РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАЗВИТИЯ ЗОНЫ РАЗРУШЕННЫХ ПОРОД ВОКРУГ ВЫРАБОТКИ, ЗАКРЕПЛЕННОЙ АНКЕРНОЙ КРЕПЬЮ
2.1. Постановка задачи
На современном этапе развития горной науки можно считать общепризнанным, что на величину смещений контура выработки и нагрузки на крепь определяющее влияние оказывают размеры и интенсивность развития зоны неупругих деформаций (ЗНД). Изучению закономерностей образования и развития ЗНД посвящены работы А. Лабасса [41], Р. Фенера [42], Н.В. Руппенейта [43], Ю.М. Либермана [44], Н.С. Булычева [45], Г.Г. Литвинского [46], В.Т. Глушко [47], Ю.З. Заславского [48], В.В. Виноградова [49], И.Л. Черняка [50], Л.К. Неймана, О.М. Мельникова [51], Н.Н. Касьяна [52], М.П. Зборщика [53, 54], В.В. Назимко [54, 55] и др.
Основные результаты этих исследований следующие. Максимальные смещения пород по контуру выработки происходят в направлении перпендикулярном напластованию пород. Основная доля смещений в полость выработки вызвана увеличением объема пород при их разрушении. Размер зоны неупругих деформаций зависит от глубины заложения выработки, ее размеров и прочности вмещающих пород и составляет 2-9 м. При отсутствии повторного нарушения равновесного состояния 50-60 % всех смещений контура выработки происходит в первый месяц после проведения выработки, в дальнейшем скорость деформирования снижается. В выработках, закрепленных рамной крепью, смещения максимальны на контуре выработки, с увеличением расстояния от контура смещения затухают.
Несмотря на большое количество исследований посвященных ЗНД при креплении выработки анкерной крепью, ее образование практически не изучено.
Ряд исследователей предпринимали попытку учесть образование ЗНД при расчете параметров анкерной крепи [21, 33, 35, 56]. Их предложения в основном сводились к рекомендациям принимать активную длину анкера больше радиуса ЗНД. То есть, чтобы замки штанг располагались в породах упругой области. В условиях выработок, пройденных на большой глубине в породах средней устойчивости и неустойчивых, следовать этим рекомендациям невозможно ввиду больших размеров ЗНД. Кроме этого, в предложенных гипотезах при расчете параметров анкерной крепи не учитывалось влияние анкеров на процесс образования и развития ЗНД. Несомненно, анкера, установленные в период проведения выработки, такое влияние оказывают.
И.Л. Черняк на основании анализа результатов шахтных наблюдений и моделирования выделяет 3 типа деформации пород в зависимости от соотношений предела прочности и напряжений в массиве [50].
Первый тип деформаций пород возникает при напряжениях на контуре выработки при одноосном сжатии меньше предела длительной прочности пород . При этом в массиве образуется зона упруго-вязких деформаций, и деформирование происходит без нарушения сплошности пород.
Второй тип деформаций наблюдается при напряжениях на контуре, превышающих предел длительной прочности, но меньше мгновенной прочности пород . Деформации ползучести приводят к образованию микротрещин и разрушению породы в некоторой зоне вокруг выработки. Дальнейшее развитие микротрещиноватости, связанное с длительной прочностью породы, приводит к образованию зоны длительного разрушения пород.
Третий тип деформаций имеет место при напряжениях выше мгновенной прочности . Разрушение пород может начинаться вслед за проведением выработки. Зону, в которой породы разрушаются при достижении максимума напряжений, называют зоной условно-мгновенного разрушения пород.
Для большинства выработок глубоких шахт Донбасса характерен третий тип деформации пород.
Предлагаемый в данной работе подход к роли анкерной крепи сводится к переведению приконтурных пород от более высокого типа деформаций к более низкому типу за счет создания армопородной оболочки из окружающих пород и установленных анкерных штанг при реализации схемы сшивки слоистого массива.
Согласно исследованиям [11, 18, 34, 38, 57] после установки анкерных штанг сопротивляемость разрушению армированных пород повышается. То есть, возможен случай, когда в пределах заанкерованной части массива сопротивляемость разрушению будет выше, чем за его пределами.
Тип деформации пород будет зависеть от соотношения предела прочности пород на определенном участке массива и возникающими в этом месте напряжениями. То есть, при выполнении вышеприведенных условий разрушение пород будет начинаться не с контура выработки, а за границей армопородной оболочки, в то время как заанкерованный массив будет смещаться равномерно без деформирования.
Таким образом, целью анкерования является создание вокруг выработки несущей породно-анкерной конструкции, способной воспринимать нагрузку от развития ЗНД.
Ряд исследователей, проведя анализ результатов наблюдений за смещением глубинных реперов в выработках, закрепленных анкерной крепью, отмечает, что в определенных условиях смещения на контуре выработки и в районе закрепления замка почти не отличаются [58, 59]. Это свидетельствует о том, что заармированные породы смещаются блоком, а расслоение начинается с контура установки анкеров.
Недостаточное количество исследований в этой области не позволяет сделать однозначные выводы. Поэтому, для установления закономерностей развития ЗНД вокруг выработки, закрепленной анкерной крепью, были проведены натурные шахтные наблюдения при помощи глубинных реперов.
2.2. Методика проведения шахтных исследований
Для выяснения особенностей и закономерностей деформирования горных пород, закрепленных анкерной крепью, были проведены шахтные наблюдения за деформациями приконтурных пород.
Измерения производились на специально оборудованных замерных станциях. Натурные наблюдения за смещением пород кровли проводились в конвейерном штреке северной коренной лавы пл. горизонта 450 м ОП "Шахта "Добропольская" ГП "Добропольеуголь", путем измерения смещений контур