработок такой подход является несовершенным, поскольку разрушение пород в отдельной точке контура выработки еще не вызывает потери устойчивости пород вокруг выработки в целом [21] . Однако еледует учесть, что при взаимном влиянии выработок эта точка, как правило, находится на самом близком расстоянии от соседней выработки и разрушение породы в ней вызовет уменьшение размеров целика, а следовательно, и увеличение концентрации напряжений в этой точке. Возникает новое напряженное состояние, которое еще больше будет снижать устойчивость выработок в точках с наивысшей концентрацией сжимающих напряжений. Таким образом, будет происходить постепенное разрушение пород у контуров выработок, сопровождающееся уменьшением размеров целиков, вплоть до полного соединения емкостей бункера, что и наблюдалось на практике (рис. 1.2). Если учесть и то, что в незакрепленных емкостных выработках постоянно перепускаемая горная масса является инициатором разрушения пород у контура в условиях предельного их состояния, такой подход к решению поставленной задачи может быть оправдан.
Результаты исследований распределения напряжений вокруг ствола и емкостей бункера свидетельствуют о том, что новое напряженное состояние, вызванное проведением рассматриваемых выработок, характеризуется большой неравномерностью и высоким градиентом напряжений, особенно вблизи контуров выработок.
Расчеты показали, что из всех контурных точек А, В, С, D, Е исследуемых выработок наиболее неблагоприятными по напряженному состоянию являются точки В и С , расположенные на контуре малой выработки 2, смежной с выработкой I большого радиуса. В этих точках имеет место максимальная концентрация напряжений (рис. 2.5). Значения этих напряжений во многом зависят от расстояний между выработками.
С целью разработки инженерной методики определения безопасных расстояний между стволом и емкостями бункера, обеспечивающих устойчивость последних, на основании разработанной методики с помощью ЭВМ произведено вычисление напряжений на контурах этих выработок и в междувыработочных целиках для широкого диапазона значений S Z+iOR, t2 3+16r, ft = 3-4 г. Характер распределения и коэффициенты концентрации напряжений с глубиной принимались постоянными, а измешющимися - только абсолютные их значения. Поэтому можно положить р- -\. При такой интенсивности нагрузки напряжения численно равны коэффициентам их концентрации:. Знак напряжений принимается из условия, что массив находится в сжатом состоянии, а сжимающие напряжения считаются положительными.
Результаты расчетов в виде графиков, отображающих зависимость действующих в точке Ь тангенциальных напряжений, выраженных в долях бокового давления нетронутого массива k,= 6 //ljHp, от размеров целика между отверстиями I и 2 для различных расстояний между отверстиями 2 и 3, представлены на рис. 2.6. При этом соотношение радиусов отверстий принято R/r= 3,5, а расстояния С 2. между отверстиями I и 2 измеряются в долях радиуса емкости г .
Анализ полученных графиков позволяет судить о том, что при увеличении размеров целиков между выработками большого и малого радиусов в пределах от І до 3 диаметров большой выработки (S= 2+6 R) напряжения б,= к{ Я $ Нр уменьшаются интенсивно. Изменение размеров в этом диапазоне уменьшает коэффициент концентрации тангенциальных напряжений на контуре средней выработки в точке В в среднем от 2,5 до 2,1, что составляет примерно 20$ от аналогичных напряжений в той же точке одиночной выработки. Увеличение расстояний между контурами выработок I и 2 в пределах от 3 до 5 диаметров ( S = 6 - 10 R) вызывает не Напряжения б і в точке В не только зависят от размеров целика между выработками I и 2, в пределах которого находится эта точка, ной от расстояний между выработками 2 и 3. При 1г 4-И О Г наблюдается заметное влияние выработок 2 и 3 на значение контурных напряжений. Увеличение расстояния между малыми выработками от ЮГ и более вызывает незначительные изменения напряжений di . Например, при S/R = 6 коэффициент концентрации напряжений б і составляет 2,25-2,11 в диапазоне значений 12 = (4-Ю)Г и равен 2,095 при 1г= 16Г .
Таким образом, судя по кривым этих графиков, можно заключить, что взаимное влияние ствола и емкостей бункера на напряженное состояние пород существенно ослабляется при увеличении размеров целиков между емкостью и стволом до 3-4 диаметров последнего и расстояний между емкостями до 1г/Г = 10-12. Дальнейшее увеличение расстояний между выработками с целью обеспечения их устойчивости малоэффективно, поскольку наибольшие значения напряжений на контурах выработок снижаются незначительно.