Геомеханическое обоснование методики прогноза устойчивости породных обнажений при строительстве подземных сооружений в протерозойских глинах

Актуальность работы. Основная часть выработок метрополитена Санкт-Петербурга сооружается в мощной толще протерозойских глин. В нормальных условиях залегания глины обладают твердой или полутвердой консистенцией, не обводнены, не имеют четко выраженной регулярной трещинноватости и в обнажениях характеризуются обычно как среднеустойчивые. Многолетний опыт показывает, что обнажения глин в забоях способны сохранять устойчивость до 2−4 часов. Благодаря этому выработки диаметром до 9,8 м проходятся полным сечением, с разработкой забоя уступами с креплением кровли, боков, груди забоя временной крепью. В целом условия строительства подземных сооружений в протерозойских глинах оцениваются специалистами как относительно благоприятные. Исключения составляют участки на выходах выработок в четвертичные отложения и районы эрозионных размывовдревних долин, где толща потолочины глин от кровли тоннеля до контакта с четвертичными отложениями уменьшается до нескольких метров.

Конструкция и параметры крепи лба забоя принимаются с учетом устойчивости пород по типовым проектам ОАО «Метрострой» и рекомендациям, разработанным специалистами с участием ученых ЛИИЖТа и ЦНИИСа. Устойчивость обнажений на практике оценивается по составу и консистенции глин, без каких-либо количественных показателей. Геологическая служба Метрогипротранса, выполняющая инженерно-геологическую оценку условий строительства выработок, руководствуется нормативным документом ВСН 190−78 [32], в котором определяющим признаком в оценке устойчивости пород в забое принят коэффициент крепости по М. М. Протодьяконову. ВСН 190−78 ориентированы на широкий круг горногеологических условий, и конкретные свойства протерозойских глин не учитывают. По относительно низкой прочности глин при сжатии (от 2 до 8 МПа) геологи занижают устойчивость породных обнажений, что является причиной разногласий по этому вопросу между строителями и горнотехнической инспекцией. По ее требованиям (предписание № 5/464 от 24.05.94), технические службы Метростроя разработали типовые проекты проходки выработок с временным креплением, которые регламентируют параметры временной крепи: диаметр расстрелов, толщину затяжки, расстояние между расстрелами, величину заходки — для пород слабой и средней устойчивости.

Из практики строительства выработок в глинах известно, что устойчивость лба забоя зависит не только от прочности глин, но и также многих других факторов: влажности глин, продолжительность периода, в течение которого забой был остановлен, наличия вблизи других выработок. На устойчивость также влияют размеры сечения выработок и жесткость крепи лба забоя. Выявлено, что вблизи контакта с четвертичными отложениями влажность глин выше, при этом устойчивость глин в забое снижается. Увеличивается давление на крепь, с прогибом расстрелов и обжатием затяжки, смещения груди забоя в выработку заметны визуально. Характер проявлений давления свидетельствует о деформациях выдавливания пород в выработку. При этом нельзя исключать, что интенсивность процесса выдавливания может возрастать и приводить к разрушению временной крепи.

В этой связи задача обоснованного прогноза устойчивости пород в забоях выработок, учитывающего основные влияющие факторы, является актуальной.

Цель диссертационной работы — разработать методику оценки устойчивости породных обнажений и выбора конструкции крепи лба забоя при строительстве подземных сооружений в протерозойских глинах.

Основная идея работы. Конструкции временной крепи забоев выбираются на основе прогнозируемого характера деформирования глин в призабойной зоне, определяемого закономерностями изменения напряженного состояния массива при строительстве выработок.

В соответствии с поставленной целью основными задачами исследования являлись:

— выявление закономерностей изменения напряжений в призабойной зоне массива и их соотношении с пределами прочности протерозойских глин при сжатии и сдвиге;

— обоснование критериев устойчивости породных обнажений протерозойских глин, учитывающих комплекс влияющих на устойчивость факторов;

— исследование характера деформирования глин в призабойной зоне при различной толщине потолочины от кровли тоннеля до контакта глин с четвертичными отложениями;

— разработка принципов выбора конструкции временной крепи лба забоя применительно к прогнозируемым, наиболее вероятным схемам развития деформационных процессов во вмещающем массиве.

Методы исследований. При выполнении работы использовался комплекс методов, включающий моделирование деформационных процессов в призабойной зоне методом конечных элементов в плоской и объемной постановке, анализ горно-геологических условий по устойчивости породных обнажений на основе выявленных закономерностей изменений напряженнодеформированного состояния (НДС) массива, расчеты несущей способности временной крепи различных конструкций.

Защищаемые научные положения:

1. Смещения массива в призабойной зоне направлены к незакрепленному пространству забоя и имеют природу деформаций сдвига. При этом устойчивость пород лба забоя определяется отношением сопротивления глин сдвигу к максимальным касательным напряжениям.

2. С уменьшением мощности глин в кровле тоннеля, увеличивается осадка контакта глин с четвертичными отложениями, растут напряжения и смещения в призабойной зоне массива, а также уменьшается ширина мульды оседания в глинах и наносах.

3. Отпор поддерживающей крепи лба забоя до 10 кН/м2 недостаточен для предупреждения перехода глин в предельное состояние. При этом горизонтальная нагрузка на крепь определяется высотой вывала и сопротивлением глин сдвигу при запредельном деформировании.

Достоверность защищаемых положений, выводов и рекомендаций подтверждается адекватностью объемной модели реальной схеме взаимодействия постоянной обделки и временной крепи лба забоя с вмещающим массивомсоответствием рассмотренных схем потери устойчивости пород характеру деформирования глин в забоях строящихся тоннелей, максимальным учетом влияющих на состояние породных обнажений факторов в критериях, рекомендованных для прогноза устойчивости лба забоя.

Научная новизна работы.

Новыми научными результатами являются:

— предложены критерии устойчивости породных обнажений в забоях выработок, строящихся в протерозойских глинах, учитывающие различные схемы деформирования вмещающего массива;

— установлены зависимости деформационных процессов в призабойной зоне от мощности глин в кровле выработки;

— определены закономерности нагружения крепи лба забоя в породах различной устойчивости и схема расчета горизонтальных нагрузок на крепь, учитывающая свойства глин при запредельном деформировании.

Практическая значимость работы. Для практики строительства подземных сооружений в протерозойских глинах имеют значение следующие результаты работы:

— классификация породных обнажений по устойчивости, отличающаяся введением численных критериев устойчивости по сжимающим и касательным напряжениям;

— методика прогноза опасных деформаций кровли под давлением четвертичных отложений и своевременно предусматривать усиленное крепление лба забоя;

— рекомендации по выбору типа крепи лба забоя применительно к категории породных обнажений по устойчивости.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международном Российско-китайском симпозиуме «Строительство шахт и городских подземных сооружений» г. Кемерово, 2000 г.- Международной конференции «Проблемы подземного строительства в XXI веке» г. Тула, 2002 г., и ежегодных научных конференциях молодых ученых СПГГИ (ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПб, 1999, 2000, 2001 г. г).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 4 статьях и 2-х докладах на научных конференциях.

Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследования, определены исходные данные и параметры модели для расчета геомеханических процессов в системе методом конечных элементов, выполнена обработка и анализ результатов моделирования, обоснованы критерии устойчивости породных обнажений, уточнена классификация породных обнажений по устойчивости, разработаны рекомендации по 9 применению различных видов крепи лба забоя в зависимости от устойчивости пород.

Автор благодарен к.т.н. Д. А. Потемкину за консультативную помощь в моделировании методом конечных элементов по программе «Космос».

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 147 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 81 источников, включает 31 рисунок, 23 таблицы, 5 приложений на 24 страницах.

Выводы по главе 4.

1. Применяемые методы расчета нагрузок на крепь лба забоя учитывают их зависимость от продолжительности периода остановок забоя, но не отражают многообразие вероятных схем деформирования глин в призабойной зоне.

2. В развитии деформационных процессов в глинах лба забоя выделяются два этапа: до и после достижения предельного состояния по плоскостям скола, ориентированным по траекториям максимальных касательных напряжений. На втором этапе сдвигающие силы определяются весом породы в пределах отделившегося от массива объема, а силы сопротивления сдвигу соответствуют прочности глин при запредельном деформировании.

3. Объем и высота отслоений в породах лба забоя зависят от диаметра выработки, отставания постоянной обделки от забоя и степени ослабления пород естественными трещинами: положением, густотой и ориентацией трещин относительно плоскости лба забоя и величиной сил сцепления по трещинам.

4. Нагрузка на крепь лба забоя зависит от высоты отслоившегося от массива объема породы и сопротивления пород сдвигу, соответствующего состоянию запредельного деформирования.

5. В расчетах нагрузок на крепь лба забоя, при выборе расчетных значений сопротивления протерозойских глин сдвигу, необходимо учитывать естественную трещиноватость массива, снижение прочностных характеристик глин при запредельном деформировании и длительное действие напряжений.

6. Временная крепь из трубчатых телескопических расстрелов имеет низкую несущую способность и в сложных условиях — при неблагоприятно ориентированных трещинах, при слабой связи по трещинам, при их увлажнении — требует усиления. Распор расстрелов укосинами в постоянную обделку увеличивает несущую способность расстрелов на порядок. Наиболее эффективным средством усиления крепи лба забоя являются глубокие анкера, которые существенно увеличивают сопротивление глин касательным напряжениям и снижают нагрузку на расстрелы.

7. При малой, до 5 — 7 м, мощности глин, а кровле выработок на участках «размывов» существует опасность продавливания глин в забой (весьма неустойчивое состояние лба забоя, схема г на рис. 4.2) с резким увеличением нагрузки на крепь.

8. При весьма неустойчивом состоянии лба забоя необходимо применять опережающую крепь из быстротвердеющих материалов в кровле и глубокие.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация представляет законченную научно-исследовательскую работу, в которой предлагается новое решение актуальной научно-технической задачи — геомеханическое обоснование методики прогнозирования устойчивости породных обнажений и выбора типа крепи лба забоя выработок, строящихся в протерозойских глинах на участках древних долин («размывов»), с относительно малой мощностью глин в кровле.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Установлены закономерности изменения НДС массива в призабойной зоне для строящихся выработок:

— глубина зоны существенного влияния выработки на поле напряжений впереди забоя не превышает одного радиуса выработки;

— вертикальные напряжения в центре лба забоя увеличиваются от 1,18 на контуре до 1,23 на глубине 1,5 м от обнажения;

— максимальная концентрация вертикальных (до 1,31уН) и горизонтальных (до 1,89Х, уН) напряжений создается в верхнем секторе лба забоя;

— в призабойной зоне существенно увеличиваются максимальные касательные напряжения: коэффициент их концентрации по отношению к естественным касательным напряжениям составляет до 1,64 в верхнем секторе, до 1,67 в центре и до 1,45 в нижнем секторе лба забоя;

— в поперечном сечении на расстоянии 6 м от забоя в кровле и почве выработки отмечена зона разгрузки вертикальных напряжений, простирающаяся в кровле до четвертичных отложенийгоризонтальные напряжения в породах кровли увеличены на 3−7%. Вертикальные напряжения в боках выработки увеличиваются до 2,4уН, глубина зоны повышенных (более 5%) напряжений не превышает радиуса выработки, повышенные на 5−1% напряжения прослеживается до 10−15 м;

— смещения вмещающего массива в продольном и поперечном сечениях направлены к открытому пространству забояна границах зон повышенных вертикальных напряжений отмечаются весьма малые смещения в сторону от выработки, сопровождающиеся увеличением горизонтальных напряжений от уровня естественных.

2. Доказано, путем сравнения действующих сжимающих и касательных напряжений с пределами прочности протерозойских глин при сжатии и сдвиге, что главным определяющим устойчивость обнажений фактором являются максимальные касательные напряжения, величина которых и сцепление в глинах сопоставимы. Это положение подтверждается характером деформаций вмещающего массива, которые имеют явно выраженную сдвиговую природу.

3. Подтверждена существенная зависимость процесса изменения параметров НДС массива в призабойной зоне от мощности глин в кровле выработки: с уменьшением мощности глин в кровле растет концентрация напряжений, увеличиваются смещения кровли и лба забояпри этом ширина мульды оседания глин по контакту с четвертичными отложениями уменьшается и снижается влияние выработки на поверхность.

4. Предложены, применительно к характерным видам деформаций пород в забоях, критерии устойчивости породных обнажений в протерозойских глинах по сжимающим и максимальным касательным напряжениям.

5. Разработана классификация породных обнажений по устойчивости, отличающаяся от существующих классификаций использованием численных критериев. Классификация дает возможность на этапе составления проектов производства работ прогнозировать устойчивость лба забоя выработок, в том числе вероятность опасных деформаций выдавливания глин в забой четвертичными отложениями.

6. Показано, что типовая конструкция крепи лба забоя из телескопических трубчатых расстрелов с затяжкой не способна предупредить достижения предельного состояния породами призабойной зоны, ослабленными.

115 трещинами, особенно ориентированными субпараллельно траекториям максимальных касательных напряжений. Нагрузка на крепь лба забоя создается отслоившейся от массива породой. Величина нагрузки определяется высотой отслоения и сопротивлением пород сдвигу, соответствующего состоянию запредельного деформирования.

7. Разработана методика определения нагрузки на крепь лба забоя, основанная на эффекте ее нагружения весом сползающего объема породы, отделившегося от массива. Составлены рекомендации по применению различных конструкций крепи, учитывающие прогнозируемый характер деформирования пород лба забоя.

2229 222 722 262 225 222 408 150 926 381 078 030 138 130 680 512 512 в ва, а? а, а о? о a о о.

3209 32 073 206 3 205 320 432 033 202 320 132 003 199 319 803 953 152 а аввввооваввв.

4175 41 734 172 447 446 445 444 443 442 441 440 439 438 в ввааввововвв.

265 264 263 262 261 260 259 258 257 256 ва аа ав о, а? а.

6359 63 576 356 587 586 585 584 583 582 581 580 579 578 а вааавввваввв.

6555 655 365 526 551 655 087 752 397 332 119 657 493 464 539 463 680 в BBBBBBDBBBBB.

Размещение узлов сетки конечных элементов в продольном осевом сечении.

Мощность потолочины 20 м.

2228 2200 2256 2284 2312 2340.

3208 3180 3236 3264 3292 3320 п в, а в, а а.

4174 4160 4202 4230 4258 4286 а? а а.

5266 Е252 5294 5322 5350 5378 z? ? о а.

6358 6344 6386 6414 6442 6470 а, а а? d о.

6554 6526 6582 6610 6638 6666 о a о о, а а.