Целенаправленное изменение свойств окружающего массива

Это направление включает различные методы изменения деформационно-прочностных свойств массива окружающих пород, но большинство из них представляют собой специальные технологии проведения выработок (методы искусственного упрочненияпород вокруг выработок – тампонирование, замораживание, кессонные способы проходки, специальные методы ведения взрывных работ, проведение выработок бурением на полное сечение и др.).

Прежде всего остановимся на самых распространённых методах воздействия на приконтурный массив – методах возведения различных крепей в выработках, поскольку в настоящее время крепь горных выработок следует рассматривать как активный элемент системы “крепь—массив”, состояние которой (в том числе и напряжения в крепи) определяется в равной степени как деформационно-прочностными характеристиками массива окружающих выработку пород, так и самой крепи.

Это наглядно может быть показано на графике (рис. 3.26), где координаты точек пересечения деформационных характеристик крепи с кривой деформирования породного контура выработки определяют значения нагрузки на крепь Р и смещения и поверхности выработки и самой крепи при достижении состояния равновесия.

Рис. 3.26. Зависимости нагрузок на крепь от деформационных характеристик пород на контуре выработки и крепи.

I, II — характеристики деформирования крепей различных конструкций; III - характеристика деформирования штанговой крепи.

1,2 - характеристики деформирования пород на контуре выработки до и после установки штанговой крепи.

Р₁ и Р₂, u₁ и u₂ - соответственно давления и смещения пород на контуре выработки в зависимости от деформационных характеристик крепи и времени её включения в работу.

Очевидно, при более жестких характеристиках крепи (например, кривая III) точка пересечения на графике будет располагаться выше, а, следовательно, нагрузка на крепь будет больше.

При этом необходимо подчеркнуть, что если издавна применяемые деревянные, каменные, бетонные, железобетонные и тюбинговые крепи непосредственно не изменяют деформационно - прочностных свойств пород, окружающих выработки, а лишь в определенной степени ограничивают их деформации и предотвращают разрушение, то различные виды анкерной крепи значительно повышают предел прочности на растяжение и сцепление пород в приконтурной части массива вследствие введения в породы металлической арматуры и заполнения раскрытых трещин бетоном при железобетонных штангах (на рис. 3.26 кривая деформирования пород после установки штанговой крепи смещается вверх). Этим в первую очередь и объясняется эффективность анкерной крепи, ее быстрое и широкое распространение в горной практике.

В зависимости от характера взаимодействия крепи и пород выделяется несколько режимов (рис. 3.27).

Рис. 3.27. Схемы режимов взаимодействия крепи выработок и массива окружающих пород.

Режим: а - заданной нагрузки на крепь [R=P; Dl=f₁(P); Dl не влияет на P]; б - заданной деформации (R практически не влияет на Dl₁): в - взаимовлияющей деформации крепи и массива [Dl = f (Q,R)]; г - комбинированный [Dl = f (P, Q, R)]. Q и R - сопротивление соответственно пород и крепи; Р — вес отделившихся объемов пород; q - напряжения в массиве пород вокруг выработок.

В частном случае крепь выработки может быть загружена отделившимися от массива небольшими объемами пород. При этом смещения крепи практически не будут влиять на нагрузки на крепь. Подобный режим называют режимом заданной нагрузки (рис. 3.27 а).

Если же реактивное сопротивление крепи практически не влияет на перемещения поверхности соприкосновения крепи с породой, такое взаимодействие называют режимом заданной деформации (рис. 3.27 б). Оно характерно для участков выработок, подверженных высоким напряжениям, например в зонах опорного давления.

Наиболее часто крепи подготовительных и капитальных выработок находятся в режиме взаимовлияющей деформации (рис. 3.27 в). Смещение поверхности соприкосновения крепи с породой зависит в этом случае от сопротивления крепи.

Наконец, в практике возможны случаи, когда крепь работает в комбинированном режиме, например, одновременно в условиях взаимовлияющей деформации и заданной нагрузки (рис. 3.27 г).

Выделение основных режимов взаимодействия крепи массива пород позволяет в каждом конкретном случае определять наиболее вероятный режим работы крепи и в соответствии с этим рассчитывать и выбирать ее параметры.

Например, как показывают результаты исследований устойчивости капитальных и подготовительных выработок в условиях скальных трещиноватых массивов, крепи выработок в этом случае, как правило, работают в режиме заданной нагрузки и испытывают незначительное давление, обусловленное весом отделившихся структурных блоков или их частей, потерявших связь с массивом в результате скола или отрыва по поверхностям естественных трещин. В таких условиях крепь должна удовлетворять требованиям:

а) быть ограждающей, а не грузонесущей конструкцией, предотвращающей образование заколов и выпадение породы в выработку;

б) изолировать стенки от воздействия агентов выветривания, так как при выветривании ускоряются процессы разрушения приконтурного массива пород;

в) обеспечивать упрочнение связей между отдельными блоками массива.

Этим требованиям наиболее полно удовлетворяет комбинированная крепь из железобетонных анкеров с набрызгбетонным покрытием стенок и кровли выработок.

В случае применения крепей, способных оказывать противодавления на окружающий выработку массив (режим взаимовлияющей деформации массива и крепи, рис. 3.27 в) резко изменяются условия деформирования пород. Даже весьма небольших усилий, развиваемых распорными крепями, часто бывает вполне достаточно для того, чтобы значительно повысить прочностные характеристики массива пород вследствие перевода их из плоского напряженного состояния в объемное.

Аналогичную роль оказания противодавления на породы приконтурного массива выполняют буровые растворы при проведении и поддержании буровых скважин, которые по ряду своих характерных признаков могут служить в известном смысле моделями горных выработок. При этом весьма существенно, чтобы плотность бурового раствора, а следовательно и противодавление, оказываемое им на породы в стенках скважин, тесно увязывались с начальным полем напряжений в массиве и свойствами пород для предотвращения в приконтурном массиве возникновения растягивающих напряжений.