Исследование влияния способа углубки вертикальных стволов на напряженно-деформированное состояние зумпфа

УДК 622.258

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СПОСОБА УГЛУБКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗУМПФА

А.Ю. Прокопов, М.В. Прокопова, К.Э. Ткачева

Приведены результаты исследований напряженно-деформированного состояния крепи зумпфа и массива пород при углубке ствола способом снизу вверх полным сечением. Выполнен сравнительный анализ полученных результатов с результатами уг-лубки ствола способом сверху вниз. Представлены рекомендации по определению способов усиления крепи зумпфа.

Ключевые слова: углубка, вертикальный ствол, зумпф, крепь, напряженно-деформированное состояние, моделирование.

Углубка вертикальных стволов характеризуется разнообразием схем производства работ. Выбор способа и схемы зависит от конкретных условий и имеет первостепенное значение. Предпочтение, как правило, отдается той технологии, при которой время и стоимость выполнения работ будут наименьшими.

Известно, что определяющими факторами при выборе схемы уг-лубки являются назначение углубляемого ствола при эксплуатации и подготовке нового горизонта, его сечение, величина шага углубки, приток воды, крепость пересекаемых пород, расположение стационарных сосудов в сечении ствола и их загрузка для эксплуатационных нужд, наличие свободной площади для размещения бадьевого подъема и проходческого оборудования для углубки, возможность размещения временной или использования постоянной подъемной машины, выполнение минимального объема работ по проведению вспомогательных выработок, сокращение затрат и сроков подготовительных работ. Но углубка стволов независимо от принятой технологии влечет изменение напряженно-деформированного состояния (НДС) массива пород и существующей крепи углубляемого ствола. Установлено, что при углубке способом сверху вниз в крепи зумпфа происходит увеличение напряжений и в некоторых случаях развитие пластических деформаций [1 - 3]. Кроме того, крепь зумпфа может иметь нарушения до выполнения работ по углубке ствола, а ремонтные работы требуют значительных финансовых и временных затрат [4, 5]. Поэтому исследование изменения НДС крепи зумпфа при углубке ствола различными способами и разработка на основании исследований конструктивных и технологических решений по креплению и усилению крепи зумпфов являются актуальными задачами [6].

Исследуем изменение НДС крепи зумпфа и пород в его окрестностях при углубке ствола способом снизу вверх полным сечением с возведением постоянной крепи вслед за подвиганием забоя и сравним с НДС крепи и пород зумпфа при углубке сверху вниз. Для этого используем в ПК «Лира» систему «Монтаж», позволяющую моделировать процесс уг-лубки с учетом изменения конструктивной схемы. Генерация монтажных событий показана на рис. 1. в виде последовательности расчетных схем, соответствующих поэтапному выполнению работ проходческого цикла по углубке: выемку массива пород на величину заходки, возведение крепи с учетом неполного набора прочности бетона и набор проектной прочности бетона закрепленного участка.

Рис. 1. Последовательность расчетных схем для моделирования

углубки способом снизу вверх

Последовательность содержит 10 схем, две из которых визуально аналогичны схемам 3 и 8, они моделируют неполный набор прочности бетона на соответствующей заходке цикла, и на рисунке не показаны. Учет неполного набора прочности также заложен в схемы 4 и 6.

К моделированию принят ствол диаметром в свету 6 м, толщина монолитной бетонной крепи 300 мм, высота участка зумпфа 4 м, величина заходки 3 м. Расчет производился для 3 классов бетона (В 15, В20 и В25) и 4 типов пород (песчаников, алевролитов, аргиллитов и углистых сланцев). Параметры углубляемого ствола и физико-механические и прочностные характеристики бетона и пород аналогичны принятым при моделировании углубки способом сверху вниз.

Моделирование поэтапного выполнения работ по углубке ствола осуществлялось путем удаления или добавления конечных элементов на соответствующем этапе выполнения работ: удаления элементов породного массива, вынимаемого при моделировании проходки ствола на величину заходки; добавления элементов, моделирующих возводимую крепь на пройденном на величину заходки участке; удаления элементов массива, вынимаемого на новой заходке, и т.д. При этом при моделировании процесса ведения горнопроходческих работ по углубке по мере приближения забоя с каждой заходкой проходческого цикла производилась оценка НДС крепи и пород зумпфа углубляемого ствола.

В результате расчета параметров НДС при углубке ствола способом снизу вверх установлено, что по мере приближения забоя напряжения в крепи зумпфа увеличиваются. Степень увеличения напряжений составляет: в крепких породах (песчаник) 100,3...101,2 %; в слабых породах (углистый сланец) 124,4.127,8 %; в алевролитах 105,6.108,1 %, в аргиллитах 110,9.114,1 %. При этом в более слабых породах отмечены наибольшие изменения напряжений в крепи зумпфа, а в более крепких - наименьшие. Аналогичная тенденция наблюдалась и при углубке сверху вниз. Во всех исследуемых случаях в массиве пород происходит снижение напряжений, тогда как при углубке сверху вниз в алевролитах наблюдалось увеличение напряжений. В таблице приведены относительные изменения максимальных и минимальных напряжений в крепи зумпфа и массиве пород при уг-лубке способами снизу вверх и сверху вниз.

На рис. 2 представлены графики, отражающие изменения максимальных напряжений в крепи зумпфа и массиве пород при углубке ствола способом снизу вверх.

Как видно из графиков, на 9-м событии монтажа (схема 8 на рис. 1), которое соответствует моделированию пройденного до конца участка углубляемого ствола при неполном наборе прочности бетона на последней заходке, наблюдается наибольшее увеличение напряжений в крепи зумпфа, связанное с перераспределением нагрузок на крепь после возведения крепи на последней, максимально приближенной к исследуемому участку заходке и вступлением ее в работу.

Сравнение с результатами углубки сверху вниз показало, что увеличение напряжений в крепи зумпфа при углубке снизу вверх меньше соответствующих увеличений при углубке сверху вниз на 0,6.2,2 % в крепких породах, на 1,9.2,2 % в алевролитах и на 1,7.2,1 % в аргиллитах. В слабых породах при моделировании крепи из бетона В15 разница составляет 0,3 % в пользу способа снизу вверх, при В25 увеличение напряжений больше на 0,2 % при углубке снизу вверх, при В20 увеличения напряжений одинаковы.

Таблица 1

Изменения максимальных напряжений в крепи зумпфа и массиве пород при углубке способом снизу вверх

Порода Способ углубки Увеличение максимальных напряжений в крепи / в массиве, %

сжимающих растягивающих

шт шах шт шах

1 2 3 4 5 6

В15

Песчаник сверху вниз 67,1 / 49,5 0,9 / -10 67,9 / 45,4 3,1/-10

снизу вверх 66,8 / 49,3 0,3 / -9,6 66,7 / 45,4 0 / -9,9

Алевролит сверху вниз 52,8 / 41,2 7,8 / 0,9 53,3 / 41,7 7,8 / 2,1

снизу вверх 52,3 / 40,9 5,6 / -0,3 52,7 / 41,7 5,7 / 0

1 2 3 4 5 6

Аргиллит сверху вниз 46,4 / 97,5 13 / -10,3 46,5 / 100 13,3 / -11,1

снизу вверх 45,8 / 97,5 10,9 / -9,9 46 / 100 10,8 / -11,1

Углистый сланец сверху вниз 15,7 / 0 24,7 / -2 15,9 / 0 24,5 / 0

снизу вверх 15,4 / -40 24,4 / -1,7 15,8 / 0 24,1 / 0

В20

Песчаник сверху вниз 65,4 / 52,7 2,1 /-9,4 65,6 / 54,5 2,7 / -6,9

снизу вверх 65 / 52,7 0,8 / -9,1 64,5 / 54,5 0 / -6,8

Алевролит сверху вниз 50,7 / 44,6 9,1 / 0,9 50,6 / 45,8 9,5 / 0

снизу вверх 50,2 / 44,2 7 / -0,3 50 / 45,8 6,9 / -2,2

Аргиллит сверху вниз 43 / 93,2 14,7 / -9 43 / 91,7 14,6 / -9,1

снизу вверх 42,4 / 92,8 12,8 / -8,6 42,5 / 90,9 12,4 / -9,1

1 2 3 4 5 6

Углистый сланец сверху вниз 10,3 / -91,7 26,5 / -1,3 10,2 / -100 26,4 / 0

снизу вверх 10,1 / -83,3 26,5 / -1,3 10,2 / -100 26,4 / 0

В25

Песчаник сверху вниз 64 / 54,1 3,4 / -8,8 65,7 / 54,5 2,4 / -6,9

снизу вверх 63,6 / 54,1 1,2 / -8,4 64,7 / 54,5 0/-6,8

Алевролит сверху вниз 49,3 / 47,7 10 / 0,6 49,5 / 50 9,6 / 0

снизу вверх 48,7 / 47,4 8,1 / -0,3 48,9 / 50 8 / 0

Аргиллит сверху вниз 40,6 / 87,7 15,8 / -8,1 40,6 / 90 15,5 / -9,1

снизу вверх 40 / 87 14,1 / -7,7 39,7 / 88,9 14/-9,1

Углистый сланец сверху вниз 6,9 / 12,5 27,6 / -1 6,4 / 100 27,5 / 0

снизу вверх 6,8 / 12,5 27,8 / -1 6,4 / 100 27,8 / 0

а

б

Рис. 2. Изменение напряжений в крепи и массиве пород (при моделировании крепи из бетона В15) на каждом этапе выполнения работ по углубке способом снизу вверх: а - в крепи зумпфа; б - в массиве пород: 1 - песчаник; 2 - алевролит; 3 - аргиллит;

4 - углистый сланец Сравнительный анализ максимальных напряжений в крепи зумпфа после углубки способами снизу вверх и сверху вниз при моделировании крепи из бетона В15 наглядно изображен на рис. 3.

В результате проведенных исследований найдена зависимость максимальных напряжений в крепи зумпфа от модуля деформации бетона и пород при углубке ствола снизу вверх (рис. 4):

g = 0,05Еб - 0,07Еп +1,84.

При вскрытии новых горизонтов углубкой действующих стволов следует учитывать влияние принятого способа углубки на крепь зумп-фа.Углубка оказывает влияние на условия работы крепи зумпфа, и это влияние должно учитываться при расчете ее параметров на этапе проектирования.

Поскольку еще до проведения работ по углубке в крепи зумпфа могут возникать повышенные напряжения, в частности, после откачивания воды из зумпфового водосборника, в зависимости от степени увеличения напряжений в период эксплуатации и ожидаемых увеличений напряжений

после углубки наиболее целесообразно в качестве крепи использовать железобетонные блоки с внешними вертикальными выступами с заполнением закрепного пространства податливым материалом [7 - 10].

Песчаник Алевролит

Рис. 3. Сравнение максимальных напряжений в крепи зумпфа

при углубке ствола способами снизу вверх и сверху вниз: --углубка снизу вверх;------- углубка сверху вниз

Рис. 4. Зависимость максимальных напряжений в крепи зумпфа от модуля деформации бетона и пород при углубке ствола способом

снизу вверх

Основываясь на результатах моделирования углубки ствола способом снизу вверх, блочную крепь можно предусмотреть в нижней части зумпфа, наиболее подверженной влиянию углубки и давлению воды в зумпфе. Предлагаемая численная модель зумпфа позволит определить протяженность опасного участка зумпфа при влиянии углубки, разработать меры по усилению крепи до начала углубки ствола.

Список литературы

1. Прокопова М.В., Ткачева К.Э. Моделирование работы бетонной крепи реконструируемых вертикальных стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. №11. С. 110-114.

2. Прокопов А.Ю., Прокопова М.В., Ткачева К.Э. Исследование изменения напряженно-деформированного состояния крепи зумпфов на разных этапах эксплуатации и углубки вертикальных стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. №4. С. 37-41.

3. Прокопов А.Ю., Прокопова М.В., Ткачева К.Э. Обоснование параметров блочной крепи зумпфов углубляемых вертикальных стволов // Научное обозрение. 2014. № 11-3. С. 768-772.

4. Страданченко С.Г., Масленников С.А., Шинкарь Д.И. Состояние и перспективы развития крепления вертикальных стволов в сложных горногеологических условиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. № 2. С. 27-34.

5. Патент РФ 2433269 на изобретение. МПК: Е2Ш 5/11. Конструкция крепи вертикальных стволов с регулируемым режимом работы / С.Г. Страданченко, С.А. Масленников, Д.И. Шинкарь. Опубл. 16.11.2009.

6. Плешко М.С. Аналитическое исследование способов повышения несущей способности монолитной бетонной крепи вертикальных стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008. № 8. С. 263-268.

7. Плешко М.С. Крепь глубоких вертикальных стволов. Перспективы совершенствования // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2010. № 4. С. 159-165.

8. Патент РФ 2474693 на изобретение. МПК Е21Б 5/04. Блочная крепь вертикального ствола / С.Г. Страданченко, В.И. Голик, С.А. Масленников, А.Ю. Прокопов, К.Э. Ткачева Заявл. 28.11.2011; опубл. 10.02.2013. Бюл. № 4.

9. Масленников С.А. Оптимизация параметров технологии строительства вертикальных стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. № 11. С. 17-23.

10. Голик В.И., Страданченко С.Г., Масленников С.А. Реализация концепции природоохранной подземной разработки месторождений // Цветная металлургия. 2015. № 5. С. 39-42.

Прокопов Альберт Юрьевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, prokopov72@rambler.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный строительный университет,

Прокопова Марина Валентиновна, канд. техн. наук, доц, sun210872@yandex.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,

Ткачева Карина Эдуардовна, канд. техн. наук, ассист., karinatkacheva@,mail.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный строительный университет

RESEARCHING INFLUENCE OF DEPENDING METHOD OF VERTICAL SHAFT

ON MODE OF DEFORMATION SUMP

A.Yu. Prokopov, M.V. Prokopova, K.E. Tkacheva

There are results of researches by intense deformed condition sump support and the massif of rocks at a shaft deepening in the way down up full section. Comparative analysis of the results with the results of column's shaft deepening in the way down up was performed. There are recommendations about definitions of the way of gain a sump's support.

Key words: deepening, vertical shaft, support, intense deformed state, modeling.

Reference

1. Prokopova M.V., Tkacheva K.Je. Modelirovanie raboty beton-noj krepi rekon-struiruemyh vertikal'nyh stvolov //Gornyj infor-macionno-analiticheskij bjulleten'. 2013. №11. S. 110-114.

2. Prokopov A.Ju., Prokopova M.V., Tkacheva K.Je. Issledovanie izmenenija napr-jazhenno-deformirovannogo sostojanija krepi zumpfov na raznyh jetapah jekspluatacii i ug-lubki vertikal'nyh stvolov // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2013. №4. S. 3741.

3. Prokopov A.Ju., Prokopova M.V., Tkacheva K.Je. Obosnovanie parametrov blochnoj krepi zumpfov uglubljaemyh vertikal'nyh stvo-lov // Nauchnoe obozrenie. 2014. № 11-3. S. 768-772.

4. Stradanchenko S.G., Maslennikov S.A., Shinkar' D.I. Sostoja-nie i perspektivy razvitija kreplenija vertikal'nyh stvolov v slozhnyh gornogeologicheskih uslovijah // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2013. № 2. S. 27-34.

5. Patent RF 2433269na izobretenie. MPK: E21D 5/11. Kon-strukcija krepi vertikal'nyh stvolov s reguliruemym rezhimom rabo-ty / Stradanchenko S.G., Maslennikov S.A., Shinkar' D.I.Opubl. 16.11.2009.

6. Pleshko M.S. Analiticheskoe issledovanie sposobov povyshe-nija nesushhej spo-sobnosti monolitnoj betonnoj krepi vertikal'nyh stvolov // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2008. № 8. S. 263-268.

7. Pleshko M.S. Krep' glubokih vertikal'nyh stvolov. Perspek-tivy sovershenstvova-nija // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2010. № 4. S. 159-165.

8. Patent RF 2474693 na izobretenie. MPK E21D 5/04. Blochnaja krep' vertikal'nogo stvola / Stradanchenko S.G., Golik V.I., Maslen-nikov S.A., Prokopov A.Ju., Tkacheva K.Je. Zajavl. 28.11.2011; opubl. 10.02.2013. Bjul. № 4.

9. Maslennikov S.A. Optimizacija parametrov tehnologii stroi-tel'stva vertikal'nyh stvolov // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2015. № 11. S. 17-23.

_Геомеханика_

10. Golik V.I., Stradanchenko S.G., Maslennikov S.A. Realiza-cija koncepcii priro-doohrannoj podzemnoj razrabotki mestorozhdenij // Cvetnaja metallurgija. 2015. № 5. S. 3942.

Prokopov Albert Yurievich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, prokopov72@rambler.ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State University of Civil Engineer-

Prokopova Marina Valentinovna, candidate of technical sciences, docent, sun210872 @yandex.ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University,

Tkacheva Karina Eduardovna, candidate of technical sciences, assistant, karinatka-cheva@mail.ru, Rostov-on-Don, Rostov State University of Civil Engineering

УДК 622.002

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГОРНЫХ РАБОТ ПРИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ТЕРРИКОНОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Д. О. Прохоров

Изложены основные положения методики прогнозирования поведения породных откосов в зоне влияния горных работ при рекультивации или разборке терриконов угольных шахт, показана расчетная схема на примере нарезки въездной полутраншеи, приведены состав и алгоритм работы пакета программных модулей.

Ключевые слова: терриконы, отвалы, рекультивация, въездная траншея, метод начальных параметров, метод конечных разностей.

За 150 лет разработки Подмосковного угольного бассейна в Тульской области на дневной поверхности скопилось более 300 млн т горных пород в виде различных отходов производства. Основной объем этих отходов размещается в терриконах угольных шахт, в которых со временем посредством интенсивного окисления происходит вынос ряда химических элементов, в том числе и токсичных, так, например, происходит, по сути, кучное выщелачивание серосодержащих минералов под воздействием атмосферных осадков с образованием серной кислоты. Степень выноса токсичных элементов из тела терриконов различена и напрямую зависит от давности их создания [1, 2, 3]. Учитывая сроки интенсивного освоения Подмосковного угольного бассейна, терриконы угольных шахт оказывают серьезнейшее негативное влияние на окружающую среду. Самым действенным способом уменьшить это влияние является рекультивация терриконов угольных шахт [4, 5, 6].