Концепция. Зависимость между устойчивостью выработок и условиями работ характеризуется следующими положениями:
- по признаку влияния на устойчивость структурные нарушения подразделяются на несколько типов. Крупные и средние разломы образуют в массиве блоки, несоизмеримые по величине с размерами выработок, которые не формируют конструкций, а устойчивость выработки определяется структурой зон разломив. Мелкие разломы и крупные трещины образуют блоки, соизмеримые с размерами выработки, которые участвуют в формировании конструкций. Устойчивость выработок определяется размерами и взаимной ориентировкой структурных блоков с обнажениями. Мелкая трещиноватость придаст массиву мелкоблочное строение без нарушения сплошности. Эти блоки не участвуют в формировании конструкций, но уменьшают прочность массива и учитывается при оценке устойчивости;
- ориентировка выработки относительно нарушения имеет различные последствия; согласно расположенные нарушения ограничивают блоки по вертикали, продольные и диагональные - по горизонтали;
- по характеру нарушенности кровли крутопадающими структурами и влиянию ее на устойчивость обнажений выработки подразделяются на три типа: с пару идейностью мелкими и крупными трещинами и поперечными мелкими разломами; с локальной нарушенностью зонами разломов; с площадной нарушенностью зонами крупных разломов;
- по характеру пологопадающей нарушенности кровли выработки подразделяются на три типа:
пересекающие шов и подзону мелкой трещиноватости рудовмещающего разлома на всю мощность. В этом случае кровля сложена структурными блоками пород основной кровли с размерами 1-2 м. Выработки всегда устойчивы;
пересекающие шов не на всю мощность - подзону повышенной мелкой трещиноватости. В кровле структурные блоки размерами 0,5-0,7 м. Выработки имеют среднюю устойчивость;
выработки, не пересекающие шов на всю мощность. Оставшиеся породы шва и прилегающей к ним подзоны повышенной мелкой трещиноватости неустойчивы. Выработки всегда неустойчивы.
Устойчивость выработок, защищенных самозаклинивающимися конструкциями, обеспечивается направленным взаимодействием напряжений и деформаций в элементах массивов. В практике выделяются следующие типы комбинаций:
Опыт использования несущей способности разрушенных пород доказывает, что породный массив не всегда обрушается, используя остаточную несущую способность. Эта способность реализуется в зависимости от свойств массивов и механизма сначала разупрочнения, а затем естественного упрочнения структурных отдельностей пород.
При разрушении прочных пород условия их упрочнения с использованием остаточной несущей способности создаются всегда, но иногда не применяются в технологии, что ведет к затратам на крепление, разу б оживанию руд и потерям металлов. Самоупрочнение структурных отдельностей происходит при условии непревышения предельных пролетов обнажений, определенных из условия дискретности массива.
При разрушении скальных массивов породы зон разупрочнений создают достаточно прочные конструкции за счет остаточной несущей способности. Нарушенные породы не теряют устойчивости даже после раскрытия трещин и прогиба до критического состояния, если не превышен предельный пролет. Это согласуется с гипотезами о заклинивании структурных отдельностей Г. Н. Кузнецова, В. Д. Слесарева, С. В. Ветрова и др.
Модель прочности - прочность самозаклинивания во внешнем, примыкающем к нетронутому массиву слое. Если заклинивание происходит, то масса пород приконтурной зоны упрочняется за счет бокового распора структурных блоков.
Состояние элементов геомеханической системы зависит от остаточной несущей способности нарушенных пород. Состояние нетронутых массивов лишь частично определяется главными напряжениями с учетом влияния тектонических полей. Определяющей величиной при формировании напряжений в приконтурной зоне выработок являются горизонтальные составляющие главных напряжений, активизирующие влияние гравитационных сил.
Для описания физических процессов в элементах системы правомерно неравенство
Г <•-, ; ■'■■■ ■■'
<£.*= [да*,,<&:,.. a,) ,Jr*
to*, В
<С npuhQ> и;->о^, = \<b{dH)
о
где oIj2,3 - главные напряжения, MПa;
к - коэффициент влияния тектоники;
исж, о^ж- напряжения в верхнем и нижнем слоях зоны, соответственно, МПа;
La - пролет плоского обнажения, м;
Х)..х„ - характеристики массива;
O"cj*w\ о",, - прочность пород и крепи при одноосном сжатии, соответственно, МПа;
ho, Ьи- высоты разрушения и искусственного массива, соответственно, м;
В, Н~ ширина и высота зоны обрушения пород, м.
От прочности заклинивания блоков в верхнем и нижнем слоях зоны зависит состояние крени и сооружаемых закладочных массивов. Модель ставит прочность искусственных массивов в зависимость от технологических параметров в любых условиях разработки и дает возможность управлять напряжениями в приконтурной зоне и нормировать прочность и жесткость ее элементов назначением безопасных пролетов обнажений выработок.
Модель описывает дискретную среду, жесткость которой изменяется в зависимости от перераспределения напряжений, вызванных потерей несущей способности частью пород. Они создают упругий отпор в пределах зон или пригружают материал заполнения пустот.
Усиление жесткости конструкций из геоматериалов осуществляется инъекцированием в межкусковое пространство связующих материалов и креплением, а также ограничением пролетов выработок до величины, при которой сохраняется плоское перекрытие без обрушения. Управляющее воздействие на прочность системы заключается о использовании параметров, при которых жесткость перекрытия обеспечивается за счет остаточной прочности пород и напряжений бокового распора (δг), которые могут быть увеличены на величину m укреплением пород.
Управление напряжением в нижнем слое нарушенных пород состоит в реализации остаточной несущей способности пород ограничением величины пролетов и упрочнением.
Гсомеханичсская сбалансированность массива обеспечивается разделением массивов на участки, для которых удовлетворяются условия: Lф < Lпред и Н > hr, а внутри участков - на пролеты с плоской кровлей L0 где H, hr - глубина работ от поверхности и высоты зоны влияния выработок, м; Lф, Lпред L0 ~ соответственно, пролеты фактические, предельные по условию образования свода естественного равновесия и сохранения плоской кровли.
Это осуществляется с помощью естественных или искусственных массивов, сооружаемых в пустотах при удовлетворении критериев надежности.
Обеспечение устойчивости массива сводится к назначению параметров технологии разработки, при которых напряжения в элементах системы не превышают критических и не сопровождаются деформациями, разрушающими массив и участок земной поверхности над ним.
Эта задача предполагает на стадии проектирования раскройку шахтного поля на геомеханически сбалансированные участки с помощью целиков. В пределах геомеханически сбалансированных участков могут быть применены минимизированные по затратам технологии, например, с изоляцией отработанных пустот перемычками или с закладкой смесями минимальной прочности.
