Обеспечение безопасности устойчивости ствола при оттаивании ледопородного ограждения

технические НАУКИ

- Горное дело -

УДК 622.253.35 М.М. Иудин

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ УСТОЙЧИВОСТИ СТВОЛА ПРИ ОТТАИВАНИИ ЛЕДОПОРОДНОГО ОГРАЖДЕНИЯ

Рассмотрены условия возникновения технологических нарушений при естественном и искусственном оттаивании ледопород-ного ограждения вокруг вертикального ствола. Предложен ступенчато-возрастающий режим при искусственном способе оттаивании ледопородного ограждения. Выполнено обоснование этапов подачи горячего воздуха в ствол расчетами термонапряженного состояния крепи ствола.

Ключевые слова: вертикальный ствол, ледопородное ограждение, естественное и искусственное оттаивание, технологические нарушения, температурные напряжения, ступенчато-возрастающий режим.

При проведении вертикального ствола способом искусственного замораживания водоносных горизонтов надежная эксплуатация крепи вертикального ствола проверяется и обеспечивается только в случае полного оттаивания ледопородного ограждения, которое выполняется с целью нагружения крепи выработки напорным давлением со стороны водоносных пластов. Поэтому процессу оттаивания ледопородного ограждения вокруг вертикального ствола необходимо уделять должное внимание.

Системный анализ причин возникновения аварийных ситуаций при проведении вертикального ствола способом замораживания водоносных горизонтов в массиве горных пород сделала А.В. Кузина [1]. Она отметила следующие признаки аварийных ситуаций:

- шелушение и деформация стенок вертикального ствола;

- деформация и разрыв труб замораживающих колонок;

- преждевременное оттаивание ледопородного ограждения при незаконченной проходке водоносных горизонтов;

- прорыв в ствол подземных вод.

В методах нормативного проектирования способом замораживания, как правило, не учитываются возможные технологические нарушения и их последствия в виде аварийных ситуаций. Расчет параметров крепи вер-

ИУДИН Михаил Михайлович - к.т.н., профессор ГРФ ЯГУ.

E-mail: mmi_52@mail.ru

тикальных стволов выполняется без учета возникающих дополнительных нагрузок от воздействия предварительного замораживания осадочных пород и при оттаивании ледопородного ограждения [2]. Результаты натурных исследований [3] показывают, что на интенсивность нагружения крепи выработок оказывают влияние следующие факторы: тип замороженных пород; температура и влажность пород; глубина залегания. Также наблюдается температурная зависимость нагрузок на крепь при замораживании и оттаивании горных пород, что необходимо отразить в методах расчета крепи выработки. Кроме того, необходимо проверять параметры крепи ствола на воздействие при аварийном оттаивании ледопородного ограждения, вызванное разными технологическими причинами и нарушениями.

На основании возможных технологических нарушений при оттаивании ледопородного ограждения нами составлена следующая классификация (рис.). Оттаивание ледопородного ограждения может выполняться естественным или искусственным путем. Выбор способа оттаивания зависит от продолжительности строительства выработки и горно-геологических условий месторождения.

Работы, связанные с проведением и креплением выработки, начинаются после полной проверки гидроизоляции тюбинговой крепи ствола по истечении естественного оттаивания ледопородного ограждения, что занимает длительное время. Поэтому для интенсификации процесса оттаивания ледопородного ограждения на практике применяют искусственное оттаивание, позволяющее сократить сроки проверки.

Рис. Классификация технологических нарушений при оттаивании ледопородного ограждения

При строительстве вертикальных стволов способом замораживания искусственное оттаивание ледопород-ного ограждения осуществляется путем циркуляции подогретого рассола через замораживающие колонки и нагнетания в ствол вентиляторами подогретого воздуха с умеренными температурами, близкими к естественной температуре горных пород. Интенсификация процесса искусственного оттаивания ледопородного ограждения возможна путем подачи горячего воздуха с температурой 50-600С и циркуляции теплого рассола в замораживающих колонках.

Оттаивание ледопородного ограждения высокотемпературным источником тепла неизбежно приведет к значительным концентрациям температурных напряжений в многослойной конструкции крепи вертикального ствола. Поэтому необходимо рассчитать эти напряжения, чтобы определить возможность образования трещин и разрушение материала в многослойной крепи выработки от температурных напряжений

и деформаций при оттаивании ледопородного ограждения.

Для оценки допустимых градиентов температуры в многослойной крепи ствола по уровню возникающих термонапряжений рассматривается задача определения напряженно-деформированного состояния многослойной крепи ствола под действием оттаивающего ледопородного ограждения [4]. Данная задача определения термонапряжений после несложных преобразований сводится к решению линейного дифференциального уравнения 2-го порядка. Интегрированием этого уравнения выявляют вид аналитической функции распределения температурных напряжений. Постоянные коэффициенты интегрирования определяются из граничных условий и условий сопряжения между слоями крепи ствола.

Для рассматриваемой задачи граничные условия заключаются в равенстве радиальных термонапряжений с нулю на внутреннем контуре многослойной крепи, а на контактах сопряженных слоев соблюдается равенство с г.

Тогда составляющие термонапряженного состояния ьго слоя конструкции крепи будут определяться по формулам:

( ^ R <

О =

р - р-1 +

Еа

(1 - V, )• я; I

І Т,гф

я

У

я; - я;_1

+

р-1-

Егаг

(і V г У 2

і

Я-1

р - р-1 +

е а,

(1 -V ,)• я; яЦ

Еа

я' + р . + Е,а) 2 Г ТгаТ- - ЕаТі

V Г2 •>

я,

я,2 -я,- г-1 '

1 -V,

р =

Ьи + Ь2,

Р-1 +

Ь1, + Ь2,

р + О2гЬ2г - «1,Ь1, - С Р,_і_ 1 “Т

Ь1, + Ь2,

Таким образом, полученные выражения (1, 2) позволяют находить напряжения в разных слоях конструкции крепи вертикального ствола. Причем чем больше число неоднородных слоев, тем длиннее выглядят окончательные выражения. Для Еритера выполним расчет термонапряженного состоянші многослойной крепи вертикального ствола кимберлитового рудника, конструкция которого состоит из трех слоев: чугунных тюбингов, цементно-песчаного раствора и монолитного бетона. Четвертый слой представляет ледопородное ограждение.

Функцию распределения температуры в каждом слое примем в следуюыем виде:

я, - я

я = я =

1 г 1 г-1

1п я / я-1

- 1п г / я.

где сг, ое - радиальные и тангенциальные напряжения, МПа; Р. - контактные напряжения на границе ьго слоя, МПа; Е, V, а. - модуль упругости, МПа, коэффициент Пуассона, коэффициент линейного расширения материала ьго слоя; Т. - функция распределения температуры в мм слое; Я , Я. - внутренний и наружный радиусы мо слоя, м.

Значения контактных напряжений Р. следует определять из решения задачи о перемещении точек на контакте слоев конструкции. Из условия равенства радиальных перемещений на границе внутренних слоев получим систему алгебраических уравнений. Общее решение данной системы имеет вид:

Подставив функцию Т. в формулы (1), найдем выражения для расчета термонапряжений в трехслойной конструкции крепи при совместном взаимодействии с массивом горных пород в момент оттаивания ледопород-ного ограждения, которые ввиду громоздкости здесь не приводятся.

Примем следующие геометрические размеры многослойной крепи вертикального ствола: R0=2,75 м; R1=3,02 м; R2 =3,2 м; R3=3,6 м. В качестве расчетной примем толщину ледопородного ограждения, равную 6 м, что обеспечивает достаточную прочность при проведении ствола и защищает от воздействия водоносных горизонтов. Расчетные упругие свойства материалов крепи и пород ледопородного ограждения представлены в таблице 1.

Таблица 1

,

Упругие свойства материала крепи и ледопородного ограждения

где

Е,.а,.

(1 - v, )• я

2

І я г-1

Еі+1И і+1

(1 - V ,+, )• я

2

і+1 я

1 і+1

ІТ і+х^г;

С =

(+4^ і Т,Ыг (1 -V:)- я,я[,

= я^, .

1г я - я І-н) Е І ’

= я,я,2+і -

2г (яі!, - я;) Еі+і ’

Показатель Слой 1 Слой 2 Слой 3 Горные поро- ды

Коэффициент Пуассона, V 0,3 0,15 0,2 0,15

Модуль упругости, Е, МПа 0,85 105 0,2105 0,3105 0,5- 105

Коэффициент линейного расширения, а, 1/град. 110-5 110-5 1-10-5 0,510'5

Анализ распределения термонапряжений по толщине каждого слоя показывает, что максимальные тангенциальные напряжения возникают на контактах внутренних слоев конструкции крепи. Поэтому несущая способность По этой формуле путем составления и решения си- слоев крепи проверяется по условию прочности каждого стемы линейных уравнений нетрудно найти контактные слоя на их контактах: напряжения для любой многослойной конструкции крепи. ^0 — Япр ,

О г =

г

2І

где Япр - расчетное сопротивление сжатию материала крепи для чугунных тюбингов соответствует 160 МПа, для бетона - 18 МПа, для цементно-песчаного раствора

- 15 МПа.

После окончания активного процесса замораживания водоносных горизонтов среднюю температуру замороженной породы в зоне ледопородного ограждения примем равной -20оС, что вполне соответствует данным практического опыта проведения вертикальных стволов способом замораживания. Выполним расчет температурных напряжений в трехслойной крепи в случае искусственного оттаивания ледопородного ограждения путем подачи горячего воздуха в вертикальный ствол с температурой, равной 20, 40, 60оС (табл. 2).

Температурные напряжения в табл. 2 определены для случая раздельной подачи подогретого воздуха. Во всех вариантах значительные тангенциальные напряжения возникают в слое чугунных тюбингов, но, учитывая высокую прочность тюбингов, условие прочности соблюдается. В цементно-песчаном и бетонном слоях при температуре воздуха 60оС температурные напряжения значительно выше несущей способности этих материалов. Поэтому в данных слоях будут развиваться температурные трещины и образовываться зоны разрушения. Это может привести к возможности поступления воды в ствол или нарушению гидроизоляции тюбинговой крепи.

Таблица 2

Результаты расчета напряжений на границе слоев крепи, МПа

Температура воздуха, оС Напря- жение Радиус г, м

Слой 1 Слой 2 Слой 3

2,75 3,02 3,02 3,2 3,2 3,6

20 а г 0 -2,3 -2,3 -2,5 -2,5 -2,7

О» -30,1 -21,7 -5,8 -4,5 -5,7 -3,6

40 а г 0 -4,6 -4,6 -4,9 -4,9 -5,3

а* -60,2 -43,4 -11,3 -8,7 -10,7 -6,5

60 а г 0 -9,1 -9,1 -10,2 -10,2 -12,1

а, -109,1 -95,1 -29,6 -27,8 -29,5 -25,3

Для уменьшения концентрации температурных напряжений в бетонном и цементно-песчаном слое необходимо снизить температурный градиент в крепи; этого можно добиться применением ступенчато-возрастающего режима нагревания воздуха. Подачу горячего воздуха в ствол осуществляют в два этапа. На первом этапе подают горячий воздух с температурой 40оС, длительность подачи определяется временем выравнивания температуры на концах слоев крепи, что позволяет уменьшить темпе-

ратурный градиент. После окончания первого этапа начинают подавать горячий воздух с температурой 60оС и до конца оттаивания ледопородного ограждения поддерживают данный режим. При ступенчато-возрастающем режиме нагревания воздуха снижение концентрации температурных напряжений дополнительно произойдет и за счет температурной усадки бетона и цементно-песчаного раствора на первой ступени.

Расчет температурных напряжений при ступенчато-возрастающем режиме без учета температурной усадки бетона и раствора, что идет в запас прочности, показывает, что они не превосходят несущей способности бетона и цементно-песчаного раствора.

Проведенные расчеты показали, что сокращения времени искусственного оттаивания ледопородного ограждения по сравнению с естественным способом можно достичь, применяя комбинированный способ оттаивания, сущность которого заключается в следующем: одновременно подается нагретый рассол в замораживающие колонки и горячий воздух в вертикальный ствол. Оптимальная температура подогретого рассола составляет 250С и определяется температурными деформациями замораживающих колонок, чтобы не произошло разрыва замораживающих колонок. Время циркуляции нагретого рассола определяется временем полного оттаивания ле-допородного ограждения или временем стыковки фронтов фазового перехода, идущих от вертикального ствола и от скважин. По нашим расчетам это время составляет 20-25 суток, что в 3 раза сокращает продолжительность естественного оттаивания ледопородного ограждения.

Расчеты показывают, что одновременная подача в ствол воздуха с повышенной температурой (по сравнению с проектной) дает определенные преимущества в виде экономии времени на растепление ледопородного ограждения. Другим преимуществом такого мероприятия является быстрая возможность оценить герметичность крепи вертикального ствола по мере оттаивания ледопородного ограждения со стороны ствола.

Основные технологические нарушения в способе замораживания связаны с технологией бурения замораживающих скважин и самого процесса замораживания водоносных горизонтов. Обеспечение вертикальности скважин практически трудно выполнить в массиве горных пород: отклонение скважин носит многофакторный характер. Поэтому отклонение скважин может быть в пределах допустимых размеров или превышать заданные отклонения. В результате, в процессе замораживания горных пород имеем неравномерную толщину ледопо-родного ограждения по окружности вертикального ствола. Но в нормативных расчетах предполагается, что расчетная толщина ледопородного ограждения имеет одинаковую величину по сечению ствола. В такой ситуации по степени вероятности наступления технологических нарушений естественный способ оттаивания ледопород-ного ограждения является наиболее безопасным в плане

создания условий для аварийных ситуаций в выработке. Следовательно, фактическая неравномерность толщины ледопородного ограждения является причиной технологических нарушений при естественном и искусственном способах оттаивания ледопородного ограждения.

При естественном способе оттаивания практически невозможно управлять процессом разморозки ледопородного ограждения, и когда имеется значительная неравномерность по толщине ограждения, последствия технологических нарушений могут носить аварийный, разрушающий характер. Наоборот, при искусственном способе оттаивания имеется техническая возможность управлять процессом размораживания мерзлых пород. Тогда технологические нарушения можно предотвращать. Для этого необходимо уметь прогнозировать фактическую неравномерность толщины ледопородного ограждения, а параметрами искусственного оттаивания можно регулировать неравномерность нагружения крепи по сечению вертикального ствола. В этом случае искусственный способ является наиболее безопасным методом оттаивания ледопородного ограждения вокруг вертикального ствола.

Литература

1. Кузина А.В. Систематизация причин повреждений замораживающих колонок при строительстве глубоких вертикальных стволов с использованием метода искусственного замораживания // Горный информационно-аналитический бюллетень.

- 2006. - № 11. - С. 396-402.

2. Павлинов П.А., Саакян Р.О. Технико-экономическое обоснование технологической схемы проходки ствола, пройденного замораживанием, с креплением монолитным бетоном // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005.

- № 12. - С. 175-179.

3. Сергеев С.В., Казикаев Д.М., Климентов М.Н. Влияние горно-геологических условий на интенсивность нагружения крепи ствола в замороженных породах // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - № 1.

- С. 115-118.

4. Иудин М.М. Термонапряженное состояние многослойных конструкций крепи вертикального ствола области многолетней мерзлоты // Повышение эффективности освоения рудных месторождений Севера. - Якутск: ЯНЦ СО АН СССР. 1989. - С. 53-57.

M.M. Iudin

Safety provision of bore stability during defrosting of ice barrier

Conditions of technological breaches formation during the natural and artificial defrosting of ice barrier around the vertical bore are considered in the article. Stepwise increasing regime during the method of artificial defrosting of ice barrier is proposed. Use of supply of hot air in bore in stages was justified by calculation of thermostressed condition of bore shore.

Key words: vertical bore, ice barrier, natural and artificial defrosting, technological breaches, thermal tensions, stepwise increasing regime.

зо