Обоснование параметров крепления глубоких вертикальных стволов

УДК. 622.016.22:622.28

М.С. Плешко, канд. техн. наук, доц.

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КРЕПЛЕНИЯ ГЛУБОКИХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

Отмечена тенденция увеличения глубины вертикальных стволов. Сделан вывод об эффективности перехода на параллельные схемы проходки. Рассмотрены особенности напряженно-деформированного состояния призабойной зоны ствола. Предложена схема взаимодействия анкерно-бетонной крепи с массивом пород.

Ключевые слова: вертикальные стволы, анкерно-бетонная крепь, массив пород.

Основным способом вскрытия современных месторождений полезных ископаемых является проходка вертикальных стволов различного назначения.

Анализ данных по ряду вертикальных стволов, проектирование и строительство которых осуществлялось в 1990 - 2000 гг. в России и Украине показывает, что наметилась тенденция к увеличению глубины сооружаемых стволов.

Увеличение глубины ствола обуславливается необходимостью вскрытия более глубоких месторождений, переходом рудников с открытой на подземную добычу.

Опыт строительства вертикальных стволов также показывает следующее:

1. В настоящее время проходка стволов в нашей стране ведется по совмещенной технологической схеме, предусматривающей возведение монолитной бетонной крепи вслед за подвиганием забоя. Нормативная скорость проходки стволов по этой схеме составляет 60 м/мес., скоростной считается сооружение в месяц 100 м ствола и более.

2. Преобладающим типом крепи стволов является монолитный бетон классов В15 - В20 толщиной 300...500 мм. Основным способом повышения несущей способности крепи является увеличение ее толщины, переход на железобетонное крепление. В наиболее сложных условиях используют тюбинговые многослойные конструкции крепи.

Рассмотренная технология имеет ряд существенных недостатков (рис. 1), из которых такие недостатки как: высокие нагрузки на крепь ствола в призабойной зоне; увеличение излишка сечения ствола, отклонение крепи от проектного положения; ухудшение качества спускаемого по трубопроводу бетона усиливаются с увеличением глубины ствола [1].

Кроме того, с ростом глубины ствола, как правило, возрастает толщина крепи и объем участков, закрепленных железобетоном, что снижает технико-экономическую эффективность строительства.

Рис. 1. Недостатки совмещенной технологической схемы

В этой связи научное обоснование конструктивных и технологических решений по проходке и креплению глубоких вертикальных стволов является актуальной научной проблемой.

Зарубежный опыт проходки показывает, что перспективы здесь связаны, прежде всего, с переходом на параллельные технологические схемы проходки, получившие широкое распространение в ЮАР, Китае, США и других странах.

Рассмотрим особенности параллельной технологической схемы проходки ствола. Данная технология характеризуется отставанием постоянной крепи от забоя ствола на величину 15.25 м, с оставлением обнаженной породной поверхности незакрепленной или с использованием временной крепи.

Крепь вступает во взаимодействие с массивом после реализации значительной части смещений пород, при этом бетон заходок крепи набирает свою проектную прочность на значительном удалении от забоя ствола (до 100 м и более). Динамика процесса изменения напряженно-деформированного состояния породного массива в призабойном пространстве ствола во многом определяет особенности последующей работы системы «крепь» - «массив».

Для исследования этого вопроса автором выполнено численное моделирование методом конечных элементов объемной задачи взаимодействия крепи и массива в призабойной зоне ствола при параллельной схеме проходке. Проведенный сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния крепи и обнаженного массива пород позволил сделать следующие выводы:

1. Сравнение интенсивности напряжений и деформаций в обнаженных породах призабойной зоны ствола и вступающей в работу бетонной крепи показывает, что в вертикальных стволах, сооружаемых по параллельной технологической схеме, во всем диапазоне рассмотренных условий в первую очередь возникает опасность возможного разрушения обнаженного приконтурного массива с последующим вывалообразованием или развитие интенсивных неупругих деформаций, что может нарушить технологию крепления ствола.

2. В крепких устойчивых породах (Я сж >80 МПа, где в качестве Я аж рассматривается длительная прочность пород с учетом коэффициента структурного ослабления массива) напряжения и деформации в обнаженном массиве и крепи не достигают предельных значений даже на максимальных рассмотренных глубинах (1500 м). Проходка таких участков может осуществляться без временной крепи, а постоянная крепь представлять

собой монолитную бетонную или набрызгбетонную оболочку минимальной толщины.

3. Изменение величины отставания постоянной крепи от массива в рассмотренном диапазоне не оказывает значительного влияния на напря-жено-деформированное состояние приконтурных пород. Заметное влияние забоя ствола на интенсивность напряжений в обнаженных породах распространяется на высоту порядка 1,2 Оств, а отпор постоянной крепи из твердеющего бетона влияет только на непосредственно контактирующий с ним слой обнаженных пород высотой 1 - 1,5 м.

В остальной части обнаженного породного контура интенсивность напряжений соответствует величинам, полученным при расчете моделей протяженного участка ствола при отсутствии крепи.

4. Количественный анализ значений параметра Лоде-Надаи показывает, что объемное напряженное состояние обнаженных пород изменяется от состояния объемного растяжения и сдвига в близи контура выработки до состояния объемного сжатия в глубине массива.

Представленные выводы свидетельствуют о том, что область применения параллельной технологической схемы определяется возможностью обеспечения устойчивости призабойного участка породного массива различными конструктивными и технологическими решениями.

Одним из наиболее перспективных направлений является анкерное упрочнение массива.

Согласно многочисленных исследований [2 - 4] эффект от анкерного упрочнения пород заключается в увеличении приведенного модуля деформации и прочности пород и описывается коэффициентом упрочнения пород, Купр. Не менее важной характеристикой является длина анкеров, зависящая от необходимого размера зоны упрочнения.

Таким образом, задачу по обоснованию параметров упрочняющей анкерной крепи можно свести к определению необходимого коэффициента упрочнения пород и размера зоны упрочнения в различных условиях.

На основании анализа средней интенсивности эквивалентных напряжений в породах вокруг ствола, определяемых в соответствии с критерием прочности Кулона - Мора, автором получены графики для определения размера зоны упрочнения пород и коэффициента упрочнения в стволах различного диаметра (рис. 2, 3).

Рис.2. Величина размера зоны упрочнения пород при Вств=7,0 м

Рис.3. Значения коэффициента Купр при Бсте=7,0 м

В то же время анкерная крепь должна рассматриваться не только как временная, но и как часть постоянной охранной конструкции, влияющей на напряженно-деформированное состояние постоянной крепи.

Для учета этого влияния необходимо рассмотрение принципиально новой расчетной схемы (рис. 4), в которой выдвинутые концы анкеров взаимодействуют с бетонной оболочкой крепи и оказывают с ней совместное влияние на напряженно-деформированное состояние массива.

1 - упрочненная анкерами монолитная бетонная крепь;

2 - упрочненный анкерами массив; 3 - породный массив

В частности условие совместности перемещений точек закрепления анкера и соответствующих точек массива пород можно представить в виде:

N М

К,+. = ЕЕРР (и+ - икр) + (иЬ. (ХуИ) - и (Хуи)) +

" -1 р=

+(и;+1у (Ха' уИ)- и' (Ха* уИ)),

где - перемещения вдоль оси стержня (,+1) и ,-й точек закреп-

ления; . - анкера под действием единичной силы, приложенной в р-й точке

к-го стержня соответственно; и ,+1., и . - перемещения указанных точек под действием поля напряжений до установки монолитной бетонной крепи; и,+1 ., и - перемещения указанных точек под действием поля напряжений после установки монолитной бетонной крепи; Ркр - значения усилий, возникающих в точках закрепления анкерных стержней в массиве пород; И - глубина ствола;^ - средний объемный вес вышележащей толщи *

пород; а - коэффициент, учитывающий отставание постоянной крепи от забоя ствола;7=1,2,..., N к=1,2,..., N ,=1,2,., М; р=1,2,..., М; N - количе-

ство анкерных стержней; М - количество точек закрепления анкерного стержня в массиве.

Значения напряжений и деформаций в элементах системы с учетом их взаимного влияния определяются на основе аналитического анализа взаимодействия системы «бетонная крепь - анкерная крепь - породный массив».

В заключение отметим, что переход на параллельную технологию должен изменить концепцию крепления ствола. Толщина бетонной крепи принимается минимальной и постоянной по глубине ствола, а увеличение ее несущей способности осуществляется за счет повышения класса бетона.

Достичь значительного увеличения прочности бетона можно путем использования современных модификаторов на основе микрокремнезема, золы-уноса и суперпластификаторов серий «МБ» и др. При этом доставка бетонной смеси в забой ствола должна осуществляться в специальных контейнерах.

Такие технологические решения позволят получить крепь с высокими эксплуатационными параметрами при минимальной себестоимости строительства и обеспечить безремонтную эксплуатацию глубоких стволов в течение длительного периода.

Список литературы

1. Ягодкин Ф.И., Сыркин С.П. Повышение технико-экономической эффективности и качества крепления вертикальных стволов // Научнотехнические проблемы шахтного строительства: сб. науч. тр. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. C. 74 - 78.

2. Н.С. Булычев. Механика подземных сооружений: учеб. для вузов. М.: Недра, 1994. 382 с

3. Кравченко Г.И. Облегченные крепи вертикальных выработок. М.: Недра, 1974. 208 с.

4. Инструкция по расчету и применению облегченных видов крепей с анкерами в вертикальных стволах. Харьков: ВНИИОМШС, 1990. 75 с.

M. Pleshko

Foundation parameters of timbering deep vertical shafts

Tendency of increasing vertical shafts deep is shown. Conclusion about efficiency using driving parallel schemes was made. Peculiarities of stressedly-deformed condition of formation zone shaft were considered. The scheme of interacting anchor-concrete lining with rock massif was proposed.

Key words: vertical shaft, bolting-concrete lining, rock massif.

Получено 17.03.2010