1.1.1. Экспериментальные и натурные исследования зонального разрушения горных пород в массиве вокруг подземных выработок

Явление зонального разрушения горных пород вокруг подземных выработок (зональная дезинтеграция) было установлено экспериментально одновременно и независимо в России и ЮАР в 1979-81 г.г.

Открытые трещины имеют гладкие стенки, что характеризует их как трещины отрыва. Суммарное раскрытие трещин в зонах больше, чем величина конвергенции в выработке, что свидетельствует об уплотнении промежуточных зон. Ширина промежуточных зон и зон трещин составляет от 1 до 1,5 м. Количество зон техногенной трещиноватости зависит от уровня напряженного состояния, а расстояние от контура выработки до последней зоны составляет от 5 до 11 м [9].

В работах [10-12] исследованы закономерности зонального деформирования и разрушения массива вокруг подготовительных выработок, проведенных комбайновым способом по пласту угля с присечкой вмещающих пород при значениях уп Н/осв 0,7-1,2 (уп - объемный вес пород, И - глубина заложения выработки, ас - предел прочности на одноосное сжатие). Деформации пород определялись по глубинным реперным станциям, а наличие зон трещин устанавливалось в забое проводимой вприсечку через четыре месяца выработки.

Установлено наличие четырех зон трещин отрыва шириной от 0,2 до 1,8 м, которая закономерно уменьшается в глубь массива. Ширина промежуточных зон составляет 1-2,3 м и закономерно возрастает в глубь массива (рис.

В работе [106] рассмотрены результаты длительных наблюдений за состоянием вмещающих пород вокруг одиночных горизонтальных выработок, пройденных в трещиноватом массиве в условиях действия характер промежуточных зон. Ширина зон трещин составляет 0,5-2,5 м, а ширина промежуточных зон - 1,5-3 м.

В работах [5,6] исследование электросопротивления пород вокруг одиночной подготовительной выработки, пройденной в осадочных породах на глубине 950 м, дополнялось прямым исследованием трещинной структуры перископическим методом. Установлено последовательное, в течение 90 суток, развитие магистральных трещин от контура выработки в глубь массива. После этапа формирования блоковой структуры массива наступает этап разрушения оконтуренных трещинами блоков, которые находятся в условиях повышенных сжимающих напряжений. В результате в радиальном направлении наблюдается процесс распространения "продольных волн дополнительного сжатия и расширения", который обусловлен раскрытием и закрытием трещин.

Периодическое распределение техногенных трещин в массиве впереди очистного забоя установлено в ЮАР на глубине 2300 м [105]. В исследованиях, проведенных петроскопическим методом, установлено наличие по крайней мерс четырех зон трещин шириной 0,3 - 1,3 м, разделенных промежуточными, относительно ненарушенными зонами.

В промежуточных зонах установлено наличие высоких сжимающих напряжений, что является причиной дискования керна и закономерного уменьшения толщины дисков от краев к середине зон. Здесь же отмечено свойство зон трещиноватости и промежуточных зон без видимых трещин меняться местами при движении забоя. Отмечается также отрывной характер трещин.

В работах [7-9] в результате комплексных исследований, проведенных геофизическими и перископическим методом, а также по визуальным наблюдениям трещин в забоях пересекающихся выработок установлено наличие до четырех трещиноватых зон вокруг капитальных одиночных выработок Норильска на глубинах от 100 до 1100 м.

Рис 1.1. Характер зонального разрушения массива вокруг подготовительной выработки по данным [21] (h- суммарное раскрытие трещин)

Рис 1.2. Закономерности зонального разрушения массива горных пород вокруг

подготовительных выработок по данным [12]: а-результаты экспиремента; б-зависимость от ширины зоны (1-зона разрушения, 2-промежуточные зоны) больших сжимающих напряжений. Деформации измерены при помощи глубинных реперов.

Установлен зональный характер деформирования вмещающих пород, характеризующийся знакопеременными радиальными деформациями по длине скважин. Положение зон сжатия и растяжения меняется со временем. В работе [107] аналогичные результаты зафиксированы при длительных наблюдениях за деформациями вмещающих пород в штреке, пройденном по углю на Чангуанбаском месторождении (Китай).

Периодическая деформационная структура массива вокруг выработок может существенно изменяться при иадработке выработки [13-15]. Установлено наличие разорванных (спиралевидных) деформационных зон вокруг выработки в зоне надработки, движение по массиву участков относительного сжатия и растяжения, наличие "мертвых" деформационных зон - недеформнрующихся участков массива. Деформации контура выработки могут определяться как разрыхлением, так и поворотом, а также сдвижением больших блоков пород.

Движение участков относительного сжатия и растяжения по периодическим образом деформированному вокруг подготовительных выработок массиву в зоне опорного давления очистной выработки зарегистрировано в [16, 17]. Аналогичные результаты получены при анализе поведения массива вокруг участков подземных массовых взрывов [36]. Установлено, что фронт знакопеременных деформаций распространяется в массиве с определенной скоростью, величина которой определяется степенью нарушенное™ массива и глубиной разработки.

Движение фронтов знакопеременных деформаций вокруг капитальных выработок зафиксировано в работах [37, 38]. Массив горных пород в этом случае имеет зональную структуру разрушения, по которой распространяются указанные фронты (рис.

- проектный контур взрывной полоста

\ Я / 4 \ 0

:т! Сг 10

12 Сг, 20 хЗ 30 L, ы Cm 4 V/Vmax

0,5

О

-0,5

Рис. 1.3. Распространение разрушающих фронтов В работе [18] рассматриваются закономерности периодического деформирования угольного пласта впереди движущейся лавы. Установлено образование фиксированных участков сжатия и растяжения пласта, положение которых не зависит от расстояния до очистного забоя. Установлен также знакопеременный характер приращения деформаций впереди лавы, обусловленный ее движением.

Периодический характер изменения высоты подготовительной выработки вдоль ее оси вне зоны влияния очистных работ установлен в работах [18-20]. Длина периода составила 10-30 м (рис. 1.4).

Отметим, что при наличии весьма многочисленных исследований периодических закономерностей деформирования массива вокруг выработок в литературе отсутствуют данные о деформировании пород за жесткими обделками подземных сооружений. Не проводились исследования и деформирования пород в выработках большого поперечного сечения (тоннелях, камерах и т.п.).

В работах [34, 35] проведены исследования закономерностей перемещения контура4 горных выработок глубоких шахт Норильска. Для исследования закономерностей деформирования и разрушения пород в натурных условиях был принят комплексный метод, включающий инструментальные и визуальные наблюдения на специально оборудованных замерных станциях. В намеченных к наблюдению выработках (были выбраны горные выработки рудников «Оетябрьский» и «Таймырский») станции закладывались в свежепройденных выработках, с минимально возможным по техническим условиям разрывом во времени между выемкой горной массы и сооружением замерной станции.

Замерные станции представляли собой веер скважин, пробуренных в определенном выбранном сечении выработки; скважины бурили в кровлю и бока выработок, длина их колебалась от 3,5 до 7-12 м. Для определения положения зон трещинообразования в скважинах использовались методы подземного В, мм

4000

3500 3000 2000 2000 1500

1000 i А Алл pi 1 лА^ V м Л л ГЧ^ч 1 1

1 /^v 2

^ f— Г\ J\ I 1 ^ \ 1 20

30

10

40

50

60

L, м Рис.

Исследования показали, что концентрация напряжений в разделительных массивах достигает 3-4 уН. Установлено, что вокруг выработки на различных расстояниях от контура существуют области, в которых напряжения в 1,5—2 и более раз превышают фоновые, в этих местах и происходят последующие разрушения пород с образованием вокруг выработки дезинтеграционных зон, образование зон в рудном массиве происходит при критических относительных деформациях растяжения с = (3-5) 10'3, при этом вслед за ростом деформаций растяжения отмечаются и увеличение деформаций сжатия, вызванное последующей прнгрузкой массива. Первая зона образуется, как правило, на расстоянии 1,5-3,5 м от контура выработки, следующие зоны соответственно 3,0—5,5 м, 5-8 м и т. д. Зоны наведенной интенсивной трещиноватости имеют ширину от 0,15-0,2 до 1,0-1,5 м. Они отделены одна от другой квазицилиндрическими зонами ненарушенного массива шириной от 0,2-0,3 м до 1,1-1,5 м и более. Таким образом, вследствие проявления зональной дезинтеграции вокруг выработок, блочный массив на расстоянии от контура выработки 7-12 м можно рассматривать как слоистый трещиноватый массив с толщиной слоев от 0,6-0,8 до 1,2-1,7 и более метров.

Измерения конвергенции контура выработок при наличии явления дезинтефации пород показали, что максимальные величины смещений при этом оказываются на порядок выше, чем в выработках тех же горизонтов, вокруг которых это явление не проявлялось.

В других выработках сразу после выемки горной массы дезинтеграционные процессы не наблюдались и смещения контура были незначительные, но по истечении некоторого времени в ряде выработок это явление проявлялось. Причем развитие его происходило примерно за такое же время, как и сразу при проходке, т. е. за 6—10 часов. Общая величина смещений контура при этом возростала почти на порядок. Вид крепи мало оказывал влияние на скачок смещений контура. Как правило, крепь разрушалась, происходили вывалы пород. В монолитной бетонной и железобетонных крепях образовывались трещины, сколы бетона, выдавливание стенок, обрушение кусков бетона вместе с породой. То же происходило и в выработках, закрепленных комбинировашюй крепью.

Исследования показали, что способы крепления и поддержания выработок при проявлении зональной дезинтеграции пород должны строиться на принципиально иной основе, где необходимы иные критерии устойчивости массива, поскольку характер проявления горного давления в выработках,

Рис. 1.5. Графики смешений кровли и почвы выработки при проявлении в породном массиве зональной дезинтеграции: 1,2- образование зон дезинтеграции после создания обнажения; 3 - деформирование пород во времени; 4 - смещение контура без образования зон (но данным работы [34])

расположенных в таком массиве, принципиально иной, чем в обычных выработках, расположенных в сплошном массиве. Должен быть изменен и подход к расчету устойчивости кровли и крепи таких выработок.