автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Оценка устойчивости подземных выработок в горных склонах с учетом неоднородности полей напряжений

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ КЫРГЫЗСТАН ИНСТИТУТ ФИЗИКИ И МЕХАНИКИ ГОРНЫХ ПОРОД

Специализированный совет Д 009.09.01

На лравах рукописи

ВДОВИН ГЕННАДИИ КОНСТАНТИНОВИЧ

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК В ГОРНЫХ СКЛОНАХ С УЧЕТОМ НЕОДНОРОДНОСТИ ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИИ

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бишкек. 1991

Раоота" шиошзша р Иасихтута■ фазши'и (¡¿хаанкп горшх портд Аквдаши.наук Рвспублжц Кыргызстан

Научный руководитель: Офнщальнае оппоненты:

Ездущяя организация:

доктор таитеских наук, Стапалов Владимир Явовлрвич

доктор технических. наук, профессор Мамбетов Шэргазн Асанбаевнч

кандидат технических наук Хашйаав КушОакали Такибаэшч

Провктно-шшскатвльскнй институт •Твшгидропроект

Защита диссертации состоится " ¿У"

,а -о

" у •— " иск* 1;г< яяпй лкмгнт гггагглн гшс

июня

1991 г.

час. на заседании специализированного совета Д 009.09.01 ' при Институте физики и механики горных пород АН Республики Кыргызстан (72081Б, г.Вюпкэк, ул.Кскмушстичес-кая, 98).

С диссертацией ношо ознакомиться в библиотеке МлШГП АН Республики Кыргызстан.

Автореферат разослан " 1Э81 г.

Ученый секретарь сшциалззвровенного совета кандидат технических наук

йЛ^Сше^ъЬ

К.7. Кожа гулов

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие горнодобывающей промышленности, гидроэнергетики и транспортного строительства связано с сооружением крутшх инжанергых объектов в массивах скальных пород. Большое количество таких объектов в последило года строится в горноскладчатых районах. Особенностью этих сооружений является то, что для нормального режима их работы необходимо изучить и обеспечить длительную устойчивость горные склонов и строкой сети горных выработок большого сечения, пройд их в этих склонах. Как правило, такие участки горних массивов имеют сложное геологическое строение, высокую степень нарупенности пород трещинами и разломами, характеризуются неоднородностью физико-механических свойств и активными тектоническими процессами, что формирует неравномерное поло напряжений и оказывает существенное влияние но устойчивость породных обнажений.

При проектировании и строительстве подземных сооружений, как правило,исходят из гипотетических представлений о напряженном состоянии массива горних пород. На основе этих представлений определяют форму поперечного сечения выработок, параметры и типы кропи, а такие мероприятия для предотвращения опасных разрушений на контурах горных выработок. Отсутствие объективных исходных данных о напрягешюм состоянии горного массива при проектировании и строительстве подземных сооружений мокет привести к неверной сценке устойчивости пород и быть причиной аварии как о подземных выработках,так и на поверхности. Поэтому одежа естественных напряжешь, действующих в массиве, и последующее их использование для расчета устойчивости и определения оптимальных параметров подземных выработок является актуальной и имеет важое практическое вначенио.

Диссертационная работа вшюлнена в соответствш! с плановой тематикой НИР Института физики и механики горных пород АН Респуб-лшси Кыргызстан по томам: "Разработка и усовершенствование методов прогноза и контроля изменения состояния и свойств массивов горных пород под влиянием естественных и искусственных факторов при гидротехническом и дорожном строительстве в Сродной Азии" {» 8(093413, 1981-1985 гг, координационный план АН СССР по проблеме 3.1.13), "Исследование закономерностей формирования нвпря-.танно-дефоршфовагаюго состояния массивов гсрлшх склонов под шга-

,¡.¡,'.611 крирощшх и ТЙИЮГЬИЩХ ф&КТОрОВ" (Л 01ЙВ.0121 1 ¿С/0, 1УЙ6-1Э5И гг, координационный план АН ССОР по проблеме 3.1.13).

На лью работы является разработка методов оценки устойчивости крупногабаритных подземных. выработок с учетом неоднородности подо й напряаииий в горных склонах.

Идея работ» заключается в том, что уетановлешше особенности раапредвле'-чя естественных напряжений, включая та неодаороднготь, учитываются при расчете устойчивости подземных выработок, распо-лаиеших в ¡.клонах.

Методы исследований. Решение поставленных задач осуществлено применением комплекса мэтодов, включающх оозор и анализ литературах источников, вкспэршэнтальные исследования в натурных условиях, лаоораторше исслодованая, обработку результатов исследований методами математической статистики, математическое моделирование, расчет и сравнительный анализ различных вариантов, использование вероятностных методов расчета.

Научн-а пол.чхания, ватюсишэ т. зглотту:

1. Реологическая структура и изменчивость (¡глзико-мохвничос-1;ах свойств массива горних пород предопределяет неоднородность иолэИ изпряконий ь склонах. стохастический характер их распределен::.! учитывается предложенной вероятностной моделью.

2. Расчеты шшокноста горного массив вблизи подавших выработок из основ , предложенной вероятностной модели позволяют дать селективную опенку их геомеханического состоянпл и обосновать нзооходнмый запас устойчивости.

3. Размеры зон возмогших разрушений пород вблизи выработок о.' 'слбеленя величиной и соохноаенпем компонент главных напрякения исходною поля и зависят от конфигурации выработок и прочностных свойств горного массива.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендация озесготавйэтся: применением мэтодов исследований, оакоБшшых на законах шшозеи де^рикруемэго твердого тола; получением оольшо-' 1'о обгона оксдаркмзнтпльшх данных и их слатистическкии рцэикаки; прдеягшег рзкт>тя»ви моделями г юга массива, в которгн уютна-ися естесш'нвое паяв допряхвоиЯ и свойства массива пород, ое-поыше по.поквш«, »'»роев и р?к .««идопии гпщдоргвагтек практиков

1 \г- : г,•}'■:>7.

11л у 'шая новизна рояота:

Экспериментально опродяленн параметр» исходного поля ивгфя :кеш!й в горних склонах не участках расположения нокоторлх ГПСТ-норлшх объектов в сродней Азии. Установлен« особенности распро,™-ТЭ1ШЯ напряжения и научена их неоднородность п склонах.

Предложен взроятпостннА метол расчета напряаетюго состояния и устоЛчипости пород вокруг каряботок, учитнвакяотй изменчивость нанрятаниЯ и гоомохяшпеских характеристик горного массива.

•.тсраделови напряжения вблизи крупногабаритных выработок различной конфигурации при рчгшх паривнтах исходного поля напрякэ-шШ.

Установлено влияние иаиаметров исходного поля напряжения на устойчивость подчгг.ят вчраоотск при различии*. формах их попч-

рОЧННХ СОЧОНИД.

состоит:

в выполнении окспориментялышх исследования напряженного состояния горних массивов методом разгрузки;

в анализе результатов исследований напряшяного состояния и выявлении особенностей распре деления напряжения и их изменчивости в склонах в зависимости от глуошш, геологического строетш я свойств массива горних пород;

в разработке вероятностного метода расчета напряженного состояния и устойчивости пород вблизи подземных варяботок,учитывавшего случайную И31'91ГЕ1ВСС?Ь напрякений и прочности!« свойств гарного пассива;

в выполнении расчетов напряженного состояния и устойчивости пород вокруг вираооток и анализе результатов.

Практическая чениость работа состоит в развитии ггродстекле-о напряженном состоят™ массивов пород гориоскладчатых областей и разработке методов сценки устойчивости подземных выработок с учетом закономерностей распределения напряжении в горних склонах, что позволяет повысить их нядокчость и эффективность ведо-нпл горних работ. Получетшэ результаты могут оггть использопеш при проектщгаватш и строительстве подзэгешх выработок разлгшого назначения в горних рчЯснах.

Результата экспериментальных исследований напряженного состояния массивов горных пород и рззраоотяшшз нвтодвкп сптеш

устойчивости подземных выработок использованы Институтом Таш-гидропроект при проектировании туннелей БайпазинскоЯ и Камбаиш-ской ГЭС,камерных вырабс-ок для подземного машзала Рогунской ГЭС. Экономический эффект от внедрения полученных результатов при строительстве туннелей Байпазинской и КамОаратинс;;ой ГЭС (доля автора) составил 151,7 тыс.рублей.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсукдадпь на Всесоюзных конференциях по механике горных пород (Фрунзе, 1978; Тбилиси, 1985; Фрунзе, 1989>; на Всесоюзных семинарах по измерению напряжений в массива горных пород (Новосибирск 1979,1981,1983); На Всесоюзной школе-семинаре "Измерение напряжений и их приложение в прогнозе землетрясений" (Апатиты, 1980); на Уральсиой зональной конференции молодых ученых и. специалистов (Пермь, 1980); на Международном симпозиуме по крупногабаритным выемкам в горных породах (Финляндияw Хельсинки, 1986).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 12 опубликованных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов,заключения и приложения (документа о внедрении), содержит 161 стр. машинописного -текста, зе рисунков, 13 таблиц, список использованной литературы из 109 наименований отечественных и нг рубежных работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Раздел 1. Современные представлэ,; гя с напряженном состоянии и оценке устойчивости подземных выработок. Вопросам оценки устойчивости подземн: х выработок и управления горным давлением посвящены труды многих ученых; С.Г.Авершна, Ш.М.Айталиева, К.С.Ермакова, А.Н.Динника, И.В.Бакланова, Н.С.Булычева, Н.П.Влоха, Н.Э. Галаева., О.Н.Золотова, Ю.В.Изакиояа, Б.А.Картозии, Э.В.Касиарья-на, Г.А.Каткова, Д.М.Казикаева, С.В.Кузнецова, Г.Н.Кузнецова, М.В.Курлени, А.Лабасса, Г.А.Маркова, В.Н.Мосткова, И.М.Петухова, U.M. Лротодьяконова, Н.М.Проскурякова, В.Р.Рахимова, К.В.Рушэ-нейта, Г.Л.Фисенко, Р.Феннера, Н.А.Филатова, Н.Н.Еотиевой, Е.И. Шемякина, Н.Г.Ялымова и других.

В работах этих ученых отракена эволюция представлений о про цэссеи, происходящих в массивах пород, даны методы расчета горного дзвлор.ря п устойчивости выработок.В настоящее время общпо при-

.зйзниэ излучала гипотеза формирования вокруг Еырабстск зон раэ-.¡ачпаго жапр.даЕно-лэфоршрсв£1шого состояния пород. Расчет &тих зон рнпоаяявтся с помошьв разных моделей деформирования гсрных ¡город, охружэтмих вырвоотку. НаиболызиЯ гдторес представляет зона, нваосрадстввнно прилегавшая к контуру выработка, - область тггасжЕИ ретрушений пород, которая а определяет устойчивость ш-раоотск.

!Зэгаотрл на различие критериев и моделей, используемых для спрэдзлаетя зона рззрушения пород, все сии основаны на концепция о напряженном состоянии массива горних пород, ггргпем опредэлшпзэе влияние Еа устойтизость выработок оказывает соотнозепиа кошопент гааЕянх нзлряжеяпЯ исходного поля я отношение иЕиоояывей компонуют я пртзчшста пород, окрухзпштх гарвОотку.

Газеттиэ представлений о напряженней состоянии верхних час-тел гегшо! коры связано с использованием моделей кассивов горных пороз, утатаг-Ешах воздействие различных факторов, и, особенно, с гэзрэослссЛ и применением экспериментальных методов исследования взнрятанзого состояния пород.

Больпоа втигаз в теорию и практику экспериментальных методов исследования напряжений в горных породах внесли работы И.Т.Айтма-тс-рч, В.М.Бвргшзского. С.А.Батупша, В.И.Бори-Компапийцв,Н:П.Шю-хэ. П.В.Еторовэ, Ю.М.Кортеаова, Г.Л.Каткова, Г.Н.Кузнецова, М.В. Курлгнл, И.а.МзмОэтовз, Г.А.Маркова, Н.Р.Надирашвили, И.М.Петухом, С.Н.Псповя, Я.М.Проскурякова, И.А.Турчанинова, В.Я.Степаяо-Г1, Н.А.Салатсвэ, Е.И.Пемякикэ, Н.Г.Ялымова, В.С.Шгажкова и др.

Анализ р-ззультзтов экспериментальных исследования напряженного состояния п.'тогой коря показывает, что поля напряжений раз-"г;?~«х регионов сукзствешю отличаются друг от друга. Это проявляется в гзллчшах, ориентировке напряжений, в-соотношения компонент, а тагам в закономерностях их изменения в пространстве. Получили развитие представления о многофакторности полей напряжений в массиве годных пород и определенной их иерархии (И.Т.Айтматов, Г.С.Золотгрев. ¡3.А.Мамбетов, Г.А.Шэрксв, В.И.Мячкин, П.Н.Николаев, Д.Н.Осохпяа, В.Р.Степанов и-др.).

Обсйэш» результатов измерений нетряаэЕй! позволило для отдельных регт.сэов получить уравнения регрессия, описывавшие завп-сягость нзтгенэкия вертикальных н горизонтальных нситонент напря-г-'г-^ с глуслноа. Большинство авторов эту зависимость принимапт в

блд8 уравнения линейной регрессии, коэффициент корреляции для которых сое, .нляет 0.5540,90.

Накопление ии.рормашг ■ о напряженном состоянии верхних частой оешюя кори логично привело к созданию в некоторых регионах информационных банков данных по измеренным напряжениям, большая часть информации которых имеет свободный доступ.

Существенную трансформацию претерпевают поля напряжений в породных массивах горных ислонов, что отыечзется эксперименталь-Ш1ми исследованиями В.МЛСутепова, А.Е.Крылова, Д.П.Прочухана, В.Я.Степанова, С.Мартиштти и Р.Риоаччи, а также многими теоретическими исследованиями.

Все перечисленные работы по напряженному состоянию земной коры ориентированы на изучение закономерностей распределения средних значения напряжений па различных иерархических уровнях.

Неоднородность полей напряжений, включая их флуктуации,практически не изучалась и в расчетных моделях не учитывалась.

В связи с этим, исследования, выполненные автором, предус-гптрпнага роаошэ еле дувших основных задач:

1. Установить особенности распределения естественных напря-мн'ний и га статистические характеристики в торгах склонах.

;3. Окзиить неоднородность ноля напряжения в склонах и влияние на него геологического строения пород (разрывных нарушения различного уровня, напластования, неоднородности сизико-мехачи--ческих свойств).

Разработать методику вероятностных расчетов напряженного состояния, устойчивости и надежности массива горных порол вокруг выработок. .

4. Оленить надежность и размеры зон разрушения пород для различил* Фор.) поперечник сечений подзоших выработок при разных соотношения7 главных иапряжтт и в зависимости от свойств и блочной структуры массива пород.

Раздел 2. Экспериментальное определение естественных напряжений в горных склонах Сродной АзииОпредоление о стествешшх напряжения выполнялось методом разгрузки в торцевом варианте (схема ВНИМИ) на участках РсгунскоЯ, БаЯпазиискоЙ, Камбаратинской РОС и в бассейне р.Сарыджаз. Все они расположены в продолах гор-носкладчатиз структур средней Азии - Памира и Тянь-Шаня, образование и развито которых связано с горизонтальным скатном земной

Ь

кори в данном регионе в суомврнднопальном направлении.

11а фоне тектонических структур, определяющих напряженное со-стоягае земной кори на региональном уровне иерархии, моазга выделить тектонические структуры более высоких уровней, которца определяют осоОешюсти распределения напряжений на зональной и л i калыгом уровнях иерархии. Зследотио этого, геоиоханнческоа со стояние отдельных локальных участков моют значительно отличагьо.1 от состояния горных массивов в целом по региону.

Измерения выполнялись в различных комплексах пород - осадоч-шх i алевролиты, известняк;!, мергели, песчаники - Рогун и Еайпо-ja), магматических (гранити Камоаратн и Сарцдхаза) и метаморфа-шскнх (сланцы Сарыджаза), прочность которых по результатам лабо-;ai'opmix испнтаиий изменялись от 70 до 230 Ш)а и модуль упругости )Т 1,8'Ю4 до 7,2'Ю1 l.ffla. 1'частш измерений располагались в нш-;ей части склонов на глубине до 600 м от устья штолен и до 400 и :о гертикалл от дневной поверхности. Посла измерешм напряжений этодом разгрузки в этих же скважинах проводилась документация решшоватостп и ультразвуковой каротак. Результаты исследований оказали весьма сложный и неоднородный характер распределения па-ряданий на различных уровнях изрархии: от точечного уровня - в редолах измерительной скважшш, до локального - в пределах гср-ÍX склонов.

определявшее влияние ни неоднородность напряжения на тачеч-)М уровне оказывают треншнаватость и неоднородность фкзшсо-маха-гюсшге свойств горных пород.Отмечено, что вблизи контактов бло-;в пород.наблюдаются аномальные флуктуации нзпрякений, в то врв-[ как внутри блоков горных пород флуктуации напряжений меньше.

Подобная зависимость прослеживается и на Оолео шгзшгх уров-х иорерхии напряжений; вблизи геологических нарушений отмачявт-их репкое изменение с появлением зон раотямния, сжатия и т-сриен'пфонкой главных наппятанцй.

V¡есть и математически описать ислиуп картину напряженного лсш'Я пород т рггвнх юкптйнах уровнях в настоящее Брома не viotmí.'hmtoh Поэтому результат "точечных" изморчьиЛ

■jeminiji' и тчрпч сбрпзс*! пирзхопя? к оол>« t.^кому уровню иерар-1 HM't.'iyfnül. ili-it :iT('ii btHifoiiciiiH нч.фжчиил щч>иглиатптпн в

И «•)'»;1!!->Ч ГЬ'Г г-1'Г.г! И I¡v ¿поНОр-ИЙ, KW>| и.. ,,«4>lfiT(í<l Wp Я

ti и|П'»'*<"Я <V>«-(1 пне.чпт чу:, ii. -'I.

Статистическая осраоотка результатов измерений ейггшшэней в гарных склонах Средней Азии (рис.!)! позволила излучать зширнчзс-киа зависимости изменения напрякешгй: с глубина® в склонах для Среднеазиатского региона.

Рис. 1. Изменение напряжений в горшх скдзнах: а) - взргн-тисалышх; О) горазапталыщх (1 - Рогун; 2 - Бейза-за, 3 - Наиба] ата, 4 - Сврыдхаз).

Уриенэнзя регрессия емэбт вед:

оЕ = [4,в - + КПа; г - 0.76,

О + о.

Аг—2 = [,.з - £.6 + 5,8'-^-)г] Ша; г = 0,68.

(1)

где Н - высота склона, и;

h - глубина расположения точки по вертикали, м;

7 - объемный вес пород, мН/м3;

г - выборочное корреляционное отнопешю.

Уравнения регрессии средних квадратических отклонений имеют

вид:

' Лоа = tÍ2,4 - 3,4-д- + 1,5(-{j-)2] -7h, МПа; г = 0,62,

(2)

¿Jk^SsT- = t^2,2 - +- 4,6(-^-)г] -7h, Mía; ■ Г = 0,73.

Наибольшей концентрации напряжения достигают в основании склонов. Здесь ка отмечается наибольший относительный уровень флуктувций напряжений, что связано с большей неоднородностью пород в приповерхностной части склона, проявляющейся в более высокой степени их вывегрелости, трещшюватости и неоднородности' механических свойств. На больших глубинах относительная величина флуктуаций напряжений уменьшается,а величины средних значений напряжений приближаются к величине.характерной для данного региона.

Ориентировка компонент напряжений подчинена основным структурам горних склонов. Положение оси наибольших глввннх напряжений в присклоновой части колеблется около направления, параллельного поверхности склона; в зонах влияшгя разломов - около направления, параллельного их плоскости; вне зон влияния поверхности склонов и разломов - около направления простирания слостссти или основтшх систем трещин.

Раздол 3. Разработка методов оценки устойчивости выработок с учетом пространственной ориентировки систем трещин и на основе статистической модели массива. Методика оценки устойчивости подземных выработок заключается в последовательном выполнении следующих этапов:

создании геомехашгмской и расчетной модели участка горного массива, которые включают характеристики деформационных и проч-юстшх свойств пород, параметры исходного поля напряжений - ве-тачшш и направления главных напряжений, форму и размеры подзем-юй выработки, пространственную ориентировку существующих в мяо-;иво систем трещин;

вычисления в точках расчетной области, заданных о определен -

JI

ВЫЙ шагом,запаса устойчивости, который рассчитывается по принято му критерию для массива в целом и по всем существуыцкм поверхностям ослаОлеиий. В качестве потенциальной площадки скольжения и каадой точке принимается та, гдэ запас устойчивости шло от мшш-мзльнов значение;

построение изолиний запаса устойчивости, которое выполняется соединением точек с равными значениями запаса устойчивости отрезками лшмй.

В качестве критерия устойчивости пород, вмещающих подзегауш г.лраоотку, используется запас устойчивости, представляющий функ-!;■'■), определяемую из условия минимума разности между удерживают -мл и сдоигаыдими напряжениями по различном системам трещин и iv-пяссиву.

Sr,ún" + С - IV- (3'

Нормальная и касательная составляющие напряжений по поверхности ослаолешш рассчитывается по формулам теории упругости для пространственного случая. При этом направляющие косинусы вектора ¡i (нормали к системе трещин) г> прямоугольной системе координит ОХУЙ ровна:

cqs(N,x) = sin a-cosía^g^ - Ах),

costil,у) = sin а-в1п(Апад - Ад), (М

cos(N,z) = cos а,

где и - угол падения системы треки;

■"над ~ ьзшут падения систем« трещин;

А - а?имут оси ОХ.

В случаях, когда отсутствует решанио пространственной звда ■ чи о распределении напряжений вокруг подземных выработок, для се читЛ, удаленных от торцов выработок, можно использовать имвдо-пространственный подход. Анализ устойчивости горных пород эают чается в использовании результатов ровонкя плоской задачи о напряженном состоявши пород вокруг внрзСотки: учете третьей komüo iíb/яы напряжений, которая принимается но результатам натур!шх из-поропий и орионгирована вдоль длинной осп выработки; расчете запаса устойчивости с учетом пространственной ориентировки систем трогда.

Оценивая устойчивость пород, окружающих наработку, слэдует .имоть ввиду, что при определенном соотношении параметров, входя-

1Ш n (3), массив пород может находиться в не упругом (пластичяс ком) состоянии еще до поведения выработки. Гпкоо состчччия роз -итого, коv,m олиопреметю пштлмнгся уологол:

В- хц V - ч/л -

(Г')

-' (1 » tpf.ii).

Я

г а о ,

Ь - | -СОЗ7 (И,*) - , «•(.•;Г(И,2)| .

При гынолнэтп1 условий (5) массив пород находится в не упругом состоянии, и критерии устойчивости пород, основанные на решении падпч тоорш упругости о распредпленги напряжении вблизи выработок, торя'от СМЫСЛ.

одним из вля'лутгнх признаков, опродолягаих яозможннв методы ешюання и выбора нодходшмго математического аппарата, . является деление иоделой на детерминированные н стохастические. В детор-м.шнровчннсй модели т пренебрегаем случайными факторами, хпрпк-юризуикш.ц конкретный об7.скт. Лрисуяее реально существующим оОь-'.-.ктем ссойстго гтотчстичности мото учесть используя вероятностную ПОД"ль.

Методика оц'нки устойчивости выработок на основе статистической модели массива состоит из тех же этапов, что и при расчете на оснсГ'" дч гермитп'ропаинкх моделей. Отличие состоит в том, что д.пч характеристики госмехлщгоских параметров используются их средние :пглет\. платеипттпескиэ ожидания) и средние ивадратичес-!не отклонения (дисперсии).

Завес устойчивости пород вокруг вчряботкп определяется по (-¡муле;

!' - с.1 пJnra ( осоого. - ,7т з1п ц.соо аНя Ф + С •■

!П1П Г в Гв ^ ^^

- |г (соог(1 - н!пга; » (Ов - оГ)й1п а-соя а|.

Учитнпоя, что ст„,опи являются функциями исходного поля

напряжений ОД' и угла наклона их к горизонтали в, в а зависит от угла наклона системы трещин а,— , можно записать

(7)

8ю1п = Па.Т.в.а^.ф.С) = Г(х1,х2.....х6),

т.е. запас устойчивости является функцией шести случайных величин. Очевидно, что функция, вычисленная по аргументам, имеющим определенный разброс,токе будет варьироваться в определенных пределах, т.е. также будет характеризоваться математическим окидвни-ем и дисперсией.Для определения этих числовых характеристик функции использован метод разложения функции в ряд Тейлора в окрестности точек математического ожидания аргументов (М[хч].....М[х&])

и использовании математического аппарата числовых характеристик функций случайных величин. выдует отметить, что для определения числову. характеристик необходимо знание всех корреляционных моментов зависимых случайных величин, включая высшие смешанные моменты. Случайные величины, входящие в формулу (7), приняты независимыми, вследствие чего их корреляционные моменты равны нулю. Получены выражения для математических ожиданий (8) и дисперсий (9) компонент напряжений вокруг выработок круглого

сечения, а также для математического ожидание '11) запаса устойчивости.

(10)

поперечного и дисперсии

мюг] = М[С» I

1 -

•с0в2мс91 .[1 + й, (бп,

I О

Н[аа] = »01 + +

•сов2М10)(1 + Н,(Бе)1,

И(аге1 =

шд] - М1тз

ШСЛ - мш

--2--

МЮ1 - ШТ1

---2--

1 f

1

За4

За* г4

_3э* г4

где п,^) = -гъв + гт>1 - 1,ззс; <

За"

-2а!

г*

-

2аа

С1

¿гк (21с

гкг

соа2М[0]

1)11

4а; г*

(Б0)"

п +

(8)

О)

+ нив - «Г! ^ _ _ Jt^j гвШ'2МСв).!1,(Рв) *

+ C05*2ME в]-Rj (B0 Я,

г / т2

Ь^1 = [(4- + ¿S) - ("ST * «»г««»] *

.[jïïàL^JBÏI

+ CQS22Ml0ïn3CBe)î. DIVa' = [(4- - "ff + -p-) -Btoariei -U>e + В,) *

. Г Ш01 - HtD f. 3a* . 2a* \ ]2

• lco3*2EIf0J IL,(De) «- sln'Sîîtei-HjiD^)J.

W = 4 26.6 D* ^(^T-Vn)2 ^ - 3>,ШГ " -1®;* t6D» lyiy = ra* ♦ -и** - m» -

- «ж - 1Н1)*ы>" * 4a(-De)*

, + Zn - 1) ín +-гйТ5п!-"(D0) -

Г*9 R<n, т.е. ря£3 СОСТОЯТ 5ГЗ ÎICOE ЕСЗМОГШП попарных СОЧЗТЗНЕЙ К Sí п.

HIS) = (UFopl- sin Н(я) + К(оэЬеоз Eifa] -Sût beln2ïfEal'U[tçt>l«-+ !ИС1 -\Ц + 10,5(Шо01 - ШОрП-созгШа) -- ИСт^ЬнЫ Satal-HttstJ - I.Ab[-2I>a »- - t.33D*

.^üía^Uil.^]. (10)

DIS1 = (Bln'HlablUtgi})] + I.-g—8ln2Ji[al)2-D[orl 4 + (cos,MfabMttg$] - I--^—BJn2Mta])2-Dfoe] + + Bixi2Mta3 • Mit-йфЭ + I-cos?.U[al)2 .D[Trù) + 4 (M(or) •Bln'lifa] + ii[aebcos*ii(a] - KCx^l

• Bin2Mta])z 'Ditgc}!] +DIO) * tO,5.(?Jtar) - Hto0D ■

• Bln2Mfal - HK^l • cos2Htal -MCtg^] -

- I-(0.5-(!i(o0l - U[orl)-cos2M[al -

- HIt J.Biii2K![a])]1Î4Dn + 26,6В:1

гэ i_ a a ^ j j j

--Г2К~1Ш£гГ~Т)"Г----j <

+ {0,5(M(orI - Kta0] )cos2!ita] - HCx 1 • a1n2Hlul -tiltg+1 -

- !• (O,5(Mt00] - MÎ0rJ) .ain2Wia) - КГтга î ■ сои Z!Ual) h

•К * 42>6Da - ')" -

- ((2k - 1)М>']<-

•(2k i- 2n - 1)!I-(-l)a)lk""']

где A = MU^j^os'Kta] 4 (JUaJ - Mta^l )-4s-• Biitëbltal,

ecu A £ 0, то 1 = 1,

A < О, I = -1.

Вероятноотнай метод позволяй! тшиз оценить надешасч'Ь use-айва горных пород, он учитывает стохастическую природу свойоть горного массива и дает более объективную, по сравнена» о д^терпп -шровьшшм подходом, оцзнку устойчивости пород. Под надаишасты горного массвоя понимается вероятность вжкшгзшш критерия усх\:Л-ЧМВ0С1Н пород, которуи при нормально«.! расщюдэлопаи свучаПшгх сз величии мокло ьиразнть кш

il .....! : î » (12;

V"'.t г.

где z = - HCS]/ VÏTîn является нормированной случайной величиной, распределенной по нормальному закону, и вероятность выполю-ння критерия (южно найти с помощью таблиц функции нормального распределения, т.е., зная математическое ожидание и дисперсию запаса устойчивости, можно определить надежность массива пород, окружающего Енрпботку.

_Раздел 4. Реализация предложенных методов па приморо оиоики устойчивости крупногабаритных подземных выработок. В соответствии о изложенной методикой Сила выполнена оценка устойчивости камерных гнраОоток для подземных зданий Ро, лсой ГЭС и гидротехнических туше лей Камбаратинской ГЭС.

Напряженное состояние пород вблизи подзежшх маызалов определено решением задач теории упругости методом конечных элементов. Расчетн выполнены для трех технически возможных вариантов подземных мпшзалов (двухзальный с вертикальными стенками выработок, однозальшй с вертикальными стенками и выра-'-лка коробового сечегаш) при двух видах граничных условий, моделирующих гравзиа-цпошюе и гравитационно-тектошческоо (остестЕенное) поля начальных нап; • -.ений. Анализ результатов расчета показал что в поло сил гравитации наибольшие сжимающие напряжения возникают в стенках гыработок в верхней части контура и достигают 31 МПа, иая-Голгжие зоны растягивающие напряжений находятся в кровле внроОо-•гск и составляют 1,0-2,0 МПа. В поле естестг.огашх напряжений ха j.'актер распределения напряжений вблизи выработок существенно изменяется. Наибольшие ехпмамцио напряжения имеют место в почве и г}юрло выработок и колеблются в пределах 42*47 МПа, в варианте двухзальной коше овки в основании машпала даже до Г)5 МПа. Растя-j «îi'ïMvie напряжения возшжоят только в стенках шраОоток, an поколением вираОотки коробового соченяя, вокруг которой не вознп-i'jot растягивающих нппряжоштй.

Срдоадтолы! Я анализ устойчивости пирзботск выполнялся со-иэсташкикм тлмшш запаса устойчивости пород и размеров зон, в матерых зато устойчивости моишо нуля, отмечоно, что нвиОол?о неустойчивы порода сменок выработок. В двухзальном варианте г.очч разрушений пород захватывает практически весь цолглс между гырч-оотками. Лля рассматриваемых условий (естественное напряженное ссстояике, третаиновагость и прочность массива) оптимальней с точки грения устойчивости является выработка иороСошго сечения, тог-

аз ¡шс ира гЕПотешчаслсм гр&Еишгюшзн пава вапразсенаЛ «более уисВиЕвя наработка с вермпшльнша стешшш. Саисетввдвниэ результатов расчетов усткайчпости с учетом ирэстранетвенвоЗ ораен-тшровня трвдда я напряженки с расчаташ в гшнжой гогааноЕкэ. показала сутцэптеешюэ нх смзгшэ. Зставошшнэ, что в отдельных случаях _нязтгастга дтднв размеры зон разрупшниЗ при расчетах в псевдо-Броетраас.ввшоЯ постановае мэныгв. чем в плоской в 1,5 раза.

йяядиа усгоа*ншзсп1 пород вШззи тунн&гва КаыЗаратанскоЯ ГЭЗ вишдпэа душ участков трассы < характеризующихся различным со-отныЕЭЕвеи валячзан компонент наирккениЯ. Напряжения вокруг тунна-£52 круглого сеченая определены ез реиэшш плоскоЗ задача теории упругости. Иакслыадьшв напрякенгя на контуре выработок возникают еэ уза. ах тунаелв!! с наиСшъзгамл естественными напряжениями; ваибшшя высокая концентрация напряжения на кожтурэ выработок -нз участках, где соотногэпиэ кошснент иоиэддых напряжения о„/о_

13 1

(э3<0г) шцшенъвее- На этих не участках и навВалыкэ размеры зон рвзругважа ззсрод.

Расчета на основе вероятностной мсдела доказали, что максимальные сшаааксзе напряжения воярук-туннелей возникают в тех еэ точках контура, что и при детерминистических расчетах, однако ко-рКгпдаэнт их концентрации при вероятностных расчетах ниже. В других точках контура коэКкциент кснцет^гращга увеличивается; зто называет ка то, что при вероятностных расчетах математическое ежаданле напрякевиЗ распределяется более равномерно по кенгуру взрЕОоток.Основзое отличие результатов рзсчетов запаса устойчивости по вероятностно* методике от результатов детерминистических расчетов заклк^затся в той, что изофнни с математическим ожиданием 0,1,2 в т.д. располагаются бягжй к контуру выработки. Изолиниям с запасом устойчивости рзвным-нулж соответствуют изолинии с надежностью ргвноЯ 50% (рис.2). Изолинию более высокой надежности располовена на баетдэа глубине. Размер зон с надежностью 90-95X достигают на отдельных участках трассы 21 н (при диаметре туннелей 12 м). НздзЕюстф&ассива пород вдоль контура квизрннх еы-работок Рогунскол ГЗЗ различна <ог ¡вначеЕИй ыеныгэ Б05 до зна-чзнгЗ, през^гптах 855), что обусловлено неоднородностью строения ж свойств иасссва, напрякзнпшв состоянием пород, а таете кон-фИГУрВЦЕба шрвбОТСК.

6(ч5н5мпа;62=70±2,ЗМП., 6,-8,3±2.75мпа ; (э2- 8,7* 2,9миа

6Г!11365МПА; 62Ч?,7~Ч2МПА 6,ЧЗ,2±'1ЛМПЛ1 ба-ш.о+аом^

Р1:с. 2. Надежность горного массива ввлмт туняэлзй на различных участках трэссн.

31!Ш7И!;1Е

В днесертащга дано новое разэюга актуальной пзу'шэ-тоаНПч--?;', • зкой задачи - разработка нз-гадов оценки устойчивости нздзру: выработок на основе результатов вкспэрк'акталыгях помереть'! н.»-зрягзиэЯ с учетом стохастической аскзичивоста кеяряглиг'.З, соойсг» город я нростряиствешгой ор^зитярояга спстем трог~п.

1. Получены количественные характеристики исходных полей напряжений в магматических, метаморфических и осадочных комплексах пород горных склонов Памиро-Тяньшанского региона, прочность которых по данным лабораторных испытаний изменялась от 70 до 2?0 МПэ и модуль упругости - от 1,8-104 до 7,2-104 МЛа.

2.- ' новлена высокая степень неоднородности полей напряжений в исслидуемых горных склонах, обусловленная влиянием криволинейного нснтура, структурной и механической неоднородность» горных пород. В основании склонов вертикальные и горизонтальные напряжения в 3-5 раз превышают вое налегающей толит пород. Среднее кзадратическое отклонение величин напряжений в пределах исследуемых участков достигает 50-60% от среднего значения соответствую-сзй ношоненты напряжений.

3. Установлена соподчинешюсть ориентировки компонент напряжений с основным структурами горных склонов. Главные напряжения ориентированы параллельно и перпендикулярно основным системам трении; волизи .«зрхности склонов наибольшие напряжения ориентированы вдоль этой поверхности.

4. В результате статистической обработки результатов измерений напряг:- .:пй получены уравнения регрессии (1-2) изменения компонент напряжений и их среднего квядратического отклонения с г дубиной.

5. Разработана методика вероятностной оценки напряженного состояния и надежности массива горных пород вблизи подземных выработок, которая заключается в учете стохастического характера напряжений и прочностных свойств пород.

6. Предложена методика псевдопросгранственной оценки зон возможных разрушений вблизи подземных выработок, в • которой учитывается пространственная ориентировка трещин, прочностные параметры по трещинам и напряженное состояние массива.

7. Пред "эяонные методики реализованы для оценки устойчивости крупногабаритных выработок различной формы (тушшли, камерные выработки для машзалов). Определены размеры зон возможных разрушений вблизи гидротехнических туннелей Камбариткяской ГЭС н ка-иинккх залов Рогунской ГЭС при разных соотношениях компонент исходного поля напряжений. Установлено, что изменение соотношения компонент напряжений от 1,0 до 1,6 увеличивает размер зон разрушений вблизи туннелей Квчбаратииской ГЭС от 3,5 до 0,0 м, т.е.

почти в 1,5 раза.

в. Установленные закономерности и параметра исходных полей напряжений в горних склонах изучаемых объектов и преклоненные катода оценки устойчивости массивов пород вблизи выработок использованы при проектировании ряда крупных объектов Средней азки (Камоаратинская, Байпазинская, Рогунскэя ГЭС и др.). Подтвержденный документально экономический эффект от внедрения результатов исследований (доля автора) составил 151,7 тес.рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следуктах работах^

1. Напряженное состояние массива горних пород в районе строительства Рогунского гидроузла (совместно со Степановым В.Я., Пгссом P.E., Потаповым о.Ф., Лободой Е.В., Впйбосузювнм 3.Í.Í.)// .Напряженно-деформированное состояние и устойчивость сиальннх «слонов и бортов карьеров. - Срунзо, 1979. - С -104—114.

2. Исследование влияния геологической структуры но напряженнее ссстояшю массива горных пород (совместно со Степановым В.Я., Коладаеьой С.А., Гиссом P.E., Лободсй Б.В.)//Диагностика напряженного состояния и свойств торгах пород в массиве.- Новосибирск, K4.4J. - С.91-95.

3. Влияние геологической структуры на характер распродало-:пл ¡¡-'»¡гряконий в горном массиво//Мвханика сплсвишс сред:Тоз.дскл. '/рзлытс-й зснгшноЯ кокрэрегада молодых ученых и специалистов. -■ i"- , 1 г*'"'). - с.00-31.

-1. Сйувнкчзст» спсймьэ горных пород рпйонп :лдзо:.жого njiv->йя I о/'унской ГЭС (соь-мот!о о Гиссом P.e.)/АН Кирг.ССР. - «гуп-1 í'kO. - 11 с. - Дел. в PMFüTíf 03.10.СО, * 4305.

Г). Напряа-зшюо состояние массива пород ослопа в районе Ро-•>н:'кой шюттш и oirn оцвлш Т'-'ктстегюсккх сил (сор-даогао с ¡'.п-пшшнм Э.В., Нгмаои&м O.A., Ci0«0ifO6w.t B.ñ. V/Iippo.^ :огч!я опрвдэлзпяя тектоштсках яапряаэ'Нй в гу-гхноД чдеги аемпгЛ :ог.ч. - Анатнти, 1Й!2. - 0.12.7-132.

6. Результаты з;сспсри-"5п':алы1,ого определения напряженного •остоюгоя мпссвга гер'шх пород в районе строительства Взйпарст-•у-га гидроузла (совместно со Отонзиордгм В.Я.. Яоб~>рпп С.В. )//."•":;-••Х'ПГОЭСТЬ гор!'«*' СКЛОЛОП И Ii )Д??Г!ЯНХ ССН,Т0!тЛ. • ¿ТУ'Ъ'-1, I /'. •• .15" ГПНР '"V I' »yif»!«)» P'JV-CTP'-HH'IX п С!'Л0Н,';Х i ' i

jiijA долин (совместно со Степановым В.Я. )//Геомеханическая интерпретация результатов натурного эксперимента. - Новосибирск,1983.-

С.55-61.

8. Применение ультразвукового каротажа скважин для оценки состояния горных массивов Рогунской и Байпазинской ГЭС (совместно с МаОодоп E.Q., Степановым В.Я.)//Горная геофизика: Тез.докл. -Тбилиси, 1-JS3. - 0.193.

9. Расчэт напряженного состояния горных пород вблизи подзен-îfjx здашгй Рогунской ГЭС//Напря1»нно-дефэршрованное состояние массива пород в ropiax районах. - Фрунзе, 1985. - С.58-66.

10. Изменение зависимости скорости упругих волн от давления г. горжа породах о течением времени (совместно с Лободой Е.В., Степановы!.! В.Я. )//Торная гоофгзкко: Тез.докл. - Батуми, 1935. -С.305.

11. Оценка устойчивости выемок подземных машзалоп с учетом естественного напряженного состояния массива горних пород (совместно со Степановым В.Я. )//Исследование накряжокиЗ в горних породах. - Новосибирск, 1985. - С.99-108.

12. Evaluation of rock шааэ condition In the vicinity cr large-scale caverns In mountain э1орэз aa affected by high tectonic Btresaea. Proceeding of the International Symposium. Largo rock caverna. Helsinki. Ferganon Ргезз. 198S. - V.I. - P.T17-724. (tilth V.Ja.StepanoT).