РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА АНАЛИТИЧЕСКОГО МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВМЕЩАЮЩЕЙ ТОЛЩИ ПРИ ОТРАБОТКЕ СВИТЫ ПЛАСТОВ
2.1. Обоснование выбора метода прогноза геомеханической обстановки в зонах влияния очистных работ
Интенсивность проявлений горного давления в очистных, подготовительных и капитальных выработках, вероятность возникновения горных ударов и внезапных выбросов угля, породы и газа зависят, прежде всего, от напряженного состояния массива пород в месте ведения горных работ и возрастают с увеличением глубины разработки. Поэтому для обеспечения безопасной и эффективной разработки угольных пластов необходимы надежные методы определения и прогнозирования параметров напряженного состояния толщи горных пород.
Применяемые для оценки напряженного состояния горного массива методы можно условно разделить на две группы: а) методы инструментальных измерений; б) методы моделирования. Первая группа методов основывается на результатах непосредственных измерений величин напряжений и деформаций в горном массиве. Для этой цели в зонах влияния очистных работ устраивают специальные динамометрические площадки, оборудованные тензометрами. Такие непосредственные тензометрические измерения приносят ценный фактический материал для изучения и анализа происходящих геомеханических процессов. Однако, существует ряд ограничений на использование данных методов. Во-первых, устройство динамометрических площадок требует специального оборудования и значительных затрат времени, сил и средств, что в большинстве случаев отвергается производственниками по причине финансовых трудностей. Поэтому количество проведенных тензометрических измерений относительно невелико, все они достаточно описаны в горной литературе и известны специалистам. Гораздо чаще в шахтных условиях закладывают наблюдательные станции, оборудованные специальными глубинными реперами, и измеряют на них перемещения (деформации) горных пород в зонах влияния очистных работ. Результаты таких измерений также представляют значительный интерес, однако, поскольку измерения деформаций проводятся непосредственно в приконтурном массиве, в них трудно разделить влияние напряжений, действующих в горном массиве под воздействием очистных работ, и влияние напряжений, возникающих в системе "порода-крепь" той выработки, где эти реперы были заложены.
Во-вторых, проведение измерений напряжений и деформаций оказывается невозможным в полном объеме из-за недоступности для измерений всей вмещающей толщи горных пород. Поэтому имеющиеся результаты измерений относятся главным образом к приконтурному массиву. Экстраполировать их на другие участки вмещающей толщи можно лишь с достаточно большой осторожностью.
В-третьих, из физики сплошной среды известно о возмущениях, возникающих при внедрении в эту среду инородных тел. В горном массиве такие возмущения напряженного состояния будут возникать при бурении шпуров под размещение глубинных реперов либо тензометров. Это означает, что установка датчиков о напряженном состоянии горного массива уже сама по себе вызовет изменение этого напряженного состояния. К сожалению, в специальной литературе этот вопрос должным образом не исследовался, влияние таких возмущений не изучено, поэтому результаты шахтных инструментальных измерений напряжений и деформаций считаются наиболее надежными и принимаются многими исследователями в качестве эталонных для калибровки своих моделей.
Методы моделирования напряженного состояния горного массива подразделяются, в свою очередь, на методы физического моделирования и аналитические методы. Методы физического моделирования геомеханических процессов на моделях из эквивалентных материалов и методами фотоупругости были развиты в трудах ученых ВНИМИ (Кузнецов Г.Н., Петухов И.М., Глушихин Ф.П. и др.) и ДПИ (Зоря Н.М., Музафаров Ф.И., Зборщик М.П., Назимко В.В.) и позволили существенно уточнить картину происходящих геомеханических процессов при отработке угольных пластов. Однако создание физических моделей является довольно трудоемким процессом, т.к. для каждой модели требуется индивидуальный подбор материалов с заданным набором физико-механических свойств и уникальная методика нагружения модели, соответствующая моделируемым условиям отработки пластов. Указанные обстоятельства ограничивают сферу применения физических моделей для прогноза напряженного состояния горного массива в конкретных условиях горного производства.
Вместе с тем потребность в прогнозе изменения геомеханической обстановки в зонах влияния очистных работ значительно возросла в связи с постоянным увеличением средней глубины отработки угольных пластов в Донбассе и ухудшением горно-геологических условий отработки. Особое значение приобретает возможность прогноза геомеханической обстановки в различных горно-технологических ситуациях, что особенно важно при выборе наиболее рациональных вариантов развития горных работ на этапе календарного и перспективного планирования. Этим требованиям отвечают аналитические методы расчета напряженного состояния горного массива, поскольку они оптимально вписываются в компьютерные технологии планирования горных работ и управления напряженно-деформированным состоянием массива горных пород.
Разработке аналитических методов расчета напряженного состояния горного массива были посвящены работы многих авторов (Петухов И.М., Линьков А.М., Зубков В.В., Зборщик М.П., Черняев В.И., Зорин А.Н., Борисов А.А. и др.). В этих работах с различных позиций рассматривалось поведение горного массива в зонах влияния очистных работ, но в подавляющем большинстве работ использовалась упругая модель поведения горного массива. Одним из первых на упругий характер поведения горного массива указал Авершин С.Г. [261], который заметил, что в объемном напряженном состоянии горные породы обладают выраженными упругими свойствами. Накопленный за многие годы фактический материал шахтных наблюдений подтверждает это положение.
Упругое поведение горных пород вмещающей толщи на