Особенности проходки большепролетной выработки в условиях сложного напряженно"деформированного состояния скального массива

Н.Н. Абрамов, к.т.н., старший научный сотрудник; Ю.А. Епимахов, д.т.н., зав. лабораторией, академик АГН; ФГБУН Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук (ГоИ КНЦ РАН)

Трасса тоннеля (большепролетной подземной выработки) сечением 50 м2 проложена через гору Юкспор, расположенную в Хибинском массиве нефелиновых сиенитов и ийолит-уртитов, с которыми связаны месторождения апатито-нефелиновых руд, разрабатываемых ОАО «Апатит». В геологическом отношении, массив представляет собой сложную многофазную щелочную интрузию центрального типа, приуроченную к региональному тектоническому разлому. Породы и руды имеют высокие показатели прочности и упругости.

К одному из основных геомеханических факторов, определяющих устойчивость подземных выработок и конструктивных элементов систем разработки на апатитовых рудниках, относится высокая тектоническая напряженность массива пород. Параметры поля напряжений нетронутого массива варьируют с глубиной от 20 до 70 МПа. Такая характерная особенность Хибинского массива потребовала комплексного подхода к оценке состояния массива при проходке Юкспорского тоннеля №2, предназначенного для пропуска однопутной железнодорожной линии промышленного транспорта руды ОАО «Апатит». Длина тоннеля – 2240 м, максимальная глубина заложения – 454 м. Напряженно-деформированное состояние массива, осложнено наличием тектонической составляющей, с азимутом 90°±30°, (от 45° до 100° к трассе тоннеля) и оцениваемой в 20–40 МПа. Тогда концентрация напряжений в кровле может достигнуть уровня 90 МПа, что равно 0,49 [σсж]. Согласно [1], это послужило основанием для отнесения условий проходки к «склонным» к горным ударам.090 2

Учитывая сказанное, комплексный подход к оценке состояния массива включал: опережающую сейсмотомографическую разведку по трассе тоннеля на стадии инженерных изысканий, оценку физико-механических свойств пород в лабораторных условиях по керну опережающих скважин, контроль параметров электромагнитной эмиссии в тоннеле, деформационный и реометрический контроль состояния приконтурного массива, оценку качества проходческих работ по величинам законтурных «переборов» породы. Акцент в настоящей статье сделан на исследования особенностей использования инструментальных методов контроля. Основная задача сейсмотомографической разведки заключалась в районировании массива пород по категориям нарушенности. Разработанная нами методика [2] сейсмической пространственновременной томографии массива с оценкой геофизических критериев нарушенности пород массива Ве=ƒ(Vp) и K=ƒ(Vs/Vp), (где Vp, Vs – продольная и поперечная скорости сейсмической волны в массиве), реализована при сейсмопрофилировании на прямых волнах по трассе тоннеля из параллельной выработки. При этом, использован комплект сейсмоаппаратуры «ЭллиссB3» и система сейсмической томографии XTomo. Фрагмент сейсмотомограммы распределения показателя нарушенности Ве по трассе тоннеля, представленный на рис. 1, наглядно иллюстрирует возможности районирования массива по категориям его нарушенности. Полученные данные использованы на стадии проектирования горных работ и, впоследствии, – для выбора участков деформационного контроля (УДК) массива и крепи тоннеля в процессе проходки.

Индикатором геодинамической активности массива служат структурные нарушения и разломы, секущие трассу тоннеля. Методика измерений деформаций по их берегам осуществлялась с помощью струнного дистометра ISETH фирмы Kern (Швейцария) на базах от 5 до 20 м. Точность шкалы измерения длин составляет 10–3 мм. Точность измерений с проволокой длиной до 20 м составляет ±2·10–2 мм.

Деформационные наблюдения выполнялись по реперам, размещенным в стенках вдоль трассы тоннеля на четырех участках, вмещающих зоны окисленных пород, участки тектонических разломов и зоны повышенной трещиноватости. Первый участок – реперы 1–5, размещены в припортальной части тоннеля. Второй участок – реперы 6–8 по берегам зоны трещиноватой зоны, и, наиболее неоднородная и протяженная в геологическом отношении зона третьего и четвертого участков – реперы 9–14. На рис. 2 приведены результаты измерений относительных деформаций за 9 месяцев наблюдений.090 3

Как видно из приведенных данных, за время наблюдений знакопеременный характер изменений деформаций зафиксирован в припортальной области тоннеля, реперы 1–5, где в большей мере сказывается преобладающее влияние на массив естественных природных процессов, имеющих знакопеременный характер. По мере роста глубины заложения от свободной поверхности при продвижении забоя, на деформационные процессы в большей мере начинают влиять геомеханические факторы при взаимодействии выработки и естественного поля напряжений. На неоднородностях массива происходит постепенная релаксация напряжений, которой предшествует появление сжимающих деформаций (полигоны 2–4).

В целом, динамика деформаций в период наблюдений носит затухающий характер. По результатам наблюдений, суммарная деформация массива с учетом величины периметра тоннеля, равного 32 м, составила 8,16 мм, что согласно рекомендациям СНиП [3], позволило отнести участок Юкспорского тоннеля к вполне устойчивому (I категория устойчивости).

Опасность динамических форм проявления горного давления прогнозировалась на структурно неоднородных участках проходки, тектонических нарушениях. Достаточно эффективно и оперативно мониторинг таких участков может выполняться с использованием методики вариационного контроля фона электромагнитной эмиссии пород (ЭМИ) [4]. Контроль ЭМИ массива в процессе проходки тоннеля осуществлялся радиоволновым регистратором напряженно-деформированного состояния РВИНДС. В процессе исследований было установлено, что минимизация влияния техногенных помех при регистрации импульсов ЭМИ в тоннеле обеспечивается совмещением диаграммы направленности антенны регистратора с волноводом электромагнитных импульсов полезного сигнала. Таким волноводом является само нарушение, соответственно максимальный эффект достигался при размещении антенны регистратора РВИНДСа, вдоль оси тоннеля (рис. 3).090 1

Рис. 3 Схема регистрации ЭМИ от структурного нарушения регистратором РВИНДС

При этом вводятся понятия: интенсивность излучения электромагнитных импульсов в источнике (аномалии) – количество импульсов в единицу времени и затухание (рассеяние) процесса излучения, объединенных функцией вида [4]: где: N– интенсивность ЭМИ в момент времени замера; N0 – характеристика источника (при t=0) излучения; b – коэффициент рассеяния, характеризующий динамику процесса.

При отсутствии динамики процесса, интенсивность в источнике N0=const, b=0. Нестационарность процесса излучения ЭМИ пород, выражающаяся в резкой изменчивости показателя b, на фоне роста интенсивности ЭМИ N0 в источнике, становится прогнозным признаком накопления энергии массивом, провоцирующим динамическое разрушение массива. Известна эмпирическая номограмма прогноза динамического разрушения массива [4] по этим параметрам с качественной оценкой «маловероятно-вероятно». Таким образом, данный метод можно считать лишь индикатором возможной динамической активизации массива. Но, несмотря на это, целесообразность его применения не вызывает сомнений. По результатам контроля параметров ЭМИ при проходке Юкспорского тоннеля, достаточно уверенно прогнозировались участки массива с повышенным электромагнитным фоном. Например, на рис. 4 приведены вариации фона интенсивности ЭМИ N0 и b на участке проходки тектонического нарушения.090 4

По величинам этих показателей по трассе тоннеля спрогнозирована вероятность проявлений горного давления только в виде отдельных небольших отслоений породы на контуре выработок, т.н. шелушение. Подобные явления и наблюдались на отдельных участках при проходке выработки. Более крупных проявлений выявлено не было.

Важной технологической задачей геомеханического мониторинга состояния массива является оценка качества буровзрывных работ в процессе проходки тоннеля. Такая оценка может быть выполнена используя методику [5], на основе предложенной трех уровневой шкалы: «удовлетворительно», «хорошо», «отлично». В основе критериев оценки лежат совместный анализ данных о величинах законтурных «переборов» породы, мощности нарушенной зоны массива от контура выработки (Н), а также требования СНиП [6] по предельным величинам переборов породы для тоннелей с учетом крепости пород по М.М. Протодьяконову и технические возможности современных проходческих установок. Для современных гидроперфораторов величина предельного «перебора» Х не превышает 0.1 м по всему периметру выработки. Она и определяет оценку «отлично». С оценкой «хорошо», принимаются требования СНиП [6], по предельным величинам «переборов» породы для тоннелей и с учетом крепости пород по проф. М.М. Протодьяконову (ƒ=12–20) Х=0,2 м.

Обычно, вся совокупность «переборов» характеризуется неоднородностью ее членов, выражающаяся в причинах ее возникновения, которых две: непосредственно техногенные и, «переборы», возникающие вследствие структурной неоднородности массива пород, приводящей к возникновению отдельных вывалов. Влияние последней определяется величинами, превышающими доверительный интервал выборки.

Для решения задачи оценки качества проходки Юкспорского тоннеля статистическому анализу фактических значений величин «переборов», предоставленных маркшейдерской службой предприятия СМУ-680, было подвергнуто 172 сечения с шагом «уходки», равным 3 м, в интервале пикетов ПК 1270-665м. Численные значения величин средних отклонений от проектного контура изменялись в диапазоне – 0,165–0,34 м, из которых при статистической обработке были исключены три случая «недоборов».

Результаты статистического анализа:

Выборка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0–0.34 м

Размер выборки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

Среднее значение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,142 м

Стандарт отклонения σ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,0595 м

Доверительный интервал . . . . . . . . . . . . . . . . . . ±0.011 м

(Хmin – Xmax) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.131–0.153 м

Расчеты выполнены для уровня значимости α=0,01, что соответствует доверительной вероятности 99%.

Таким образом, как показали результаты статистической обработки, можно считать, что «переборы», превышающие величины Хmax=0,153 м обусловлены структурой массива. На рис. 5 представлена гистограмма распределения величин «переборов» с учетом выполненного статистического анализа.090 5

Тогда, с оценкой «отлично» принимаются результаты проходки по величинам «переборов», попадающие в расчетный доверительный интервал, т.е. (0,131–0,153) м. С оценкой «хорошо» – при значениях переборов в интервале 0,153 м<Х0,20 м. С оценкой «удовлетворительно» – 0,2 м<Х-0,34 м. Верхняя граница последнего интервала принята исходя из анализа накопленного опыта в условиях проходки выработок с использованием контурных зарядов ЗКВК 26 ОАО «Апатит» и объектов строительства предприятия ФГУП УС-30 [3–4].

По результатам выполненного анализа качества БВР по величинам законтурных переборов, можно заключить, что проходка выполнена с оценкой «отлично» для 62% трассы тоннеля, с оценкой «хорошо» – 24% и с оценкой «удовлетворительно» – 14%. При оценке качества БВР при проходке тоннеля с позиций его устойчивости необходимо учитывать и параметры нарушенной зоны приконтурного массива, образованной в процессе проходки.

К числу наиболее простых и доступных инженерных методов контроля параметров нарушенной зоны приконтурного массива относится реометрический метод. В данном методе используются закономерности изменения параметров фильтрации сжатого воздуха через трещины в нарушенных массивах пород.

С помощью данного метода решаются задачи контроля устойчивости выработок при их проходке в сложных горно-геологических условиях. Результаты многочисленных наблюдений позволили обосновать количественный критерий устойчивости выработок в массивах скальных пород – мощность нарушенной зоны от контура выработки вглубь массива не должна превышать 0,4 м. Этот критерий можно распространить и на оценку качества БВР с отметкой «отлично». Как показывает многолетний опыт ведения реометрического мониторинга при проходке выработок, образование нарушенной зоны с мощностью превышающей 0,4–0,6 м от контура выработки, как правило, связано в большей степени со структурой массива и наблюдается на участках повышенно трещиноватых пород, участках тектонических нарушений, в окисленных зонах. Получаемые данные о мощности нарушенной зоны, таким образом, позволяют более адекватно выполнить оценку качества БВР на участках структурно нарушенных пород. На рис. 6 представлены результаты обработки данных измерений реометрическим методом в виде гистограммы распределения h на 35 наблюдательных станциях. Как видно из приведенных гистограмм, приконтурный массив Юкспорского тоннеля характеризуется наличием нарушенной зоны, мощность которой от контура выработки в 92% случаев не превышает величину 0,4 м, что характеризует массив в целом как вполне устойчивый.

Совместный анализ варьирования мощности нарушенной зоны приконтурного массива по трассе тоннеля, величин законтурных «переборов» и геологии по трассе тоннеля показал, что для участков по качеству проходки, оцененного как «удовлетворительное» (Х> 0,2 м), характерны повышенные значения величин h. Судя по полученным результатам совместной корреляции, становятся очевидны причины такой оценки – структурные нарушения массива, секущие трассу выработки.

Таким образом, внедрение комплексного подхода к оценке состояния массива позволила завершить проходку тоннеля высокими темпами (до 90 м в месяц) и безопасностью работ, что значительно повысило эффективность проходки большепролетной выработки в условиях сложного напряженнодеформированного состояния Хибинского массива.


Использованные источники:

1. Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам (Хибинские апатит-нефелиновые месторождения), Апатиты-Кировск, 2010, 116 с.

2. Мельников Н.Н., Епимахов Ю.А., Абрамов Н.Н. Научные основы интенсификации возведения большепролетных подземных сооружений в скальном массиве, – Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2008, -226с.

3. СНиП 11-94-80 – Подземные горные выработки, М., 1980

4. Абрамов Н.Н., Сайков С.А., Ардашкин В.А. Методические аспекты диагностики состояния массива вокруг подземных выработок комплексом геофизических методов. Сб.: Контроль состояния скального массива при долговременной эксплуатации крупногабаритных подземных сооружений. Апатиты, 1993, с. 30–41.

5. Епимахов Ю.А. Фокин В.А., Абрамчук В.П. Особенности оценки и управления качеством контурного взрывания при проходке большепролетных выработок в скальных породах. Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций, Информационно-издательский центр «ТИМР», №4, 1998, с. 3–6.

6. СНиП III-44-77 – Тоннели железнодорожные, автодорожные и гидротехнические. Метрополитены. М., 1977.

Ключевые слова: массива, выработки, состояния, большепролетной, проходки, мониторинг

Журнал "Горная Промышленность" №2 2013 стр.90