автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Реологическое обоснование рациональных способов поддержания подготовительных выработок на угольных месторождениях Кыргызстана

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ КЫРГЫЗСТАН ИНСТИТУТ ФИЗИКИ И МЕХАНИКИ ГОРНЫХ ПОРОД

На правах рукописи

ШКУРИНА КЛАРА ПЕТРОВНА

УДК 622.9:622.834.001/313

РЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ СПОСОБОВ ПОДДЕРЖАНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК НА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ КЫРГЫЗСТАНА

Специальность: 05.i5.li — Физические процессы горного производства

Авторефера т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Бишкек 1992

РОССИЙСКАЯ ГОС'У'/;/.'" г: odr'

i i: -Работа'выполнена в Институте физики и механики горных пород Академии на/к республики Кыргызстан

академик АН респ. Кавахстан. доктор технических наук, профессор Ержанов Жакан Сулейменович

доктор фи зико-математ ичео к их наук Мансуров Владимир Аглеевич

доктор технических наук, профессор Чабдарова Илия Ивановна

Институт угля Сибирского отделения Роаийской Академии наук (г. Кемерово)

Защита диссертации состоится "17 ■ февраля_ 1993 1

в р ч. на заседании специализированного совета Д.009.09.01 пру Институте физики и механики горных пород Академии наук. Ррарублики Кыргымтан по адресу: 7208Б, г.Бишсек, ул. Концу» рммукчми» 98,.-

С диссертацией мЬжно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан " /3 » г1./-" 1993 г.

ГченыЦоекретарь.специализированного..

Совета, доктор технических наук - К.Ч.Кожогулм

Официальные оппоненты:

Ведущая организация :

г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Состояние угледобывающей промышленности в последние годы характеризуется заметным оникениём производительности труда н ухудшением технахо-зкономическйх показателей. Основными причинами гтого является увеличение глубин отработки угольных пластов с усложнением структурно-геологичйс-кого строения месторождения, оообзнно по аьхт&м республики Кыргызстан. Последние располагается з гярной местности в отложениях юрского возраста, характёризуг^чхея пестрым стратиграфическим разрезом и чрезвычайно сложном геологическим-строением.

Использование научных достижений последних ле* позволило на определенном этапе несколько улучаить производственные пока» затёли работы вахт и снивелировать, влияние некоторых факторой на процессы угледобычи. Однако разработка достигли таких глубин, для которых традиционные, отработанные ранее механизма перестали действовать. Сегодня необходим качео^енно новый подход к вопросам оценки устойчйвоотй выработок на больших глубинах, отрабо^и и выбора рациональных видов, их крепления.

Анализ затрат на производство показывает, ч*о одной ив главных причин высокой себестоимости угля является несоизмеримо высокая стоимость ремонтных работ (до 70 ¡0, необходимых для поддержания подземных горных выработок» Устойчивость подземных горных выработок тесно связана о прочйоотнйми и реологическими свойствами горных пород, их Деформацийми во времени, сопротивляемостью крепления, зависящий от условий вэакмодейотвия системы "массив-крепь", т.е. о геомаханичеоким« процессами, происходящими вокруг выработок» Звание физико-механических свойств горных пород, а такке корреляционных аависйиоотей иезду ними и реологическими свойствами очень важно, т.к. многие из них трудноопределимы. Выявление таких зависимостей необходимо для прогнозирования устойчивости горных пород (подземных и наземных сооружений, выработок), условий пер.: -..т,-, о образца на массив. Вместе с тем, реологические свойс*ва горных пород! аффективная вязкость, пределы текучести, пределы длительной прочности до настоящего времени Изучены совершенно недостаточно.

Чаще всего используются прочностные и упругие характеристики горных пород - прочность на сжатие, разрыв, изгиб, подул*

упругости, модуль сдвига, коэффициент Пуассона. Однако прочность характеризует уже критическую »итуацию - разрушение. Нас же в большинстве случаев практических задач интересует ход деформационного процесса вокруг подземных выработок во времени. Интерес от от вызван прежде всего созданием экономичных и безопасных уодовий поддержания выработок или теоретических предрас-четов времени наступления критических ситуаций. В связи с этим очень важным параметром является вязкость горных пород, она именно и, характеризует деформационный процесс - медленное деформирование! которое можно прогнозировать вплоть до приближения критической ситуации - разрушения. Таким образом для характеристики процессов деформирования и разрушения участков масои-ва (например,, вокруг выработки) нужно знать вязкость, длитель-нув прочность и прочность. Первые два параметра характеризует реологические свойства и получение их, весьма сложный в методическом отношении процесс, длительный и трудоемкий.

< Оообо следует отметить еще один чрезвычайно важный фактор. Анализ проектной документации горно-добывающих предприятий, а также начальной стадии их эксплуатации указывает на то, что сведения, получаемые при детальных геолого-разведочных работах, используются крайне недостаточно. Одна из основных причин этого обстоятельства - отсутствие данных о свойствах пород в период проектирования, 8а исключением прочностных, причем единичных, которые геолого-равведочные организации обязаны определять по керновому материалу. Существенный недостаток и отсутствие тесных контактов работников смежных наук - геологов и горняков в период проектирования вахт, горизонтов, участков. Отсюда нередки случаи изменения положения Выработок, схем раскроя шахтных полей с оставлением и консервированием выработок, пройденных по первоначальной схеме. Следовательно, составление структурно-литологических прогнозных погоризонтных планов, карт технологического районирования, прогноз возможных причин горно-технических осложнений, проявлений горных ударов и горного давления, разработка эффективных-и своевременных мер снижения негативного влияния неблагоприятных факторов поддержания горных выработок должны осуществляться заблаговременно, еще в период проектирования горно-добывающего предприятия.

Для прогнозирования устойчивости горных выработок пока.

применяются аналитические, эмпириоаналитическйе методы и методы аналогии. Вое они основаны на тщательном изучении свойств горного массива. Расчетная модель такого массива должна быть многоплановой и учитывать по возможности весь комплекс факторов, влияюди* на устойчивость горных выработок. Однако, пока такие модели несовершенны, составляются весьма приближенно и имеют большие расхождения с натурой. Наиболее приближенным к натуре ныне явлйетсй метод прогноза устойчивости кровель Ц почв угольных пластов, разработанный под руководством Б.В.Смирнова (ВНИИГРЙУголь), который применяется в Донбассе и других бассейнах. Одйако, до настоящего времени нет единого и надежного Метода прогнозирования устойчивости подготовительных выработок о привлечением данных геолого-разведочНых работ и о использовани-ем'сведений о прочностных и реологичеоких свойствах пород. Оп- . тимальное решение этой задачи должно базироваться на результатах мно^Летнйх, комплексных лабораторных исследованиях физико-механических и реологических свойств пород по образцам, установлении их корреляционных взаимосвязей, иахтных исследованиях поведения массива вокруг подготовительных выработок йгк контурё, по глубине, результатах.разведочного бурения.

Таким образом» проблема накопления сведений о прочностных и реологических свойствах горных пород, выявление корреАйЦионных зависимостей между физйко-механйчесКймй й реологическими свойствами, оценка Деформационного состояний и прогноз поведений массива горных пород с учетом результатов структурйо-лиггояогичео-ких характеристик месторождений, разработка рациональных и Эффективных способов поддержания подготовительных горных выработок при высоких технико-экономических показателях представляется задачей весьма важной, своевременной и актуальной»

Цель исследований. Разработка методов прогнозирования устойчивости горных пород и реологического обоснования рациональных способов поддержания подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях шахт Кыргызстана, обеспечивавших безопасность работ и снижение затрат на крепление.

Задачи исследований.

I. Установить закономерности изменения физико-механйчевкйх свойств вмещающих пород угольных месторождений Кыргызстана в зависимости от их состава.

2. Установить закономерности проявления реологических свойств различных по генезису и прочности горных пород в процессе их деформирования.

3. Выявить закономерности развития реологических процессов вокруг подготовительных выработок на основе натурных наблюдений за деформациями массива вблизи выработок.

Разработать классификации устойчивости горных пород по коэффициенту эффективной вязкости в соответствии с классификацией горных пород по прочности.

5. Разработать методы прогноза прочностных и деформационных свойств с учетом корреляционных связей между физико-механическими и реологическими свойствами горных пород.

6. Разработать рациональные способы поддержания подготовительных выработок, обеспечивавшие их безремонтную эксплуатацию.

Основная идея состоит в использовании реологических свойств, их корреляционных связей с физико-механическими параметрами и структурно-литологических характеристик массива для прогноза устойчивости горных пород и выбора рациональных способов поддержания подготовительных выработок.

Методы исследования включают научные обобщения отечественного и зарубежного опыта, теоретические и экспериментальные исследования в лабораторных и шахтных условиях., построение структурно-литологических прогнозных карт, методы математической статистики, корреляционный и регрессионный анализы, промышленные эксперименты и внедрение в производство.

Научные положения, выносимые на защиту.

I. Эффективная, вязкость пород средней прочности и слабых является основным критерием их поведения около подготовительных выработок. В породах средней прочности с эффективной вязкостью Ю1 -10*® Па.о максимальные смещения контура выработки с арочной Крепью достигают 10-15 см. в ооновном за счет раскрытия трещин* В слабых породах с эффективной вязкостью 10^-10^ Па.с смещения контура происходят $а счет вязко-пластических деформаций самих пород и достигают 20-30 см за год и 30-50 см за три года. В очень слабых породах с эффективной вязкостью менее Ю12 Па.о смещения контура выработок составляют 40-60 см в течение трех-мести месяцев. В прочных породах с эффективной вяз-коотью бодее 10*® Па.о преобладают деформации упругого после-

действия даже при максимальных нагрузках. Деформации ползучести составляют от условно-мгновенных единицы и первые десятки процентов.

2. Между коэффициентом эффективной вялости, характеризующим реологические оесйзте?. горных псрод и физико-механическими свойствами существует керр:.дяционнае свчзи линейного и степенного вида, позволявшие прстясзировзть устойчивость выработок.

3. Устойчивость гсрнн.* пород определяется соотнслением параметров эффективной вязкости и прочности, а такке структурно-' лктологическими характеристиками массива. Монолитные к о.-або-трещиноватые породы с прочностью 6С-150 МПа и эффективной вязкостью 10^-10 Па.с отг;осятся к устойчивым; слоистые и трещиноватые породы о более низкими прочностными и вязкостными показателями к неустойчивым, требующим крепления.

В породах средней прочности и слабых формируются три зоны развития деформаций вокруг подготовительных выработок, механическое состояние в которых характеризуется изолиниями без-' размерного.коэффициента устойчивости: КуСТ>1 - породы находятся в пределах упругости; I - в упруго-плаотическом состоянии; КуСТ~0 - в фазе разрушения.

5. Время безремонтной эксплуатации выработок определяется допустимой относительной деформацией крепи, которая выражается гиперболической аависимостью от эффективной вязкости.

Научная новизна работы.

Выделенные группы пород по прочности - прочные, оредней прочности и слабые, имеют резкие различия как по виду кривых ползучести и составляющих полной деформации, так и по величине реологических параметров. Деформации ползучести з прочных породах составляют от условно-мгновенных единицы и первые десятки процентов; в породах средней прочности - первые десятки процентов и такого хе порядка остаточные деформации; в породах слабых деформации ползучести весьма значительны и составляет от условно-мгновенных от нескольких десятков до тысячи процентов и большие остаточные деформации того »ч 'гслдка.

Эффективная вязкость существенно ззг... - от прочности пород, их состава и уменьшается с ростом действующих напряжений. Мекду эффективной вязкостью горных пород - скоростьи установившееся ползучести и глубиной згложения выработки существует тес-

ные корреляционные свяаи, выражающиеся линейными уравнениями регрессии с коэффициентами корреляции соответственно 0,98 и (0,64-0,78).

Установлены корреляционные зависимости эффективной вязкости с основными физико-механическими свойствами - прочностью, плотностью, статичеоким модулем упругости и скоростью продольных волн и разработана классификация горных пород по коэффициенту эффективной вявкости.

Определены в песчаниках и алевролитах угольных месторождений Кыргызстана взаимосвязи между прочностью, пористостью и глубиной залегания; прочностью, процентным содержанием и составом цемента. -

Обоснована и разработана классификация устойчивости горных пород по коэффициенту эффективной вязкости, включающая реологические особенности их деформирования вокруг выработок и коэффициент устойчивости.

Разработан метод прогноза устойчивости горных пород, основу которого составляют параметры эффективной вязкости, прочности и структурно-литологические характеристики массива.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается:

- представительным объемом экспериментальных данных (испытано 25 разновидностей пород, обработаны данные по 52 замерным наблюдательным станциям с глубинными и контурными реперами);

- сходимостью прогнозируемой ситуации с фактической (расхождение не более 15 $);

- положительными результатами внедрения разработанных способов поддержания подготовительных выработок на трех шахтах и структурно-лиологических прогнозных карт на пяти шахтах.

Личный вклад автора заключается:

- в разработке единой методики оценки реологических свойств различных по литотипам и прочности горных пород;

- в установлении корреляционных зависимостей между физико-«ехгшическими и реологическими свойствами;

- в разработке классификации горных пород по коэффициенту эффективной вязкости;

- в проведении многолетних наблюдений за неустановившихся горным давлением в подготовительных выработках и выявлении закономерностей развития реологических процессов вблизи выработок;

- в обосновании и разработке классификации устойчивости горных пород;

в разработке и применении составов и технологии, приготовления упрочняющих рг.огворов - цекентно-пеоочных, гнпсо-пе-сочных и магнезиальных;

- в составлении нормативных документов и обучений шахтных служб при внедрении результатов работы.

Практическая ценность рабе л заключается}

- в определении состава и физ!<ко-неханичеоких свойств основных вне дающих пород угольных к&-':торождениЙ Кыргызстана;

- в установлении корреляционный зависимостей между физкко-механическими и реологическими свойствами различных по генезноу и прочности горных пород, позволяющих минуя'долговременные экй* , перименты, определять недостаящие свойства породу

- в разработке классификации горных пород по коэффициенту эффективной вязкости, которая повыпает надежность определен ния прочностных и деформационных свойств;

- в разработке Методов прогноза устойчивости горных пород с учетом прочностных и деформационных свойств, позволяющие выбирать оптимальные схема раскроя, иахтных полей» корректировать принятые ранее решений по месту заложения и направлений прове--дения подземных выработок, выбору вида крепи, технологическому районированию шахтных полей;

- в разработке состава и технологии приготовления упрочняющих растворов; '

- в разработке рациональных способов поддеркания подготовительных выработок, обеспечивающих их безремонтнуй сноплуата-цип, • .

Реализация работы. Разработанные длй угольна* меотсровде-ний Кыргызстана прогнозные отруктурно-литологйческие карты ио* пользованы институтом "Карагандагипрошахти для проектирования двух вахт. На трех шахтах - "Капитальная". « • ГШСМ и К 6/18 -внедрен экспресс-метод прогнозирования устойчивости выработок по кратковременным замерам конвергенции их отенок. На шахтах Сулюктинского, Кызыл-Кийского, Кок-Янгакского, Джергаланского и Согутинского месторождений применяется "Методичеоков руко*: водство по составлению прогнозных отруктурно-лиодогичеоких . погоризонтных планов", В особо тяжелых условиях поддержания вы»

работок на шахтах им.ВЖСМ и К 6/18 применяется "Карта тампонаж-ных работ" и внедрён способ унрочненияниассива пород вокруг выработок цементно-песочными и гипсо-песочными растворами.На тахтах i 4 и им. ВЛКСМ Кызыл-Кийского буроуголыюго месторождения внедрена анкерная крепь с клино-щелевыми замками. Установленные реологические параметры различныхп по генезису и прочности горных пород, полученные корреляционные зависимости между физико-механическими и реологическими свойствами и предложенная классификация горных пород по коэффициенту эффективной вязкости используются при моделировании тектонофизических процессов в лаборатории тектонофизики Института физики Земли им. О.Ю.Имидга РАН и в теоретических расчётах лабораториями Института физики и механики горных пород АН республики Кыргызстан.

■ Экономический эффект от внедрения результатов составил I.I млн. рублей.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались и докладывались на: Всесоюзных конференциях по механике горних пород (Москва,1975г.; Фрунзе, 1978г.; 1989г.; Тбилиси, 1985г.); Всесоюзных семинарах "Исследование способов охраны капитальных и подготовительных выработок" (Новосибирск, 1968, 1970, 1972, 1974, 1976, 1978,1980 гг.; Кемерово, 1982,1984,1986 гг.; Фрунзе, 1988; Алма-Ата, 1990 г.); Всесоюзной конференции "Физика горних пород и процессов" (Москва, 1974, 1981 гг.); 1-Й Всесоюзной конференции по реологии горных пород(Днепропетровок, 1966г.); УН симпозиуме по реологии грунтов и горных пород (Бишкек, 1992 г.);совещании "Уголь Сулюкты",(Сулюкта, 1988г.); на научно-практическом совещании "Состояние геолого-разведочных работ на предприятиях П0"Сред-азуголь" н пути повышения культуры геологических служб шахт",(Ташкент, 1989г.), НТС ПО "Средазуголь" ((975 -• 1992гг.) и ряде других семинаров и конференций.

Публикации: Но теме диссертации опубликовано 50 работ. Осноь-нов содержание отражено в 32 работах,в том числе в пяти монографиях и двух брошюрах.

Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения и приложения (документы о внедрении), содержит 348 страниц машинописного текста, 136 рисунков, 47 таблиц, описка использованной литературы из ?:'/[ няименолаинП отечественных ¡1 зарубежных работ.

Автор считает своим долгом выразить глубокую приэнатель- • ность академику АН республики Кыргызстан й.Т. Айтматову, д,т.н. Н.Г.Ялымову, сотрудник?!» лаборатории реологии горних пород и поддержании подземных выработок за содействием помощь при выполнении данной работн, геем, кто способствовал выполнению и принимал учаотио в обе*twin« настоящей работы.

Ca'.ffMAHHE РАБОТЫ

Введение включает odw: !ов*нне, актуальность теми, цель и задачи исследований, идею, основные научные положения и нгчизну диссертационной работн.

Раздел I. Состояние изученное;и проблемы оценки реологических свойств и поддержания подготовительных выработок. Деформации горных пород в подземных выработках - следствие изменения их механического состояния, связанное о проявлением ползучести. Знание, учет и оценка ';войотв ползучести горных пород имеет важное значение для обеспечения устойчивости выработок.

Устойчивость тоннелей, откосов, бортов долин рек при тоннелестроении, открытой разработке и гидростроительство, проявление такого грозного явления, как горный удар в шахтах и рудниках также не могут изучаться без учетя реологических овойотв горных пород.

Исследования реологичеоких свойств горных пород интенсивно начались о 50-х годов и овязаны о именами Д.Григгса, Д.$иллип-са, К.Игокке, Р.Н.Кузнецова, Г.А.Крупенникова, К.С.Ерканова, В.Т.Глувко, Ф.А.Белаенко, Л.Я.Парчевокого, М.Ниоихара, Ю.М.Кар-тааова, Ю.М.Либермана, И.-".Черняка, А.Н.Ставрогина, К.И.Дудуш-киной, Г.Н.1^менюка, Б.М.Усаченко, С.Ф.Алексеенко и многими другими. Наиболее изучены реологические свойства вмещающих пород Донецкого, Кузнецкого, Криворожского, Карагандинского и Подмосковного угольного бассейнов. Изучались осадочные породы -> аргиллиты, алевролиты, песчаники,' сланцы, угли, а также каменные и калийные соли.

* Установлены качественные и количественные характеристики деформируемости указанных пород, угля и м-— '::рвделены зависимости между прикладываемыми нагрузками i. »^ирмациями ползучести, определены реологические параметры, предложены и подоб-

раны теоретические модели. Для шахт указанных бассейнов успешно решены многие задачи с учетом реологических свойств пород применительно к конкретный производственным условиям.

Анализ литературных данных по изучению реологических свойств горных пород и других полезных ископаемых показал следующее. Сравнивая физико-механические свойства однотипных пород разных угленосных бассейнов мы наблюдаем значительные расхождения в первую очередь за счет метаморфизма. Следовательно методом аналогии переносить уже известные свойства однотипных пород рисковано. В исследованиях большинства авторов приводятся разные методы обработки эксперимента и получения одних и тех же параметров, сопоставлять такие данные нельзя. , Определяющие реологическое поведение горных пород под действием длительных нагрузок параметры - коэффициенты эффективной вязкости, пределы текучести и длительной прочности изучены крайне недостаточно. Вязкость характеризует деформационный процесс, который можно прогнозировать вплоть до приближения критической ситуации - разрушения. Упругие и прочностные свойства горных пород изучены неплохо, а о вязкости мы имеем самые скудные сведения. Имеются лишь немногочисленные работы С.Алек-сеенко, С.Н.Выборновой, Э,Я,Лыковой, С.Е.Чиркова, в которых приводятся единичные экспериментальные значения вязкости, полученные статическими и динамическими методами. Вместе с тем знание именно этих параметров очень важно при решении многих практических и теоретических вопросов механики горных пород, горного дела, шахтной и рудничной геологии, тектонофиэики, тектоники.

До настоящего времени практически не изучен характер зависимости эффективной вязкости горных пород от приложенных напряжений. Исследованиями Д.Гр.иггса, К.Ломница установлено снижение эффективной вязкости с ростом сжимающего напряжения для каменной соли, известняка, при повышенных давлении и температуре. Сведений же об изменении эффективной вязкости от приложенных напряжений для консолидированных горных пород при нормальном давлении и температуре почти нет. Вопрос весьма важен еще и потому, что в последнее время появились сообщения (В.Т.Г'лушко, В.С.Ямщиков, А.А.Яланский) о том, что вязкостные свойства массива и образца отличается всего.на б %,

В настоящее время не установлены корреляционные зависимости между некоторыми физико-неханическиин и реологическими свойот-вами горных пород - вязкостными, упругими и поглощающими. Лишь в отдельных случаях удается оценить вязкость массивов горных пород по данным о движениях поверхности (М.В.Гзовокий, Д.Н.Ооо-кина). Установление этих зависимостей необходимо для решения практических и теоретичеок;;-; задач, оперативного определения недостающих параметров, косвенной оценки вязкости породных массивов горных пород и решения проблемы перехода о образца на нас о ив.

Весьма актуальной оотаетоя проблема прогнозирования устойчивости подготовительных выработок в связи со сложными условиями залегания и вое увеличивающимися глубинами разработки на угольных вахтах Кыргызстана. Недостаточно изучены физико-механические и реологичеокие свойотва вмещающих пород и характер гооме--ханических процессов вокруг подготовотельных выработок. Возникает необходимость исследования устойчивости подготовительных выработок, закрепленных различными видами крепи, раоположенных на разной глубине о учетом реологических овойств осадочных пород для обоснованного выбора типа крепи и, при необходимости, упроч-' нения массивов твердеющими смесями.

Выяснено, что сведения о месторождениях, получаемые при детальных геолого-разведочных работах, используются крайне недостаточно.

Для создания метода прогноза устойчивости горных пород не-, обходимо комплексное использование данных разведочного бурения, физико-механических и реологических свойств, их корреляционных зависимостей и знания смежных наук. Необходимо научиться еще на' стадии проектирования предвидеть возможное осложнение в работе будущего предприятия и своевременно готовитьоя максимально уменьшить их влияние. Это обеспечит безопасность горных работ и повысит технико-экономические показатели работы предприятия.

Раздел 2. Физико-механичеохиб свойства угольных местороа-дений Кыргызстана и их корреляционныа завис" Физико-меха* ничеокие свойства угольных месторождений Кыргызстана йзучены недостаточно. Были известны единичные данные ВНИМИ по Сулюктинс* кому месторождению и ИФиМГП АН Кыргызстана.

. Необходимо было определить состав и физико-мвханичвокие

свойства основных вмещающих пород угольных месторождений республики Кыргыастан, установить закономерности изменения свойств в зависимости от состава, глуби,)и, пористости, вида цемента и т.д. Решать поставленную задачу необходимо глобально на представительном материале по всем горизонтам уже действующих шахт. С 1980 по 1966 годи была проведена доразведка всех шахтних полей.

Состав и свойства пород нами изучались по керновому материалу и по пробам пород, отобранным в подготовительных породных выработках шахт Кыргызстана. Было научено более 4000 проб, изготовлено и исследовано более 500 прозрачных шлифов. Сделана попытка группировки по литолого-петрогра1>ическим характеристикам и увязки их о прочностными свойствами.

ila примере трех крупных месторождений - Кызыл-Кийском, Су-дюктинском, Тащ-Кумырском - предлагается анализ данных и выводы.

Методики определения всех показателей достаточно широко известны в отечественной практике и регламентированы ГОСТами. Перед проведением лабораторных исследований по определение физико-механических овойств горных пород проводилось макроскопическое изучение проб и петрографическое описание шлифов.

Все уголыше месторождения Кыргызстана представлены в большей или меньшей степени конгломератами и брекчиями, гравелитами, песчаниками, алевролитами, глинами, мергелями, известняками, углисто-глинистыми сланцами. Наиболее представительными породами являются песчаники, алевролиты, аргиллиты и глины. Их прочностные характеристики следующие: а) песчаники - 4-60 МПа; б) алевролиты - 15-55' МПа; в) аргиллиты - 6-50 МПа; г) глины порядка 5-10 МПа.

По типу прочности все вмещающие породы выделены в 4 группы: прочные (беж 90 МПа), средней прочности (6са=60-90 МПа), слабые (6 сж=35-60 МПа) и очень слабые (6 сж 35 МПа). Встречаются прочные - песчаники палеозоя, <э сж=90~120 МПа, но они мало распространены и не характерны. 1итолого-петрогра]?нческие и прочностные характеристики пород близки так, что их можно рассматривать вместе.

В песчаниках и алевролитах установлены зависимости их прочностных характеристик от глубины залегания, пористости, процентного содержания и состава цемента:

- с увеличением глубины залегания прочность рассматриваемых пород увеличивается в песчаниках до глубины 1000 м, а в алевролитах до 850 м, далее практически не меняется; пористость пород уменьшается;

- при карбонатном и кремнистом цементах и при их малом процентном содержании прочность увеличивается; при типе цемента базальном, составе глчк-^.-том или серицитовом - наоборот, прочность уменьшается;

- крупность минеральных верен не оказывает заметного влияния на характер зависимости прочности на сжатие.

Раздел 3. Изучение реологячоокпх свойств различных по гв* незису и прочности горных пород. Современному уровне развития экспериментальных методов изучения ползучести деформаций на образцах горных пород по методической обоснованности, точности, надежности получаемых результатов, наибольшей степени требова- • ний механики горных пород удовлетворяет эксперименты на одноосное сжатие. В методику изучения ползучести деформаций Ьбразцов горных пород при одноосном сжатии нами внесены дополнения, касающиеся учета состава пород и их физико-механических свойств до эксперимента и после его завершения, единого подхода к, получению параметров, обязательно изучается обратная ползучесть. Длительность экспериментов 1,5-2,5 года.

• Методика реологических исследований включала в себя проведение основных и вспомогательных опытов. Вначале определялись основные физико-механические характеристики: прочность горных пород на одноосное сжатие, статический модуль упругости, плотность и скорость прохождения упругих продольных волн. Исходя из прочности назначался уровень прикладываемых к образцу напряжений при испытании горных пород на длительную ползучесть, составляющий 20-95 % от разрушающих. Изучено 25 разновидностей горных пород, представленных разными организациями (Hf>3 РАН, ИПКОН РАН, Kí> РАН) и отобранных нами на рудниках, тахтах и в ■ бортах каньонов рек при строительстве гидросооружений. На рис. I демонстрируется объем комплексных --*епаний и схема использования получаемых нами физико-кехнли-г.^п.их и реологических параметров.

1шрзяич круг

итчикажкт ияхт) _

Ьалшяшм шодо* яг! рост*тлшй «тлю

■(сопо'стявитёльньГй инипйз)-

, мщятьи

1 «мивтмси** • талогичшикй ; МЭДШйШ ш шщщ_

Рио. I. Схема изучения и использования физико-механических и реологических свойств горных пород

Основные эксперименты заключались в получении для каждой породы семейства кривых ползучести при длительном действии постоянных сжймаювдх нагрузок. По результатам измерений для каждой породы строились семейства кривых ползучести с выделением в них участков о резко падающей скоростью деформации, участков неустановившейся ползучести, участков установившейся ползучести или затухающей ползучзоти. Общая деформация образца включала в себяг а) условно-мгновенную деформацию, б) деформацию ползучести, в) мгновенную деформацию разгрузки, г) остаточную деформа-

По типу прочности вое испытанные породы разделены на три группы: слабые, средней прочности и прочные (в соответствии с рекомендациями ВНИМИ для геолого-разведочных организаций бывшего НУП СССР). Для каждой группы пород установлены качественные и количественные особенности деформирования: характер проявления кривой ползучести, ее составляющие и определены реологические параметры.

Диапазон изменения 6 сж слабых пород составил от 22,9 МПа

цию.

к

до 30,4 МПа. На кривых ползучести слабых пород отчетливо прослеживается все стадии деформирования. Деформации ползучести весьма значительны и равны в средкем для гипса 9.10для алевролитистого песчаника 9,4.10 , что составляет от уоловно-мгновенной деформации от нескольких деоятков до тысячи процентов. Для слабых пород характерны большие остаточные деформации, сопоставимые с деформациями ползучести й составляющие от уолов-но-мгновенных деформаций величину того же порядка, что я деформации ползучести, т.е. ползучесть слабых пород происходит в основном за счет вязкого течения; Коэффициент эффективной вязкости слабых горных пород изменяется в два порядка: от 10*.® Па.с для гипса до 10*® Па.с для аргиллитов.

Диапазон изменения 6 сж пород средней прочности менялся от. 64 МПа Для мрамора П до 93,6 МПа для мрамор и зованного из- • вестняка. Породам средней прочности присучи относительно небольшие деформации ползучести, составляющие в средгем от уолов-но-мгйовенных и полных деформаций первые десятки процентов. Примерно одного порядка с деформациями ползучести и остаточные деформации, составляющие первые десятки процентов. Следовательно в породах средней прочности примерно одинаковы величины вязхих и остаточных деформаций с заметным преобладанием над ними упругой деформации. Значения эффективной вяакооти менялись уже в более узком диапазоне, в пределах одного порядка, т.е. 10*®-Ю*9 Па.о.'Условный предел текучести составил 25-50 МПа.

Диапазон изменения 6 сж прочных пород составлял от 100 до 237 МПа соответственно для скаполита и аркозового песчани- • ка. Этот тип пород представлен впервые в большом объеме. Несмотря на широкий диапазон изменения модуля упругости (ЕС-120 МПа) и плотности (2,54-3,31 г/см3), эффективная влгяооть прочных горных пород менялась в пределах трех порядков - от Ю18 для рогунского песчаника до Па.с для гранита. Условный предел текучести составил 60-70 Ша. Как показывает эксперименты, развитие деформаций ползучести прочных окальных пород существенно зависит от времени действ:!;! ::-;груаок. Развитие дз» формаций ползучести в образцах наиболее. -~зно протекает

в первые сутки наблюдений, затем стадия неустановившейся ползучести с постепенно затухающей скоростью (в ряде случаев она экстраполируется прямой линией) продолжается до нескольках'ДЭ-

сятков суток,- после него скорость деформации ползучести падает до очень малой величины и, практически затухает. Причем такой характер деформирования отмечается и при очень высоких уровнях нагрузки (-0,7-0,9 беж), граннт, габбро-пироксенит). Сростом напряжения происходит падение эффективной вязкости. Как пока-гывают расчеты,' с повышением величины напряжений значения остаточных деформаций возрастают. Для некоторых образцов этой группы (ийолит-уртит, мраморизеванный известняк) остаточные деформации равны или превышают деформации ползучести, что говорит о преобладающем влиянии пластических деформаций в общей величине деформаций ползучести. Для других образцов этой группы (апа-тито-нефелин, мрамор) остаточные деформации составляли 20-40 и 35-57 % от деформаций ползучести, т.е. упруго-вязкое деформирование этих образцов играет значительную роль в-общем развитии процесса ползучести. Для ряда пород этой группы при уровнях нагрузок, составляющих 0,3-0,5 ¿сж, остаточных деформаций зарегистрировано не было, т.е. деформации ползучести в указанном диапазоне имели характер упругого последействия.

Для всех изученных пород определена минералогО-петрографи-чвекая характеристика.

По результатам обработки семейств кривых ползучести строились: а) изохронные кривые Б - 6 ; б) реологические кривые,

6 - & ; в) вязкостные кривые, ^ - 6 . Полученные семейства кривых ползучести интерпретировались двумя методами:

- с помощью теории линейной наследственности с абелевым ядром ползучести;

о

- на основе метода определения эффективных реологических параметров.

Последний основывался на описании, горных пород обобщенной реологической моделью тела Бюргерса или тела Бвргерса-Бингяма-Шведова с переменными параметрами:.

Определялись реологические параметрн - коэффициент эффективной вязкости, предел текучести, предел длительной прочности.

хе

Эффективная вязкость рассчитывалась по величине скорости установившегося течения, £ , на участке кривой ползучести с постоянным наклоном. Этот участок аппроксимировался прямой линией.по методу наименьших квадратов. В случае отсутстзпя течения оценивался нижний предел вязкости, приничяя во внимание, что величина деформации ползучести не нсньпе погрешности измерений. Условный предел текучести горнах поре находился по реологическим Кривым, предел длительной прочнее,)..: - из семейсг';'. к р га их полгу честя образцов.

Определена реологические свойства основных вмещающих пород угольных месторождений Кыргызстан.; - прочностные и плотнсстныэ свойства, пределы текучести, длительной прочности и эффективная вязкость пород.

Раздел Корреляционные зависимости реологических пара» • метров горных пород с физико-механическими свойствами. Полученные числовые показатели вязкости рассматривается как абсолютные значения, характеризующие физические свойства горных пород, и как характеристики, позволяющие провести сравнительный анализ свойств различных пород с точки зрения их реологических свойств, т.е. позволяющие использовать вязкость как классификационной показатель. Для определения численных значений вязкости попользуется одна и та же реологическая модель; допускается, что относительные значения вязкости надежно и верно отражает физическую природу процесса ползучести. Такой подход имеет место в естествознании и не противоречит существующим методам исследований.

Физические, механические, деформационные и реологические свойства горных пород характеризуются целым рядом параметров, установление которых требует специально оборудованной базы и квалифицированных кадров. Причем определение некоторых параметров связано с большими трудностями и со значительной затратой времени. Поэтому вопрос установления взчи^орлзей реологических свойств и их корреляций с основными аяичеокими свойст-

вами, горных пород является весьма актуальным.

Единая методика собственных исследований реологических свойств и обработка по ней же данных, приведенных в литературных источниках (более 300 кривых ползучести), единая реологическая модель, используемая для определения вязкостных параметров,

позволяет определить значения эффективной вязкости различных по генезису и прочности горных пород. Установлено, что эффективная вязкость существенно зависит от прочности пород и их состава и уменьшается с ростом действующих напряжений. Между эффективней вязкостью горных пород и скоростью течения существует тесная кордвляционная связь. Установлены и описаны корреляционные связи между вязкостью и отдельными физико-механическими характеристиками различных по генезису и прочности горных пород: прочность» на одноосное сжатие, статическим модулем упругости, плотностью и скоростью продольных волн. .

Полученные значения аффективной вязкости горных пород позволили экспериментально подтвердить высказанную М.В.Гэовским на основе немногочисленных литературных данных гипотезу о существовании зависимости эффективной вязкости от величины касательных напряжений для массивов горных пород.

Была построена зависимость величины аффективной вяакооти различных по прочности пород от приложенных напряжений, рис. 2. Эта Зависимость показывает, что эффективная вязкость существенно зависит От прочности и петрографического состава горных пород^ Так. например, для солей аффективная вязкость составила ЮР-Ю1" Па.с; для гранита и пироксенита Ю^-Ю20 Па.о.

Наши исследования позволили значительно дополнить предполагаемую М.П.Воларовкчем Логарифмическую, зависимость аффективной вязкости от скорости деформаций установившейся ползучести. Была предсказана зависимость, которая в области малых скоростей деформаций течения ..до КГ^с"**, давала бы вязкость в пределах Ю^-Ю22 Па.о.

*

С использованием наших данных и данных М.П.Валаровича построена зависимость, выражающаяся линейной регрессией:

= -0.91(8 ?$ё*в.27; 4 0.532; * = 0.98« сз)

При этом наши данные приходятся на менее всего изученный участок в диапазоне скоростей до 10"® до

Таким образом, впервые полученная нами зависимость -подтверждает предполагаемый другими авторами линейный ее характер и дает при значении скоростей тектонических деформаций вязкость астеносферы не более Па.с. Это значение вязкости хорошо согласуется с данными о вязкости верхней мантии

земной коры, полученными из расчета постгляциальнцх поднятий Скандинавского и Канадского щитов.

а) <0

Рис. 2. Корреляционные зависимости степенного вида эффективной вязкости оо статическим модулем упругости (а) и прочность» горных пород на одноосное сжатие (б).

Анализ, литературы показал» что из-за крайне малого количества данных по эффективной вязкости горных пород не устанавливались ее взаимосвязи с их основными физико-механическими характеристиками. Известны лишь единичные работы М.В.Гзовокого и Д.Н.Осокиной, в которых были приведены корреляции между декрементом затухания упругих волн и "пластической" вязкостьп, а также между "пластической" вязкостью и упругими параметрами твердых тел.

Полученные нами значения эффективной вязкости позволили установить корреляционные связи между этой величиной и некоторыми физико-механическими характеристиками горных пород. Наблюдается прямая корреляционная связь между ^ и значениями Ест. Ур, 6 сж, р .

Уравнения регрессии имеют вид:

I) = 18.? Естат+0 01б Еетагп I (<,)

г) e¡¡,7 = 16.6♦ 0.51 Vp; (5)

3) 18.1+ 0-01 беж (6)

Коэффициенты корреляции для всех трех рассмотренных уравнений регрессии составляют примерно 0,8. Удовлетворительная связь ( R « 0,67) отмечена между эффективной вязкостью и плотностью горных пород.

Уравнения (5) и (6) справедливы в диапазоне <з еж 3035 МПа, ниже отих значений рост с увеличением Ест и <Ь сж идет нелинейно.

Особый интерес представляет установленная корреляция между эффективной вязкостью и скоростью упругих волн, что дает возможность поставить вопрос о переходе к косвенной оценке вязкости массива по геофизическим данным.

Накопленный значительный объем данных по физико-механическим свойствам вмещающих пород трех основных угольных месторождений Кыргызстана позволил нам провести корреляционный анализ и установить связи между эффективной вязкостью, прочностными и плотностными свойствами основных пород. В диапазоне глубин от 400 до (60 метров для алевролитов и от 500 до 1000 метров для .песчаников прочность и плотность увеличиваются, а эффективная вязкость изменяется соответственно: от 10*® до 10^® Па.с и от I017 до I019 Па.с, рис. 3.

Разработана классификация горных пород по коэффициенту аффективной вязкости в соответствии с принятой классификацией горных пород по прочности, табл. I¿

В результате анализа установлено, что выделенные по прочности группы горных пород характеризуются определенным диапазоном значений эффективной вязкости, при этом границы групп перекрываются не более чем на один порядок.

Раздел 5. Экспериментальное исследование реологических процессов вокруг полевых выработок. На угольных шахтах Кыргызстана более 1/3 стоимости затарат ngw добыче и переработке угля подземным способом составляет поддержание и ремонт выработок. Многолетние шахтные эксперименты по изучению поведения пассива пород на контуре и по глубине вокруг подготовительных выработок позволили представить качественную и количественную

картину расслоения пород в течение длительного времени наблыде-ния (от б ;:ес. до 5 лет).

АЛЕВРОЛИТЫ

13

Ш

17

18

15

Ьч

ПЕСЧАНИХИ

20 ^ Пл<

1Э 13 17

15

,Нм

О 400 600 ООО 1000 о

V

'У

/

У.

Йз 0 =000537 Н* 1444 Л=0533

_____________85 1.4

4 СО »20 £00 1000

Рис. '3, Зависимость между эффективной зязхоотью и глубиной заложения выработок для песчаников и алэвро-лиг^о ¡(ызыл-Кийского месторождения.

Устаниплено 52 замерные наблвдате;;ьные станции по всем аахтам Кыргызстана на разных горизонтах; в рагиых породах, о разным:! видами крепи и разными сечениями выработок. Б местах установки азмерных станций отбирались пробы пород для определения физтсо-нвунничсч :шх. реологических свойств и изготовлен«*

Классификация горних пород по параметру эффективной вязкости.

Таблица I

Комплекса

пород

!ЭффвкТй£я. (вязкость, I 7 ,Па.о

1-Г-!-!-

(Качественное проявление!Класс про* Горше породы (петрографические. ррианакяУКоафф.кре-I ползучести на образцах !чности ! 1пости по ,

! ! ! Шротодьяк.

4-

■4-

X

' 10йи- ю!<:А'

На«более вязкие комплексы пород, 1У

Существуго ей аппарату-«

рой практически не ре- прочные

гястрируетел

Ю19- 1С!20 Весьма слабо

Ю18- Ю15

Весьма слабо (по 100 мкрн.при нагр.бСЙ от 6 с?..)

Очень крепкие,тготяые и вязкие кварцита и базал&тн. Исклзэтатеяьяна по крепости и другие породы. ■ 20

Очень крепкие гранитовые породы.Кварцевый порфир.Очень крепкий гранит.Кремниствй сланец.Менэе крепкие кварцита. Саше крепкие песчаники и известняки.Песчанистые сланцы,алевролиты на карбонатном и кремнисто-карбонатном цементе. 15

Плотный гранят.Гранитовые породы. Крепкие песчаники и известняки.Крепкий конгломерат. Ю

Сильно вязкие комплексы

Ю17- 10к

Слабо,в среднем до 125 мкрн.при нагр.'70-8СЙ от 6 сж.

средней известняки крепкие,некрепкий гранит, прочности' Крепкие песчаники.Крепкий мрамор.Доломят, колчедан,песчанистые сланцы-Крепкие алевролиты,аргиллиты на кремнисто-гДи-

I

пород,

1С13- Ю18 Среднее,до 4С0 мкрн.при нагр.70-80 % от 6 ск.

нвстом,глинисто-карбонатном цементах.

Обыкновенные. песчаники, алевролиты, измененные известняки,брекчии,сланцы,мрамор.

Ю14- 101У Быае среднего,цо 650мкрн.

при нагр.70-8С« от 6 са.

800мкрн.

при нагр.цо 80% от 6 ск.

Слабо Еязкие

комплексы 1013_ 1015 зйачихеЛьное,цо 800мкрн пород,

п

Ю12- 1ССильное,до 950мкрн.при нагр. 70-8С$ от 6 са.

Наименее га12- Ю13 Очень сильное,до 1300 слабые Еязяне мкрн.при нагр.705? отбса.

комплексы пород, I

Ю11- Ю12 Весьма сильное,более

1300ккрн.при вагр.7СЙ от беж.

Песчанистые сланцы, сланцевые песчаники. Алевролиты,брекчии, сланцы.

Крепкие глинистые сланцы,аргиллит,алевро-лит на слюцисто-карбонатном цементе.Конгломерат.

Разнообразные сланцы некрепкие,плотный мергель,аргиллиты,алевролиты на слецисто-глилистом цементе,песчаво-глшшстые сланцы, очень мягкий измененный песчаник.

Мягкий сланец,мел,каменная саль,гипс, мёрзлый грунт, обыкновенный мергеяь,сцементированная галька,каменистый грунт, Еыветредые песчавшси, глинисто-угластые сланцы,алевролиты на глинистом цементе, а ргиллита, антрацит.

Иебепистый грунт,разрушенный сланец,сле-хаизаяся галька и .иебень,крепкий каменный уголь,отвердевпая глина,аргиллиты.

1,5

143 1Й.

Установлен однотипный характер деформирования массива и лабораторных образцов горных пород'.

Комплексное исследование фиэико-механических и реологических свойств пород угольных месторождений Кыргызстана позволило Накопить необходимые данные, систематизировать их, на основе статистического и корреляционного анализов установить определенные взаимосвязи между физико-механическими свойствами отдельных литотипов пород, табл. 2, Использование корреляционных зависимостей между физико-механическими и реологическими свойствами позволило прогнозировать устойчивость вмещающих пород и проявление горного давления вокруг подготовительных выработок и установить следующее.

В неизмененных породах палеозоя, прочных (6 сж=80-120 МПа) песчаниках, ЗНС-1,2,3,4, конвергенции стенок носят затухающий характер, расслоение пород за 3 года наблюдений достигло глубины 3,2 метра. Скорости смещений резко падают по мере удаления забоя. Выработка закреплена АП (лист б), сечение 12-14 м^. В этих породах в процессе деформирования образуется две зоны -упругая (I) и упругопластическая (II), рис. 4.

Песчаники сильно трещиноваты, разбиты на блоки. На глубине 500-600 м довольно устойчивы. Смещения пород происходят за счет подвижек по трещинам. Присутствие воды на поведении поцюд сказывается незначительно. Максимальные смещения по контурным реперам аа 3 годе наблюдений - 10-18 см. Эти породы встречаются редко, выработки в них устойчивы.

В породах вры средней прочности (беж 60 МПа) конвергенции. стенок выработок носят медленно затухающий характер. Расслоение пород достигает за 1-1,5 года 4-6 м. Смещение кровли-почвы в основном больше смещений боков во всем ЭНС. При наклонном 8алегании пласта в породных выработках смещение пород боль-не со стороны висячего бока, как на контуре, так и на глине. Общее смещение в таких породах (на контуре) достигает на глубине 350 м от поверхности 25-30 см за 2,5 года наблюдений. На глубине 550 метров - 40-50 см. При появлении водопритоков процессы неустановившегося давления активизируются: интенсивно пучит почву, учащается ремонт и перекрепка. Максимальные смещения в подобных породах зафиксированы 80 см за 2,5 года. Выработка полностью перекреплена и некоторые участки ремонтирова-

лись уже и по новой крепи (ЗНС-8 и 9).

Таблица 2

Уравнения парных корреляций

Уравнения связи

! Коэффициент ! Граничные условия j корреляции |применения уравнений

ÍI=80,18-28,42./|_

6 сж=0,000471/»

10

ó сж=70,686-1,13311

П=79; 29-28,2 6 сж-13,582.^-27,21 ó сж-96,365-4,306П

П=б4, 3.4-21,89,/'. . 6 сж=27,78/>-50,~94 <э сж=39,35-1,128П

Песчаники. -0,831 0,572 . -0,727 Алевролиты -0,768 0,450.. -О,724 Сланцы -0,722 0,448 -0,77

1,95 ^уо - 2>78 1,5 - П ^ 40 2,19 -- 2,65 . 3,2. с Л -= 12,41 1,59 2,79

4,3 «= П 22

В отпх породах образуется в процессе деформирования три зоны - упругая (зона I), упруго-пластическая (зона II) и зона разрушения (зона III). Причем зона разрушения может или не развиться, если крепь будет установлена сразу с достаточной несущсй способностью и отпором, или развиться незначительно.

В породах слабых (6сж=30-50 МПа) конвергенции стенок но« сяг незатухающий, волнообразный характер (ЗНС-5,6,7) и происходят за счет вязко-пластических деформаций пород. Неравномерно протекает и процесс расслоения пород, причем нами не обнаружена его стабилизация на глубине 10 м. Наличие воды в таких породах резко ухудшает- состояние пород и выработок. Происходит интенсивное пучение почвы. Выработка, как правило, перекрепляется через 5-6 месяцев.

В сухих выработках максимальной смещение зафиксировано на глубине 3RÜ м, достигает 20-30 см за год, 50-60 см за три года, и сырых - 7СО см. В первом случае выработка перекреплялась 2,5 рчз>1, по. нгором. 3-3,5 раза (дпреаянная крепь о11С-5,6,7). С углубленней работ зги породы требувт упрочнения к тщательного

выбора крепи,

В породах очень слабых, 6 с* 20 МПа, смещения контура выработок происходят sa очёт вязко-пластических деформаций пород и составляю 40-60 ом в течение трех-шести месяцев.

В породах слабых и очень слабых существуют все три зоны деформирования вокруг выработки и соответственно больше по размеру (зоны упруго-пластйческая и разрушения) в породах очень ' слабых.

Породы последних 3-х групп значительно реагируют на вид крепи, форму поперечного сечения выработки и размеры сечения. Применяемые виды крепи можно поставить в ряд по следующему порядку (имея в виду степень ухудшения состояния выработки): анкерная крепь, металлическая кольцевая крепь, металлическая арочная податливая, комбинированная, деревянная всплошную.

Выработки, пройденные в прочных магматических породах (ырамориэованный известняк Кадамджая) весьма устойчивы. Процесс неустановившегося горного давления происходит в них практически неваметно. За 5 лет наблюдений общие смещения контура на 3HC-I равны 2,2 см. Происходит лишь хрупкое незначительное отслоение породы оо временем по бокам выработки. Выработки не требуют крепления, лишь подстраховывают породы кровли от вывалов кусков породы по трещинам путем натяжения в кровле сетки с помощью анкеров.

В выработках, пройденных в таких породах, формируется лишь две зоны: очень незначительная упруго-пластическая (зона II) и зона упругих деформаций (tDHa I), рис. 4.

Длительное исследование paûotu системы "крепь-массив" путем установки 5НС в одной выработке, вакрепленной разными видами крепк. (деревянная воплошнув, анкерная, смешанная й металлическая АЛ, 1-й прсмвтрек 19 лавы) показало, что анкерная крепь недооценивается производством на современной глубине разработки. Эта крепь сразу вклвчаетея в работу, вое ее элементы смещаются равномерно и с постоянной скоростью. Необходимо лишь » каждом конкретном случае отработать способы ее установки, длину анкеров, их вид и вид оатяжек. В связи с увеличивавцимися глубинами разработки предложен расчет длины штанг и рекомендована анкерная крепь для определенных уоловий.

с №

о -»печгга* зсяа

Рис. '(. Схема формирования зон деформирования пород

вокруг заработки (разрушения, упруго-пластической, упругой).

Можно заранее предрасчитать первоначальный радиус г (р) ближней квазиустойчивой зоны зоны неупругих деформаций

ползучести пород) около незакрепленной выработки, рис. 'и

и радиальную толщину <1(р) этой кольцевой зоны ' (а&г

а - первоначальный радиус выработки круглого сечения в процессе ее проходки.

По толщине <1(г') зоны уже' можно судить либо о необ-

ходимой длине штанг (анкеров) ОС^* (если сС^ 2 си ) в случае анкерного крепления бу^щей выработки, либо о необходимости металлической кольцевой крепя (если А(р) ч ).

Анализ проведенных исследований показал, что выработки большого сечения необходимо проводить лмеь при острой необходимости (двухпутевая выработка, вентиляционный руказ и пр.). Следует иметь в виду, что площади зон неупругйх деформация растут пропорционально росту сечения выработки.

Предложена классификация уотойчивооти обнажений горных

пород, табл. 3, включающая реологические особенности их деформирования и кооффициент устойчивости, КуСТ.

Даны рекомендации по применению существующих видов крепи и размарам сечений выработок. Установлено, что время безремонтной эксплуатации выработки зависит от допустимой относительной деформации крепи, которая определяется связью гиперболического вида от эффективной вязкости, рис. 5.

»♦в т.-ст^!-»!

А ♦ Р Т®'СТаУажУя «♦Й Тз-СЬУа-У*

У(0(-*'тт(Ц|,1 -то« )

Рис. 5. Номограмма связи срока службы выработок, видов крепи и величин эффективной вязкости.

Раздел б. Методы прогнозирования устойчивости подготовительных выработок и рациональные способы их поддержания. Начало наших работ приходится на 70-е годы. Первые натурные наблюдения и лабораторные исследования весьма ограниченыеданными о свойствах пород и состоянии массива вокруг выработок, позволили нам ооздать экспресс-метод прогнозирования устойчивости выработок по кратковременным замерам конвергенции их стенок. Мы исходили на того, что конвергенция это интегральная величина, которая включает в себя все факторы, влияющие на устойчивость. Метод

Классификация устойчивости горных пород

Таблица 3

,С'остэя*Качественное проявлен Породы, окрукащие выю-; ;-г;!ие эбуние де^'осмаций пород; оотку I

; :-:гжен.,;и яоепи за 5 кес.на-} г

¡владения ■ г

Обтае мзкрохарактерис-}УслоЕия } Практические тк;;;: горных пород ¡поддернзт рекоменда-Э?-фектавн1Катего^.Чоэ$ф|йия вир. I пии по выбо-

еязкость,!ппоче. г^ ,Па.с !

коеп. | ? ' !

ру крепи

.-;то:гчкза К > I Бывалы 2 разрушения Самые крепкие песчаники отсутствуют,деформа- и известняки.песчанистые дии крепи и пород сланцы,алевролиты на кар-практггчески отсутстЕу-Оонзтном и кремшсто-вт. карбонатном цементах,

плотные гсанити.

прочные 15 (хрупкие)

10*^-

легкие

При необходимости (трези-

новатость)-оградитед^ная

сетка

10

устойчива К 5= I Бывалы и разруаеяия Крепкие язБесткяки.песча-

в виде отдельных куо-ники,мрамора,доломиты,пе-Цг'-10*® средней ков могут появиться счанкстые сланпы,крепкие прочнос-

(при отсутствии воды)алевролиты,аргиллиты не ти(поду-

через длительный срок кремнисто-глинистом пе- хрупкие)

после сроходки;сме'ле- менте,глинисто-карбонат-' аия порок затухаюкше, ном цементе.Обыкновенные-> до 25 мм. песчаники,алеЕролиты.иэ-

меневные известняки,брек-

легкие

■ Анкглавка кровли с оградительной сеткой и на-Орызгбетон

чии,сланцы.

1С16-1Э1Б

и> С

!

!

1 6

8

средней При полном закрепле- Песчанистые сланцы,слая-

устойчя- ' ния через 0,3мес.на- цевне песчаники,алевроли- '

вости О-1 К*Г чинает це$ормировать-ты,брекчия,сланцы. :ся крепь¡смещения пород затухающие в пре-Крегшие глинистые сланцы, ; делах 50-ЮСмм, глуби-нргиллят яа слхиисто-кар^-зн расслоения до 2-4 бонатном цементе. 10^-10^

метров. ■ '

среднее тяжести

вне) П

слабые (еязяо-

яе устой* При полном закрешге- Песчаяо-гдшшс*ые слаяцы,1о12-10^4ПЛас*ИЧ~

чава К -0 нии через 1мес.наблх>-очень мягкий измененный дается деформация кре—песчаник,мягкий сланец, пи.Незатухающие оме- мел,обыкновенный мергель, щеяия достигают 2С0- сцементированная галька, 400мм и более.Возмож-Еыветрвлые песчаяякл,глв-яо пучение почвы,ш-• нисто-углистые сланцы, валн,куполеняе.Глуби—алевролиты на глинистом на расслоения до 4-6 цементе,аргиллиты. 10^-Ю*3 м.Перекрепка через 4-6мес.

Анкерная крещ, крепь АП металлическая соответствуй! его профиля с качественной забутовкой, затяжи

тяжёлые

Методическое . кольцо,возмож-! но о анкеро- \ ваяием,хорошая забутовка, мес?; тами тампонах.1

! 7 !!

В

зесьма не готойчиБа К ■= О

Бывала а разрушения сразу за обнажением пород.Пучение почвы, надавливание пород в боках.кровле. Глубина расслоения пород до 12 метров. Незатухающие смещения до 500 мм.и более. Перекрепка через 3-4 месяца.

Шебенястый грунт,разру- 10 шеняый сланец,елеенвдался галька и щебень.Канен-ный уголь,бурый уголь. Глины,аргиллита,глинис то-угластыз сланцы.

да-ю12

очень I и очень слабые мень-тяжзлые (вязко- те пластичные)

Металическое кольцо' с там пояакеы закреп ного прострав-; ства на всем | протяжении. | При еозможнос—| ти - опережа- I шей тампона*.

го

получил поддерику, успешно внедрен и ваят на вооружение на нв'-вых шахтах (участках).

Результаты проведения комплексных исследований геомвхани-ческих процессов вокруг подготовительных выработок и детальный анализ о учетом классификации устойчивости горных пород, литолп-го-петрографического состава, корреляционных зависимостей, фи-аикс-механических и реологических свойств вмещающих пород, а такке уточнение отдельных деталей структурно-геологического строения месторождений, литолого-петрографического состава угленосных отложений позволили нам предположить возможность прогнозирования устойчивости горных пород. Оказалось, что о ■учетом знаний смежных наук практически все необходимые данные для прогноза определимы. ,

Одним из основных вопросов, которому посвящен настоящий раздел, является обоснование возможности прогнозирования устой- ■ чивости долгосрочных полевых выработок, расположенных вне зоны ; влияния очистных работ. Рассматриваются два используемых нами ' 1 метода на основе генетического подхода: фациально-формационный и структурно-литологический. В основу прогнозирования свойств угленосных формаций и связанных о ними пластов угля положен системный генетический анализ. Методологически он исходит из теоретической предпосылки о единстве развивающейся среды и порождаемыми ею массами полезных ископаемых. Главнейшей яадачой детальных прогнозных исследований является комплексное изучение месторождений. При этом условии, полученные в период разведки месторождения сведения могут быть использованы о максимальней полнотой как на этапе проектирования горно-добывающего предприятия, так и в период его многолетней яксплуатации. Конечный итогом исследования месторождения должен являться достоверный прогноз горно-геологических условий его отработки,-

В интересующем нас аспекте под горно-геологическими условиями понимается влияние всего комплекса совокупных факторов и явлений осадконакоплеиия и углеобразования, о учетом состава и свойств пород на поддержание подготовительных и очистных выработок и добычу полезного ископаемого. ' :

Сущнооть первого, фациально-формационного метода,, сводится к оледующему. По результатам разведочного бурения по буровым колонкам отстраиваются детальные фациольно-формационные профили

с выделением цикло-ритмов разреза. На следующем отапе такие детальные разрезы подразделяются на инженерно-геологические ярусы, которые в свою очередь - на горизонты, пачки, пласты и проч., отличающиеся своими свойствами. Главное же их отличие заключается в назначении при использовании в производстве горных работ: горизонты прочных пород, пригодные для прохождения выработок (например, план кори выветривания по палеозою или породи с труд-нообрушаемой кровлей и пр.). В качестве примера нами в работе приведена карта кровли пласта "Р" пахты 6/18 (Сулюктинское месторождение) с выделением с помощью изолиний изменения эффективной вязкости легко-, средне- и труднообрушаемой кровли.

Суирю»ть второго, сгруктурно-литологического метода, заключается з следующем. Составление прогнозных погоризонтних структурно-литалогических планов осуществляется преимущественно по материалам геологической документации буровых скважин и данных физико-моханичоиких :: реологических свойзтэ основных вмеоап-цих пород шахт Кыргызстана. Непременным условием для составления этих планов является высокое качество исходных материалов. Предложено "Методическое гу.:оводегво по составлению прогнозных структурно-литологических погоризонтных планов", на основе кото, poro отстроены для всех шахт Кыргызстана прогнозные планы дли 2-*3-х рабочих ¡i перспективных горизонтов. Некоторые из них приведены в качестве иллюстрации в диссертации. Проверка этих планов на объектах горними работами, путем их сопоставления с farf-vinecKoií ситуацией показала, что достоверность рисовки вполне достаточна для производственных потребностей. На шахте им. ВЛКСМ по предложенному прогнозному пегорнзоитному плану гор. ir)90 изменено первоначальное местоположение западного полевого штрека, г-н опушен в неизмененные породи палеозоя. Наработка устойчива вот уже н течение б леи Это решение позволило сэкономить ЗСО тыс.рублей.

Мзтодккл принята повседневному использованию и прогнозные структурно-литологические планы к внедрению.

Разработаны состав растворов и технология упрочнения для слабых горных пород: иорт.чнл-ц^.нентныУ, гкпео-певочнмх и магнезиальных. IIop¡ нанм-нененгиые рпстпорн и чяягичпо гчппе-песочнче внедрены и ироиэнолчгво,

Ги'^рромттйс.ччн р «':•«''• i s?4¡in ?i'ií<f.p-',B <; учетом гл/ачаи

разработки для условий вязко-пластических деформаций, характерных для вмещающих пород.

В целом внедрение разработанных рекомендаций на шахтах Кыргызстана позволило повысить безопасность горных работ, в 1,53 раза сократить расходы материала, предвидеть степень устойчивости пород и заранее планировать виды крепи, повысить производительность' труда в 1,5-2 раза и получить экономический эффект за эти годы 1,1 млн. рублей.

_ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано обобщение и решение крупной научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, 8аключающееся в реологическом обосновании рациональных способов поддержания подготовительных выработок на основе прогноза длительной устойчивости горных пород на угольных месторождениях Кыргызстана, обеспечивающих безремонтное содержание и снижение затрат на крепление.

Основные научные й практические результаты диссертационной работы заключаются в оледвщем:

I. Установлены состав, физико-механические и реологические свойства основных вмещающих пород угольных месторождений Кыргызстана - прочность, плотноотные свойства, пределы текучести, длительной прочности, эффективная вязкость пород.

Установлены корреляционные зависимости эффективной вязкости и прочностных характеристик от глубины залегания, пористости, процентного содержаний и состава цемента;

а) с ростом глубины Залегания прочность песчаников увеличивается до 1000 и, алевролитов до 860 м, далее практически не меняется; пористость пород уменьшается;

б) при карбонатном и кремнистом цементах прочность увели-чкваетоя; при базальном, глинистом или серицитовом - уменьшается;

в) крупнооть минеральных зерен не оказывает заметного влияния на изменение прочности на сжатие.

2« Выявлено,' что по прочностным характеристикам большинство вмещающих пород отнооитоя к категории очень слабых (6 сж -«35 МПа), слабых (35 МПа * 6 сж <60 МПа) и средней прочности

(6 сж=60~90 МПа); встречается и более прочные породы - песчаники и известняки палеозоя (6сж=90-120 МПа),. но они мало распространены и не характерны.

3; Установлены качественные и количественные показатели ползучести деформаций при одноосном сжатии (пределы текучести, длительной прочности и аффективная вязкость) различных по генезису и прочности горных пород. Выделенные группы пород - прочные, средней прочности и слабые, имеют резкие различия как по виду кривых ползучести и составляющих полной деформации, так и по величинам реологических параметров. Деформации ползучести составляют от условно-мгновенных: в прочных породах - единицы и первые десятки процентов; в породах средней прочности - первые десятки процентов, (такого же порядка значения остаточных деформаций); в слабых породах - от нескольких десятков до тысячи процентов, (остаточные деформации изменяются в тех же пределах).

Установлены парные корреляционные зависимости эффективной вязкости с прочностью, плотностью, статическим модулем упругости, скорость» продольных волн и тесные корреляционные зависимости между прочностными, упругими и деформационными свойствами пород,

5. Выявлено, что эффективная вязкость является основным критерием поведения пород около подготовительных выработок. В породах средней прочности с эффективной вязкостью Ю^-Ю^Па.о максимальные смещения контура выработки о арочной крзпью достигают 10~Б см. В слабых породах с эффективной вязкостью 10^-Ю12 Па.с смещения контура происходят за счет вязко-пластических деформаций самих пород и достигают 20-30 см за год и 3050 см за три года. В очень слабых породах с эффективной вязкостью менее 10^ Па.с смещения контура происходят эа счет интенсивных вязко-пластических деформаций самих пород, последующего их разрушения в выработку и составляют '«О—60 см за три-» ¡зесть месяцев.

6. Установлено, что время безремонтной эксплуатации выраг ботки определяется допустимой относительной деформацией крепи, которая выражается гиперболической зависимостью от эффективной вязкости.

7. Обоснована и разработана классификация уотойчиаости горних пород, включающая реологические особенности их ке-форми-

рования совместно с крепью,коэффициент устойчивости и макрохарактеристики горных пород - коэффициент эффективной вязкости,категории прочности и коэффициент крепости.Она позволяет с учётом петрографических признаков определять степень устойчивости выработок, условия их поддержания и выбирать оптимальный вид крепи.

8. Разработан метод прогноза устойчивости горных пород, основу которого составляет коэффициент эффективной вязкости, прочность пород и структурно-литологические особенности массива. Метод позволяет с высокой степенью надёжности прогнозировать устойчивость горных пород, начиная со стадии проектирования шахты.

9. Для условий угольных месторождений Кыргызстана установлено следующее:а) в породах средней крепости и слабых необходимо применять крепи с ограниченной податливостью для уменьшения зоны деформирования пород в выработку;

б) увеличение сечения выработки влечёт за собой увеличение зоны деформирования пород пропорционально росту сечения.При необходимости проведения выработок большого сечения наиболее эко-

^ номична и работоспособна анкерная крепь;

в) в особо тяжёлых условиях для обеспечения устойчивости выработок необходимо искуственное изменение режима работы применяемых видов крепи за счёт повышения прочности пород с почощью там-понажа-вакрепного пространства упрочняющими растворами:цементно-песочными,магнезиальными и гипсо-песочными.

10.Результаты исследований использованы институтом "Караганда-гипроаахт"для проектирования двух шахт;разработаны методические указания,технологические карты,которые используются на шахтах .

Рекомендации работы применяются также при составлении проектов отработки новых горизонтов и участков шахтных полей Кыргызстана и могут быть использованы при проектировании и эксплуатации других месторождений, а также в учебных процессах ВУЗов и техникумов. Внедрение результатов работы на шахтах Кыргызстана позволило получить экономический эффект 1,1 млн.рублей.

Основные положения диосертации опубликованы в следующих работах:

' Книги, брошюры:

1. К вопросу поддержания горных выработок на угольных месторождениях Киргизии (совместно с Таскаевнм З.В.Делеко Л.'Л.).-$рун эв:К ир ги зИНТИ, 1972.

2. Экспресс-метод прогнозирования устойчивости подготовительных выработок (совместно о Груздевым В.15., Лелеко '[.).-■

Фрунзе: ИЛЙМ, 1976.-С. 40.

3. Управление горным давлением на рудниках и шахтах Киргизии (совместно с И.Т.Айтматовым, К.Д.Вдовиным, м.К.Тарметчико-вым, Н.Г.Ялымовым).- Фрунзе: Илим, 1979,- 211 о.

Состояние и перспективы рационального использования угольных ресурсов Киргизия (олвместно с Секисовым Г.В., Гришиным В.Х, Бучневым В.Ф., Минаковым В.В.).- Фрунзе: КиргизИНТИ, 1987.- С. 58.

5. Реологические свойства горных пород и прогнозирование устойчивости подготовительных выработок (совместно с Фалалее-вым Т.Н. и Вазетдиновой Ф. 3.).- Фрунзе: Илим, 1984,- С. 76.

6. Обоснование прогноза устойчивости горных выработок угольных месторождений Киргизии,- Фрунзе: Илим, 1989,- С, 200,

7. Инженерно-геологическое прогнозирование устойчивости горных пород (совместно с Сидоровым A.A., Волжским Ю.А., Малышевой В.П., Ледеко А.И., Груздевым В.Н., Фалалеевым Г.Н.).-Бишкек: Илим, 1991.- С. 172.

Статьи:

8. Исследование реологических свойств горных пород угольных месторождения Киргизии // Исследование по механике горных пород,- Фрунзе: Илим, 1967.

9. Исследование неустановившегося горного давления в слабых горных породах месторождений Киргизия // Исследования по механике горных пород.- Фрунзе: Илим, 1968.

10. О возможности применения уравнения Кельвина-Фойгта

для описания ползучести горных пород (совместно о Аверииныи С.Г., Груздевым В.Н., .Ялымовым Н.Г.)// Материалы Всесоюзного симпозиума по проблемам реологии горных пород и релаксации в твердых телах,- Киев: Наукова думка, 1969.

11. Деформация твердых материалов при одноосном сжатии во времени (совместно с Ялымовым Н.Г.)// Материалы Всесоюзного симпозиума по проблемам реологии горных пород и релаксации в твердых телах.- Киев: Наукова думка, 1969.

12. Исследование устойчивости горизонтальных выработок а условиях шахт Киргизской ССР // Проблемы реологии горных пород.-Киев: Наукова думка, 1970.

13. Исследование деформируемости горных пород и угля з условиях шахт рудоуправления "Кызнл-Кияуголь" (совместно о 2е-» леко А.И.)// Повышение эффективности горных работ в К"ргизиа /

Тезисы докл.- Фрунзе: Илим, 1970.

14. О разработке экспресс-метода прогнозирования конвергенции стенок выработок и расчете паспортов крепления (совместно с Груздевым В.Н.)// Горное давление в капитальных и подготовительных выработках.-. Новосибирск, 1971.

Б. О разработке экспресс-метода прогнозирования конвергенции стенок выработок и о расчете паспортов крепления (совместно о Груздевым В.Н.)// Горное давление в капитальных и подготовительных выработках.- Новосибирск, 1971.- С. 54-62.

16. Самопишущий прибор, глубинные реперы к нему и методика омецений пород вокруг выработки (совместно о Молотниковым

B.Я. и Лелеко А.И.).- КиргизИНТИ, 1971.- Инф.листок * 6 (868).

17. Способ прогнозирования смещений стенок горных выработок (совместно с Груздевым В.Н., Лелеко А.И.).- Фрунзе: КиргизИНТИ, 1972.

18. О прогнозировании устойчивости выработок в условиях угольных месторождений Киргизии по данным геолого-разведочных работ (совместно о Сидоровым A.A., Комлевым В.М., Лелеко А;И.) // Доклады АН Узбекской ССР.- 'Аашкент: Фан, 1974.- С.. 4.

19. О возможности применения теории наследственности для описания реологических процессов, происходящих в слабых осадочных породах // Деформация массивов горных пород,- Фрунзе: Илим, 1975.- С. Iffi-115.

20« Исследование изменения структурных особенностей горных пород в условиях одноосного сжатия (совместно с Михайленко A.B.) // Деформация массивов горных пород.- Фрунзе: Илим, 1975.-

C. 116—122.

21. К вопросу поддержания подготовительных горных выработок Сулюктинского месторождения (совместно с Еремеевым' A.B., Михайленко A.B., Пшеновым A.B.) // Деформация массивов горных пород.- Фрунзе: Илии, 1975.- С. 155-162.

22« Определение вязкостных свойств консолидированных горных пород (совместно о Осокиной Д.Н., Михайленко A.B., Цветковой)// Напряженнее соотояние и прочность массивов горных пород. - fp/нм: Илим, 1977.- С. 127-144.

23« Реологические свойства горных пород и описание процессов полцгчест! на оонове дифференциальных связей деформаций О напряжениями (совместно с Михайленко A.B., Груздевым В.Н.)//