Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Обоснование эффективной технологии крепления глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях

Специальность

25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Плешко М.С.

Новочеркасск - 2010

Работа выполнена в Шахтинском институте (филиале) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Ягодкин Феликс Игнатьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Савин Игорь Ильич

доктор технических наук, профессор

Сергеев Сергей Валентинович

доктор технических наук, доцент

Привалов Александр Алексеевич

Ведущая организация - ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет», г. Москва.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В условиях глобальной мировой экономики одной из важнейших задач народного хозяйства Российской Федерации является сохранение ведущих позиций и дальнейшее эффективное развитие горнодобывающей отрасли, вносящей значительный вклад в валовой внутренний продукт страны.

Достаточно остро в настающее время стоит проблема энергобезопасности, решить которую невозможно без увеличения доли угля в выработке электроэнергии до показателей ведущих стан мира.

Все это вызывает необходимость разработки новых месторождений полезных ископаемых, а также реконструкции действующих горнодобывающих предприятий. Их вскрытие в большинстве случаев осуществляется вертикальными стволами различного назначения.

Средняя глубина сооружаемых вертикальных стволов в нашей стране составляет около 1000 м при максимальных значениях более 2 км. На их долю приходится около 30% стоимости и 50% общей продолжительности строительства шахты или рудника, при этом до 60% данных затрат связаны с креплением выработок. Анализ динамики развития технико-экономических показателей проходки и крепления вертикальных стволов в нашей стране показывает, что в течение последних 40 лет их существенного улучшения не наблюдается, несмотря на отдельные бесспорные практические и научно-технические достижения. Обусловлено это тем, что с переходом горных работ на большие глубины и ухудшением горно-геологических условий, проектная несущая способность крепи увеличена в среднем в 2 раза, затраты на материалы крепи выросли в 1,5 - 2,0 раза, трудоемкость - в 2 - 2,5 раза, а производительность труда уменьшилась в 1,3 - 1,8 раза. Несмотря на это более 50% эксплуатируемых глубоких вертикальных стволов имеют те или иные нарушения крепи, а безремонтный срок службы приствольных выработок нередко составляет 3 - 4 года, что является неприемлемым для капитальных горных выработок.

Помимо объективных горно-геологических предпосылок одной из причин низкой технико-экономической эффективности проходки, крепления и эксплуатации глубоких стволов является использование устоявшихся подходов при их проектировании и строительстве, не всегда адекватных меняющимся условиям. Они базируются на неполных исходных данных и устаревшей нормативной базе и характеризуются повсеместным применением совмещенной схемы проходки с последующим армированием, ограниченным набором решений по повышению несущей способности крепи, основанных на экстенсивных принципах, недостаточным учетом влияющих горнотехнических и технологических факторов.

Фундаментальные исследования последних лет в области геомеханики и геотехнологии позволяют утверждать, что качественное улучшение эффективности сооружения и эксплуатации глубоких стволов возможно при переходе к инновационным методам проектирования и строительства, предусматривающим выполнение системного анализа взаимодействия отдельных элементов геотехнических систем и активное внедрение передовых конструктивных и технологических решений на основе современных средств упрочнения массива, высокоэффективных материалов крепи, прогрессивных схем проходки и др.

Исходя из этого теоретическое обобщение и научное обоснование инновационных методов проектирования, конструктивных и технологических решений в области крепления глубоких вертикальных стволов, направленных на повышение технико-экономической эффективности строительства и эксплуатации выработок, является актуальной научно-технической проблемой. Решению этой проблемы, имеющей также важное практическое значение, посвящена настоящая диссертационная работа.

Диссертация выполнена в рамках темы НИР 17.05 «Исследование геомеханических процессов подземного пространства, влияние этих процессов на сопутствующие среды и земную поверхность», выполняемой в Шахтинском институте ЮРГТУ (НПИ) по заданию Федерального агентства по образованию, госбюджетной темы кафедры подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов П53-801 «Разработать средства и способы крепления и охраны горных выработок и обеспечения безопасности труда на горных и строящихся предприятиях», а также в рамках реализации программно-целевых мероприятий Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов, поддержанного Аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009 - 2010 гг.) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (государственный контракт 14.740.11.0427).

Цель работы: обоснование параметров эффективной технологии крепления глубоких вертикальных стволов на основе комплексного учета горнотехнических и технологических факторов, обеспечивающей снижение затрат при их строительстве и эксплуатации в сложных горно-геологических условиях.

Идея работы заключается в комплексном учете особенностей взаимодействия элементов системы «породный массив - технология - вертикальный ствол» на стадии строительства при обосновании управляющих воздействий по улучшению режима работы, повышению несущей способности и эксплуатационной надежности крепи глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований: анализ и обобщение научно-технических достижений по проблеме; вероятностно-статистический анализ; проведение лабораторных и шахтных экспериментов; аналитические исследования с использованием апробированных программных средств и с применением положений механики сплошной среды и механики подземных сооружений; технико-экономический анализ, опытно-промышленная проверка результатов исследований.

Защищаемые научные положения:

1. С увеличением скорости проходки ствола и интенсивности набора прочности бетона происходит снижение запаса несущей способности монолитной бетонной крепи, возведенной по совмещенной технологической схеме, по обратно пропорциональной зависимости, обусловленной уменьшением суммарной величины податливости крепи в раннем возрасте. Повысить несущую способность крепи на 20 - 25% можно путем увеличения отношения прочности бетона крепи к его модулю деформации в раннем и проектном возрасте за счет применения обоснованных составов бетона.

2. Обоснование параметров анкерно-бетонной крепи с учетом взаимного влияния и изменения в призабойной зоне ствола усилий в анкерах, жесткости бетонной крепи и напряжений в ней обеспечивает равномерность загружения ее конструктивных элементов и повышает технико-экономическую эффективность применения крепи.

3. При проходке глубоких стволов в неустойчивых породах по параллельной схеме с отставанием возведения монолитной бетонной крепи от забоя на 15 - 25 м необходимые параметры анкерного упрочнения определяются размером зон разрушения и сниженной прочности обнаженных пород призабойного участка в сечении на высоте 2,0 - 2,5 радиусов ствола вчерне.

4. Влияние породного слоя ограниченной мощности с низкими физико-механическими характеристиками на крепь ствола заключается в многократном увеличении нормальных тангенциальных напряжений, возникновении асимметрии напряжений по высоте и диаметру оболочки крепи, нелинейно возрастающей при увеличении угла залегания слоя с 0 до 25⁰ с достижением максимума при б=25 - 30⁰. Для компенсирования этого влияния целесообразно комбинированное опережающее и последующее упрочнение «слабого» слоя, а также примыкающих более прочных пород на высоту h =1,5m(1+sinб), где m - мощность «слабого» слоя.

5. При строительстве приствольных выработок в крепи на определенных участках ствола формируется отличное от периода эксплуатации напряженно-деформированное состояние, характеризуемое скачкообразным и нелинейным ростом напряжений и деформаций по мере проходки, возникновением асимметрии нагрузок на крепь со смещающимся пиком интенсивности. Закономерности его изменения являются исходной базой для обоснования управляющих воздействий по повышению эффективности крепления стволов в данной зоне.

6. Реализация системы управляющих воздействий, предусматривающей применение: обоснованной последовательности ввода элементов крепи в работу; материалов крепи, адекватных технологии работ и влияющим горнотехническим факторам; опережающего и последующего анкерного упрочнения; комбинированной крепи жесткой и ограниченно податливой конструкции позволяет обеспечить необходимую эксплуатационную надежность крепи глубоких стволов при снижении затрат в 1,3 - 1,7 раз.

Научное значение и новизна работы заключается в следующем:

1. Доказано, что изменение суммарной податливости монолитной бетонной крепи в раннем возрасте на основе учета прочностных и деформационных свойств бетона, а также параметров технологии работ позволяет увеличить запас несущей способности крепи, возведенной по совмещенной технологической схеме.

2. Установлены закономерности формирования напряженно-деформированного состояния анкерно-бетонной крепи в призабойной зоне ствола при совмещенной схеме проходки и получены новые зависимости, учитывающие изменение и взаимное влияние усилий в анкерах, жесткости бетонной крепи и интенсивности напряжений в ней.

3. Обоснованы параметры упрочняющей анкерной крепи при параллельной схеме проходки глубоких стволов в неустойчивых породах, учитывающие изменение напряжений в породах призабойного участка в случае образования в околоствольном массиве зон разрушения и сниженной прочности.

4. Выявлены закономерности влияния породного слоя ограниченной мощности с низкими физико-механическими характеристиками на напряженно-деформированное состояние крепи и вмещающих «слабый» слой пород по мере его поэтапного обнажения в призабойной зоне ствола, учитывающие мощность, угол залегания слоя, а также соотношение модулей деформации контактирующих пород.

5. Определены закономерности динамики изменения напряженно-деформированного состояния крепи ствола в характерных зонах влияния приствольных выработок в период их строительства, отличающиеся комплексным учетом технологии работ и пространственных геометрических параметров подземных сооружений.

6. Дано аналитическое решение задачи по анализу взаимодействия анкерно-бетонной крепи с породным массивом на протяженном участке ствола, позволяющее определить величину напряжений и деформаций в произвольной точке сечения монолитной бетонной крепи при различных схемах установки и параметрах анкеров.

7. Разработан алгоритм выбора управляющих воздействий по повышению эффективности крепления глубоких стволов в сложных горно-геологических условиях, учитывающий параметры технологии работ и негативные горнотехнические факторы по каждому характерному участку ствола.

Обоснованность и достоверность научных положений, основных выводов и рекомендаций подтверждается статистически значимым объемом лабораторных и шахтных исследований, сочетанием теоретических и экспериментальных исследований с использованием апробированных методик и фундаментальных положений механики сплошной среды, механики подземных сооружений, теории вероятности, математической статистики с применением апробированных программных средств, удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования и экспериментальных исследований (расхождения не превышают 20%), высокими значениями коэффициентов корреляции полученных автором корреляционных зависимостей (0,87 - 0,93), положительными результатами проверки и внедрения в производство конструктивных и технологических решений в условиях строительства новых и реконструкции действующих горнодобывающих предприятий.

Практическая значимость работы заключается в разработке технических и технологических управляющих воздействий по повышению эффективности крепления глубоких вертикальных стволов при совмещенной и параллельной схемах проходки на обычных участках ствола, а также в характерных зонах влияния неоднородных пород и приствольных выработок, позволяющих обеспечить необходимую эксплуатационную надежность крепи при снижении затрат в 1,3 - 1,7 раз.

Их внедрение стало возможным за счет разработки эффективных составов бетона крепи стволов, адекватных конкретной технологии работ и влияющим горнотехническим факторам, обосновании параметров анкерной и комбинированной крепи жесткой и ограниченно податливой конструкции для различных условий применения, а также разработки шести технологических карт строительства глубоких вертикальных стволов, реализующих данные управляющие воздействия.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные результаты работы использованы ОАО «Наука и практика» при разработке следующей проектной документации: проекта крепления скипового ствола «Дарасунского» рудника; проекта реконструкции камер загрузочных устройств главного ствола «Узельгинского» рудника; проекта крепления вентиляционного ствола «Донского ГОКа». Результаты работы использованы ОАО «Шахта «Красноармейская Западная №1»» при разработке проектов крепления вертикальных стволов шахты.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на международных научных симпозиумах и конференциях: «Неделя горняка» (Москва, 2004 - 2010 гг.); «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (ДонНТУ, 2006 - 2008 г.); «Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород» (Восточно-Украинский национальный университет им. Даля, 2006 г.); «Проблемы горного дела и экологии горного производства» (г. Антрацит, 2007 - 2009 гг.), «Форум горняков» (Днепропетровск, 2007 г.); «Перспективные технологии добычи и использования углей Донбасса»

(ЮРГТУ (НПИ), 2009 г.); 53-58 научные конференции Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ) (г. Шахты, 2003 - 2010 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 70 научных работ, в том числе 2 монографии, 1 патент, 22 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников из 258 наименований и 2 приложений. Содержит 307 страниц машинописного текста, 176 рисунков и 52 таблицы.

Основное содержание работы

Развитие науки о креплении вертикальных стволов характеризуется несколькими основными периодами.

Основной особенностью первого этапа является рассмотрение горного давления пород в виде заданной статической нагрузки, для восприятия которой необходима установка той или иной конструкции крепи. Нагрузка при этом не зависит от величины деформаций массива, параметров крепи, способа проходки и технологии крепления. В рамках такого подхода разработан ряд гипотез, развитых в работах В.И. Белова, М.П. Бродского, А.Н. Динника, А.П. Максимова, Ю.А. Онищенко, Н.М. Покровского, М.М. Протодьяконова, П.М. Цимбаревича, Л.Д. Шевякова и др. Расчет крепи основывался на методах строительной механики.

Второй период характеризуется переходом к схеме «контактного взаимодействия крепи и массива», механизм которого существенно зависит от допускаемых этой крепью перемещений поверхности выработки и деформаций пород, при этом нагрузка на крепь может широко изменяться в одних и тех же условиях в зависимости от вида крепи и технологии крепления. Основы этой гипотезы заложены в работах Ф.А. Белаенко, Г.А. Крупенникова, К.В. Руппенейта, Г.Н. Савина и др. В дальнейшем на ее основе разработаны методические основы расчета крепи стволов (И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, А.А. Борисов, Б.А. Картозия, А.М. Козел, Г.И. Кравченко, О.В. Тимофеев, Н.Н. Фотиева и др.), а также методы оценки устойчивости породных массивов, вмещающих подземные сооружения (Б.З. Амусин, К.А. Ардашев, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, В.В. Виноградов, В.Т. Глушко, Ж.С. Ержанов, Б.А. Картозия, Ю.З. Заславский, А.А. Козел, Ю.М. Либерман, Г.Г. Литвинский, А.П. Максимов, А.Г. Протосеня, Н.Н. Фотиева, Г.С. Франкевич, И.Л. Черняк, А.Н. Шашенко и др.).

Получили распространение методы расчета анкерной крепи стволов, рассматривающие влияние анкеров на напряженно-деформированное состояние породного массива вблизи выработок (Р.Ю. Завьялов, Д.И. Колин, Г.И. Кравченко, М.Н. Степанян и др.). Однако, применительно к комбинированным анкерно-бетонным схемам крепления вертикальных стволов, эти методы нуждаются в дальнейшем совершенствовании.

На основании выполненных исследований основным видом расчета стало аналитическое решение плоской контактной задачи по взаимодействию системы «крепь - массив», на основе которого определялись необходимые параметры крепи. При строительстве стволов малой и средней глубины такой подход был вполне оправданным, однако с переходом горных работ на большие глубины произошло значительное усложнение условий строительства, увеличилось влияние неоднородности и реологических свойств пород, приствольных выработок, очистных работ и др. Каждый характерный участок глубокого ствола, по сути, стал представлять собой уникальную геотехническую систему, подверженную влиянию комплекса факторов.

Рассмотрение таких систем стало возможным с развитием компьютерной техники и появлением программных средств, реализующих те или иные математические методы. Их использование позволило перейти к новому, постоянно совершенствуемому, способу исследования геомеханических процессов вычислительному эксперименту, основанному на расчете серии вариантов при изменении влияющих параметров.

Постепенно стало меняться представление о назначении крепи выработок, от ее рассмотрения только в качестве грузонесущей конструкции, сопротивляющейся деформированию пород, к пониманию механизма взаимодействия системы «крепь - массив» и попыткам управления им.

Примерами реализации этой концепции являются: идея о поэтапном формировании многослойной конструкции крепи (Н.С. Булычев), создание крепи ствола переменного сопротивления (Ф.И. Ягодкин), комплексный метод тампонажа (Э.Я. Кипко и Ю.А. Полозов), крепь с локальным скользящим слоем и осадочными швами для зон влияния очистных работ (А.М. Козел), крепь с внутренней конструктивной податливостью (Ю.З. Заславский), Ново-Австрийский метод строительства (А. Бруннер, Л. фон Рабцевич, Л. Мюллер) и др.

Логичным продолжением этих идей стал предложенный в работах В.В. Левита переход к рассмотрению системы «крепь - регулятивный элемент - породный массив», где под понятием «регулятивный элемент» подразумевается комплекс мер по управлению деформированием массива и крепи, например, изменение конструкции крепи, тампонаж, включение дополнительных податливых элементов и др. В то же время влияние технологических факторов на эффективность взаимодействия предложенной системы осталось не рассмотренным.

Отметим, что реализация таких решений требовала качественно более полных исходных данных, а также знаний о процессах взаимодействия крепи и массива на различных стадиях строительства и эксплуатации ствола. В этой связи значительный интерес представляет концепция двухстадийного проектирования, выдвинутая К.А. Ардашевым, а также разработанная И.И. Савиным информационная система мониторинга состояния крепи в вертикальных шахтных стволах, но по ряду причин данные идеи не получили широкого распространения на практике.

В целом внедрение рассмотренных научных достижений позволило решить ряд задач, стоящих перед строительной геотехнологией, однако единый механизм управляющих воздействий по повышению эффективности крепления глубоких вертикальных стволов, основанный на тесной взаимосвязи конструкции, параметров крепи и технологии ее возведения, учете влияния комплекса горнотехнических и технологических факторов, создан не был.

В диссертации развивается подход к проектированию и строительству глубоких вертикальных стволов на основе рассмотрения системы «породный массив - технология - вертикальный ствол» (рис. 1), впервые предложенной, применительно к комплексу подземных сооружений, Б.А. Картозия.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Концепция проектирования и строительства глубоких вертикальных стволов

Областью применения концепции и разрабатываемых далее решений, выделенной на основе статистической обработки данных по проходкам современных стволов и анализа перспективных проектов, являются стволы глубиной 700 - 2000 м и более, сооружаемые в породах III - IV категории устойчивости по СНиП II9480 обычным способом или с применением тампонажа и цементации, за исключением наиболее сложных участков, где безальтернативными являются многослойные конструкции крепи на основе чугунных тюбингов.

Предлагаемая концепция проектирования совокупно объединяет взаимодействующие элементы, влияющие факторы и создает алгоритм по их наиболее полному учету при обосновании параметров эффективной технологии крепления вертикальных стволов. Она является методической предпосылкой в постановке цели, идеи, а также следующих основных задач исследования:

1. Выполнить комплексный анализ взаимодействия системы «породный массив - технология - вертикальный ствол» в условиях большого горного давления, однородных, неоднородных и склонных к ползучести пород, влияния приствольных выработок.

2. Обосновать управляющие воздействия по улучшению режима работы, повышению несущей способности и эксплуатационной надежности крепи глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях на основе комбинированных и поэтапно реализуемых конструктивных и технологических решений.

3. Получить аналитическое решение задачи по определению напряженно-деформированного состояния комбинированной крепи глубоких вертикальных стволов с учетом технологии ее возведения.

4. Произвести экспериментальное обоснование параметров конструктивных решений крепи глубоких вертикальных стволов для различных технологических схем строительства и условий эксплуатации и исследовать их работоспособность.

5. Разработать проектные и технологические основы для реализации управляющих воздействий по повышению эффективности крепления глубоких вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях.

6. Выполнить оценку технико-экономической эффективности разработок по результатам шахтной апробации и внедрения в практику.

Наиболее адекватное исследование системы «породный массив - технология - вертикальный ствол» возможно в рамках математической модели призабойной зоны ствола, в которой протекают интенсивные геомеханические процессы деформирования крепи и массива, а также максимально полно проявляются технологические отличия схем проходки стволов. Учитывая сложность задачи, для проведения исследований использован программный комплекс «Лира-Windows-9.4», реализующий метод конечных элементов. С его помощью разработана объемная, нелинейно деформируемая модель призабойной зоны ствола и выделен ряд расчетных случаев, отличающихся исходными горнотехническими и технологическими предпосылками.

На первом этапе рассмотрена совмещенная схема проходки с монолитной бетонной крепью, получившая наибольшее распространение в России в настоящее время. Математическая модель позволяет учесть стадию твердения крепи в призабойной зоне ствола, характеризующуюся изменением прочностных и деформационных свойств бетона во времени и по высоте ствола.

Исследования показывают, что изменение отношения между средним модулем деформации бетона крепи в раннем (1 - 7 сут.) и проектном возрасте оказывает существенное влияние на окончательную величину напряжений в ней после удаления забоя ствола и стабилизации процесса деформирования крепи и массива. Установлена близкая к обратно пропорциональной зависимость запаса несущей способности монолитной бетонной крепи, определяемого как отношение расчетной прочности бетона к максимальным нормальным тангенциальным напряжениям в крепи, от величины E_ср(1-7)/E₂₈, характеризующей жесткость крепи в раннем возрасте.

Параметр E_ср(1-7)/E₂₈ в свою очередь возрастает при увеличении скорости проходки ствола. Это обусловлено необходимостью применения быстротвердеющих бетонов, позволяющих выполнить распалубку заходки в короткие сроки. При четкой цикличной организации работ зависимость отношения E_ср(1-7)/E₂₈ от скорости проходки и скорости твердения бетона имеет линейный характер. Этот технологический фактор негативно сказывается на области применения крепи в условиях интенсификации строительства.

Учитывая сложность определения на практике величины E_{ср (1-7)}/E₂₈, на основании обработки данных для учета жесткости крепи в раннем возрасте предложен коэффициент вида:

где t - толщина крепи, м; D_ств - диаметр ствола в свету, м; E₇ - модуль деформации бетона в возрасте 7 сут.; E₂₈ - модуль деформации бетона в проектном возрасте.

Величина коэффициента корреляции составляет 0,93.

Коэффициент k_B можно использовать в качестве дополнительного множителя к коэффициенту ^*, учитывающему отставание возведения постоянной крепи от забоя, при определении нагрузок на крепь по методу контактного взаимодействия с массивом в рамках плоской задачи при следующих исходных параметрах: t = 0,25 - 0,5 м; D_ств=6,0 - 8,0 м, Е₇/Е₂₈=0,4 - 0,8.

На рис. 2 представлены графики, характеризующие расчетную область применения крепи ствола в виде максимальной глубины при определенном модуле сдвига вмещающих пород с учетом значений коэффициента k_B.



Рис. 2. Максимальная область применения монолитной бетонной крепи толщиной 250 мм, класс бетона В15, в стволе диаметром 6 м при различной величине коэффициента k_B

С учетом установленных закономерностей эффективным управляющим воздействием по увеличению несущей способности монолитной бетонной крепи, не требующим существенного изменения базовой технологии крепления, является увеличение отношения прочности бетона к его модулю деформации в раннем и проектном возрасте. Это позволит обеспечить большую податливость крепи при необходимом запасе прочности и компенсировать выявленное негативное влияние технологических факторов. Исследования показывают, что путем оптимизации отношения R/E запас несущей способности крепи можно увеличить в 1,18 - 1,26 раз при неизменном классе бетона и толщине крепи.

При недостаточности этих значений в сложных горно-геологических условиях необходимо применение дополнительных конструктивных решений. На основе анализа отечественного и зарубежного опыта строительства стволов в рамках разработанной концепции предлагается широкое применение анкерной крепи, которая рассматривается с нескольких позиций:

- как средство упрочнения массива, а в ряде случаев и самой крепи;

- как регулятивный элемент, позволяющий улучшить взаимодействие крепи и породного массива на стадии строительства и эксплуатации ствола;

- как часть комбинированной крепи, направленной на повышение эффективности технологической схемы крепления.

Таким образом, анкерная крепь способна оказывать влияние на все элементы рассматриваемой системы, особенности их взаимодействия и полностью отвечает понятию «управляющее воздействие».

При совмещенной схеме проходки в призабойной зоне ствола формируется комбинированная анкерно-бетонная конструкция, характеризующаяся постепенным увеличением растягивающих усилий в анкерах и напряжений в бетонной крепи. Величина усилий в анкерах зависит от следующих основных факторов: глубины и диаметра ствола, модуля сдвига окружающих пород, плотности их установки. Также установлены обратно пропорциональные зависимости величины усилий в анкерах от параметров, определяющих жесткость монолитной бетонной крепи: толщины и среднего модуля деформации бетона в раннем возрасте. С учетом влияния этих факторов получены выражения, позволяющие прогнозировать максимальную величину усилий в анкерах, приобретаемую в процессе совместного деформирования с бетонной крепью и породным массивом в призабойной зоне. Так, для анкеров, изготовленных из арматурной стали А-300, с полной заделкой стержня в скважине зависимость имеет вид

где К_F - коэффициент натяжения анкера (в долях от расчетной несущей способности); G - модуль сдвига пород, МПа?10³; г - объемный вес вышележащей толщи пород, МН; Н - расчетная глубина ствола с учетом коэффициента отличия напряженного состояния массива горных пород по сравнению с обычным, м; Р - плотность установки анкеров, анк./м². Выражение справедливо при плотности установки анкеров 0,5 - 2 анк./м² и их длине 1,5 - 3 м. Коэффициент корреляции составляет 0,87.

За счет приобретаемого анкерами натяжения происходит компенсирование нормальных тангенциальных напряжений в бетоне крепи. Установлены нелинейные зависимости напряжений от длины анкеров, плотности их установки, а также величины усилий в анкерах. Выявленная взаимосвязь между величиной усилий в анкерах, жесткостью бетонной крепи и интенсивностью напряжений в ней свидетельствует о необходимости оптимизации параметров анкерно-бетонной крепи, направленной на обеспечение равномерного режима загружения ее элементов. Тем самым достигается максимальный запас несущей способности крепи при минимальных затратах.

Исследования показывают, что более эффективное включение в работу анкеров и некоторая разгрузка бетонной крепи обеспечиваются при отставании возведения монолитной бетонной крепи от установки анкеров на одну заходку. При реализации такой последовательности рекомендуемые параметры комбинированной крепи могут быть приняты по табл. 1.

Таблица 1

Рекомендуемые параметры анкерно-бетонной крепи

Класс бетона крепи	Толщина крепи, мм	Диаметр анкеров, мм	Класс арматурной стали	Расчетная несущая способность, кН
В15	250	16 - 18 мм	А300	56 - 71
В15	300	18 - 20 мм	А300	71 - 88
В20	250	16 - 18 мм	А400	73 - 93
В20	300	20 - 22 мм	А300	88 - 106
В25	250	18 - 20 мм	А400	93 - 115
В25	300	22 - 25 мм	А300	106 - 137
В30	250	20 - 22 мм	А400	115 - 139
В30	300	22 - 25 мм	А400	139 - 179

Окончательные характеристики анкерно-бетонной крепи, в частности длина анкеров и плотность их установки определяются с учетом длительного взаимодействия комбинированной конструкции с породным массивом на протяженном участке ствола.

Более широкие возможности по реализации предложенной концепции проектирования и строительства глубоких вертикальных стволов в части проведения инженерно-геологического мониторинга и оперативного управления технологией крепления создаются при переходе на параллельную схему работ, которая характеризуется отставанием постоянной крепи от забоя ствола на величину h_отс = 15 - 25 м. При этом обеспечение данных значений h_отс может рассматриваться в качестве технологического управляющего воздействия по улучшению режима работы крепи, нуждающегося в сложных горно-геологических условиях в комплексном обосновании.

На основе поэтапного исследования процесса нелинейного деформирования модели призабойной зоны получен массив значений эквивалентных напряжений в обнаженных породах, окружающих ствол, определенных в соответствии с критерием прочности Кулона-Мора, найдены размеры зон вероятного разрушения и сниженной прочности пород, выполнена оценка их влияния на окончательную картину напряженно-деформированного состояния массива.

Установлено, что при параллельной схеме по мере ухудшения горно-геологических условий, прежде всего, возникает опасность разрушения окружающего приконтурного массива с последующим вывалообразованием или развитие интенсивных неупругих деформаций, нарушающих технологию крепления ствола. Участок обнаженных пород можно разделить на три основные зоны: активного влияния забоя высотой порядка одного радиуса ствола, основного протяженного участка и зоны влияния выше возведенной крепи ствола, высотой порядка 1 м. На протяженном участке наступает стабилизация эквивалентных напряжений, при этом образование зоны разрушения приводит к увеличению их интенсивности в породах, контактирующих с разрушенной зоной, по всей длине участка.

В качестве критического можно выделить сечение на высоте 2 - 2,5 радиусов ствола вчерне от забоя, в котором при проходке в первую очередь возникают максимальные эквивалентные напряжения и зоны разрушения пород. Их величины определяет область применения параллельной схемы и параметры упрочнения пород, при этом изменение отставания монолитной бетонной крепи от забоя ствола в диапазоне 15 - 25 м не оказывает существенного влияния на процесс формирования напряженно-деформированного состояния пород в выявленном критическом сечении.

По результатам обработки данных обоснованы необходимые параметры анкерной крепи для упрочнения неустойчивых пород призабойной зоны в виде размера зоны и коэффициента упрочнения для стволов разного диаметра. В графическом виде для стволов диаметром 7,0 м они приведены на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Необходимые размеры зон упрочнения пород призабойной зоны вокруг ствола диаметром 7,0 м в различных условиях

Рис. 4. Значения коэффициента упрочнения пород при D_ств=7,0 м

При параллельной схеме проходки стволов конструктивные параметры упрочняющей анкерной крепи также зависят от склонности пород к ползучести. На основании аналитического исследования с использованием теории линейной наследственной ползучести установлено, что область применения анкеров жесткой конструкции, характеризуемая максимальной глубиной ствола, в аргиллитах соответственно в 1,1 и в 1,6 раз меньше чем в алевролитах и песчаниках. Для ее увеличения целесообразно применение анкеров с ограниченной податливостью, позволяющей снизить усилия в анкерах пропорционально ее величине.

Существенное влияние на установленные выше закономерности оказывает неоднородность пород, окружающих ствол. В качестве наиболее распространенного в условиях Донбасса выделен расчетный случай по взаимодействию крепи с достаточно прочным массивом, содержащим породный слой ограниченной мощности с низкими физико-механическими характеристиками.

При проходке ствола по совмещенной схеме поэтапно формируются три характерных положения «слабого» слоя в призабойной зоне: 1 - забой ствола примыкает к верхней грани «слабого» слоя; 2 - «слабый» слой или его часть располагается между плоскостью забоя и нижней гранью крепи; 3 - «слабый» слой непосредственно контактирует с крепью ствола.

Результаты исследований показывают, что в положении 1 «слабый» слой не оказывает значительного влияния на напряженно-деформированное состояние монолитной бетонной крепи независимо от его мощности, угла залегания и других параметров.

В положении 2 возможно увеличение интенсивности напряжений в крепи в 1,5 - 2 раза и более, нелинейно возрастающее с увеличением мощности слоя и уменьшением расстояния от него до нижней грани бетонной крепи.

В случае непосредственного контакта крепи со «слабым» слоем увеличение интенсивности напряжений может достигать 7-10 - кратных значений и определяется мощностью «слабого» слоя и отношением модулей сдвига основных пород и «слабого» слоя. Изменение угла залегания слоя не приводит к росту максимальных напряжений в крепи, однако в ней возникает значительная асимметрия главных тангенциальных напряжений с образованием локальных зон концентраций, а также увеличиваются размеры участков крепи, в которых развиваются радиальные растягивающие напряжения. В диапазоне б=0 - 25⁰ коэффициент асимметрии напряжений в сечении крепи возрастает по гиперболической зависимости, с достижением максимума при величине б=25⁰ - 30⁰, с последующим выравниванием значений (рис. 5).



Рис. 5. Зависимость коэффициента асимметрии нормальных тангенциальных напряжений в крепи от угла залегания «слабого» слоя различной мощности

Полученные результаты свидетельствуют о необходимости опережающего упрочнения «слабого» слоя до его обнажения, а также контактирующих с ним участков более прочных пород и крепи ствола. Для реализации этого решения разработана схема комбинированного опережающего и последующего анкерного упрочнения. Рекомендуемое число рядов опережающей анкерной крепи при мощности «слабого» слоя m=1 - 3 м составляет 2 - 3 при длине 3 - 5 м, при мощности m=3 - 5 м соответственно 4 - 5 рядов при длине 5 - 7 м. Необходимый размер зон упрочнения примыкающих к «слабому» слою выше и ниже залегающих пород составляет h = 1,5m(1 + sinб). На данном участке также необходимо применение основной бетонной крепи с повышенными физико-механическими свойствами. Для наиболее сложных условий разработана комбинированная металлобетонная крепь с узлами податливости и поэтапным возведением.

Применительно к параллельной схеме проходки выполнена оценка влияния «слабого» слоя на напряженно-деформированное состояние основных пород призабойной зоны. Получено выражение, позволяющее определить относительное увеличение эквивалентных напряжений в породах в зоне влияния «слабого» слоя:

,

где k_G - коэффициент, определяемый из выражения

здесь G₀ - модуль сдвига основного массива пород, G_пл - модуль сдвига пород «слабого» слоя. Величина коэффициента корреляции составляет 0,87.

Одними из наиболее сложных при строительстве и эксплуатации является участки стволов в зоне влияния приствольных выработок. В рамках разработанной модели выполнено комплексное исследование участков сопряжений вспомогательных стволов и камер загрузочных комплексов главных стволов с учетом их пространственной геометрии и технологии строительства.

При строительстве сопряжений в контактирующей крепи ствола возникают несколько характерных зон их влияния: участки выше и ниже выработок, стенки ствола межу проемами сопряжений.

Процесс послойной рассечки сопряжений приводит к значительному росту интенсивности напряжений в крепи ствола выше кровли приствольных выработок. Уже после реализации первой заходки интенсивность эквивалентных напряжений возрастает в два и более раз с последующим увеличением по параболической зависимости. Стабилизация напряжений происходит при удалении забоя сопряжения от стенки ствола на 7,5 - 8 м.

Рассечка второго слоя сопряжения вызывает возобновление роста напряжений в крепи ствола. Количественная оценка этого процесса выполнена с помощью коэффициента где Д_э=_э' - _э, здесь _э' - величина максимальных эквивалентных напряжений в бетоне крепи выше приствольной выработки после рассечки второго слоя; _э - аналогичная величина после рассечки первого слоя.

Установлено, что при одинаковой высоте слоев рассечки сопряжения величина К_у.э нелинейно зависит от отношения h_сл/В, где h_сл - высота слоя, В - ширина приствольной выработки (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость коэффициента увеличения напряжений в крепи ствола над кровлей сопряжения от отношения h_сл/В

Из рис. 6 следует, что технологически оправданное уменьшение высоты слоев рассечки приствольных выработок позволяет обеспечить менее резкий процесс загрузки выше расположенной крепи ствола при проходке верхнего слоя сопряжения.

Напряженно-деформированное состояние крепи ствола ниже почвы сопряжений зависит от последовательности ведения работ. Значения коэффициента увеличения напряжений в крепи при рассечке приствольных выработок на закрепленном участке ствола в 1,3 - 1,5 раза выше, чем в случае возведения крепи после сооружения сопряжений и реализации основных вертикальных деформаций.

В крепи ствола между проемами двухстороннего сопряжения зависимость относительного увеличения напряжений от длины пройденной части приствольных выработок имеет гиперболический характер. Их суммарный рост по сравнению с обычным участком ствола достигает 100% и более.

На основе установленных закономерностей получен ряд расчетных выражений, позволяющих прогнозировать интенсивность напряжений в крепи ствола в зоне влияния сопряжений.

Еще более сложная геомеханическая ситуация возникает при строительстве загрузочного комплекса главного ствола. В соответствии с пространственной схемой участка и технологией работ выделены три основных расчетных случая: послойное прохождение камеры, примыкающей к стволу, сверху вниз (камера загрузочных устройств); проходка восстающей вертикальной или наклонной выработки (камера бункеров); сооружение горизонтальной выработки (камера опрокидывателя), непосредственно не примыкающей к стволу, но находящейся от него на небольшом расстоянии.

Влияние послойно сооружаемой камеры загрузочных устройств на крепь противоположной стенки ствола проявляется в увеличении нормальных тангенциальных напряжений в крепи по сравнению с обычным участком ствола на 14 - 24%, при этом интенсивность напряжений нелинейно возрастает при увеличении отношения В_к/D_ств, где В_к - ширина камеры, D_ств - диаметр ствола в свету.

При проходке камеры бункеров в крепи ствола, расположенной в зоне ее влияния, возникают горизонтальные и вертикальные деформации изгиба со смещающимся вслед за подвиганием забоя восстающей выработки пиком интенсивности. В результате происходит увеличение коэффициента асимметрии нагрузок на крепь в горизонтальной плоскости до значений 2,2 - 2,3, а вертикальной плоскости до значений 1,8 - 1,9. В каждый конкретный момент проходки определенное сечение ствола будет испытывать максимум негативного воздействия, характеризующегося увеличением асимметрии нагрузок на крепь, более значительного, чем при рассмотрении взаимодействия крепи ствола с готовым объектом.

При проведении горизонтальной приствольной выработки, непосредственно не примыкающей к стволу, в его крепи происходит увеличение нормальных вертикальных и тангенциальных напряжений с пиком интенсивности на высотной отметке кровли выработки. Влияние на относительное увеличение напряжений оказывает площадь выработки, расстояние между соседними гранями ствола и выработки, а также модуль сдвига пород. В результате обработки данных получена корреляционная зависимость для определения коэффициента увеличения эквивалентных напряжений вида

где S_вч - площадь поперечного сечения выработки, м²; t - расстояние между ближайшими контурами ствола и горизонтальной выработки, м; G - модуль сдвига пород, МПа·10³. Коэффициент корреляции составляет 0,91; зависимость справедлива при значениях S_вч=12 - 24 м², t = 3 - 10 м, G = (2 - 20)10³ МПа.

На основании полученных результатов выполнено обоснование управляющих воздействий по повышению эффективности крепления стволов в зонах влияния приствольных выработок, направленных на увеличение сопротивляемости крепи деформациям растяжения и изгиба, компенсирование нагрузок на крепь. Разработана схема поэтапного крепления рассматриваемых участков, предусматривающая предварительное анкерное упрочнение пород, установку металлической кольцевой крепи и возведение постоянной крепи с уточненными параметрами после сооружения приствольных выработок или окончания проходки ствола.

После реализации предлагаемых управляющих воздействий на стадии эксплуатации ствола во многих случаях с породным массивом будет взаимодействовать комбинированная, в частности анкерно-бетонная, конструкция крепи. Задача по анализу ее напряженно-деформированного состояния в соответствии с современными представлениями механики сплошных сред и механики подземных сооружений, решается в следующей постановке:

- массив пород рассматривается как весомая деформируемая среда, ослабленная выработкой;

- монолитная бетонная крепь рассматривается как часть среды с другими физико-механическими характеристиками;

- анкер испытывает продольные деформации, вызываемые смещением пород вследствие образования выработки, а воздействие анкера на массив заменяется эквивалентной системой сосредоточенных сил;

- выполняется условие равенства смещений точек закрепления анкера и соответствующих точек массива пород.

В соответствии с этими предпосылками рассмотрим алгоритм определения смещений в системе от действия сосредоточенной силы, являющийся частью общего решения задачи.

В произвольной точке области , имеющей координаты , под углом к действительной оси приложим сосредоточенную силу (рис. 7). Она обусловлена возникновением натяжения анкера и определяется с учетом технологии работ. В случае радиальной установки анкерного стержня направление силы нормально к контуру отверстия, следовательно .



Рис. 7. Расчетная схема для определения влияния анкера контактного типа на напряженно-деформированное состояние бетонной крепи и породного массива

Для переменной , характеризующей произвольную точку определения смещений, контур отверстия представляется единичной окружностью , а граница раздела двух сред окружностью , .

Введем новую переменную , тем самым определив конформное отображение области на область , причем точки внешнего контура кольца (точки границы раздела сред) отображаются на точки единичной окружности .

Для новой переменной комплексные потенциалы, характеризующие напряженно-деформированное состояние бесконечной плоскости от действия сосредоточенной силы, примут вид:



где , - проекции силы на действительную и мнимую оси соответственно;

; ; ; ; ;

; ;

;

с₀ - относительная полярная координата точки приложения сосредоточенной силы.

Вектор смещений выражается через комплексные потенциалы следующим образом:

,

где G - модуль сдвига.

Для определения поля смещений во всей области зададимся функцией перемещений в форме



где - голоморфная функция в кольце ; - голоморфная функция во внешности единичной окружности , причем в области , в области . При равенстве модулей упругости и коэффициентов поперечной деформации бетона и породного массива функции , всюду равны нулю.

Условие непрерывности смещений на границе раздела имеет вид

.

Обозначим точку единичной окружности через , тогда контурное условие будет иметь вид

,

где .

Из этого условия по интегральной формуле Коши определяем функции , следующим образом:



деформированный крепь бетонный анкер

Представим функцию следующим образом:

,

где

; ;

; ;

; ;

; ;

; ;

; ;

; ;

; .

Значение интегралов типа Коши от функций , в области обозначим через , а в области - через . Таким образом

Следовательно

Пользуясь правилами вычисления интегралов типа Коши, определим функции и , :

; ;

; ;

; ;

; ;

Таким образом, определено поле смещений от действия сосредоточенной силы, приложенной в произвольной точке области .

Разработанная методика позволяет определять параметры напряженно-деформированного состояния монолитной бетонной крепи в произвольной точке ее сечения с учетом схемы установки и характеристик анкеров. Пример результатов расчета нормальных тангенциальных напряжений в бетонной крепи при различной плотности установки анкеров в графическом виде представлен на рис. 8.



Рис. 8. Распределение нормальных тангенциальных напряжений от внутреннего к внешнему контуру бетонной крепи при различном расстоянии между анкерами в ряду, d_a:

1 - напряжения в незакрепленной выработке (при диаметре, равном диаметру ствола в свету); 2 - напряжения между продольными осями анкеров при d_a=1,5 м; 3 - то же при d_a=1,0 м; 4 - то же при d_a=0,5 м; 5 - напряжения на продольной оси анкера при d_a=1,5 м; 6 - то же при d_a=1,0 м; 7 - то же при d_a=0,5 м

Аналогичные расчеты выполнены при варьировании других параметров комбинированной крепи, на основании которых разработан ряд рекомендаций по их определению.

Обоснованная система управляющих воздействий по повышению эффективности крепления стволов предполагает применение составов бетонов крепи, адекватных принятой технологии работ и влияющим горнотехническим факторам.

...