Из графика следует, что, во-первых, степень нарушенности массива носит волнообразный характер (полупериод волны составляет примерно 2 пролёта), во-вторых, её максимум стабилизируется, начиная с угла ((150 (7,5 единиц от начала координат), в-третьих, наибольшие значения этой степени соответствуют сечениям, приходящимся непосредственно на сопряжение, а максимум - его середине (сечении 8` на рисунке 24), в-четвёртых, с уменьшением угла смежности при (<150 максимумы кривых нарушенности растут по сравнению с (>150 и смещаются в сторону двух выработок, асимптотически приближаясь к кривой, построенной при (=00.

, определяемые как

где S(x) – площадь поперечного сечения выработки, kn(x) – коэффициент нарушенности в этом сечении, V – суммарный объём всей полости, x1.i.лев., x1.i.пр.- соответственно, абсциссы левой и правой границ i-го участка выработки, Vi - его объём; V2, V3 – объёмы второго и третьего участков (см. рисунок 24).

Три кривые участковых интенсивностей на рисунке 27, построенные для всего диапазона угла смежности, определяют степень нарушенности массива на каждом участке. Хорошо видно, что нарушенность в приконтурной части массива непосредственно на сопряжении значительно превышает нарушенность вокруг примыкающих выработок. Здесь участковая интенсивность примерно в три раза выше интенсивности крайних участков.

Рисунок 27 – Графики изменения участковых интенсивностей нарушения в зависимости

от угла (

Из графика на рисунке 28 явно следует, что диапазон 7,50(((150 является переходным (на рисунке он выделен), на нём kn.O. меньше других. Исходя из этого, можно выделить три диапазона угла смежности 00(((7,50 – объемный средний коэффициент нарушенности kn.O.cp. равен 1,337, 7,50(((150 – kn.O.cp.=1,179; 150(((900 – kn.O.cp.=1,237.

Рисунок 28 – График объёмного коэффициента нарушения в зависимости от угла (

По характеру и значениям кривые нарушенности массива при 150(((900 близки друг к другу, что позволяет описать её кривой среднеарифметических значений коэффициента нарушенности для сопряжений такого типа (рисунок 29). Максимальные и минимальные относительные отклонения от этой кривой лежат в пределе (1,2 - 6)%. Среднее значение отклонения составляет 3%.

Рисунок 29 – Кривая среднеарифметического коэффициента нарушенности вдоль осей выработок. Точки выше и ниже кривой – значения максимальных и минимальных отклонений от кривой

В главе 8 разработанная модель геомеханического состояния массива применялась для оценки нарушенности и устойчивости реальных массивов горных пород, вмещающих одиночные выработки и их системы на некоторых угледобывающих предприятиях Кузбасса (решена задача 7).

7.1. Проведены исследования устойчивости массива с системой горизонтальных, параллельных, протяжённых выработок квадратного поперечного сечения, сооружаемых по геотехнологии HIGHWALL на Междуреченском разрезе «Распадский». Картины ЗНС в приконтурном массиве приведены на рисунке 30. В большинстве примеров целик между выработками равен их пролёту. (c=b=h, (=900).

а) K/(H=0, (=00

г) K/(H=0, (=220

е) K/(H=0,25, (=320

з) K/(H=0, две системы поверхностей (1=450, (1=900; (2=300, (1=00, c=2b

и) K/(H=0; две системы поверхностей (1=500, (1=900; (2=300, (1=00, c=2,5b

Рисунок. 30 ( ЗНС массива в окрестности системы двух выработок

Видно, что: 1) в окрестности системы из двух и трёх выработок размеры и характер ЗНС незначительно отличается друг от друга (рисунок 30 а, б); 2) при малых углах наклона поверхностей ослабления не происходит разрушения целиков между выработками (рисунок 30 а - в); 3) разрушение целиков начинается с угла (=220 (рисунок 30 г); 4) увеличение коэффициента сцепления уменьшает размеры ЗНС и повышает устойчивость целиков (рисунок 30 д); 5) при ((320 снова начинается их разрушение (рисунок 30 е); 6) размер устойчивого целика с двумя системами поверхностей ослабления может превышать пролёт выработки даже при сравнительно прочном массиве (рисунок 30 ж); 7) две системы поверхностей приводят к потере устойчивости целика, размер которого в два раза превышает пролёт выработок и это должно учитываться при их сооружении (рисунок 30 з); 8) минимальный размер устойчивого целика с двумя системами поверхностей ослабления составляет 2,5 пролёта (рисунок 30 и). Поэтому при проведении системы выработок в породном массиве с прочностной анизотропией очень важен учёт ориентации поверхностей ослабления.

7.2. При выборе параметров анкерной крепи (длина, величина натяжения, количество анкеров и шаг их расстановки) необходимо знать габаритные размеры и площадь ЗНС. При аналитическом описании контуров ЗНС кубической сплайн(функцией, площадь и масса породы в ЗНС вычисляются просто - интегрированием с помощью оператора определённого интеграла, встроенного в пакеты прикладных программ. После этого параметры анкеров определяются из условий равновесия подкреплённой породной массы и условий прочности материала анкеров. На рисунке 31 (а) показаны прямоугольное сечение магистрального конвейерного штрека (шахта «Осинниковская» ОАО «Южкузбассуголь») с ЗНС, контур которой аппроксимирован кубической сплайн-функцией, а также схема расположения анкеров в кровле выработки и основные параметры анкеров.

l0=3,2м; la=4,43м; P1=40кН, P2=50кН;

шаг расстановки анкеров 0,8м

l0=5,28м, lа=7,17м, P1=91кН; P2=72,1кН; P3=109,8кН

Рисунок 31 - Схема армирования выработок анкерами на основе ЗНС

7.3. Произведён расчёт нарушенности массива в окрестности сопряжение ствола и штрека (ООО «шахта Южная») (hc=4,4м; bc=5,85м) с подготовительной выработкой (h=4,1м, b=5м) (рисунок 31 б), расположенного вне зоны влияния опорного давления. ЗНС построены в наиболее широком сечении сопряжения (угол смежности 550), повёрнутом относительно поперечного сечения ствола на угол 27,50, а справа на рисунке приведены максимальные ординаты ЗНС - l0, схема армирования пород кровли на основе описания контура кубическим сплайном и параметры анкеров: длина – la, усилие натяжения в каждом из трёх «лепестков» ЗНС.

7.4. Эффективным мероприятием, проводимым с целью дегазации угольного пласта, является бурение из забоя подготовительной выработки системы опережающих скважин (рисунок 32 а). Расположенные в областях неустойчивости массива в один ряд они образуют единую щель разрушенного массива. Как отмечено ранее, щель формирует в своей окрестности ЗНС, площадь которых значительно превосходит площадь щели.

Первая система поверхностей ослабления

Вторая система поверхностей ослабления

Суперпозиция двух

ЗНС около щели, образованной четырьмя

скважинами

в) ЗНС около щели, образованной десятью

скважинами

Рисунок 32 - Схема расположения скважин в забое выработки и ЗНС в их окрестности

В качестве примера проведён расчёт ЗНС дегазационными скважинами длиной 10м, диаметром d=200мм в массиве с двумя системами поверхностей ослабления, по которым K=0, (=200. Они ориентированы под углами (1=150, (1=900; (2= - 550, (2=900. Скважины группируются попарно. Они расположены вдоль диагонали второй диаграммы неустойчивости (она горизонтальна), это является наиболее рациональным - ЗНС ослабления смыкаются (рисунок 32 б), что и приводит к образованию единой щели. Расстояние между скважинами пары в окрестности их забоя, когда происходит смыкание ЗНС, составляет 1,3d, высота щели равна диаметру скважины d. Пара скважин, расположенных таким образом, образует щель с размерами 4,0d. Размер разрушаемого целика между двумя такими щелями равен 2,3d. Поэтому единая щель, образованная четырьмя скважинами, имеет размеры: по горизонтали 10,3d и по вертикали d. Суммарные ЗНС около щели от двух систем поверхностей ослабления показаны на верхнем рисунке 32 (в), а эффективная площадь скважины – площадь ЗНС, приходящаяся на одну скважину, получается равной 1,03м2. Длина единой щели, образованной десятью скважинами, составляет 26,9d. Суммарные ЗНС в её окрестности от двух систем поверхностей ослабления показаны на нижнем рисунке 32 (в). При этом эффективная площадь скважины равна 2,92м2. По методическим рекомендациям ВостНИИ, составленным на основе экспериментальных данных, эффективная площадь скважины составляет величину (2,8 – 3,6) м2. Её увеличение за счёт длины щели возможно лишь при достаточно большом пролёте выработки.

7.5. При проведении подготовительных выработок на шахте «Котинская» (Кузбасс), форма поперечного сечения которых представляет неправильную трапецию с размерами a=5,2м, b=4м, h=3,08м (рисунок 33 а), оказалось, что в зависимости от направления проведения выработки в призабойной части разрушаются разные её борта (рисунок 34 б).

Рисунок 33 – Области нарушения сплошности в забое подготовительных выработок

Результаты моделирования нарушенности массива показали, что такой эффект возможен при определённой ориентации поверхностей ослабления. Результаты расчётов, проведены при следующих параметрах массива: K/(H=0; (=1; (=200, ?1=450; (= - 550.

Заключение

В диссертации решена крупная научная проблема создания методических основ изучения геомеханического состояния массива горных пород с прочностной анизотропией, вмещающего систему выработок, использование которых имеет важное значение для подземной разработки полезных ископаемых и строительства горных предприятий.